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Fügetechnik für die neue Wasserstoffökonomie – Werkstoffe, Schweißtechnologien, Perspektiven –
(2021)
Die Studie gibt einen Überblick über die Aspekte der Fügetechnik und ihrer Bedeutung in Wasserstofftechnologien. Dazu werden die Grundlagen der Technologiefelder Wasserstofferzeugung, -speicherung, -transport und -nutzung vorgestellt und der Stand der Technik der fügetechnischen Fertigung von Komponenten in Wasserstofftechnologien zusammengefasst. Dabei werden nicht nur exklusiv Metalle betrachtet. Anhand repräsentativer Beispiele aus der Praxis, Forschung und Entwicklung wird die Bedeutung der Fügetechnik in Wasserstofftechnologien klar herausgestellt und mögliche Perspektiven für die Zukunft abgeleitet. Hier ist ersichtlich, dass Fügetechnologien wesentliche Bedeutung für die erfolgreiche Umsetzung von technischen Komponenten der Wasserstofftechnologien haben, von der Erzeugung bis zur Anwendung. Aus gesamtwirtschaftlicher Sicht umfassen die Schwerpunkte bzw. Trends der Fügetechnik dabei: die Erstellung neuer Infrastruktur für Wasserstoffspeicherung und -transport sowie die sichere Umnutzung der bestehenden Erdgasinfrastruktur. Bei der Wasserstoffanwendung wird die effiziente massentaugliche Produktion von Brennstoffzellen immer wichtiger. Es ist zudem klar ersichtlich, dass die additive Fertigung bereits jetzt ein hohes Potential für Komponenten von Wasserstofftechnologien besitzen und dieses wachsen wird. Aus den perspektivischen Anwendungen ergeben sich zudem Herausforderungen und Forschungsbedarfe für die notwendigen nationalen und internationalen Regelwerke und technischen Normen. Schwerpunktmäßig sind hierbei die bereits bestehenden Empfehlungen und kodifizierten Regeln vollständig zu adaptieren und in die Aus- und Weiterbildung von fügetechnischem Fachpersonal einzubetten.
Wasserstoff erfüllt die zentrale Rolle für die Umwandlung der bisherigen fossil-basierten Energieerzeugung und -nutzung auf eine dekarbonisierte, nachhaltige Form. Dazu muss der Wasserstoff erzeugt, gespeichert, transportiert werden, bevor er wieder der Nutzung zugeführt wird. Hierzu sind entlang der gesamtem Prozesskette Wasserstofftechnologien notwendig, die einen sicheren Betrieb erfordern. Hierbei kommt dem schweißtechnischen Anlagen- und Behälterbau wesentliche Bedeutung zu, insbesondere (aber nicht ausschließlich) für Speicherung und Transport des Wasserstoffes. Der vorliegende Beitrag gibt einen kurzen Überblick, wo und wie die konventionelle Schweißtechnik hierzu wichtige Beiträge leistet. Die additive Fertigung, also das „Drucken“ von Bauteilen wird dabei zunehmend wichtiger, entlang der gesamtem Prozesskette der Wasserstofftechnologien. Gleichwohl darf nicht unterschätzt werden, dass auch wesentlicher Bedarf an der Erweiterung und teilweiser Neufassung von bestehenden Regel- und Normenwerken besteht.
Die Herausforderungen für die Fügetechnikbranche, die sich durch die neuen Wasserstoff-Technologiefelder „Erzeugung“, „Speicherung“, „Transport“ und „Nutzung“ ergeben, sind sehr vielfältig. Der DVS-Bericht 373 gibt dazu einen tieferen Einblick. Der hier vorliegende Kurzbericht stellt dazu ausgewählte Praxisbeispiele, zugehörige Herausforderungen und sich ergebende Chancen vor. Fügetechnologien haben dabei wesentliche Bedeutung für das erfolgreiche Umsetzen und Herstellen der benötigten technischen Komponenten, wie anhand der Themenkomplexe „Wasserstoff-Pipelines“ und „additive Fertigung“ betrachtet wird. Zudem ergeben sich Herausforderungen für die notwendigen Regelwerke und Normen, die nahezu vollständig angepasst oder geschaffen werden müssen.
