DE4119000A1 - Verfahren zur verringerung des versagensrisikos an schweisskonstruktionen mit doppelkehlnaehten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ver­ ringerung des Versagensrisikos an querbeanspruchten Schweiß­ konstruktionen mit Doppelkehlnähten durch Implantierung einer Sollbruchstelle ohne Verringerung der Festigkeitsei­ genschaften.

Etwa 70% aller Schweißverbindungen enthalten Kehlnähte. Kehlnahtverbindungen sind Konstruktionsdetails, die aufgrund der Einleitung und Umlenkung von Kräften zu örtlich beding­ ten Spannungskonzentrationen führen. Diese Spannungskonzen­ trationen werden vielfach durch die im Zuge der Fertigung auftretenden technologisch bedingten Imperfektionen der Nähte und der Nahtnebenbereiche verstärkt, so daß hier potentielle Versagensherde vorliegen.

Besonders gefährdet sind dabei querbeanspruchte Kehlnähte, da die gestaltbedingte Kraftumlenkung in Verbindung mit technologisch bedingten Imperfektionen zu hohen Spannungs­ konzentrationen an den Nahtübergängen führt. Bei Schwingbe­ anspruchung muß mit einer frühen Schädigung der Struktur gerechnet werden. Infolgedessen wird der Ausführung derarti­ ger Kehlnahtverbindungen große Aufmerksamkeit gewidmet. Sie bleibt aber im wesentlichen auf die Vermeidung bzw. Tolerie­ rung geometrischer Imperfektionen der Verbindung beschränkt, da bislang davon ausgegangen wird, daß die geometrische Kerbwirkung das Ermüdungsverhalten der querbeanspruchten Doppelkehlnahtverbindungen dominant beeinflußt.

Bekannt ist auch ein Verfahren zur Erhöhung der Dauerfestig­ keit querbeanspruchter Kehlnahtverbindungen durch Über­ schweißen der Nahtübergänge. Damit soll vor allem eine Minderung der Spannungskonzentrationen aus der geometrischen Kerbwirkung erreicht werden. Nachteilig wirkt sich jedoch der mit dieser Maßnahme verbundene erhebliche Mehraufwand aus, so daß die Anwendung dieses Verfahrens auf wenige Sonderfälle beschränkt bleibt.

Vor dem Hintergrund umfangreicher Sicherheitsvorschriften für hochbelastete Schweißkonstruktionen, für Schweißkon­ struktionen, die während ihrer Betriebszeit für den Trans­ port oder die Lagerung gefährlicher Güter bzw. Flüssigkeiten eingesetzt werden, sowie bei der Gefährdung von Menschenle­ ben kommt der Sicherung der Ermüdungsfestigkeit der ge­ schweißten Bauteile jedoch besondere Bedeutung zu. Für eine Reihe dieser Schweißkonstruktionen wäre für den Fall einer unvorhergesehenen Beanspruchung eine Sollbruchstelle u. a. für eine definierte Versagenseinleitung oder eine Schadens­ begrenzung von unschätzbarem Vorteil (Fig. 1).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend ein Verfahren zur Verringerung des Versagensrisikos an querbean­ spruchten Schweißkonstruktionen mit Doppelkehlnähten durch Implantierung einer Sollbruchstelle.

Die Implantierung einer Sollbruchstelle an querbeanspruchten Doppelkehlnahtverbindungen ist durch die Ausnutzung oder Beeinflussung der spezifischen Eigenspannungsausbildung an diesen Verbindungen ohne Festigkeitsminderungen realisier­ bar. Die spezifische Eigenspannungsausbildung an Doppelkehl­ nahtverbindungen kann einfach und ohne Mehraufwand leicht durch die Reihenfolge der Schweißung der Kehlnähte (Schweiß­ folge) und die Größe der Fugengeometrieabweichung Stirnflä­ chenabstand (Fig. 2) dominant beeinflußt werden. Vorausset­ zung dafür ist ein möglichst gleichmäßiger Wärmeeintrag z. B. durch den Einsatz eines mechanisiert bzw. automatisiert geführten Brenners.

Bereits vor der eigentlichen Schweißfertigung der Doppel­ kehlnahtverbindungen erfolgt die Auswahl des Ortes des Bau­ teilversagens (Sollbruchstelle) mit der Festlegung der Schweißfolge der Kehlnähte. D.h., schon der Projektant kann in Abhängigkeit von der Aufgabe der Konstruktionsdetails im Festigkeitsverband durch die o.g. technologischen Vorgaben Sollbruchstellen implantieren.

Der zur Bildung von Sollbruchstellen führende Wirkungsmecha­ nismus ist zwar subjektiv zu beeinflussen, kann aber ledig­ lich durch eine Spannungsarmglühung der Schweißverbindung außer Kraft gesetzt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren nach dem Haupt­ anspruch vorgeschlagen.

