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In modernen Stahlkonstruktionen werden zunehmend hochfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen ab 960 MPa eingesetzt. Die wirtschaftliche Verarbeitung dieser Stähle wird neben der Erreichung der anforderungsgerechten mechanischen Eigenschaften durch die Sicherheitsanforderungen an die Schweißnaht bestimmt. Dabei bedingen hohe Eigenspannungen im Schweißnahtbereich eine Reduzierung der Bauteilsicherheit. Insbesondere bei erhöhter konstruktiver Schrumpfbehinderung können Eigenspannungen risskritisches Niveau erreichen. In einer speziellen 2- MN-Prüfanlage wurden dazu Bauteilschweißversuche mit definierter äußerer Schrumpfbehinderung abgebildet. Während dieser mehrlagigen Schweißversuche war die gleichzeitige Messung von Temperatur und Reaktionskräften beim Schweißen und Abkühlen möglich. Die schweißnahtnahen Eigenspannungen wurden mittels röntgenographischer Eigenspannungsanalyse vor und nach dem Entlasten des Probeblechs in der Prüfanlage ermittelt. Sowohl die globalen als auch die lokalen schweißbedingten Beanspruchungen waren deutlich von der Wärmeführung beeinflusst.-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Modern steel constructions are built increasingly using highstrength fine-grained structural steels with a yield strength of ≥ 960 MPa. The efficient processing of these steels is determined not only by the achievement of the mechanical properties needed but also by the safety requirements of the weld. High stresses in the weld area cause a reduction of the component safety. Residual stresses can reach a critical level at which the material is susceptible to cracking, especially in case of increased constructive restraint. For this purpose, component weld tests with a defined external restraint were reproduced in a special 2-MN-testing facility. During these multi-layer weld tests the simultaneous measurement of the temperature and reaction forces during welding and cooling was possible. The residual stresses of the weld joint area were determined by means of X-ray difraction analysis before and after release of the restraint. The global stresses due to welding as well as the local ones were clearly influenced by the heat control.
In dem IGF-Vorhaben IGF-Nr. 17978 N (P 1011) wurden unter gezielter definierter Schrumpfbehinderung Schweißexperimente an hochfesten Feinkornbaustählen durchgeführt, um den Einfluss der Wärmeführung sowie den Einsatz modifizierter Sprühlichtbogenprozesse verbunden mit schmaleren Nahtfugen auf die lokalen Eigenspannungen und die Gesamteigenbeanspruchungen an geschweißten Bauteilen zu analysieren. Diese Kurzdarstellung fasst die wesentlichen Zusammenhänge zu schweißbedingten Beanspruchungen an hochfesten Schweißverbindungen sowie einige der erarbeiteten Erkenntnisse und erreichten Ziele des Forschungsprojektes zusammen.
Bei Schweißkonstruktionen aus modernen Feinkornbaustählen, wie sie beispielsweise im Hochbau, im Anlagenbau und im Kranbau vorkommen, sind aus folgenden Gründen enge Verfahrensgrenzen für die Wärmeführung zu beachten: das spezielle Gefüge und das vergleichsweise hohe Streckgrenzenverhältnis bzw. die geringen plastischen Verformungsreserven. Zum Einstellen der Gefügeeigenschaften sind mit Hilfe von Vorwärm- bzw. Zwischenlagentemperaturen und Streckenenergien die Abkühlzeiten Δt8/5 möglichst exakt einzuhalten Wie beispielsweise in DIN 1011-2 und SEW 088 nachzulesen ist, basieren Prüfverfahren und empirische Ansätze zum Abschätzen von Schweißwärmezyklen auf dem Kohlenstoffäquivalent. Über die bisherigen Laboruntersuchungen zur Entstehung von Eigenspannungen im unmittelbaren Schweißbereich hinaus muss der Einfluss der Wärmeführung im Zusammenhang mit den Steifigkeitsverhältnissen umgebender Montageteile analysiert werden. Numerische und experimentelle Untersuchungen haben z.B. ergeben, dass eine äußere Schrumpfbehinderung in Nahtquerrichtung durch den Einspanngrad RFy bemessen werden kann. Im Rahmen des Fosta-Forschungsprojekts P 922 wurden Versuchsschweißungen im Stumpfstoß mit V-Naht an den Werkstoffen S690QL, S960QL, S700MC und S960MC mit 8 mm und 20 mm Blechdicke und typischen Schweißparametern aus dem Kranbau durchgeführt. Für S690QL mit 20 mm Blechdicke sind die Ergebnisse wie folgt dargestellt: a) Abkühlzeit in Abhängigkeit von Zwischenlagentemperatur und Streckenenergie, b) mikroskopische Aufnahme des Schweißguts und der Wärmeeinflusszone und c) des Schweißgutgefüges (Abkühlzeit Δt8/5=13 s). Mit einer hydraulischen 2-MN-Prüfanlage wurden Schrumpfbehinderung und gleichzeitig Reaktionskräfte gemessen, während des Vorwärmens, des Schweißens und des Abkühlens. Das Ergebnis zeigt, dass die resultierenden mechanischen Beanspruchungen der gesamten Schweißverbindung erheblich von der Höhe der Schrumpfbehinderung und der Wärmeabführung während des Schweißens abhängig sind.