Die Studie gibt einen kurzen Überblick über die jetzige Bedeutung der Fügetechnik in Wasserstofftechnologien und über zukünftige Forschungsbedarfe für die Branche in den einzelnen Technologiefeldern Wasserstofferzeu-gung, -speicherung, -transport und -nutzung. Fügetechnologien haben dabei wesentliche Bedeutung für die er-folgreiche Umsetzung von technischen Komponenten der Wasserstofftechnologien. Die Schwerpunkte bzw. For-schungsbedarfe ergeben sich bspw. durch die Erstellung neuer Infrastruktur für Wasserstoffspeicherung und -transport sowie durch Umnutzung der bestehenden Erdgasinfrastruktur. Bei der Wasserstofferzeugung und -anwendung wird z.B. die Entwicklung effiziente Massenproduktionsmethoden von Elektrolyseuren und Brennstoff-zellen einen wichtigen Meilenstein bilden und laserbasierte Fügetechnologien sind hier zum Teil schon etabliert. Die additive Fertigung nimmt dabei eine Querschnittsposition ein und besitzt hohes Anwendungspotential für die Zukunft z.B. für die Fertigung von Komponenten in Gasturbinen. Aus den technischen Fragestellungen und For-schungsbedarfen ergeben sich zudem Herausforderungen für die notwendige Neu- und Weiterentwicklung von technischen Regelwerken und Normen und den Eingang in die Aus- und Weiterbildung von fügetechnischem Fachpersonal.
Die Studie gibt einen kurzen Überblick über die jetzige Bedeutung der Fügetechnik in Wasserstofftechnologien und über zukünftige Forschungsbedarfe für die Branche in den einzelnen Technologiefeldern Wasserstofferzeugung, -speicherung, -transport und -nutzung. Fügetechnologien haben dabei wesentliche Bedeutung für die erfolgreiche Umsetzung von technischen Komponenten der Wasserstofftechnologien. Die Schwerpunkte bzw. Forschungsbedarfe ergeben sich bspw. durch die Erstellung neuer Infrastruktur für Wasserstoffspeicherung und -transport sowie durch Umnutzung der bestehenden Erdgasinfrastruktur. Bei der Wasserstofferzeugung und -anwendung wird z.B. die Entwicklung effiziente Massenproduktionsmethoden von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen einen wichtigen Meilenstein bilden und laserbasierte Fügetechnologien sind hier zum Teil schon etabliert. Die additive Fertigung nimmt dabei eine Querschnittsposition ein und besitzt hohes Anwendungspotential für die Zukunft z.B. für die Fertigung von Komponenten in Gasturbinen. Aus den technischen Fragestellungen und Forschungsbedarfen ergeben sich zudem Herausforderungen für die notwendige Neu- und Weiterentwicklung von technischen Regelwerken und Normen und den Eingang in die Aus- und Weiterbildung von fügetechnischem Fachpersonal.
Um den wachsenden Anforderungen an den stofflichen und konstruktiven Leichtbau sowie den Forderungen nach Ressourceneffizienz Rechnung zu tragen, werden in vielen Industriebranchen zunehmend höherfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen über 690 MPa eingesetzt. Allerdings werden mit zunehmender Festigkeit deutlich höhere Anforderungen an deren schweißtechnische Verarbeitung gestellt, da die Sensibilität gegenüber einer Herabsetzung der mechanischen Eigenschaften durch den beim Schweißen aufgenommenen diffusiblen Wasserstoff mit steigender Festigkeit zunehmen kann. In den vergleichenden Untersuchungen von konventionellem Übergangslichtbogen und modifiziertem Sprühlichtbogen bei reduziertem Nahtöffnungswinkel konnte gezeigt werden, dass die Schweißprozessparameter die in das Schweißgut eingebrachte Wasserstoffkonzentration beeinflussen. Grundsätzlich ist den erarbeiteten Ergebnissen zu entnehmen, dass im Schweißgut von Stumpfstoßverbindungen mit reduziertem Nahtöffnungswinkel erhöhte mittlere Wasserstoffkonzentrationen vorliegen. Diese können mit geeigneten Wärmeführungen signifikant reduziert werden. Dabei erwies sich eine Nachwärmprozedur aus der Schweißwärme heraus als zielführend.
