Ermüdungsfestigkeitsuntersuchungen an beschliffenen sowie beschliffenen und gestrahlten Schweißnähten

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1 Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH Ermüdungsfestigkeitsuntersuchungen an beschliffenen sowie beschliffenen und gestrahlten Schweißnähten Miriam Fett 6. Rostocker Schweißtage Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH

2 Inhalt Einleitung Werkstoffe und Methoden Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 2

3 Materialermüdung Sicherheit und Betriebsfestigkeit von Maschinen und Anlagen Sander M., Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2008 Sicherheit und Betriebsfestigkeit von Maschinen und Anlagen Sander M., Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2008 Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 3

4 Problematik durch das Einbringen von Wärme und Zusatzwerkstoff werden beim Schweißen metallurgische und geometrische Kerben hervorgerufen Kerbfall 112 (nach DIN EN ) Abschleifen der Nahtüberhöhung in Lastrichtung erforderlich Zugänglichkeit für Schleifvorrichtungen und Automatisierung des Schleifprozesses nicht immer gegeben manuelles Beschleifen Abschleifen in Lastrichtung sehr zeit- und kostenintensiv Kombination Abschleifen der Nahtüberhöhung und Kugelstrahlen Aufhebung der Schleiforientierung Einbringen von Druckeigenspannungen in Randbereich Kaltverfestigung der Werkstoffoberfläche Steigerung der Ermüdungsfestigkeit Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 4

5 Ziel Betrachtung des Einflusses der Schleifrichtung (quer und in Lastrichtung) auf die Ermüdungsfestigkeit Erfassung der Auswirkung des Kugelstrahlens nach dem Beschleifen der Schweißnaht auf die Oberfläche Vergleich des anschließenden Kugelstrahlens auf die Ermüdungsfestigkeit zu den ausschließlich beschliffenen Schweißnähten Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 5

6 Inhalt Einleitung Werkstoffe und Methoden Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 6

7 Werkstoff Baustahl der Güte S355J2+N Blechdicke t = 12 mm Stumpfnaht am Rohr (Ø = 2040 mm) Stumpfnaht am Blech C Si Mn P S Cr Ni Mo DIN EN ,20 0,55 1,60 0,025 0,025 Rohr 0,159 0,17 1,36 0,014 0,012 0,023 0,012 0,002 Blech 0,152 0,18 1,34 0,012 0,008 0,026 0,014 0,002 Cu Al Ti V Nb N Fe DIN EN ,55 Rohr 0,024 0,031 <0,001 0,003 <0,001 0,009 98,10 Blech 0,027 0,033 <0,001 0,003 <0,001 0,009 98,15 Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 7

8 Prüfstücke Schweißen: Schweißprozess 121 (Unterpulverschweißen) zweilagig, beidseitig Nachbehandlung Schleifen: Außenseite: Körnung 40 Innenseite: Körnung 24 quer zur Lastrichtung: maschinell in Lastrichtung: manuell Nachbehandlung Kugelstrahlen: manuell, senkrecht Strahldruck 7 bis 8 bar Strahlmittel aus Stahlguss (Oberflächenbehandlung /-reinigung von Stahl) Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 8

9 Prüfstücke Prüfstück Schleiforientierung Kugelstrahlen Rohr quer zur Lastrichtung nicht erfolgt Rohr in Lastrichtung nicht erfolgt Rohr quer zur Lastrichtung erfolgt Rohr in Lastrichtung erfolgt Blech quer zur Lastrichtung erfolgt Blech in Lastrichtung erfolgt Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 9

10 Durchgeführte Untersuchungen Sichtprüfung gemäß DIN EN ISO Ultraschallprüfung gemäß DIN EN ISO Rauigkeitsmessung gemäß DIN EN ISO 4288 Makroskopische Untersuchung gemäß DIN EN 1321 Mikroskopische Untersuchung gemäß DIN EN 1321 Härteprüfung (HV10) gemäß DIN EN ISO Mikrohärteprüfung (HV0,02) gemäß DIN EN ISO Querzugversuch gemäß DIN EN ISO 4136 Schwingfestigkeitsuntersuchung gemäß DIN Eigenspannungsmessung (röntgenographisch) Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 10

11 Schwingfestigkeitsuntersuchung Probenform Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 11

12 Schwingfestigkeitsuntersuchung Versuchsaufbau Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 12

13 Schwingfestigkeitsuntersuchung Versuchsaufbau Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 13

14 Schwingfestigkeitsuntersuchung Versuchsdurchführung/-parameter Perlschnurverfahren Raumtemperatur konstantes Spannungsverhältnis R = 0,1 Prüffrequenz f = 20 bis 90 Hz Spannungen unterhalb der Streckgrenze / 0,2%-Dehngrenze Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 14