Aktuelle Bestrebungen zum Leichtbau sowie zur Erhöhung der Energie- und Ressourceneffizienz führen zum steigenden Einsatz hochfester Feinkornbaustähle in einer deutlich wachsenden Anzahl von Branchen. Mit zunehmender Festigkeit steigt die Herausforderung an die schweißtechnische Verarbeitung und Bemessung der Konstruktion infolge engerer Verfahrensgrenzen und hoher Streckgrenzenverhältnisse [1]. Moderne modifizierte Sprühlichtbogenprozesse gestatten neben den bekannten wirtschaftlichen Vorteilen gerade im Zusammenhang mit der veränderten Nahtgeometrie, dem reduzierten Schweißnahtvolumen sowie Gesamtwärmeeintrag deutlich geringere schweißbedingte Beanspruchungen. Dadurch erhöht sich die Beanspruchbarkeit hochfester Schweißkonstruktionen. in den Untersuchungen wurde der Einfluss von Schweißprozess und damit verbundener Nahtgeometrie auf die Eigenspannungsausbildung und Gesamtbeanspruchung in hochfesten Schweißverbindungen ermittelt. Mit einer speziellen Prüfanlage (CTW-Test) wurden Proben unter definiertem, bauteilrelevantem Einspanngrad in Nahtquerrichtung mehrlagig geschweißt. Dabei zeigte sich insbesondere für das Nahtvolumen ein signifikanter Einfluss auf die globalen Reaktionsspannungen. Ferner sind die lokalen Zugeigenspannungen im Bereich des Schweißgutes durch den Einsatz modifizierter Sprühlichtbogenprozesse geringer.
In modernen Stahlkonstruktionen werden immer häufiger hochfeste Feinkornbaustähle erfolgreich eingesetzt. Dies resultiert aus dem aktuellen Bestreben, leichte Komponenten zu fertigen und damit die Energie- und Ressourceneffizienz zu steigern. Die Herausforderungen an die Auslegung und Herstellung geschweißter Bauteile nimmt jedoch mit steigenden Festigkeiten und abnehmenden Dehnungsreserven der eingesetzten Werkstoffe zu. So können hohe Schweißeigenspannungen die Beanspruchbarkeit und Bauteilsicherheit kritisch herabsetzen. Untersuchungen zeigten bereits deutliche Einflüsse von Werkstoff, Wärmeführung sowie Schweißprozessparametern und der um-gebenden Konstruktion der Schweißnaht auf den Beanspruchungszustand geschweißter Bauteile. Der Einsatz moderner modifizierter Sprühlichtbogenprozesse (mod.SLB) gestattet in diesen Zusammenhang neben den bekannten wirtschaftlichen Vorteilen das Schweißen einer deutlich schmaleren Nahtgeometrie. Aufgrund des resultierenden reduzierten Gesamtwärmeeintrages sind deutlich geringere schweißbedingte Beanspruchungen und eine höhere Beanspruchbarkeit hochfester Schweißkonstruktionen erreichbar. Unter Nutzung spezieller Prüfanlagen konnten mehrlagige Schweißexperimente zur Analyse des Einflusses der Nahtgeometrie auf die Eigenspannungsausbildung und Gesamtbeanspruchung hochfester Schweißverbindungen bei bauteilähnlichen Einspannbedingungen durchgeführt werden. Für die reduzierten Nahtvolumina zeigte sich eine signifikante Absenkung des Beanspruchungsniveaus während des Schweißens und nach der Abkühlung.