Heute werden in Stahlkonstruktionen zunehmend hochfeste Baustähle (Streckgrenze ≥ 960 MPa) eingesetzt. Daher sind auch in Schweißnähten solche hohen Festigkeiten gefordert. Jedoch können hohe Eigenspannungen aufgrund geringerer plastischer Dehnungsreserven in diesen Schweißnähten die Sicherheit der Bauteile vermindern. Diese sind insbesondere im Zusammenhang mit Wasserstoff und Härtegefügen risskritisch. Niedrige Bauteilbeanspruchungen und Kosteneinsparungen lassen sich heutzutage mit modernen fokussierten Lichtbogenvarianten und engeren Nahtspalten erreichen. Die vorliegende Studie zeigt allerdings, dass diese modernen Schweißprozesse und die angepasste Nahtgeometrie höhere Wasserstoffkonzentrationen und signifikant gesteigerte oberflächennahe Zugeigenspannungsniveaus bedingen. Anhand mehrlagiger Schweißversuche an S960QL unter Variation von Wärmeführung, Lichtbogenvariante und Nahtöffnungswinkel wurden die Effekte und Wechselwirkungen unter Zuhilfenahme von Eigenspannungsanalytik mittels Röntgendiffraktometrie und Wasserstoffanalytik mittels Trägergasheißextraktion systematisch untersucht. Das Schweißgefüge führte unter kritischer mechanischer Beanspruchung und erhöhtem Gehalt an diffusiblem Wasserstoff insbesondere bei geringem Nahtöffnungswinkel und fokussiertem Lichtbogen zu einer deutlichen Ausbildung von Mikrorissen. Die Mikrorisse führten teils zu einer makroskopischen Ausprägung. Durch Analysen zur Nachwärmung aus der Schweißwärme heraus konnten suffiziente Wärmeführungsparameter für eine effektive Prävention solcher Risse erarbeitet werden. Die vorliegende Arbeit zeigt anhand des Interaktionssystems bei der wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung Gefüge-Beanspruchung-Wasserstoff, welche Wärmeführungs- und Schweißparameter sich für die hochfesten Feinkornbaustähle zur Kaltrissvermeidung eignen.
Im Zuge der wasserstoffbasierten Energiewirtschaft von morgen, kommt der Errichtung der dementsprechenden Infrastruktur die zentrale Rolle zu. Der überwiegende Teil bisher eingesetzter und meist geschweißter Werkstoffe, wie Stähle, kann unter bestimmten Bedingungen zur Wasserstoffversprödung neigen. Dies umfasst die klassische verzögerte Kaltrissbildung während der Schweißverarbeitung als auch Versprödungsphänomene während des Betriebs. Für die Bewertung eines jeden Wasserstoffeffektes auf bspw. die mechanischen Eigenschaften eines geschweißten metallischen Werkstoffes, muss der Wasserstoffgehalt präzise bestimmt werden, Im Fall von Schweißnähten ist die beispielsweise nach der ISO 3690, die klassische isotherme Trägergas-Heißextraktion (TGHE). Die TGHE basiert dabei auf der beschleunigten Wasserstoffentgasung aufgrund der thermischen Aktivierung des Wasserstoffs bei erhöhten Temperaturen. Neben der reinen Quantifizierung des Wasserstoffs, kann über die thermische Desorptionsanalyse (TDA) mit variierten Heizraten, der Bindungszustand an mikrostrukturellen Defekten im Material festgestellt und bewertet werden. Für beide Techniken sind experimentelle und messtechnische Einflüsse zu beachten, die großen Effekt auf das Ergebnis haben. Für die TGHE schlägt die ISO 3690 schlägt beispielswiese verschiedene Probengeometrien sowie Mindestextraktionszeiten vor. Die vorliegende Studie fasst Ergebnisse und Erfahrungen zahlreicher Untersuchungen an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) mit unterschiedlichen Probentemperaturen und Geometrien (ISO 3690 Typ B und zylindrische TDA-Proben) zusammen hinsichtlich: Einfluss der Probenoberfläche (poliert/geschweißt), Messgenauigkeiten in Abhängigkeit des Probenvolumens sowie die unzureichende Überwachung des Effektes des PI-Reglers auf die Extraktionstemperatur. Insbesondere eine abweichende Extraktionstemperatur zur eingestellten Temperatur, kann die Messergebnisse wesentlich verfälschen. Basierend auf den Ergebnissen werden Methoden aufgezeigt, um schnell die gewünschte Extraktionstemperatur zu erreichen, ohne physisch in das Messequipment eingreifen zu müssen. Dies dient der wesentlichen Verbesserung der Zuverlässigkeit der Wasserstoffmessung durch erhöhte Signalstabilität und beschleunigte Wasserstoffdesorption. Im Allgemeinen ist eine unabhängige Temperaturmessung mit Dummy-Proben für die gewählte Heizprozedur angeraten, um mögliche unerwünschte Temperatureinflüsse bereits vor der Messung auszuschließen. Die beschriebenen Methoden können ohne großen Aufwand direkt in die industrielle Anwendung überführt werden.
