DE102018208376A1

DE102018208376A1 - Verfahren zum Ermitteln von mindestens einem Kennwert zur Beurteilung der Beanspruchbarkeit von mindestens einem Schweißnahtanfang und/oder mindestens einem Schweißnahtende

Info

Publication number: DE102018208376A1
Application number: DE102018208376.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Werz; Stefan Weihe; Martin Folkert; Franz Xaver Schuler
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2018-05-28
Filing date: 2018-05-28
Publication date: 2019-11-28

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Ermitteln von mindestens einem Kennwert zur Beurteilung der Beanspruchbarkeit von mindestens einem Schweißnahtanfang (16) und/oder mindestens einem Schweißnahtende (18) vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst Verschweißen von einem ersten Werkstück (10) und einem zweiten Werkstück (12) miteinander mittels mindestens zwei Schweißnähten (14), Ausbilden von zwei Schweißnahtanfängen (16) und/oder zwei Schweißnahtenden (18) der zwei Schweißnähte (14) im Wesentlichen symmetrisch und beabstandet voneinander, Durchführen mindestens einer vorbestimmten Prüfmethode zur Beurteilung der Beanspruchbarkeit von Schweißnähten (14) an dem miteinander verschweißten ersten Werkstück (10) und zweiten Werkstück (12) im Bereich mindestens einer der zwei Schweißnahtanfänge (16) und/oder mindestens einer der zwei Schweißnahtenden (18) zum Ermitteln mindestens eines Messwerts und Ermitteln des mindestens einen Kennwerts zur Beurteilung der Beanspruchbarkeit von mindestens einem Schweißnahtanfang (16) und/oder mindestens einem Schweißnahtende (18) basierend auf dem Messwert.

Description

In sehr vielen Konstruktionen finden sich Schweißnahtanfänge und -enden, da diese aus wirtschaftlichen und technischen Gründen nicht entfernt werden können. Schweißnahtenden und Schweißnahtanfänge stellen sehr häufig die Versagensursache bzw. den Versagensort einer Schweißnaht bzw. eines Bauteils dar. Bislang wird im Maschinen- und Stahlbau (Eurocode, FKM-Richtlinie) nicht explizit auf die Beanspruchbarkeit der Schweißnahtenden eingegangen, weil es dazu kein Konzept und keine Probenform gibt, um entsprechende Kennwerte zu erzeugen. Im Allgemeinen versagen Schweißnähte bei statischer und besonders bei zyklischer Belastung an den Anfängen oder Enden bzw. von dort geht in aller Regel die Rissbildung aus. Dies liegt daran, dass der Anfang und das Ende eine zusätzliche geometrische Kerbe bzw. teilweise sogar eine rissähnliche Geometrie darstellt. Überdies weisen die Anfänge oftmals noch nicht den vollen Einbrand auf weil das Werkstück noch kalt ist, wobei es bei den Enden häufig zu Endkratern und/ oder zu Rissen kommt (Endkraterrissen).
Aus diesem Grund werden Schweißnahtanfänge und Enden bei besonders hochwertigen Konstruktionen oftmals entfernt bzw. entsprechende Anlauf- und Auslaufbleche verwendet, um diese Problematik aus dem eigentlichen Bauteil zu halten. Aus Kostengründen oder technischen Randbedingungen ist dies allerdings bei der Mehrzahl an Schweißverbindungen nicht möglich.
Als kostengünstige Alternative wird der Anfang oder das Ende bei entsprechend hohen Beanspruchungen der Schweißnaht bewusst in etwas geringer beanspruchte Bereiche des Bauteils gelegt.
Die Frage, welche Beanspruchung das Schweißnahtende im Vergleich zu einer durchgängigen Naht ertragen kann, ist allerdings mit heutigen Prüfmethoden und den dazugehörigen Auslegungsmethoden und Normen, wie beispielsweise der FKM-Richtlinie oder dem Eurocode 3 nur unzureichend zu beantworten. Ein Grund hierfür ist die Tatsache, dass an Schweißnahtanfängen oder -Enden eine komplexe und nicht sauber trennbare Überlagerung von geometrischer und metallurgischer Kerbe vorliegt, die insbesondere von den Schweißverfahren und den gewählten Schweißparametern abhängen.
Es wird daher ein Verfahren bzw. eine Prüfmethode vorgeschlagen, das bzw. die die oben beschriebenen Nachteile zumindest weitgehend vermeidet und eine Bewertung erlaubt, um Schweißnahtenden und -anfängen quantitative Kennwerte der Beanspruchbarkeit zuordnen zu können.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ermitteln von mindestens einem Kennwert zur Beurteilung der Beanspruchbarkeit von mindestens einem Schweißnahtanfang und/oder mindestens einem Schweißnahtende umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge:

- Verschweißen von einem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück miteinander mittels mindestens zwei Schweißnähten,
- Ausbilden von zwei Schweißnahtanfängen und/oder zwei Schweißnahtenden der zwei Schweißnähte im Wesentlichen symmetrisch und beabstandet voneinander,
- Durchführen mindestens einer vorbestimmten Prüfmethode zur Beurteilung der Beanspruchbarkeit von Schweißnähten an dem miteinander verschweißten ersten Werkstück und zweiten Werkstück im Bereich mindestens einer der zwei Schweißnahtanfänge und/oder mindestens einer der zwei Schweißnahtenden zum Ermitteln mindestens eines Messwerts und
- Ermitteln des mindestens einen Kennwerts zur Beurteilung der Beanspruchbarkeit von mindestens einem Schweißnahtanfang und/oder mindestens einem Schweißnahtende basierend auf dem Messwert.

Durch das Verschweißen von zwei Werkstücken mittels mindestens zwei Schweißnähten lässt sich in kostengünstiger Weise eine robuste Probenform herstellen. Durch das Ausbilden von zwei Schweißnahtanfängen und/oder zwei Schweißnahtenden der zwei Schweißnähte im Wesentlichen symmetrisch und beabstandet voneinander, können mit der Probenform die mechanischen Eigenschaften der Schweißnahtenden und -anfänge jeweils integral jedoch für beide Typen separat bestimmt werden. Dabei sind entweder zwei Anfänge oder zwei Enden an der höchst beanspruchten Stelle der Probenform. Mittels der Prüfmethode lässt sich zumindest ein Messwert gewinnen, der als Grundlage zur Ermittlung eines Kennwerts zur Beurteilung der Beanspruchbarkeit eines Schweißnahtanfangs oder Schweißnahtendes erlaubt. Anhand des so ermittelten Kennwerts lässt sich die Beanspruchbarkeit eines Schweißnahtanfangs oder Schweißnahtendes beurteilen. Die Vorteile gegenüber dem Stand der Technik sind vielfältig. So ist die Herstellung von Bruchmechanikproben, wie sie aus verwandten technischen Gebieten bekannt ist, sehr zeitaufwändig und damit teuer. Das Anschwingen, also das definierte Einbringen eines Risses, kostet beispielsweise in der Größenordnung mehrere hundert bis einige tausend Euro. Die entwickelte Probenform ist hingegen sehr einfach, da nur geschweißt werden muss und ggf. zwei gerade Schnitte, wie beispielsweise mit einer Säge oder durch Stanzen, gemacht werden müssen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Schweißnahtenden bzw. - anfänge jeweils integral betrachtet werden und keine Differenzierung in metallurgische Kerbe und geometrische Kerbe erfolgen muss, sondern der ermittelte Kennwert beide Anteile zusammenfasst. Damit ist dieser Kennwert besonders aussagekräftig, anwenderfreundlich und praxisnah.
Bei einer Weiterbildung werden das erste Werkstück und das zweite Werkstück derart miteinander mittels der zwei Schweißnähte verschweißt, dass die zwei Schweißnahtanfänge und/oder zwei Schweißnahtenden im Wesentlichen symmetrisch und beabstandet voneinander ausgebildet sind. Mit anderen Worten wird die symmetrische Anordnung der Schweißnahtanfänge oder Schweißnahtenden durch die Art der Ausbildung der Schweißnähte selbst realisiert. Mit dieser Probenform können daher Schweißnaht Anfang und Ende separat betrachtet werden, da entweder zwei Anfänge oder zwei Enden an der höchst beanspruchten Stelle der Probe sind.
