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The application of high-strength fine-grained structural steels with yield strengths greater than or equal to 690 MPa expands because of present light weight design trends. The requirements regarding the welded components safety increased due to high loading capacity. This determines a sustainable and economic application as well. However, high welding residual stresses could diminish the components safety, especially due to high restraint conditions in component or repair welds. Therefore, this work is concerned with global and local welding stresses, especially crack-critical welding stresses in the HAZ and while root welding due to the restraint conditions. Restraint intensities of real components were analysed and realised with two different weld tests, alongside two different plate dimensions and steel grades. A comparison of the test results showed several significant effects for heat control and restraint intensity regarding restraint forces and local welding stresses. Among these effects, substantial influences were found for the filler metal selection with partially altered results for root and filler beads. Local stresses of weld seam and HAZ were affected differently.
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.
Current efforts for lightweight design result in a growing application of high-strength fine-grained structural steel in modern steel constructions, e.g. mobile cranes, with yield strength from 960 MPa. The design of welded structures and the welding process become more challenging with increasing material strength due to higher elastic ratios. The formation of high residual stresses, which are able to diminish lifetime, load capacity and component safety, has to be avoided. Recent numerical and experimental analyses have shown a strong influence of the heat control and the rigidity of the weld on the welding stresses. Global reaction stresses due to an external shrinkage restraint superimpose with local residual stresses in the weld seam. Modern inverter technologies allowed the development of numerous modified spray arc processes driven by the power source manufactures with almost equal characteristics. They provide several well-known technical and economic benefits, like the possibility of welding narrower seam configurations. As a result a smaller weld volume, total heat input and, therefore, reduced welding stresses are achievable. This research focuses on the welding loads due to modified weld seams. The global reaction forces in welded components due to an external shrinkage restraint were investigated in a special in-house developed testing facility. Additionally, the superposition of the local residual stresses, global stresses and bending moments were analysed with the help of X-ray diffraction. The intensity of the restraint, the weld seam configuration and the weld process (transitional arc and modified spray arc) were varied for a statistical evaluation of the resulting welding loads. It was observed that under restraint a smaller weld seam volume affects reduced reaction stresses.
Today’s efforts for lightweight design result in a growing application of high-strength structural steels from 960 MPa. In welded structures of these steels increased demands regarding component safety and a high elastic ratio should be considered. Hence, the prevention of an evolution of high welding induced tensile residual stresses is required. Recent studies showed that component related restraint conditions of welds are able to elevate welding induced stresses to critical values, depending on material characteristics, the welding process and parameters. This work involves multi-axial welding loads as a consequence of the superposition of local residual stresses, global reaction stresses and moments, varying the welding parameters under different restraint conditions. The global welding loads are measured via GMA-weld tests in a special testing facility and via a DIC(Digital Image Correlation)-system in a slot weld. Local transverse residual stresses were analysed by means of X-ray diffraction. The application of a less amount of weld runs due to a modified welding parameters and welds seam configurations revealed as a beneficial approach to reduce welding loads in high-strength steels.
Im Vortrag wurden die wesentlichen Ziele und Erkenntnisse des IGF-Vorhabens 17267 N "Wärmeführung und Kaltrisssicherheit" vorgestellt. Der Einfluss der Wärmeführung auf die schweißbedingte Eigenspannungsausbildung in geschweißten Konstruktionen konnte in Abhängigkeit der konstruktiven Steifigkeit und der Bauteildimensionen quantifiziert werden. Ferner wurden Aussagen zur Beeinflussung und Absenkung der Eigenspannungen und der Gesamteigenbeanspruchung von Schweißkonstruktionen erarbeitet. 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. Weiterführend ist durch die Quantifizierung der im realen Bauteil auftretenden Eigenspannungen bzw. mithilfe gezielter Beeinflussung des Eigenspannungsniveaus eine bessere Ausnutzung der Materialeigenschaften bei der Auslegung von Schweißkonstruktionen aus hochfesten Stählen möglich. Dadurch können ressourceneffizientere Stahlkonstruktionen durch Reduktion von Material- und Fertigungskosten erzielt werden.