Um den wachsenden Anforderungen an den stofflichen und konstruktiven Leichtbau sowie den Forderungen nach Ressourceneffizienz Rechnung zu tragen, werden in vielen Industriebranchen zunehmend höherfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen ≥ 690 MPa eingesetzt. Allerdings werden mit zunehmender Festigkeit deutlich höhere Anforderungen an deren schweißtechnische Verarbeitung gestellt. Weil gerade die Sensibilität gegenüber einer Degradation der mechanischen Eigenschaften der höherfesten Feinkornbaustähle durch den beim Schweißen aufgenommenen Wasserstoff mit steigender Festigkeit zunimmt, ist auf eine geeignete Wärmeführung zu achten. Für konventionelle MAG-Schweißprozesse liegen bereits Erfahrungen und Regelwerke zur Wärmeführung und entsprechende Wasserstoffgrenzwerte vor. Moderne Invertertechnik ermöglichte die Entwicklung modifizierter Sprühlichtbögen (mod. SLB). Im Vergleich zu konventionellen Lichtbogenprozessen wird ein äußerst kurzer und richtungsstabiler Lichtbogen, eine höhere Abschmelzleistung, ein größerer Kontaktrohrabstand und ein tieferer Einbrand realisiert. Neben den bekannten Vorteilen lassen außerdem reduzierte mögliche Nahtöffnungswinkel einen anderen Lagenaufbau und unterschiedliche Geometrien der einzelnen Schweißraupen erwarten. Jedoch fehlen hierzu Aussagen über den schweißverfahrensspezifisch eingetragenen Wasserstoff und die damit einhergehende Kaltrissgefahr. Hierzu lagen in der Industrie, besonders bei den KMU, kaum Kenntnisse vor und sollten deshalb als Ziel dieses Forschungsprojektes erarbeitet werden.
Die vergleichenden Untersuchungen mit konventionellem Übergangslichtbogen und mod. SLB mit angepasster Nahtkonfiguration erfolgten an freischrumpfenden Stumpfstoßverbindungen sowohl mit Massivdraht als auch Metallpulverfülldraht. Zur Durchführung der Untersuchungen wurde eine Methodik entwickelt, die es ermöglicht, im Schweißgut realer Verbindungsschweißungen die Wasserstoffkonzentration reproduzierbar zu bestimmen. Anhand der Analysen konnte gezeigt werden, dass die Schweißprozessparameter die in das Schweißgut eingebrachte Wasserstoffkonzentration in Einlagenschweißungen beeinflussen. Auch beim Mehrlagenschweißen gestaltet sich der Wasserstoffeintrag abhängig von den Schweißprozessparametern und ist auf den unterschiedlichen Lagenaufbau zurückzuführen. Grundsätzlich ist den erarbeiteten Ergebnissen zu entnehmen, dass im Schweißgut von Stumpfstoßverbindungen mit abgesenktem Nahtöffnungswinkel erhöhte mittlere Wasserstoffkonzentrationen existieren. Außerdem beinhalten Schweißgüter aus Metallpulverfülldraht höhere Wasserstoffmengen als Massivdrahtschweißungen. Geeignete Wärmeführungen führten zu einer signifikanten Reduzierung der Wasserstoffkonzentration bei dem Einsatz der Nahtkonfiguration mit abgesenktem Nahtöffnungswinkel. Dabei erwies sich eine Nachwärmprozedur aus der Schweißwärme heraus als zielführend. Die Vorstellung von Zwischenergebnissen in Normungsgremien erfolgten, um mittelfristig vor allem den KMU eine sichere Verarbeitung höherfester Feinkornbaustähle zu ermöglichen.
Die dargestellten Ergebnisse stellen einen wichtigen Beitrag zur sicheren Auslegung von Schweißkonstruktionen aus höherfestem Feinkornbaustahl dar und ermöglichen den KMU die technischen und wirtschaftlichen Vorteile der mod. SLB-Prozesse auszunutzen sowie unter Berücksichtigung der wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung kostenintensive Nacharbeiten zu reduzieren.