Alternativ werden das erste Werkstück und das zweite Werkstück derart miteinander mittels der zwei Schweißnähte zugeschnitten, dass die zwei Schweißnahtanfänge und/oder zwei Schweißnahtenden im Wesentlichen symmetrisch und beabstandet voneinander ausgebildet sind. Mit anderen Worten werden die Werkstücke so verschweißt, dass sich in der Mitte zwei Anfänge oder zwei Enden ein einem definierten Abstand gegenüberstehen, und aus einem solchen Abschnitt wird dann nach dem Schweißvorgang ein quer zur Schweißrichtung orientierter, insbesondere paralleler, Streifen so herausgetrennt, dass sich eine spiegel- und/oder punktsymmetrische Probe ergibt. Alternativ dazu kann das jeweils nicht betrachtete Ende bzw. der Anfang ganz an den Rand der Probe gelegt werden bzw. es können entsprechende Anlauf oder Auslaufbleche verwendet werden- um ein vorzeitiges Versagen der Proben von diesen Stellen zu vermeiden. Mit dieser Probenform können daher Schweißnaht Anfang und Ende separat betrachtet werden, da entweder zwei Anfänge oder zwei Enden an der höchst beanspruchten Stelle der Probe sind.
Bei einer Weiterbildung werden die zwei Schweißnähte im Wesentlichen spiegelsymmetrisch, achsensymmetrisch oder punktsymmetrisch zueinander ausgebildet. Aufgrund der Symmetrie dieser Probenform kann der Spannungszustand sehr einfach beschrieben werden und die Probe ist sehr robust in der Handhabung. Aufgrund der Symmetrie dieser Probenform kann die Beanspruchbarkeit der Schweißnahtanfänge oder Schweißnahtenden sehr einfach beschrieben werden.
Bei einer Weiterbildung erfahren das erste und zweite verschweißte Werkstück im Bereich mindestens einer der zwei Schweißnahtanfänge und/oder mindestens einer der zwei Schweißnahtenden eine statische oder zyklische oder schlagartige Beanspruchung. Die erfindungsgemäße Probenform kann somit sowohl zur Ermittlung statischer Kennwerte als auch zur Ermittlung zyklischer Kennwerte, bruchmechanischer Kennwerte oder Zähigkeitskennwerte dienen. Das heißt, es kann über eine Einspannung zum einen eine insbesondere monoton zunehmende Last auf die Probe aufgebracht werden, um statische Kennwerte zu ermitteln. Andererseits können wechselnde Kräfte, wie beispielsweise Sinusschwingungen, Rampen mit Dreiecksform, stochastische oder deterministische Schwingungen usw., angewendet werden, um zyklische Kennwerte zu ermitteln. Darüber hinaus können auch schlagartige, das heißt sehr schnelle, Beanspruchungen aufgebracht werden. Die Beanspruchung erfolgt vorzugsweise senkrecht zur Schweißrichtung.
Bei einer Weiterbildung werden bei statischer oder schlagartiger Beanspruchung die Kraft und/oder mindestens eine Verformungsgröße an dem miteinander verschweißten ersten Werkstück und zweiten Werkstück im Bereich mindestens einer der zwei Schweißnahtanfänge und/oder mindestens einer der zwei Schweißnahtenden ermittelt oder bei zyklischer Beanspruchung wird die Anzahl der Zyklen bis zum Bruch des miteinander verschweißten ersten Werkstücks und zweiten Werkstücks oder die Verlängerung einer zwischen den Schweißnähten befindlichen Werkstofftrennung in Anhängigkeit der Zyklenzahl ermittelt. Entsprechend lässt sich eine Vielzahl von Kennwerten zur Beurteilung der Beanspruchbarkeit der Schweißnahtanfänge oder Schweißnahtenden ermitteln.
Bei einer Weiterbildung ist die äußere Belastung der verschweißten Werkstücke eine zeitlich veränderliche Kraft, die in der Probenebene wirkt, vorzugsweise quer zur Schweißnaht oder unter einem definierten Winkel, oder ein zeitlich veränderliches Biegemoment um die Längsachse der Schweißnähte. Somit kann die entwickelte Probenform bzw. entsprechende Abwandlungen auch für Schubbeanspruchung oder Mixed-Mode-Beanspruchung eingesetzt werden. Hierzu können insbesondere entsprechende Einspannteile eingesetzt werden.
Bei einer Weiterbildung ist der Messwert mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mechanische Spannung, Dehnung, Verschiebung, J-Integral und Spannungsintensität. Die Beanspruchung am Schweißnahtanfang oder -ende kann prinzipiell in einer Einheit ausgedrückt werden. Hierzu gehören die genannten Messwerte mit ihren entsprechenden Einheiten oder eine neu zu definierende Einheit, die aus dem gewonnenen Messwert ermittelt wird.
Bei einer Weiterbildung wird zum Ermitteln des Kennwerts der mindestens eine Messwert in mindestens einer Kennlinie aufgetragen. Mit anderen Worten wird basierend auf dem Messwert und bevorzugt basierend auf mehreren Messwerten eine Kennlinie erstellt, die eine Aussage über die Beanspruchbarkeit der Schweißnahtanfänge oder Schweißnahtenden erlaubt.
Bei einer Weiterbildung ist die Kennlinie mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Anrisskennlinie, Wöhlerline und Gassnerlinie. Hierzu wird die Beanspruchung der Schweißnahtenden bzw. Anfänge, über der Anrisslastspielzahl und/oder Bruchlastspielzahl aufgetragen und ggf. statistisch ausgewertet.
Bei einer Weiterbildung ist der Kennwert mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: statischer Kennwert, zyklischer Kennwert, bruchmechanischer Kennwert und Zähigkeitskennwert. Entsprechend lässt sich eine Vielzahl von aussagekräftigen Kennwerten ermitteln.
Bei einer Weiterbildung umfasst die vorbestimmte Prüfmethode mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: statische Beanspruchung, wechselnde Beanspruchung, schwingende Beanspruchung, Biegebeanspruchung und schlagartige Beanspruchung. Entsprechend lässt sich die Probe mit einer Vielzahl von Prüfmethoden untersuchen.
Bei einer Weiterbildung umfasst die vorbestimmte Prüfmethode eine Beanspruchung in einer Richtung in einem Winkel in einem Bereich von 0° bis 90°, insbesondere 0°, 30°, 60° oder 90°, zu einer Erstreckungsrichtung der Schweißnähte. Damit lassen sich Beanspruchungen in unterschiedlichen Richtungen untersuchen.
Bei einer Weiterbildung umfasst das Verfahren weiterhin mindestens eine Schweißnahtvorbereitung und/ oder mindestens eine Schweißnahtnachbehandlung. Der Schweißprozess bei der Herstellung der Proben wird vorzugsweise identisch durchgeführt wie er am realen Bauteil angewendet wird, das damit ausgelegt oder bewertet werden soll. Hierzu gehört insbesondere die gleiche Nahtvorbereitung und/ oder die gleiche Nachbehandlung. Wird beispielsweise im realen Bauteil eine Schweißnahtnachbehandlung durchgeführt insbesondere geglüht und/ oder gehämmert oder gebeizt oder beschliffen, so sollen diese Nachbehandlungsverfahren auch auf die Probe angewendet werden, um den Einfluss dieser Verfahren mit zu erfassen.