Unter Beachtung der Fugengeometrieabweichung Stirnflächenab­ stand gilt folgende einfache Regel zur Implantierung einer Sollbruchstelle in den querbeanspruchten Schweißverbindungen mit Doppelkehlnaht:
Eine definierte Rißeinleitung und bei weiterer Betriebsbela­ stung das Versagen der geschädigten Bauteilbereiche einer querbeanspruchten Doppelkehlnahtverbindung wird bei einer unvorhergesehenen Belastung bzw. einer auf Zeitfestigkeit dimensionierten Schweißkonstruktion durch die Schweißfolge der einzelnen Kehlnähte in Abhängigkeit vom Stirnflächenab­ stand bestimmt. Bei einem Stirnflächenabstand b = 0 mm er­ folgt infolge der Superposition von aktiven und Eigenspan­ nungen eine Rißeinleitung im Nahtübergang der zweiten Kehl­ naht (Fig. 3a).

Demgegenüber wird durch den gleichen Mechanismus bei einem Stirnflächenabstand b 1 mm eine Rißeinleitung im Nahtüber­ gang der ersten Kehlnaht initiiert (Fig. 3b). Die aus den Rißeinleitungen resultierende, an Doppelkehlnahtverbindungen spezifische Spannungsumlagerung führt bei weiterer Betriebs­ belastung, unabhängig von der Spannungskonzentration aus der geometrischen Kerbwirkung, zum Versagen der durch die Riß­ einleitung geschädigten Struktur, so daß eine Sollbruchstel­ le gewährleistet ist.

Die der Rißeinleitung folgende Rißwachstumsphase wird von der Ausprägung geometrischer Imperfektionen maßgeblich beeinflußt. Daher ist insbesondere der Ausführung der als Sollbruchstelle festgelegten Kehlnaht besondere Aufmerksam­ keit zu widmen, um durch die Verlängerung der Phase des Rißwachstums eine Lebensdauererhöhung zu erreichen. Da weder Nahtdicke noch Nahtnennbeanspruchung geeignete Bemessungs­ kriterien für querbeanspruchte Doppelkehlnahtverbindungen darstellen, ist eine erhebliche Verringerung der geometri­ schen Kerbwirkung und damit eine Festigkeitssteigerung durch die Realisierung von Wölbnähten anzustreben (Fig. 4).

Folgende Modellvorstellung zur Eigenspannungsausbildung an den untersuchten T-Stößen mit Doppelkehlnaht in Abhängig­ keit vom Stirnflächenabstand liegt der Erfindung zugrunde:
Bekannt ist, daß bei Vorhandensein von Eigenspannungen erhebliche Spannungskonzentrationen in der Größenordnung der Streckgrenze auftreten können. Bei Superposition mit einer äußeren Belastung kann dadurch eine frühzeitige Schädigung der Konstruktion eintreten.

Entgegen bisherigen Annahmen bestimmt der Eigenspannungszu­ stand das Ermüdungsverhalten und insbesondere den Versagens­ ort querbeanspruchter Doppelkehlnahtverbindungen dominant. Selbst Spannungskonzentrationen aus erheblicher geometri­ scher Kerbwirkung haben keinen Einfluß auf den Ort des Versagens der Konstruktion. Sie beeinflussen dagegen die Lebensdauer der angerissenen Bauteile über das Rißausbrei­ tungsverhalten maßgeblich. Somit kann durch die Wahl der Schweißfolge für die Ausführung der Doppelkehlnaht unter Beachtung der Fugengeometrieabweichung Stirnflächenabstand eine Eigenspannungsausprägung realisiert werden, die eine definierte Rißeinleitung gewährleistet.

Stirnflächenabstand b = 0 mm

Nach dem Schweißen der ersten Nahtseite treten am Naht­ übergang zum Gurt Zugeigenspannungen auf, die Schrump­ fungsbehinderungen geschuldet sind. Die für diese Eigen­ spannungen maßgeblichen Schrumpfungsbehinderungen werden durch das Aufsitzen des Steges auf den Gurt, der blech­ dickenabhängigen Verformungsbehinderung und der Einspannung von Steg und Gurt bewirkt. Die Schrumpfkraft infolge des Schweißens der zweiten Nahtseite bewirkt eine Biegung von Steg und Gurtschenkel um die erste Kehlnaht. Im Ergebnis dessen treten an diesem Nahtübergang ebenfalls Zugeigen­ spannungen auf, die gegenüber Nahtseite 1 jedoch größer sind. Als Ursache dafür muß, neben den bereits für die erste Nahtseite angeführten Schrumpfungsbehinderungen, die Behinderung der Biegung um die gegenüberliegende Kehlnaht 1 sowie die Behinderung durch den Eigenspannungszustand der ersten Nahtseite angesehen werden.

Die Verformung im Rahmen des schrumpfungsbedingten Spaltes infolge Biegung um Kehlnaht 1 beim Schweißen der 2. Nahtsei­ te führt auch zu einer Vergrößerung der Zugeigenspannungen am Nahtübergang der ersten Kehlnaht. Insgesamt gesehen bewirkt jedoch die vergleichsweise größere Schrumpfungsbe­ hinderung der 2. Naht größere Zugeigenspannungen an deren Nahtübergang zum Gurt.