Aus wirtschaftlichen, konstruktiven sowie ästhetischen Aspekten werden moderne Stahlbaukonstruktionen immer schlanker und leichter ausgeführt. Dazu werden zunehmend hochfeste Feinkornbaustähle mit Dehngrenzen ≥ 690 MPa eingesetzt, wodurch eine Gewichtsreduzierung von 30 % bis 50 % und eine Kostenersparnis von 5 % bis 15 % erreicht werden kann.
Das Potential hochfester Feinkornbaustähle ist unter Beachtung der heutigen Richtlinien und Regelwerke jedoch nicht ohne weiteres nutzbar. Durch das Forschungsvorhaben wurde der Einfluss der Wärmeführung auf die Eigenspannungsausbildung und Kaltrissbildung unter Berücksichtigung realitätsnaher Steifigkeitsbedingungen untersucht. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse wurde ein Beitrag zur Verbesserung der Verarbeitungsrichtlinien erarbeitet, welche dem Verarbeiter eine sichere schweißtechnische Verarbeitung bei verbesserter Ausnutzung der Materialeigenschaften ermöglicht. Vor allem die Tragfähigkeit und die Sicherheit der Schweißverbindung bestimmen die Bemessung der Konstruktion und somit den nachhaltigen und ökonomischen Einsatz dieser Güten. Der Zusammenhang zwischen der Höhe der entstehenden Eigenspannungen und der Wärmeführung in realen Konstruktionen ist zurzeit nur qualitativ überschaubar und führt zu einer eher konservativen Auslegung heutiger Schweißkonstruktionen. Die wirtschaftliche Verarbeitung hochfester Stähle wird neben dem Erreichen anforderungsgerechter mechanischer Eigenschaften im Schweißnahtbereich vor allem durch die Vermeidung von Kaltrissen bestimmt. Die diesbezüglichen Empfehlungen in den geltenden Regelwerken beruhen jedoch vornehmlich auf Erkenntnissen aus Laborschweißungen an Kleinproben unter freier äußerer Schrumpfung. Die Hauptursachen für die Entstehung von Eigenspannungen wie inhomogene, lokale Erwärmung und Abkühlung der schweißnahtnahen Bereiche und insbesondere die konstruktive Schrumpfbehinderung infolge umgebender Montagegruppen werden damit jedoch nicht abgebildet. Der Einfluss der Wärmeführung, insbesondere der lokalen Vorwärmung, auf die Eigenbeanspruchung einer Konstruktion ist derzeit weitgehend unbekannt.
Ziel des Forschungsvorhabens war es, den Einfluss der Wärmeführung auf die Eigenspannungsausbildung in geschweißten Konstruktionen zu quantifizieren sowie Aussagen zur Beeinflussung und Absenkung der Eigenspannungen und somit der Gesamteigenbeanspruchung von Schweißkonstruktionen zu erarbeiten. Dazu wurden durch die sukzessive Steigerung des Einspanngrades der Zusammenhang zwischen Wärmeführung und resultierender Eigenspannung unter zusätzlicher Schrumpfbehinderung geklärt. Ferner wurde die Übertragbarkeit der den Regelwerken zugrundeliegenden Kleinprobenergebnisse auf reale Konstruktionen untersucht. Mithilfe systematischer Klein- und Großlastschweißversuche an definiert schrumpfbehinderten Proben konnte der Einfluss der Wärmeführung sowohl auf die lokalen nahtnahen Eigenspannungen als auch globale Eigenbeanspruchungen durch Reaktionsspannungen analysiert werden. Es zeigte sich, dass eine Reduktion der lokalen Eigenspannungen und der Eigenbeanspruchung von geschweißten Konstruktionen durch eine geringere Wärmeeinbringung möglich ist. Eine Absenkung der Zwischenlagentemperatur erwies sich dabei unter anderem als besonders günstig. Damit ist es möglich vorhandene Wärmeführungskonzepte für hochfeste Stähle zu optimieren und dadurch die Kaltrissbildung zu vermeiden.