Bei einer Weiterbildung werden das erste Werkstück und das zweite Werkstück mit mehreren wechselseitig ausgerichteten Schweißnähten verschweißt, wobei die Schweißnähte jeweils einen vorbestimmten Abstand zueinander aufweisen, wobei das erste Werkstück und das zweite Werkstück nach dem Verschweißen in mehrere Teile getrennt werden, wobei die Teile jeweils zwei im Wesentlichen symmetrisch zueinander angeordnete und voneinander beabstandete Schweißnahtanfänge oder zwei symmetrisch zueinander angeordnete und voneinander beabstandete Schweißnahtenden aufweisen. Die Herstellung der Proben ist besonders günstig, wenn zwei entsprechend große Werkstücke mit mehreren, jeweils wechselseitig ausgerichteten Schweißnähten, die jeweils einen definierten Abstand aufweisen, verschweißt werden und dann die Proben hieraus entnommen werden.
Bei einer Weiterbildung wird der Messwert mittels eines Dehnungssensors ermittelt. Somit kann die Verschiebung bzw. die Rissaufweitung durch einen Messclip detektiert werden.
Bei einer Weiterbildung wird der Dehnungszustand mittels eines Ansetzaufnehmers und/oder eines optischen Dehnungssensors insbesondere mittels digitaler Bildkorrelation ermittelt. Um den Rissstart und den Rissfortschritt detektieren zu können, kann insbesondere bei Resonanzprüfmaschinen die Prüffrequenz überwacht werden und so ein Abfall der Probensteifigkeit als Maß für Rissstart und Risslänge verwendet werden.
Bei einer Weiterbildung ist der Dehnungssensor an Befestigungspunkten an einen unverschweißten Abschnitt zwischen den Schweißnahtanfängen und/oder Schweißnahtenden angrenzend an dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück befestigt. Somit ist es möglich die Aufweitung der Probe bzw. des Risses zu messen.
Bei einer Weiterbildung ist der Dehnungssensor mit dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück an den Befestigungspunkten verklebt, verschraubt, verklemmt und/oder verschweißt. Entsprechend erlaubt die Probe die Befestigung des Dehnungssensors in flexibler und vielfältiger Weise.
Bei einer Weiterbildung werden die Schweißnähte als Durchschweißung, Überlappverbindung, Kehlnaht, oder Stumpfstoßverbindung ausgebildet. Entsprechend können Stumpfnähte oder Überlappnähte oder irgendwelche Kombinationen geprüft werden.
Bei einer Weiterbildung werden die Schweißnähte einlagig oder mehrlagig ausgebildet. Entsprechend eignet sich das Verfahren zur Untersuchung von verschiedenen Arten von Schweißnähten.
Bei einer Weiterbildung werden das erste Werkstück und das zweite Werkstück mittels mindestens eines Verfahrens verschweißt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Laserschweißen, Elektronenschweißen, Rührreibschweißen, MIG-Schweißen, MAG-Scheißen, WIG-Schweißen, Unterpulverschweißen, Elektrodenschweißen und Fülldrahtschweißen. Somit lassen sich mit dem verfahren verschiedene Schweißmethoden untersuchen.
Bei einer Weiterbildung weist das erste Werkstück und das zweite Werkstück jeweils eine Dicke von zwischen 0,08 mm bis 35 mm, bevorzugt von zwischen 0,1 mm bis 30 mm und noch bevorzugter von 0,2 mm bis 10 mm auf.
Bei einer Weiterbildung weisen das erste Werkstück und das zweite Werkstück jeweils eine Breite auf, die um einen Faktor 8 bis 250 und bevorzugt 10 bis 200 größer als eine Dicke des ersten Werkstücks und des zweiten Werkstücks ist.
Bei einer Weiterbildung weist ein unverschweißter Abschnitt zwischen den Schweißnahtanfängen und/oder Schweißnahtenden eine Länge von 4 % bis 80 %, bevorzugt von 5 % bis 75 % und noch bevorzugter von 15 % bis 50 % einer Breite des ersten Werkstücks und des zweiten Werkstücks auf.
Bei einer Weiterbildung sind das erste Werkstück und das zweite Werkstück als Blech ausgebildet.
Bei einer Weiterbildung liegt zwischen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück ein Spalt von 0 bis 10 mm vorzugsweise 0 bis 2,0 mm, insbesondere 0 bis 50% der Werkstückdicke vor.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Auslegen eines Bauteils vorgeschlagen, das das Durchführen eines Verfahrens gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungen, Durchführen einer Simulation, insbesondere Finite-Elemente-Verfahren, zum Ermitteln eines simulativen Kennwerts zur Beurteilung der Beanspruchbarkeit von mindestens einem Schweißnahtanfang und/oder mindestens einem Schweißnahtende, und Vergleichen des experimentell ermittelten Kennwerts und des simulativen Kennwerts zum Ermitteln bzw. Bewerten der Belastbarkeit und/oder der Sicherheit des untersuchten Bauteils dient. Mit anderen Worten wird das zuvor beschrieben Verfahren durchgeführt, um einen Kennwert zu ermitteln, der als experimenteller Kennwert bezeichnet wird. Ergänzend wird mittels eines simulativen Verfahrens ein Kennwert ermittelt, der als simulativer Kennwert oder simulativ ermittelter Kennwert bezeichnet wird. Durch Vergleichen des experimentellen Kennwerts und des simulativen Kennwerts wird dann die Belastbarkeit bzw. Sicherheit des Bauteils ermittelt bzw. bewertet.
Zur Auslegung von Bauteilen werden heute meist Finite-Elemente-Modelle bzw. Finite-Elemente-Berechnungen herangezogen. Um ein Maß für die Beanspruchung am Schweißnahtende bzw. Anfang zu ermitteln, kann an der entsprechenden Stelle im Finite-Elemente-Modell ein Riss oder eine Einheitskerbe, d.h. Kerbe mit bekanntem Radius bzw. Kerbfaktor modelliert werden. Die Beanspruchung ergibt sich dann aus dem Simulationsergebnis z.B. als (maximale) Spannung an der modellierten Einheitskerbe oder als (maximale) Dehnung an der Einheitskerbe oder als J-Integral an einem modellierten Riss oder aus einem anderen aus mehreren verrechneten mechanischen Größen, insbesondere Spannungen, Dehnungen, Verschiebungen, Aufweitungen oder dergleichen. Diese Beanspruchung kann dann direkt oder über entsprechende Gleichungen bzw. unter einbeziehen geeigneter Korrekturfaktoren, z.B. abhängig vom modellierten Kerbradius, ermittelt werden. Durch Vergleich von experimentell ermittelter Beanspruchbarkeit und numerisch ermittelter Beanspruchung kann die Sicherheit und/ oder die Lebensdauer des Schweißnahtanfangs bzw. des Schweißnahtendes bei angenommener äußerer Last des Bauteils berechnet werden.
Unter dem Begriff „Beanspruchbarkeit“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Eigenschaft eines Gegenstands zu verstehen, die die Auswirkung einer äußeren Belastung auf das Innere des Gegenstands beschreibt. Die Beanspruchbarkeit umfasst insbesondere, aber nicht ausschließlich lokale mechanische Spannung, lokale mechanische Dehnung, Verschiebung, Biegung, Rissöffnung, Spannungsintensität. Mechanische Beanspruchung ist durch die Ausbildung von mechanischen Spannungen gekennzeichnet.
Unter dem Begriff „Messwert“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein mittels einer Prüfmethode ermittelter oder aus einem Ergebnis der Prüfmethode abgeleiteter Wert zu verstehen.
Unter dem Begriff „Kennwert“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine charakteristische Kenngröße zu verstehen, die die Beanspruchbarkeit beschreibt.
Zusammenfassend umfasst die vorliegende Erfindung die folgenden Aspekte:

Aspekt 1: Verfahren zum Ermitteln von mindestens einem Kennwert zur Beurteilung der Beanspruchbarkeit von mindestens einem Schweißnahtanfang und/oder mindestens einem Schweißnahtende, umfassend:
- - Verschweißen von einem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück miteinander mittels mindestens zwei Schweißnähten,
- - Ausbilden von zwei Schweißnahtanfängen und/oder zwei Schweißnahtenden der zwei Schweißnähte im Wesentlichen symmetrisch und beabstandet voneinander,
- - Durchführen mindestens einer vorbestimmten Prüfmethode zur Beurteilung der Beanspruchbarkeit von Schweißnähten an dem miteinander verschweißten ersten Werkstück und zweiten Werkstück im Bereich mindestens einer der zwei Schweißnahtanfänge und/oder mindestens einer der zwei Schweißnahtenden zum Ermitteln mindestens eines Messwerts und
- - Ermitteln des mindestens einen Kennwerts zur Beurteilung der Beanspruchbarkeit von mindestens einem Schweißnahtanfang und/oder mindestens einem Schweißnahtende basierend auf dem Messwert.