In dem Vortrag wurden die wesentlichen Ziele und Ergebnisse zu dem IGF-Vorhaben 17978 N "Bauteilbeanspruchung modifizierter Sprühlichtbögen" vorgestellt. Mit dem modifizierten Sprühlichtbogen ist das Schweißen einer schmaleren Nahtkonfiguration realisierbar. Die Effekte, die sich aufgrund der angepassten Nahtkonfiguration und reduzierten Wärmeinbringung auf die Eigenspannungen und Gesamteigenbeanspruchung einer Schweißkonstruktion ergeben, konnten im Vergleich zu konventionellen Schweißprozessen und Nahtkonfigurationen analysiert werden. Ferner ließen sich realitätsnahe Untersuchungen unter Variation von Bauteildimension und -steifigkeit durchführen, um Aussagen zur Beeinflussung schweißbedingter Beanspruchungen in hochfesten Bauteilen zu erarbeiten. Es zeigte sich, dass bei optimaler Wärmeführung eine Absenkung des Nahtöffnungswinkels und damit Nahtvolumens signifikant geringere Reaktionsspannungen und -momente bewirkt. Dies führt gerade bei Hemmung des Winkelverzugs zu deutlich reduzierten Quereigenspannungen in der Wärmeeinflusszone aufgrund geringerer Biegespannungen. Die Erkenntnisse erlauben eine gezielte Reduzierung der Eigenspannungen sowie einer erhöhte Risssicherheit bei der Montage und dem Betrieb von Bauteilen aus hochfesten Stählen. Weiterführend ist durch die Quantifizierung der am realen Bauteil auftretenden Eigenspannungen bzw. mithilfe einer planmäßigen Beeinflussung des Eigenspannungsniveaus eine verbesserte Ausnutzung der Materialeigenschaften bei der Auslegung hochfester Schweißkonstruktionen möglich. Dadurch sind ressourceneffiziente Stahlkonstruktionen mittels Reduktion von Material- und Fertigungskosten erzielbar. Mit der gegenwärtig bereits verfügbaren Anlagentechnik ist die Anwendung der gewonnen Forschungsergebnisse kurzfristig realisierbar und angesichts der ökonomischen Vorteile rentieren sich gegebenenfalls notwendige Neuanschaffungen schnell.
The increased application of higher-strength steels and filler materials necessitates a more profound understanding of the interactions between the welding process, the heat input, the cooling conditions and the resulting metallurgical processes in the weid and its surroundings. Strategies, which help to improve the strength properties and life-time of welded stmctures to such an extent that the utilisation of higher-strength materials can be justified and their lightweight construction potential can thus be exploited to the füll, can only be derived from the interaction between all the influencing factors. Examples of a few investigations on welded joints between higher-strength fine-grained structural steels with regard to the interactions between the main variables influencing the cold cracking are presented in this article.
Der derzeitige Trend, Konstruktionen immer leichter zu gestalten, führt im modernen Stahlbau zu einer zunehmenden Relevanz höherfester Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen ab 690 MPa. Daher bieten Hersteller Grund- und Schweißzusatzwerkstoffe dieser Güten mit guter Schweißeignung an. Bei der Fertigung von Baumaschinen wie Mobilkranen werden diese Werkstoffe bereits seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt. Jüngst weitet sich die Verwendung auch auf andere Bereiche des Stahlbaus wie dem Brücken- oder Windenergieanlagenbau aus. Jedoch lässt sich nach aktuellem Stand der Normen das Festigkeitspotential dieser höherfesten Stähle oft noch nicht wirtschaftlich effizient und vollständig ausnutzen. Denn mit zunehmender Festigkeit geschweißter Verbindungen sind engere Verfahrensgrenzen sowie angehobene Tragfähigkeits- und Sicherheitsanforderungen verbunden. Eigenspannungen