Bei der Montage von Stahlkonstruktionen kommt es trotz anforderungsgerechter schweißtechnischer Fertigung vereinzelt zur Detektion von unzulässigen Unregelmäßigkeiten im Schweißbereich.
In einem Forschungsprojekt (FOSTA P1311) wurden Untersuchungen durchgeführt und Kenntnisse erarbeitet, um mittelfristig vor allem KMU beanspruchungsgerechte Reparaturkonzepte zur Verfügung zu stellen. Damit können letztlich Schäden und zumeist teure Nacharbeiten verhindert und eine verbesserte Ausnutzung des hohen Festigkeitspotentials hochfester Stähle erreicht werden. Gerade KMU können mit Blick auf die Kosten für Fertigung, Schweißarbeit und Material von den Erkenntnissen beim Einsatz hochfester Stähle, die für eine effiziente Realisierung der Energiewende in Deutschland notwendig sind, profitieren.
Bei der Montage von Stahlkonstruktionen kommt es trotz anforderungsgerechter schweißtechnischer Fertigung vereinzelt zur Detektion von unzulässigen Unregelmäßigkeiten im Schweißbereich. Die Verarbeitungsregelwerke empfehlen das lokale thermische Ausfugen betroffener Bereiche und erneutes Schweißen, geben aber aufgrund fehlender wissenschaftlich fundierter Untersuchungen kaum Informationen zu adäquaten Reparaturkonzepten. Dies betrifft insbesondere die Berücksichtigung und Optimierung resultierender schweißbedingter Beanspruchungen durch hohe Schrumpfbehinderungen der Ausfugenuten sowie der Gefügedegradation angrenzender Bereiche durch das Ausfugen und erneute Schweißen. Gerade bei hochfesten Stahlgüten ergeben sich dadurch häufig reduzierte mechanische Eigenschaften und zusätzliche schweißbedingte Beanspruchungen sowie erneut auftretende Nahtdefekte.
Deshalb wurden für das Forschungsvorhaben systematische bauteilrelevante Untersuchungen der schweißbedingten Beanspruchungen und Gefügeveränderungen reparierter Schweißnähte in Abhängigkeit von der Schrumpfbehinderung und Wärmeführung beim Schweißen und Ausfugen sowie von der Reparaturzyklenanzahl durchgeführt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen auf, welche Faktoren sich für eine Beanspruchungsreduzierung auch bei hohen Einspannbedingungen eignen und wie eine Degradation des Gefüges und der Eigenschaften der Schweißnaht sowie wiederholte Schweißnahtdefekte in der Reparaturnaht vermieden werden können. Insbesondere können mittels adaptiver Wärmeführung geringere schweißbedingte Beanspruchungen in den Reparaturschweißnähten bewirkt werden. Bauteilversuche sichern zudem die Übertragbarkeit der Schweißexperimente in die Praxis ab.
Aufgrund der Erkenntnisse konnten Empfehlungen für beanspruchungs- und werkstoffgerechte Reparaturkonzepte abgeleitet und ausgesprochen werden. Die Analysen wurden an den hochfesten Stahlgüten S500MLO für den Offshore-Bereich und S960QL für den Mobilkranbau realisiert. Damit wird insbesondere der wirtschaftlichen Fertigung hocheffizienter Konstruktionen für Windenergieanlagen und hochfester Strukturen, die für deren Errichtung notwendig sind, Rechnung getragen.
So bieten die Forschungsergebnisse eine wesentliche Grundlage für die Weiterentwicklung entsprechender Normen und Regelwerke. Damit können letztlich Schäden und zumeist teure Nacharbeiten verhindert und eine verbesserte Ausnutzung des hohen Festigkeitspotentials hochfester Stähle erreicht werden. Gerade auch KMU können mit Blick auf die Kosten für Fertigung, Schweißarbeit und Material von den Erkenntnissen beim Einsatz hochfester Stähle, die für eine effiziente Realisierung der Energiewende in Deutschland notwendig sind, profitieren.