Aspekt 2: Verfahren nach Aspekt 1, wobei das erste Werkstück und das zweite Werkstück derart miteinander mittels der zwei Schweißnähte verschweißt oder zugeschnitten werden, dass die zwei Schweißnahtanfänge und/oder zwei Schweißnahtenden im Wesentlichen symmetrisch und beabstandet voneinander ausgebildet sind.
Aspekt 3: Verfahren nach Aspekt 1 oder 2, wobei die zwei Schweißnähte im Wesentlichen spiegelsymmetrisch, achsensymmetrisch oder punktsymmetrisch zueinander ausgebildet werden.
Aspekt 4: Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 3, wobei das erste und zweite verschweißte Werkstück im Bereich mindestens einer der zwei Schweißnahtanfänge und/oder mindestens einer der zwei Schweißnahtenden eine statische oder zyklische oder schlagartige Beanspruchung erfahren.
Aspekt 5: Verfahren nach Aspekt 4, wobei bei statischer oder schlagartiger Beanspruchung die Kraft und/oder mindestens eine Verformungsgröße an dem miteinander verschweißten ersten Werkstück und zweiten Werkstück im Bereich mindestens einer der zwei Schweißnahtanfänge und/oder mindestens einer der zwei Schweißnahtenden ermittelt werden oder dass bei zyklischer Beanspruchung die Anzahl der Zyklen bis zum Bruch des miteinander verschweißten ersten Werkstücks und zweiten Werkstücks oder die Verlängerung einer zwischen den Schweißnähten befindlichen Werkstofftrennung in Anhängigkeit der Zyklenzahl ermittelt wird.
Aspekt 6: Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 5, wobei die äußere Belastung der verschweißten Werkstücke eine zeitlich veränderliche Kraft ist, die in der Probenebene wirkt, vorzugsweise quer zur Schweißnaht oder unter einem definierten Winkel, oder ein zeitlich veränderliches Biegemoment insbesondere um die Längsachse der Schweißnähte.
Aspekt 7: Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 6, wobei der Messwert mindestens ein Element ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mechanische Spannung, Dehnung, Verschiebung, J-Integral und Spannungsintensität.
Aspekt 8: Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 7, wobei zum Ermitteln des Kennwerts der mindestens eine Messwert in mindestens einer Kennlinie aufgetragen wird.
Aspekt 9: Verfahren nach Aspekt 8, wobei die Kennlinie mindestens ein Element ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Anrisskennlinie, Wöhlerline und Gassnerlinie.
Aspekt 10: Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 9, wobei der Kennwert mindestens ein Element ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: statischer Kennwert, zyklischer Kennwert, bruchmechanischer Kennwert und Zähigkeitskennwert.
Aspekt 11: Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 10, wobei die vorbestimmte Prüfmethode mindestens ein Element umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: statische Beanspruchung, wechselnde Beanspruchung, schwingende Beanspruchung, Biegebeanspruchung und schlagartige Beanspruchung.
Aspekt 12: Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 11, wobei die vorbestimmte Prüfmethode eine Beanspruchung in einer Richtung in einem Winkel in einem Bereich von 0° bis 90°, insbesondere 0°, 30°, 60° oder 90°, zu einer Erstreckungsrichtung der Schweißnähte umfasst.
Aspekt 13: Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 12, weiterhin umfassend mindestens eine Schweißnahtvorbereitung und/ oder mindestens eine Schweißnahtnachbehandlung.
Aspekt 14: Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 13, wobei das erste Werkstück und das zweite Werkstück mit mehreren wechselseitig ausgerichteten Schweißnähten verschweißt werden, wobei die Schweißnähte jeweils einen vorbestimmten Abstand zueinander aufweisen, wobei das erste Werkstück und das zweite Werkstück nach dem Verschweißen in mehrere Teile getrennt werden, wobei die Teile jeweils zwei im Wesentlichen symmetrisch zueinander angeordnete und voneinander beabstandete Schweißnahtanfänge oder zwei symmetrisch zueinander angeordnete und voneinander beabstandete Schweißnahtenden aufweisen.
Aspekt 15: Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 14, wobei der Messwert mittels eines Dehnungssensors ermittelt wird.
Aspekt 16: Verfahren nach Aspekt 15, wobei der Dehnungszustand mittels eines Ansetzaufnehmers und/oder eines optischen Dehnungssensors insbesondere mittels digitale Bildkorrelation ermittelt wird.
Aspekt 17: Verfahren nach Aspekt 15 oder 16, wobei der Dehnungssensor an Befestigungspunkten an einen unverschweißten Abschnitt zwischen den Schweißnahtanfängen und/oder Schweißnahtenden angrenzend an dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück befestigt ist.
Aspekt 18: Verfahren nach Aspekt 17, wobei der Dehnungssensor mit dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück an den Befestigungspunkten verklebt, verschraubt, verklemmt und/oder verschweißt ist.
Aspekt 19: Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 18, wobei die Schweißnähte als Durchschweißung, Überlappverbindung, Kehlnaht, oder Stumpfstoßverbindung ausgebildet werden.
Aspekt 20: Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 19, wobei die Schweißnähte einlagig oder mehrlagig ausgebildet werden.
Aspekt 21: Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 20, wobei das erste Werkstück und das zweite Werkstück mittels mindestens eines Elements verschweißt werden ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Rührreibschweißen, MIG-Schweißen, MAG-Scheißen, WIG-Schweißen, Elektrodenschweißen, Unterpulverschweißen und Fülldrahtschweißen.
Aspekt 22: Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 21, wobei das erste Werkstück und das zweite Werkstück jeweils eine Dicke von zwischen 0,08 mm bis 35 mm, bevorzugt von zwischen 0,1 mm bis 30 mm und noch bevorzugter von 0,2 mm bis 10 mm aufweist.
Aspekt 23: Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 22, wobei das erste Werkstück und das zweite Werkstück jeweils eine Breite aufweisen, die um einen Faktor 8 bis 250 und bevorzugt 10 bis 200 größer als eine Dicke des ersten Werkstücks und des zweiten Werkstücks ist.
Aspekt 24: Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 23, wobei ein unverschweißter Abschnitt zwischen den Schweißnahtanfängen und/oder Schweißnahtenden eine Länge von 4 % bis 80 %, bevorzugt von 5 % bis 75 % und noch bevorzugter von 15 % bis 50 % einer Breite des ersten Werkstücks und des zweiten Werkstücks aufweist.
Aspekt 25: Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 24, wobei das erste Werkstück und das zweite Werkstück als Blech ausgebildet sind.
Aspekt 26: Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 25, wobei zwischen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück ein Spalt von 0 bis 10 mm vorzugsweise 0 bis 2,0 mm, insbesondere 0 bis 50% der Werkstückdicke vorliegt.
Aspekt 27: Verfahren zum Auslegen eines Bauteils, umfassend Durchführen eines Verfahrens nach einem der Aspekte 1 bis 26, Durchführen einer Simulation, insbesondere Finite-Elemente-Verfahren, zum Ermitteln eines simulativen Kennwerts zur Beurteilung der Beanspruchbarkeit von mindestens einem Schweißnahtanfang und/oder mindestens einem Schweißnahtende, und Vergleichen des experimentellen Kennwerts und des simulativen Kennwerts zum Ermitteln und/oder Bewerten der Belastbarkeit und/oder Sicherheit des Bauteils.