in geschweißten Bauteilen sind dabei maßgeblich, weil diese die Beanspruchbarkeit und Bauteilperformance insbesondere infolge der geringen plastischen Dehnungsreserven höherfester Feinkornbaustähle beeinflussen. Die Eigenspannungsausbildung ist wesentlich vom Werkstoff, dem Schweißprozess und der Konstruktion sowie deren Interaktion abhängig. Bei normgemäßer schweißtechnischer Fertigung und Konstruktionsauslegung wird in der Regel pauschal von Eigenspannungen in Höhe der Streckgrenze ausgegangen. Die Regelwerke und Richtlinien beruhen jedoch auf Annahmen, die vorwiegend für niedrigfeste Stähle zutreffend sind. Zwar zeigen frühere Arbeiten, dass Eigenspannungen in höherfesten Verbindungen meist deutlich unterhalb der Streckgrenze liegen. Die Untersuchungen konzentrierten sich jedoch vornehmlich auf Einzeleinflüssen und freischrumpfende Laborproben. Bisher fehlen systematische Untersuchungen an höherfesten Verbindungen, die die Steifigkeits- und Wärmeableitungsbedingungen realer Bauteile berücksichtigen. Für eine adäquate Bewertung schweißbedingter Beanspruchungen und Optimierung mithilfe adaptierter Wärmeführung ist dies aber erforderlich. Denn globale Reaktionsspannungen infolge einer äußeren Schrumpfbehinderung können zur deutlichen Anhebung der Gesamtbeanspruchung führen.
Im Fokus dieser Arbeit stand deshalb die Erarbeitung einer statistischen Versuchsmatrix zur Durchführung freischrumpfender und definiert schrumpfbehinderter Schweißexperimente. Dazu erfolgten systematische mehraxiale Analysen globaler Kräfte, Momente und Spannungen während des Schweißens und Abkühlens sowie lokaler Eigenspannungen in der Schweißnaht in Abhängigkeit von Wärmeführung und eingesetztem Werkstoff. Hierfür wurden Experimente an speziellen dreidimensional wirkenden Prüfanlagen zur Abbildung wirklichkeitsnaher Einspannbedingungen durchgeführt. Die lokale Eigenspannungsanalyse erfolgte mittels Röntgendiffraktometrie. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf reale Bauteile gewährleisteten numerische und experimentelle Analysen zur Steifigkeit von Bauteilstrukturen und Prüfanlagen gegenüber Quer- und Winkelschrumpfung. Ziel war die Quantifizierung der Einzeleffekte unter Berücksichtigung gegenseitiger Wechselwirkungen nach Wirkungsart bzw. -ort und auf den resultierenden Beanspruchungszustand. Nur mit diesen Kenntnissen lassen sich schweißbedingte Beanspruchungen bei der Fertigung und Konstruktion höherfester Bauteile angemessen berücksichtigen.
Für die Beanspruchungsanalysen konnten durch Einsatz anwendungsnaher Schweißverfahren und -parameter höherfeste Schweißverbindungen an zwei Blechdicken der vorwiegend eingesetzten wasservergüteten Feinkornbaustähle S690QL und S960QL realisiert werden. Die Abkühlbedingungen sowie die daraus resultierenden Gefüge und Eigenschaften wurden analysiert. Schweiß-Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilder ließen sich mithilfe der Einsensor-Differenz-Thermoanalyse erarbeiten. Dies ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Legierungszusammensetzung und des Umwandlungsverhaltens der Werkstoffe auf die Eigenschaften und Eigenspannungsausbildung im Zusammenhang mit der Ermittlung einer adäquaten Wärmeführung. So zeigte sich im Gegensatz zu den Regelwerken bei den für höherfeste Güten empfohlenen hohen Abkühlraten eine günstigere Beeinflussung durch die Streckenenergie als durch die Arbeitstemperatur. Umfangreiche Analysen der auf die neutrale Faser der Schweißnaht bezogenen Kräfte und Spannungen belegten erstmals quantitativ die hohe Abhängigkeit des Reaktionsmomentes und damit der Biegespannungen von der Wärmeführung. Angehobene