Für eine signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Nominalstreckgrenze ≥ 690 MPa, ist die Zugabe von Mikrolegierungselementen, wie Nb und Ti, unerlässlich. Die Normvorgaben zur chemischen Zusammensetzung dieser Stähle (bspw. in DIN EN 10025-6) geben zur Erzielung der vorgeschriebenen Eigenschaften dabei oft nur Grenzgehalte für die Hersteller vor. Die Wirkung der Legierungselemente in der WEZ ist teilweise komplett konträr. Somit wird eine adäquate Vorhersage der Chargenabhängigkeit hinsichtlich der Schweißeignung und des Tragverhaltens der Schweißverbindung erschwert. Neben metallographischen Untersuchungen einzelner WEZ-Bereiche wurden unter Variation der chemischen Zusammensetzung, thermodynamische Phasenberechnungen mittels ThermoCalc durchgeführt. Hierdurch wird ein Verständnis zur Phasentransformation, Ausscheidungswachstum und -auflösung während des Schweißens in Abhängigkeit von Temperatur und Abkühlbedingungen geschaffen.
Für eine signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Normstreckgrenze > 690 MPa, ist die Zugabe von Mikrolegierungselementen, wie Nb und Ti, unerlässlich. Die Normvorgaben zur chemischen Zusammensetzung dieser Stähle (bspw. in DIN EN 10025-6) geben zur Erzielung der vorgeschriebenen Eigenschaften dabei oft nur Grenzgehalte für die Hersteller vor. Die Wirkung der Legierungselemente bzw. ihrer Karbide und/oder Nitride ist teilweise komplett konträr, insbesondere bei Auflösung und Wiederausscheidung in der WEZ bei identischem Schweißzusatz. Somit wird eine adäquate Vorhersage der Chargenabhängigkeit hinsichtlich der Schweißeignung und des Tragverhaltens der Schweißverbindung erschwert. Zuzüglich können moderne Schweißprozesse, wie MSG mit modifiziertem Sprühlichtbogen (mod. SLB) durch ihre hohe Wärmeeinwirkung die Phasenumwandlung in der Wärmeeinflusszone negativ beeinflussen. Eine unerwünschte Eigenschaft ist dabei die Erweichung (engl.: softening) der WEZ, wie auch u.U. der gegenteilige Effekt der Aufhärtung (engl.: hardening). Vor diesem Hintergrund werden im Rahmen eines DFG-Vorhabens systematisch Mikrolegierungsrouten mit variierenden Ti- und Nb-Gehalten des hochfesten und vergüteten Feinkornbaustahls S690QL untersucht. Dazu wird das MAGSchweißen mit mod. SLB verwendet, welches durch hohe Abschmelzleistung gekennzeichnet ist und schmalere Fugenöffnungswinkel (α = 30°) ermöglicht. An diesen Schweißungen wird der Effekt der metallurgischen Zusammensetzung in Kombination mit hoher Wärmeeinwirkung auf die Ausbildung einer kritischen WEZ-Gefügezone mit Erweichung und/oder exzessiver Aufhärtung untersucht. Ein besonderes Augenmerk wird auf die Phasenumwandlungen und das Ausscheidungsverhalten im Gefüge der Wärmeeinflusszone gelegt. Neben umfangreichen metallographischen Untersuchungen einzelner WEZ-Bereiche wurden, unter Variation der chemischen Zusammensetzung, thermodynamische Phasenberechnungen mittels ThermoCalc durchgeführt. Hierdurch wird ein Verständnis zur Phasentransformation und Ausscheidungswachstum und -auflösung während des Schweißens in Abhängigkeit von Temperatur und Abkühlbedingungen geschaffen. Das Ziel ist es, mittels erster Untersuchungen den Einfluss der Wärmeeinwirkung auf die Gefügeausbildung in der WEZ zu zeigen. Insbesondere wird hier auf die Auswirkung der unterschiedlichen Mikrolegierungskonzepte (Ti oder Nb) geachtet.