Wasserstoff kann eine Rissbildung u.U. auch noch nach Tagen in der Schweißnaht bewirken. Dabei stellen höherfeste Stähle etablierte Kaltrissprüftests vor Herausforderungen. Generell nimmt die zur Rissvermeidung tolerierbare Wasserstoffkonzentration mit zunehmender Festigkeit der Werkstoffe ab. Zudem verändern weiterentwickelte Schweißverfahren die Nahtgeometrie und Wärmeeinbringung und die Ausbildung risskritischer Mikrostrukturen (z.B. Wärmeeinflusszone). Am Beispiel des Implant- und Tekken-Tests werden die Einsatz- u. Anwendungsgrenzen bewertet. Zu berücksichtigen ist, dass beim Schweißen eine äußere mechan. Beanspruchung durch bauteilspezifische Steifigkeitsverhältnisse wirksam ist. Zusätzlich werden weiterführende Prüfverfahren zur Bestimmung der Wasserstoffkonzentration und -diffusion in Schweißnähten vorgestellt, wie die Trägergasheißextraktion (TGHE) für die Ermittlung der Wasserstoffkonzentration (ISO 3690) oder Hochtemperaturdiffusionskoeffizienten.
Diese Werte sind für die schweißtechnische Praxis von großer Bedeutung, um Haltezeiten z.B. für das Wasserstoffarmglühen abzuleiten.
Aus wirtschaftlichen, konstruktiven sowie ästhetischen Aspekten werden moderne Stahlbaukonstruktionen immer schlanker und leichter ausgeführt. Dazu werden zunehmend höherfeste Feinkornbaustähle mit Dehngrenzen von 690 MPa bis 960 MPa in Einzelfällen bis 1100 MPa eingesetzt, Beispiele hierfür sind unter anderem die Dachkonstruktion des Sony-Centers in Berlin sowie Elemente beim Ausleger und die Tragstrukturen von Mobilkranen, die oft aus S960 oder sogar S1100 gefertigt werden, Je nach Ausnutzung der höheren Dehngrenze kann eine Gewichtsreduzierung von 30 % bis 50 % und eine Kostenersparnis von 5 % bis 15 % erreicht werden. Eine Studie der Dillinger Hütte GTS an vergleichenden Unterpulver (UP)-Schweißungen aus verschiedenen höherfesten Stählen verdeutlicht das Einsparungspotential.
Offshore-Windenergieanlagen bilden einen zentralen Bestandteil der zukünftigen Energieerzeugung. Hierzu notwendige Gründungs- und Turmstrukturen werden vorrangig aus UP-geschweißten Blechen aus hochfesten niedriglegierten Stählen mit Dicken bis zu 200 mm hergestellt. Die großen Blechdicken begünstigen hohe Schweißeigenspannungen und lange Diffusionswege für z. B. über den Schweißprozess eingebrachten Wasserstoff. Damit steigt das Risiko für eine wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung (WKB) an. Zum sichereren Ausschluss von WKB in den geschweißten Komponenten wird in Abhängigkeit der Nahtgröße, Wärmeeinbringung und Stahlsorte eine Mindestwartezeit (MWZ) von bis zu 48 h empfohlen, bevor die zerstörungsfreie Prüfung durchgeführt wird. Es ist allerdings offen, ob die empfohlene MWZ zu konservativ ist. Einflüsse sind hier bspw. die schwierige Bewertung des Wasserstoffdiffusionsverhaltens im heterogenen UP-Mehrlagen-Schweißgut (SG) im Vergleich zum Grundwerkstoff (GW).
Zudem sind nur sehr begrenzt H-Diffusionskoeffizienten für UP-Mehrlagen-SG als Grundlage zur Abschätzung des Zeitintervalls einer möglichen verzögerten Kaltrissbildung (somit MWZ) oder auch für Nachwärmprozeduren zur Wasserstoffreduktion (keine MWZ) verfügbar. Verlässliche H-Diffusionskoeffizienten sind daher ein adäquates Tool zur Bewertung des Risikos einer verzögerten WKB. Dieser Beitrag beschreibt Untersuchungen zur Charakterisierung der Wasserstoffdiffusionsverhalten in UP-Mehrlagen-SG eines 60 mm dicken Bleches einer Offshore-Stahlgüte.
Dazu wurden Proben unterschiedlicher Dicke aus dem reinen Schweißgut extrahiert und über elektrochemische Permeation und Trägergasheißextraktion im Temperaturbereich bis 400 °C sehr interessante Ergebnisse zu den korrespondierenden Diffusionskoeffizienten erarbeitet.