Figurenliste
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:

1A eine schematische Draufsicht auf zwei miteinander verschweißte Werkstücke,
1B eine Querschnittsansicht der Werkstücke im Bereich einer Schweißnaht,
1C eine Querschnittsansicht der Werkstücke in einem unverschweißten Bereich,
2A bis 2C schematische Ansichten verschiedener Schweißnahttypen,
3 eine schematische Draufsicht auf zwei miteinander verschweißte Werkstücke,
4A bis 4C schematische Ansichten verschiedener Klemmvorrichtungen zur Untersuchung unterschiedlicher Belastungsrichtungen,
5 eine schematische Draufsicht auf zwei miteinander verschweißte Werkstücke mit Krümmung,
6 eine schematische Ansicht eines Prüfaufbaus für eine Biegeprüfung und
7 eine schematische Ansicht eines Prüfaufbaus für eine Ermittlung eines Dehnungszustands.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zum Ermitteln von mindestens einem Kennwert zur Beurteilung der Beanspruchbarkeit von mindestens einem Schweißnahtanfang und/oder mindestens einem Schweißnahtende vorgeschlagen.
1A zeigt eine schematische Draufsicht auf zwei miteinander verschweißte Werkstücke. Im Rahmen des Verfahrens werden ein erstes Werkstück 10 und ein zweites Werkstück 12 mittels mindestens zwei Schweißnähten 14 miteinander verschweißt. Wie in 1A gezeigt, werden zwei Schweißnahtanfänge 16 und/oder zwei Schweißnahtenden 18 der zwei Schweißnähte 14 im Wesentlichen symmetrisch und beabstandet voneinander ausgebildet. Bei dem in 1A gezeigten Ausführungsbeispiel sind das erste Werkstück 10 und das zweite Werkstück 12 derart miteinander mittels der zwei Schweißnähte 14 verschweißt, dass die zwei Schweißnahtanfänge 16 und/oder zwei Schweißnahtenden 18 im Wesentlichen symmetrisch und beabstandet voneinander ausgebildet sind. Mit anderen Worten ist die symmetrische Anordnung der Schweißnähte 14 bei dem in 1 A gezeigten Ausführungsbeispiel durch den Schweißvorgang selbst realisiert. Bei dem in 1A gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Schweißnahtenden 18 einander mit einem unverschweißten Abschnitt 20 dazwischen zugewandt. Die Schweißnahtanfänge 16 sind einander abgewandt. Die zwei Schweißnähte 14 können im Wesentlichen spiegelsymmetrisch, achsensymmetrisch oder punktsymmetrisch zueinander ausgebildet werden.
1B zeigt eine Querschnittsansicht der Werkstücke 10, 12 im Bereich einer Schweißnaht 14. 1C zeigt eine Querschnittsansicht der Werkstücke 10, 12 im Bereich des unverschweißten Abschnitts 20. Bei dem in 1 A gezeigten Ausführungsbeispiel sind die zwei Schweißnähte 14 spiegelsymmetrisch ausgebildet. Das erste Werkstück 10 und das zweite Werkstück 12 sind als Blech ausgebildet. Das erste Werkstück 10 und das zweite Werkstück 12 weisen jeweils eine Dicke 22 von 0,08 mm bis 35 mm, bevorzugt von 0,1 mm bis 30 mm und noch bevorzugter von 0,2 mm bis 10 mm auf, wie beispielsweise 2,0 mm. Das erste Werkstück 10 und das zweite Werkstück 12 weisen jeweils eine Breite 24 auf, die um einen Faktor 8 bis 250 und bevorzugt 10 bis 200 größer als eine Dicke 22 des ersten Werkstücks 10 und des zweiten Werkstücks 12 ist. Der unverschweißte Abschnitt 20 zwischen den Schweißnahtanfängen 16 und/oder Schweißnahtenden 18 weist eine Länge 26 von 4 % bis 80 %, bevorzugt von 5 % bis 75 % und noch bevorzugter von 15 % bis 50 % einer Breite 24 des ersten Werkstücks 10 und des zweiten Werkstücks 12 auf, beispielsweise 25 %. Insbesondere kann zwischen dem ersten Werkstück 10 und dem zweiten Werkstück 12 ein Spalt von 0 bis 10 mm vorzugsweise 0 bis 2,0 mm, insbesondere 0 bis 50% der Werkstückdicke vorliegen. Der unverschweißte Abschnitt 20 führt zu einer Spannungsüberhöhung bzw. bruchmechanischen Beanspruchung an den beiden Schweißnahtenden 18 bzw. Schweißnahtanfängen 16.
2A bis 2C zeigen schematische Ansichten verschiedener Schweißnahttypen. Grundsätzlich können die Schweißnähte 14 als Durchschweißung, Überlappverbindung, Kehlnaht, oder Stumpfstoßverbindung ausgebildet werden. 2A zeigt eine Ausbildung der Schweißnaht 14 als Durchschweißung bzw. Überlappverbindung. 2B zeigt eine Ausbildung der Schweißnaht 14 als Kehlnaht. 2C zeigt eine Ausbildung der Schweißnaht 14 als Stumpfstoßverbindung. Die Schweißnähte 14 können einlagig oder mehrlagig ausgebildet werden. Beide Schweißnahtanfänge 16 oder Schweißnahtenden 18 bzw. die Schweißnähte 14 können sich auf derselben Seite der Werkstücke 10, 12 befinden oder auch jeweils eine auf der gegenüberliegenden Seite der Werkstücke 10, 12. Grundsätzlich können das erste Werkstück 10 und das zweite Werkstück 12 mittels mindestens eines Elements verschweißt werden ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Elektrodenschweißen, Rührreibschweißen, MIG-Schweißen, MAG-Scheißen, WIG-Schweißen, Unterpulverschweißen und Fülldrahtschweißen. Optional kann mindestens eine Schweißnahtvorbereitung und/ oder mindestens eine Schweißnahtnachbehandlung erfolgen.
3 zeigt eine schematische Draufsicht auf zwei miteinander verschweißte Werkstücke 10, 12. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel in 1 erläutert und gleiche oder vergleichbare Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. In Vergleich zu den Werkstücken 10, 12 der 1 weisen die Werkstücke 10, 12 des Ausführungsbeispiels der 3 eine größere Breite 24 auf. Das erste Werkstück 10 und das zweite Werkstück 12 sind mit mehreren wechselseitig ausgerichteten Schweißnähten 14 verschweißt. Die Schweißnähte 14 weisen jeweils einen vorbestimmten Abstand zueinander auf. Das erste Werkstück 10 und das zweite Werkstück 12 werden nach dem Verschweißen in mehrere Teile getrennt. Die Teile weisen jeweils zwei im Wesentlichen symmetrisch zueinander angeordnete und voneinander beabstandete Schweißnahtanfänge 16 oder zwei symmetrisch zueinander angeordnete und voneinander beabstandete Schweißnahtenden 18 auf. In 3 sind Trennlinien 28 dargestellt, die die Stellen markieren, an denen die Werkstücke 10, 12 nach dem Verschweißen getrennt werden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind fünf Trennlinien 28 dargestellt. 3 zeigt somit beispielhaft, wie aus zwei Werkstücken 10, 12 mit drei Schweißnähten 14 mit Schweißrichtung nach rechts und zwei Schweißnähten 14 mit Schweißrichtung nach links insgesamt vier Proben hergestellt werden können. Davon sind jeweils zwei Proben für die Untersuchung der Beanspruchbarkeit des Schweißnahtanfangs 16 und das Schweißnahtende 18.
