Integrale Bestimmung des Eigenspannungsfeldes in Mehrlagenschweißverbindungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die experimentelle Ermittlung von Wöhlerlinien zur Bestimmung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen ist in der Regel mit hohem Aufwand und damit hohen Kosten verbunden. Die Ermittlung von Wöhlerlinienkennwerten auf Grundlage bruchmechanischer Berechnungen verspricht einen alternativen Lösungsansatz in Verbindung mit einer Minimierung des experimentellen Aufwands. Zur sicheren bruchmechanischen Abschätzung der Schwingfestigkeit sind Eigenspannungen in die Berechnung zu integrieren, da diese maßgeblich die Schwingfestigkeit beeinflussen können. Im Rahmen der durchgeführten Arbeiten ist es gelungen, das Eigenspannungsfeld in typischen Schweißverbindungen mithilfe eines integralen Ansatzes, der Kombination von experimentellen und numerischen Methoden, zu bestimmen. Weiterführend wurde die Stabilität der Eigenspannungen unter mechanischer Beanspruchung untersucht. Es hat sich gezeigt, dass die Ausgangseigenspannungen in den für alle experimentellen Schwingfestigkeitsuntersuchungen im Labormaßstab üblichen Schwingproben aufgrund der begrenzten Steifigkeit gering ausfallen. Einzige Ausnahme sind die untersuchten Längssteifen, die eine selbsteinspannende Wirkung, und damit höhere Eigenspannungen aufweisen. Für alle Probentypen erweisen sich niedrige Eigenspannungen unter mechanischer Beanspruchung als stabil, während hohe Eigenspannungen aufgrund der Begrenzung des Gesamtspannungsniveaus auf die Streckgrenze abgebaut werden. Unter zyklischer Beanspruchung kann der Eigenspannungsabbau näherungsweise durch ein hier abgeleitetes vereinfachtes Modell beschrieben werden. Mithilfe der stabilisierten Eigenspannungen kann die Schwingfestigkeit im IBESS-Modell ermittelt werden. Treten in Bauteilen Schwingrisse auf, wird beobachtet, dass Druckeigenspannungen durch die Risse nicht beeinflusst werden, während Zugeigenspannungen in den ungerissenen Querschnitt umgelagert werden. Eigenspannungsermittlungen an gerissenen Bauteilen sind aufgrund der möglichen Umlagerungseffekte demzufolge mit Messungen an ungerissenen Vergleichskörpern zu validieren. Zukünftige Forschungsvorhaben zum Eigenspannungseinfluss auf die Bauteilintegrität sollten die Übertragbarkeit vom Labor- auf den Bauteilmaßstab sicherstellen. Es hat sich gezeigt, dass Eigenspannungsuntersuchungen an verformungsweichen Bauteilen, wie etwa linienförmigen Schweißnähten ohne nennenswerte Verformungsbehinderung, dies nur begrenzt leisten können. Untersuchungen im tatsächlichen Bauteilmaßstab sollten, trotz des höheren apparativen Aufwands, stärker berücksichtigt werden, um die Akzeptanz der gewonnen Erkenntnisse auf Seite externer Gutachter zu erreichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- On Welding Residual Stresses near Fatigue Crack Tips. Advanced Materials Research Vol. 996 (2014) pp 801-807
Jonas Hensel, Thomas Nitschke-Pagel and Klaus Dilger
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.996.801) - Residual Stresses in Welded Steels with Longitudinal Stiffeners Determined by Neutron and X-Ray Diffraction. International Journal of Offshore and Polar Engineering (ISSN 1053-5381). Vol. 24, No. 4, December 2014, pp. 1–8
Jonas Hensel, Thomas Nitschke-Pagel, Klaus Dilger and Robert C. Wimpory
- Charakterisierung des Schweißeigenspannungszustandes für die Anwendung in schwingbruchmechanischen Ansätzen. DVS Congress Nürnberg, 15. bis 17.09.2015. Düsseldorf: DVS Media GmbH (DVS-Berichte, 315)
Jonas Hensel, Thomas Nitschke-Pagel, Desire Ngoula , Didi Tchuindjang
- Lokale Werkstoffeigenschaften von Schweißnähten – Gefügesimulation.DVS Congress Nürnberg, 15. bis 17.09.2015. Düsseldorf: DVS Media GmbH (DVS-Berichte, 315)
Pawel Kucharczyk, Jonas Hensel, Sebastian Münstermann
- On residual stress relaxation and re-distribution during fatigue life of welded steels. 6th Fatigue Design conference, Fatigue Design 2015. In Procedia Engineering Vol 133 (2015) pp 244- 254
Jonas Hensel, Thomas Nitschke-Pagel, Joana Rebolo-Kornmeier and Klaus Dilger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.12.664) - On residual stress relaxation and re-distribution during fatigue life of welded steels. IIW Document XIII-2599-15. International Institute of Welding, Paris (2015)
Jonas Hensel, Thomas Nitschke-Pagel, Joana Rebolo-Kornmeier and Klaus Dilger
- On the Effects of Austenite Phase Transformation on Welding Residual Stresses in Non-load Carrying Longitudinal Welds. Weld World (2015) 59:179–190
Jonas Hensel, Thomas Nitschke-Pagel and Klaus Dilger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s40194-014-0190-3)