Arbeitstemperaturen führen zwar zu erhöhten Beanspruchungen während der Fertigung. Dem kann aber mit Schweißgütern niedrigerer Festigkeit oder angepasster Nahtkonfiguration Rechnung getragen werden. Für erhöhte Einspannbedingungen riefen abgesenkte Arbeitstemperaturen deutlich niedrigere Reaktionsmomente und -spannungen nach der Abkühlung hervor. Im Widerspruch dazu empfehlen die Regelwerke für risssicheres Schweißen von Feinkornbaustählen basierend auf Kohlenstoffäquivalentkonzepten die Einstellung einer Wärmeführung über das Anheben von Mindestarbeitstemperaturen. Diese Konzepte besitzen daher nur eingeschränkte Gültigkeit, um bei angehobenen Einspannbedingungen in höherfesten Verbindungen gezielt schweißbedingte Beanspruchungen zu reduzieren und ein erhöhtes Rissrisiko zu vermeiden. Höhere Streckenenergien führten infolge gesteigerter Abschmelzraten und einer geringeren Anzahl an Schweißlagen sowie außermittig eingebrachter Schweißraupen zur wesentlichen Absenkung der Reaktionsmomente und -spannungen. Dies unterstreicht die Bedeutung der Streckenenergie zur Einstellung adäquater Abkühlbedingungen bei höherfesten Stählen. Eine weitere deutliche Reduzierung des Gesamtbeanspruchungsniveaus war bei hohen Einspann- und Biegeeinspanngraden durch eine Verringerung des Nahtspaltes unter Verwendung einer modifizierten Sprühlichtbogenvariante möglich. Des Weiteren ergaben sich beim Einsatz von Zusatzwerkstoffen mit höherer Festigkeit in den Fülllagen aufgrund des Umwandlungsverhaltens positive Effekte auf den Kräfte- und Spannungshaushalt. Diese Erkenntnisse konnten durch die lokalen Eigenspannungsanalysen bestätigt werden. Erhöhte Biegespannungen wirken sich weniger auf das Eigenspannungsniveau im Schweißgut als vielmehr auf die benachbarten Bereiche bzw. die Wärmeeinflusszone (WEZ) aus. Annähernd unabhängig vom eingesetzten Werkstoff war ein linearer Zusammenhang zwischen Biegeeinspanngrad, Biegespannung und Höhe der Zugeigenspannungen in der WEZ zu beobachten. Vor diesem Hintergrund kann davon ausgegangen werden, dass eine Umlagerung dieser Zugeigenspannungen, bspw. durch Lasten im Betrieb, im Zusammenhang mit den geringen plastischen Dehnungsreserven der höherfesten Werkstoffe nicht stattfinden kann. Zudem bedingen die Gefüge der WEZ herabgesetzte mechanische Eigenschaften und in Kombination mit komplexen, mehrachsigen Spannungszuständen eine Minderung der Bauteilperformance und mit höherer Wahrscheinlichkeit ein frühzeitiges Bauteilversagen.
Eine zusammenfassende Effekt- und Wechselwirkungsanalyse der verschiedenen Nahtbereiche mit Regressionsmodellen war Grundlage für die Abschätzung schweißbedingter Beanspruchungen. Damit zeigt die Arbeit, dass sich unter Gewährleistung der mechanisch-technologischen Nahteigenschaften eine adaptierte Wärmeführung ermitteln lässt, um möglichst geringe Zugeigenspannungen in lastkritischen Bereichen zu erzielen. Darauf basierend erfolgte die Entwicklung eines Konzeptes zur Bewertung und Optimierung schweißbedingter Beanspruchungen in höherfesten Verbindungen. In Anlehnung an die Bemessungskonzepte der Betriebsfestigkeit wurden somit Berechnungsansätze zu einer nach Wirkungsart und -ort differenzierten Berücksichtigung schweißbedingter Beanspruchungen in höherfesten Konstruktionen beispielhaft für den Mobilkranbau erarbeitet. In Fallbeispielen ließ sich mit einem neuen Berechnungsansatz zeigen, dass die zur Optimierung schweißbedingter Beanspruchungen abgeschätzten Wärmeführungs- und Schweißparameter eine gesteigerte Ausnutzung der Streckgrenzen höherfester Feinkornbaustähle gegenüber dem konventionellen Tragfähigkeitsnachweis ermöglichen.