Die erfindungsgemäße Probenform realisiert durch die zwei verschweißten Werkstücke 10, 12 mit zwei symmetrisch und beabstandet voneinander angeordneten Schweißnahtanfängen 16 und Schweißnahtenden 18 kann sowohl zur Ermittlung statischer Kennwerte als auch zur Ermittlung zyklischer Kennwerte, bruchmechanischer Kennwerte oder Zähigkeitskennwerte dienen, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird. Das heißt, es kann über eine Einspannung zum einen eine insbesondere monoton zunehmende Last auf die Probe aufgebracht werden, um statische Kennwerte zu ermitteln. Andererseits können wechselnde Kräfte, wie beispielsweise Sinusschwingungen, Rampen mit Dreiecksform, stochastische oder deterministische Schwingungen usw., angewendet werden, um zyklische Kennwerte zu ermitteln. Darüber hinaus können auch schlagartige, das heißt sehr schnelle Beanspruchungen aufgebracht werden. Die Beanspruchung erfolgt vorzugsweise senkrecht zur Schweißrichtung. Darüber hinaus kann die entwickelte Probenform bzw. entsprechende Abwandlungen auch für Schubbeanspruchung oder Mixed-Mode-Beanspruchung eingesetzt werden. Hierzu können insbesondere entsprechende Einspannteile eingesetzt werden. So wird mindestens eine vorbestimmte Prüfmethode zur Beurteilung der Beanspruchbarkeit von Schweißnähten 14 an dem miteinander verschweißten ersten Werkstück 10 und zweiten Werkstück 12 im Bereich mindestens einer der zwei Schweißnahtanfänge 16 und/oder mindestens einer der zwei Schweißnahtenden 18 zum Ermitteln mindestens eines Messwerts durchgeführt.
4A bis 4C zeigen schematische Ansichten verschiedener Klemmvorrichtungen 30 zur Untersuchung unterschiedlicher Belastungsrichtungen. Grundsätzlich kann die vorbestimmte Prüfmethode eine Beanspruchung in einer Richtung in einem Winkel in einem Bereich von 0° bis 90°, insbesondere 0°, 30°, 60° oder 90°, zu einer Erstreckungsrichtung der Schweißnähte 14 umfassen.
4A zeigt eine Klemmvorrichtung 30 zum Aufbringen einer Belastung in einem Winkel von 90° zu der Erstreckungsrichtung der Schweißnähte 14. Die Probe in Form der zwei verschweißten Werkstücke 10, 12 mit zwei symmetrisch und beabstandet voneinander angeordneten Schweißnahtanfängen 16 und Schweißnahtenden 18 wird an Einspannbereichen 32 (1) in zwei gegenüberliegenden Klemmbacken 34 der Klemmvorrichtung 30 eingespannt. Die Klemmbacken 34 der Klemmvorrichtung 30 werden daraufhin relativ zueinander bewegt und bringen so eine vorbestimmte Kraft auf die Probe auf. Beispielsweise werden die Klemmbacken 34 aufeinander zu oder voneinander weg bewegt. Die zwei verschweißten Werkstücke 10, 12 sind dabei so in den Klemmbacken 34 eingespannt, dass die Bewegungsrichtung der Klemmbacken 34 in einem Winkel von 90° zur Erstreckungsrichtung Schweißnähte 14 orientiert ist.
4B zeigt eine Klemmvorrichtung 30 zum Aufbringen einer Belastung in einem Winkel von 30° zu der Erstreckungsrichtung der Schweißnähte 14. Die Probe in Form der zwei verschweißten Werkstücke 10, 12 mit zwei symmetrisch und beabstandet voneinander angeordneten Schweißnahtanfängen 16 und Schweißnahtenden 18 wird an Einspannbereichen 32 (1) in zwei gegenüberliegenden Klemmbacken 34 der Klemmvorrichtung 30 eingespannt. Die Klemmbacken 34 der Klemmvorrichtung 30 werden daraufhin relativ zueinander bewegt und bringen so eine vorbestimmte Kraft auf die Probe auf. Beispielsweise werden die Klemmbacken 34 aufeinander zu oder voneinander weg bewegt. Die zwei verschweißten Werkstücke 10, 12 sind dabei so in den Klemmbacken 34 eingespannt, dass die Bewegungsrichtung der Klemmbacken 34 in einem Winkel von 60° zur Erstreckungsrichtung Schweißnähte 14 orientiert ist.
4C zeigt eine Klemmvorrichtung 30 zum Aufbringen einer Belastung in einem Winkel von 0° zu der Erstreckungsrichtung der Schweißnähte 14 und somit parallel zu der Erstreckungsrichtung der Schweißnähte 14. Die Probe in Form der zwei verschweißten Werkstücke 10, 12 mit zwei symmetrisch und beabstandet voneinander angeordneten Schweißnahtanfängen 16 und Schweißnahtenden 18 wird an Einspannbereichen 32 (1) in zwei gegenüberliegenden Klemmbacken 34 der Klemmvorrichtung 30 eingespannt. Die Klemmbacken 34 der Klemmvorrichtung 30 werden daraufhin relativ zueinander bewegt und bringen so eine vorbestimmte Kraft auf die Probe auf. Beispielsweise werden die Klemmbacken 34 aufeinander zu oder voneinander weg bewegt. Die zwei verschweißten Werkstücke 10, 12 sind dabei so in den Klemmbacken 34 eingespannt, dass die Bewegungsrichtung der Klemmbacken 34 in einem Winkel von 0° zur Erstreckungsrichtung Schweißnähte 14 und somit parallel zu der Erstreckungsrichtung der Schweißnähte 14 orientiert ist.
1A zeigt eine schematische Draufsicht auf zwei miteinander verschweißte Werkstücke 10, 12. Die so hergestellte Probe kann insbesondere im Druckschwellbereich eingesetzt werden. Prinzipiell sind jedoch auch Prüfungen im Wechselbereich möglich. Hierbei kann die Probe bei der Prüfung zwischen Ausknickhilfen positioniert werden. Eine alternative Variante für das Prüfen der Mode-I-Beanspruchung (Schweißnaht senkrecht zur Beanspruchungsrichtung) im Wechselbereich stellt eine Probenform dar, die eine Krümmung oder abgekantete Seiten aufweist.
5 zeigt eine schematische Draufsicht auf zwei miteinander verschweißte Werkstücke 10, 12 mit Krümmung. Hierdurch kann ein Ausknicken der Probe insbesondere bei dünner Blechstärke verhindert werden. In 5 ist eine Probe mit S-Schlag-Krümmung dargestellt. Insbesondere ein symmetrischer S-Schlag ist besonders günstig, da die Einspannung und der Rissfortschritt dann einen besonders geringen Einfluss auf die Symmetrie der Spannungsverteilung haben. Diese Probenform hat außerdem den Vorteil, dass sie eine hohe Steifigkeit gegen Beulen aufweist und gleichzeitig sehr geringe Umformgrade in den Werkstücken 10, 12 erzeugt. Mit einer solchen Probe können R-Verhältnisse von beispielsweise -1 erzielt werden.
6 zeigt eine schematische Ansicht eines Prüfaufbaus für eine Biegeprüfung. Dargestellt sind die zwei miteinander verschweißten Werkstücke 10, 12, die jeweils auf einem Widerlager 36 liegen mit den zwei Scheißnahtanfängen 16 oder Schweißnahtenden 18 in der Mitte zwischen den Widerlagern 36. Eine vorbestimmte Kraft 38 in Form einer Last- oder Verschiebungsaufbringung wird über zwei Einleitungspunkte 40 die zwei miteinander verschweißten Werkstücke 10, 12 aufgebracht, wobei sich jeweils einer der Einleitungspunkte 40 auf einem der Werkstücke 10, 12 befindet. Das Verhalten der Schweißnahtanfänge 16 oder Schweißnahtenden 18 kann mittels einer optionalen Kamera 42 erfasst werden. Die so hergestellte Probe kann ebenfalls zur Ermittlung von Kennwerten bei Biegebeanspruchung eingesetzt werden. Hierbei kann die Probe einer Biegebeanspruchung ausgesetzt, insbesondere in einer Dreipunkt- oder Vierpunktaufnahme geprüft werden. Die Vierpunktprüfung hat dabei den Vorteil, dass keine Lasten direkt im Bereich der Schweißnähte 14 eingeleitet werden müssen, zwischen den mittleren Krafteinleitungspunkten ein gleichmäßiger Momentenverlauf herrscht und dass die Schweißnaht bzw. die Enden oder Anfänge nicht durch die Prüfvorrichtung verdeckt sind und daher beobachtet werden können. Auch wenn dies nicht explizit dargestellt ist, erlauben beidseitig der Schweißnähte 14, d.h. oben und unten bezüglich, der Schweißnähte 14 angeordneten Widerlager 36 nicht nur eine schwellende Prüfung, sondern auch eine wechselnde Prüfung der Probe.