Stirnflächenabstand b 1 mm

Nach dem Schweißen der ersten Kehlnaht sind am Nahtübergang zum Gurt lediglich geringe Zugeigenspannungen zu erwarten.

Die Ursache dafür sind freiere Schrumpfungen infolge des Stirnflächenabstandes, so daß die Zugeigenspannungen vorran­ gig aus der blechdickenabhängigen Verformungsbehinderung und der Eigenspannung von Steg und Gurt resultieren.

Beim Schweißen der 2. Kehlnaht bewirkt auch hier die Schrumpfkraft eine Biegung um Kehlnaht 1. Kennzeichnend für die T-Stöße mit Stirnflächenabstand b 1 mm ist, daß der Eigenspannungsanteil aus der Biegung gegenüber dem aus der Schrumpfungsbehinderung dominiert. Auch an der Kehlnaht 1 gegenüberliegenden Bauteilseite liegen, verglichen mit T- Stößen mit Stirnflächenabstand b = 0 mm, freiere Schrump­ fungsmöglichkeiten vor. Sie ergeben sich zum einen aus dem geringeren Eigenspannungszustand im Bereich der ersten Kehlnaht (geringere Biegebehinderung um Kehlnaht 1) und zum anderen aus der größeren Verformungsmöglichkeit infolge des schrumpfungsbeeinflußten Spaltes auf Nahtseite 2. Letzteres betrifft Bauteile mit b = 1 mm bzw. b = 4 mm gleichermaßen. Bei den kleineren Stirnflächenabständen vergrößert sich die Spaltbreite auf Nahtseite 2 durch eine größere Winkel­ schrumpfung. Sie wird durch die, bezogen auf die Symmetrie­ achse des Steges, größere Außenlage dieser Kehlnähte be­ wirkt. Demgegenüber nimmt die Winkelschrumpfung bei größeren Stirnflächenabständen durch die zunehmend stumpfnahtähnli­ che Nahtgeometrie ab. Gleichzeitig ergibt sich jedoch durch die Verkürzung der freien Stegkanten eine größere Verfor­ mungsmöglichkeit bei einer Biegung um Kehlnaht 1.

Im Vergleich zu T-Stößen mit Stirnflächenabstand b = 0 mm ist der Eigenspannungsanteil infolge von Schrumpfungsbehinde­ rungen wesentlich geringer. Die großen Verformungen infolge der Biegung um Kehlnaht 1 bewirken jedoch erhebliche Zugeigenspannungen, insbesondere am Nahtübergang der ersten Naht.

Der Steg von Doppelkehlnahtverbindungen ist somit unabhängig von der spezifischen Eigenspannungsausbildung über beide Kehlnähte stets elastisch gespannt. Die mit einer Schädigung der Strukturen verbundene Plastizierung von Werkstoffberei­ chen am Nahtübergang der einen Kehlnaht bewirkt durch den damit einhergehenden Spannungsabbau eine gleichzeitige Entspannung des noch nicht plastizierten Nahtüberganges der gegenüberliegenden Kehlnaht und damit eine Minderung der hier vorliegenden Spannungskonzentration. Trotz möglicher größerer geometrischer Kerbwirkung der "entspannten" Naht erfolgt der zum Bauteilversagen führende Rißfortschritt daher am durch die Superposition von Eigenspannungen und aktiver Belastung geschädigtem Nahtübergang (Sollbruch­ stelle).

Claims (2)

1. Verfahren zur Verringerung des Versagensrisikos an quer­ beanspruchten Schweißkonstruktionen mit Doppelkehlnähten durch Implantierung einer Sollbruchstelle ohne Verringerung der Festigkeitseigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) ein möglichst gleichmäßiger und gleichseitiger Wärmeein­ trag beim Lichtbogenschmelzschweißen der Kehlnähte durch mechanisierte bzw. automatisierte Brennerführung vorge­ nommen wird,
• b) die Nähte von Doppelkehlnähten nacheinander geschweißt werden,
• c) eine Sollbruchstelle beim Schweißen mittels Schweißfolge implantiert wird,
• d) bei festgelegter Schweißfolge der Kehlnähte der Doppel­ kehlnaht die Sollbruchstelle vor dem Schweißen durch den Stirnflächenabstand (Luftspalt zwischen Steg- und Gurt­ blech) eingestellt werden kann und
• e) eine Lebensdauererhöhung durch die Beeinflussung der Nahtgeometrie der Kehlnaht an der Sollbruchstelle vorge­ nommen werden kann.

2. Verfahren zur Beseitigung von Sollbruchstellen entspre­ chend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollbruchstelle durch eine Spannungsarmglühung der Schweißverbindung bzw. durch Erwärmung der Oberfläche von Nahtübergängen der Doppelkehlnaht beseitigt werden kann.