DE4119000A1 - Verfahren zur verringerung des versagensrisikos an schweisskonstruktionen mit doppelkehlnaehten - Google Patents
Verfahren zur verringerung des versagensrisikos an schweisskonstruktionen mit doppelkehlnaehtenInfo
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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).
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.
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.
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.
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914119000 DE4119000A1 (de) | 1991-06-08 | 1991-06-08 | Verfahren zur verringerung des versagensrisikos an schweisskonstruktionen mit doppelkehlnaehten |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914119000 DE4119000A1 (de) | 1991-06-08 | 1991-06-08 | Verfahren zur verringerung des versagensrisikos an schweisskonstruktionen mit doppelkehlnaehten |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4119000A1 true DE4119000A1 (de) | 1992-12-10 |
Family
ID=6433573
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19914119000 Withdrawn DE4119000A1 (de) | 1991-06-08 | 1991-06-08 | Verfahren zur verringerung des versagensrisikos an schweisskonstruktionen mit doppelkehlnaehten |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4119000A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101300087B (zh) * | 2005-12-26 | 2012-11-28 | 株式会社神户制钢所 | 焊接用钢板 |
-
1991
- 1991-06-08 DE DE19914119000 patent/DE4119000A1/de not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101300087B (zh) * | 2005-12-26 | 2012-11-28 | 株式会社神户制钢所 | 焊接用钢板 |
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