Grundsätzlich kann die so hergestellte Probenform als Alternative zu Kerbschlagbiegeversuchen an Schweißgut oder Pellini-Proben auch schlagartig bei Raumtemperatur oder variabler Temperatur beansprucht werden. Die Beanspruchung kann hierbei Zug oder Biegung sein. Die Beanspruchung kann hierbei durch ein Schlagwerk oder eine andere geeignete Vorrichtung insbesondere mit vorbeschleunigten Massen erfolgen. Die auszuwertenden Größen bei dieser Beanspruchung kann dann z.B. die Energieaufnahme, Durchbiegung bis Durchriss, Maximalkraft usw. sein. Durch mehrere Versuche bei unterschiedlichen Temperaturen kann z.B. eine Sprödbruch-Übergangstemperatur (Vergleich Kerbschlagarbeit bzw. Kerbschlagbiegeversuch) für die Schweißnaht ermittelt werden.
Die Einspannung der Probe kann kraftschlüssig und/ oder formschlüssig oder stoffschlüssig z.B. durch Anschweißen oder Ankleben erfolgen. Hierzu können im Bereich der Einspannungen Verdickungen oder Verbreiterungen an der Probe sein um ein Versagen im Bereich der Einspannung ausschließen zu können.
Insbesondere bei Mode-I-Beanspruchung ist der Abstand zwischen unverschweißtem Abschnitt 20 und Einspannung oder Probenende mindestens die halbe Probenbreite, insbesondere mindestens die volle Probenbreite um einen definierten Spannungszustand zu erhalten und einen Einfluss von der Einspannsituation auf das Prüfergebnis auf ein Minimum zu reduzieren.
Die Proben können bei Raumtemperatur geprüft werden. Darüber hinaus können diese auch bei definierten kalten oder warmen Temperaturen geprüft werden, um einen Sprödbruch bei kalter Temperatur oder z.B. auch ein Kriechversagen bei hoher Temperatur und konstanter Beanspruchung prüfen zu können.
7 zeigt eine schematische Ansicht eines Prüfaufbaus für eine Ermittlung eines Dehnungszustands. Die verschweißten Werkstücke 10, 12 sind in einer Klemmvorrichtung 30 eingespannt. Der Messwert wird dabei mittels eines Dehnungssensors 44 ermittelt. Insbesondere kann der Dehnungszustand mittels eines Ansetzaufnehmers und/oder eines optischen Dehnungssensors insbesondere mittels digitaler Bildkorrelation ermittelt werden. Wie in 7 dargestellt wird der Dehnungssensor 44 an Befestigungspunkten 46 an dem unverschweißten Abschnitt 20 zwischen den Schweißnahtanfängen 16 und/oder Schweißnahtenden 18 angrenzend an dem ersten Werkstück 10 und dem zweiten Werkstück 12 befestigt. Der Dehnungssensor 44 wird mit dem ersten Werkstück 10 und dem zweiten Werkstück 12 an den Befestigungspunkten 46 verklebt, verschraubt, verklemmt und/oder verschweißt.
Die vorherigen Ausführungen zeigen, dass mittels der Probe und verschiedenen Prüfmethoden unterschiedliche Messwerte unmittelbar oder mittelbar gewonnen werden können. Der Messwert ist mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mechanische Spannung, Dehnung, Verschiebung, J-Integral und Spannungsintensität. Eine mechanische Spannung lässt sich beispielsweise nicht direkt ermitteln, sondern lediglich Dehnungen, Kräfte und Verschiebungen basierend auf denen aber die mechanische Spannung als Messwert berechnet werden kann. Zu den ermittelbaren Messwerten gehören insbesondere die Aufweitung bzw. Verschiebung der Werkstücke 10, 12 zueinander, insbesondere in der Symmetrieebene und Belastungsrichtung. Rissstart und jeweilige Risslänge, insbesondere als Funktion der jeweiligen Last, der Schwingspielzahl und/ oder der Beanspruchungsdauer. Um den Rissstart und den Rissfortschritt detektieren zu können, kann insbesondere bei Resonanzprüfmaschinen die Prüffrequenz überwacht werden und so ein Abfall der Probensteifigkeit als Maß für Rissstart und Risslänge verwendet werden. Alternativ kann die Verschiebung bzw. die Rissaufweitung durch einen Messclip detektiert werden. Befestigungspunkte für den Messclip können auf die Probe aufgeklebt, angeschraubt (durch möglichst kleine Bohrungen in der Probe) oder durch Punktschweißen angeschweißt werden.
Als weitere Alternative können optische Messverfahren eingesetzt werden, insbesondere Digital-Image Correlation, Photogrammmetrie, usw.. Hierzu kann die Probe zumindest lokal mit einem Muster, wie beispielsweise Linien, Punkte, Specle usw., versehen werden. Dabei ist es nicht zwingend erforderlich durchgängig während der Untersuchung der Probe Bilder aufzunehmen. Es ist besonders günstig, wenn bei zyklischer Beanspruchung in bestimmten Abständen, wie beispielsweise zeitlichen Abständen, ein bzw. mehre Bilder gemacht werden. Die Frequenz der Bildaufnahmen von der Probe kann variiert werden, beispielsweise in Abhängigkeit von der Anzahl an Schwingspielen, vom Rissfortschritt usw., so dass beispielsweise die Frequenz der Bildaufnahmen erhöht wird, wenn die Probe im Bereich des Schweißnahtanfangs 16 und/oder Schweißnahtendes 18 anfängt aufzureißen, oder wenn ein anderes für die Ermittlung der Belastbarkeit kritisches Ereignis eintritt. Diese können insbesondere bei Höchstlast aufgenommen werden. Dies kann jedoch um ein jeweils zugehöriges Bild mit möglichst geringem zeitlichem Versatz bei Minimallast ergänzt werden. Auf Basis dieser Bilder und ggf. weiterer Informationen können dann Rissstart und Rissfortschritt durch digitale Bildkorrelation ermittelt werden und z.B. in da/dN-Kurven, Anrisskennlinen usw. dargestellt werden, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird. Eine sehr wichtige Kenngröße ist bei zyklischer Beanspruchung der Proben ist die Schwingspielzahl bis Bruch bzw. bis zum Anriss. Diese Kenngrößen werden insbesondere für die probenübergreifende Auswertung benötigt. Mit Beginn des Anrisses kann optional die Last bzw. Lastamplitude so reduziert werden, dass die Beanspruchung an der Rissspitze möglichst bzw. näherungsweise konstant gehalten wird.
Basierend auf dem Messwert wird der mindestens eine Kennwerts zur Beurteilung der Beanspruchbarkeit von mindestens einem Schweißnahtanfang 16 und/oder mindestens einem Schweißnahtende 18 ermittelt. Der Kennwert ist mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: statischer Kennwert, zyklischer Kennwert, bruchmechanischer Kennwert und Zähigkeitskennwert. Zum Ermitteln des Kennwerts wird der mindestens eine Messwert in mindestens einer Kennlinie bzw. zu einer Kennlinie aufgetragen. Genauer werden mehrere Proben geprüft und mehrere Messwerte in ein gemeinsames Diagramm eingetragen. Alternativ dazu kann der Vorgang auch rein mathematisch erfolgen. Die Kennlinie ist mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Anrisskennlinie, Wöhlerline und Gassnerlinie. Um eine Anrisskennlinie, Wöhlerlinie oder Gassnerlinie zu erhalten sind mehrere Versuche bei unterschiedlichen Lastniveaus oder Beanspruchungen notwendig.