15 Inhalt Einleitung Werkstoffe und Methoden Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 15

16 Sichtprüfung Bewertungsgruppe B der DIN EN ISO 5817 ist erfüllt Prüfstück - Rohr verbliebene Nahtüberhöhung (max. 0,5 mm) Außen Innen quer zur Lastrichtung beschliffen -0,7 mm -1,6 mm in Lastrichtung beschliffen 0,35 mm 0,4 mm quer zur Lastrichtung beschliffen und gestrahlt 0,4 mm -0,4 mm in Lastrichtung beschliffen und gestrahlt 0,4 mm 0,4 mm Prüfstück - Rohr Schleiforientierung Außen Innen quer zur Lastrichtung beschliffen z.t. in Lastrichtung quer zur Lastrichtung in Lastrichtung beschliffen Winkel ca. 25 zur Winkel ca. 25 zur Lastrichtung Lastrichtung quer zur Lastrichtung beschliffen und gestrahlt nicht erkennbar nicht erkennbar in Lastrichtung beschliffen und gestrahlt nicht erkennbar nicht erkennbar Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 16

17 Rauigkeitsmessung Rauigkeit in µm Prüfstück - Rohr Außen Innen Ra Rz Ra Rz (quer / längs) (quer / längs) (quer / längs) (quer / längs) quer zur Lastrichtung beschliffen 4,53 / 6,31 25,1 / 27,9 6,89 / 10,09 40,9 / 40,7 in Lastrichtung beschliffen 4,06 / 3,60 22,9 / 23,0 5,27 / 4,67 24,8 / 21,5 quer zur Lastrichtung beschliffen und gestrahlt 17,73 / 17,63 98,3 / 106,57 17,62 / 17,41 97,1 / 101,7 in Lastrichtung beschliffen und gestrahlt 16,50 / 17,12 96,7 / 98,8 18,30 / 18,72 104,5 / 106,1 quer zur Lastrichtung beschliffen quer zur Lastrichtung beschliffen und gestrahlt Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 17

18 Makroskopische Untersuchung Bewertungsgruppe B der DIN EN ISO 5817 ist erfüllt quer zur Lastrichtung beschliffen Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 18

19 Mikroskopische Untersuchung Bewertungsgruppe B der DIN EN ISO 5817 ist erfüllt SG GKZ ZTU SG FKZ GW Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 19

20 Mikroskopische Untersuchung quer zur Lastrichtung beschliffen quer zur Lastrichtung beschliffen und gestrahlt in Lastrichtung beschliffen in Lastrichtung beschliffen und gestrahlt Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 20

21 Härtewert in HV0,02 Härtewert in HV0,02 Härteprüfung nach DIN EN ISO maximal ermittelter Härtewert = 211 HV10 (WEZ) 220,0 210,0 Rohr - quer zur Lastrichtung beschliffen 220,0 210,0 Rohr - quer zur Lastrichtung beschliffen und gestrahlt 200,0 200,0 190,0 190,0 180,0 180,0 170,0 170,0 160,0 160,0 150,0 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 Abstand zur Oberfläche in mm 150,0 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 Abstand zur Oberfläche in mm Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 21

22 Eigenspannungsmessung (röntgenographisch) in Lastrichtung beschliffen quer zur Lastrichtung beschliffen und gestrahlt Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 22

23 Schwingfestigkeitsuntersuchung quer zur Lastrichtung beschliffen Spannungsschwingbreite bei 2*10^6 Schwingspielzahlen beträgt 235,8 N/mm² (Pü = 95,0%) Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 23

24 Schwingfestigkeitsuntersuchung in Lastrichtung beschliffen Spannungsschwingbreite bei 2*10^6 Schwingspielzahlen beträgt 216,9 N/mm² (Pü = 95,0%) Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 24

25 Schwingfestigkeitsuntersuchung quer zur Lastrichtung beschliffen und gestrahlt Spannungsschwingbreite bei 2*10^6 Schwingspielzahlen konnte nicht ermittelt werden (Pü = 95,0%) Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 25

26 Schwingfestigkeitsuntersuchung in Lastrichtung beschliffen und gestrahlt Spannungsschwingbreite bei 2*10^6 Schwingspielzahlen beträgt 237,0 N/mm² (Pü = 95,0%) Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 26

27 Inhalt Einleitung Werkstoffe und Methoden Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 27

28 Zusammenfassung und Ausblick alle untersuchten Prüfstücke erreichen den Kerbfall 112 (nach DIN EN ) verbliebene Nahtüberhöhung wirkt sich negativ auf die Ermüdungsfestigkeit aus Kugelstrahlen im Anschluss an das Abschleifen der Decklage bewirkt: Erhöhung der Ra- und Rz-Werte Aufhebung der Orientierung der Schleifriefen Kaltverfestigung der Werkstoffoberfläche Einbringung von Druckeigenspannungen in den Randbereich Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit Absicherung der Ergebnisse mittels Lasthorizontverfahren weitere Untersuchungen der kombinierten Schweißnahtnachbehandlung (Schleifen + Strahlen) an geringeren und größeren Blechdicken Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 28

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH Miriam Fett Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 29