In der Regel wird nicht nur ein Versuch durchgeführt, sondern insbesondere bei zyklischer Beanspruchung mehre Proben z.B. insbesondere mit unterschiedlicher äußerer Belastung oder unterschiedlichen Abmessungen, wie beispielsweise Abstand der Schweißnahtanfänge 16 bzw. Schweißnahtenden 18, Probenbreite, geprüft. Die Beanspruchung ist eine Funktion insbesondere von Probenbreite, dem Abstand der Schweißnahtanfänge 16 bzw. Schweißnahtenden 18, der Blechdicke und der Prüflast. Die Beanspruchung am Schweißnahtanfang 16 oder Schweißnahtende kann prinzipiell in einer Kenngröße bzw. der entsprechenden Einheit der Kenngröße ausgedrückt werden. Hierzu gehören z.B. Spannung, Dehnung, Verschiebung, J-Integral, Spannungsintensität oder eine neu zu definierende Einheit. Die Ergebnisse können dann in einer Anrisskennlinie oder einer „Proben-Wöhlerline“ bzw. Gassnerlinie aufgetragen werden. Hierzu wird die Beanspruchung der Schweißnahtenden bzw. Anfänge, über der Anrisslastspielzahl und/oder Bruchlastspielzahl aufgetragen und ggf. statistisch ausgewertet.
Zur Auslegung von Bauteilen werden heute meist Finite-Elemente-Modelle bzw. Finite-Elemente-Berechnungen herangezogen. Um ein Maß für die Beanspruchung am Schweißnahtende 18 bzw. -anfang 16 zu ermitteln kann an der entsprechenden Stelle im FE-Modell ein Riss oder eine Einheitskerbe, d.h. Kerbe mit bekanntem Radius bzw. Kerbfaktor bzw. Intensitätsfaktor, modelliert werden. Die Beanspruchung ergibt sich dann aus dem Simulationsergebnis z.B. als (maximale) Spannung an der modellierten Einheitskerbe oder als (maximale) Dehnung an der Einheitskerbe oder als J-Integral an einem modellierten Riss oder aus einem anderen aus mehreren verrechneten mechanischen Größen, insbesondere Spannungen, Dehnungen, Verschiebungen, Aufweitungen usw.. Diese Beanspruchung kann dann direkt oder über entsprechende Gleichungen bzw. unter einbeziehen geeigneter Korrekturfaktoren, z.B. abhängig vom modellierten Kerbradius, ermittelt werden. Durch Vergleich von experimentell ermittelter Beanspruchbarkeit und numerisch ermittelter Beanspruchung kann die Sicherheit und/ oder die Lebensdauer des Schweißnahtanfangs 16 bzw. des Schweißnahtendes 18 bei angenommener äußerer Last des Bauteils berechnet werden.

Claims

Verfahren zum Ermitteln von mindestens einem Kennwert zur Beurteilung der Beanspruchbarkeit von mindestens einem Schweißnahtanfang (16) und/oder mindestens einem Schweißnahtende (18), umfassend - Verschweißen von einem ersten Werkstück (10) und einem zweiten Werkstück (12) miteinander mittels mindestens zwei Schweißnähten (14), - Ausbilden von zwei Schweißnahtanfängen (16) und/oder zwei Schweißnahtenden (18) der zwei Schweißnähte (14) im Wesentlichen symmetrisch und beabstandet voneinander, - Durchführen mindestens einer vorbestimmten Prüfmethode zur Beurteilung der Beanspruchbarkeit von Schweißnähten (14) an dem miteinander verschweißten ersten Werkstück (10) und zweiten Werkstück (12) im Bereich mindestens einer der zwei Schweißnahtanfänge (16) und/oder mindestens einer der zwei Schweißnahtenden (18) zum Ermitteln mindestens eines Messwerts und - Ermitteln des mindestens einen Kennwerts zur Beurteilung der Beanspruchbarkeit von mindestens einem Schweißnahtanfang (16) und/oder mindestens einem Schweißnahtende (18) basierend auf dem Messwert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Werkstück (10) und das zweite Werkstück (12) derart miteinander mittels der zwei Schweißnähte (14) verschweißt oder zugeschnitten werden, dass die zwei Schweißnahtanfänge (16) und/oder zwei Schweißnahtenden (18) im Wesentlichen symmetrisch und beabstandet voneinander ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zwei Schweißnähte (14) im Wesentlichen spiegelsymmetrisch, achsensymmetrisch oder punktsymmetrisch zueinander ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Werkstück (10) und zweite verschweißte Werkstück im Bereich mindestens einer der zwei Schweißnahtanfänge (16) und/oder mindestens einer der zwei Schweißnahtenden (18) eine statische oder zyklische oder schlagartige Beanspruchung erfahren.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei bei statischer oder schlagartiger Beanspruchung die Kraft und/oder mindestens eine Verformungsgröße an dem miteinander verschweißten ersten Werkstück (10) und zweiten Werkstück (12) im Bereich mindestens einer der zwei Schweißnahtanfänge (16) und/oder mindestens einer der zwei Schweißnahtenden (18) ermittelt werden oder dass bei zyklischer Beanspruchung die Anzahl der Zyklen bis zum Bruch des miteinander verschweißten ersten Werkstücks (10) und zweiten Werkstücks (12) oder die Verlängerung einer zwischen den Schweißnähten (14) befindlichen Werkstofftrennung in Anhängigkeit der Zyklenzahl ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Messwert mindestens ein Element ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mechanische Spannung, Dehnung, Verschiebung, J-Integral und Spannungsintensität.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zum Ermitteln des Kennwerts der mindestens eine Messwert in mindestens einer Kennlinie aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Kennlinie mindestens ein Element ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Anrisskennlinie, Wöhlerline und Gassnerlinie.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Kennwert mindestens ein Element ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: statischer Kennwert, zyklischer Kennwert, bruchmechanischer Kennwert und Zähigkeitskennwert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die vorbestimmte Prüfmethode mindestens ein Element umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: statische Beanspruchung, wechselnde Beanspruchung, schwingende Beanspruchung, Biegebeanspruchung und schlagartige Beanspruchung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das erste Werkstück (10) und das zweite Werkstück (12) mit mehreren wechselseitig ausgerichteten Schweißnähten (14) verschweißt werden, wobei die Schweißnähte (14) jeweils einen vorbestimmten Abstand zueinander aufweisen, wobei das erste Werkstück (10) und das zweite Werkstück (12) nach dem Verschweißen in mehrere Teile getrennt werden, wobei die Teile jeweils zwei im Wesentlichen symmetrisch zueinander angeordnete und voneinander beabstandete Schweißnahtanfänge (16) oder zwei symmetrisch zueinander angeordnete und voneinander beabstandete Schweißnahtenden (18) aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Messwert mittels eines Dehnungssensors (44) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das erste Werkstück (10) und das zweite Werkstück (12) mittels mindestens eines Elements verschweißt werden ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Laserschweißen, Rührreibschweißen, MIG-Schweißen, MAG-Scheißen, WIG-Schweißen, Unterpulverschweißen Fülldrahtschweißen, Elektronenstrahlschweißen und Elektrodenschweißen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei ein unverschweißter Abschnitt (20) zwischen den Schweißnahtanfängen (16) und/oder Schweißnahtenden (18) eine Länge (26) von 4 % bis 80 %, bevorzugt von 5 % bis 75 % und noch bevorzugter von 15 % bis 50 % einer Breite (24) des ersten Werkstücks (10) und des zweiten Werkstücks (12) aufweist.
Verfahren zum Auslegen eines Bauteils, umfassend Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, Durchführen einer Simulation, insbesondere Finite-Elemente-Verfahren, zum Ermitteln eines simulativen Kennwerts zur Beurteilung der Beanspruchung von mindestens einem Schweißnahtanfang (16) und/oder mindestens einem Schweißnahtende, und Vergleichen des experimentell ermittelten Kennwerts und des simulativen Kennwerts zum Ermitteln der Belastbarkeit und/oder Sicherheit des untersuchten Bauteils.