Einfluss von Konstruktion und Wasserstoff auf die Kaltrissbildung hochfester Feinkornbaustähle
(2020)
Der konstruktive Leichtbau erfordert den zunehmenden Einsatz hochfester Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen ≥ 690 MPa. Neben den durch die Wandstärkenreduzierung erreichbaren Einsparungen an Ressourcen und Fertigungszeit lässt sich eine weitere Minimierung der Schweißzeit und -kosten mittels abgesenkter Schweißnahtvolumina erreichen. Hierzu wurden moderne Lichtbogenprozesse, wie bspw. der modifizierte Sprühlichtbogen (Mod.SLB), mit erhöhter Abschmelzleistung entwickelt, mit denen auch enge Nahtspalte bzw. Nahtöffnungswinkel geschweißt werden können. Hochfeste Verbindungen unterliegen zunehmend erhöhten Anforderungen in Bezug auf die schweißtechnische Verarbeitung und der resultierenden Bauteilperformance und sicherheit. Dies gilt insbesondere beim Bauteilschweißen mittels solcher Hochleistungsverfahren in Verbindung mit engen Nahtspalten. In der vorliegenden Arbeit soll dieser Herausforderung durch Klärung der Einflüsse auf die Kaltrissbildung bei einem hochfesten Feinkornbau-stahl S960QL Rechnung getragen werden. Für die Kaltrissprüfung werden entsprechende adaptierte Proben analog dem selbstbeanspruchenden TEKKEN-Test verwendet und hinsichtlich Rissbildung, Gefüge, Gehalt an diffusiblem Wasserstoff und Eigenspannungen analysiert. Die Variation der Nahtöffnungswinkel der Prüfnähte erfolgt zwischen 30° und 60°. Zur Vermeidung wasserstoffunterstützter Kaltrissbildung wird die Wirksamkeit einer Nachwärmprozedur aus der Schweißwärme heraus untersucht. Als Ergebnis zeigen die Schweißgüter, die an reduziertem Nahtöffnungswinkel erzeugt wurden, im Mittel etwas höhere Wasserstoffkonzentrationen. Zudem ist an diesen Schweißgütern eine vermehrte Mikro- als auch Makrorissbildung festzustellen. An allen Proben, die nicht nachgewärmt wurden, treten Kerbrisse aufgrund von Kaltrissbildung auf, deren Vermeidung sich durch ein Nachwärmen unmittelbar nach dem Schweißen als besonders effektiv darstellte.
Höherfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen ≥ 690 MPa neigen bei der schweißtechnischen Fertigung zur Bildung von wasserstoffunterstützten Kaltrissen. Diese Mikrorisse entstehen aus der kritischen Interaktion von lokalem risskritischem Gefüge, lokal erhöhter Wasserstoffkonzentration und lokal erhöhter Beanspruchung bzw. Dehnung. Aktuell gültigen Regelwerken zur schweißtechnischen Verarbeitung höherfester Feinkornbaustähle sind Anweisungen zu entnehmen, um das Risiko einer Kaltrissbildung zu minimieren. Die Weiterentwicklung der Werkstoffe (Legierungskonzepte) und neuer Lichtbogenprozesse zur Verringerung der Nahtöffnungswinkel bei gleichzeitiger Erhöhung der Abschmelzleistung (modifizierter Sprühlichtbogen) brachten jedoch auch neue Fragen hinsichtlich der Wasserstoffmenge in der Schweißverbindung nach dem Schweißen und der Kaltrissempfindlichkeit mit sich. Mikrolegierungselemente (V, Nb und Ti) bedingen bspw. eine verlangsamte Wasserstoffdiffusion. Schweißverbindungen unter reduziertem Nahtöffnungswinkel beinhalten höhere Wasserstoffkonzentrationen. Dieser Beitrag zeigt den Einfluss von Einbrandprofil (höhere Abschmelzleistung) auf die Kaltrissempfindlichkeit an einem höherfesten Feinkornbaustahl mit artähnlichem mikrolegierten Schweißzusatzwerkstoff anhand des fremdbeanspruchten Implant-Tests.
Das Schweißen hochfester Feinkornbaustähle mit modifizierten Sprühlichtbögen bietet die Möglichkeit, kleinere Nahtöffnungswinkel zu schweißen.
Allerdings findet der modifizierte Sprühlichtbogen in den Regelwerken zur schweißtechnischen Verarbeitung hochfester Feinkornbaustähle unter Vermeidung von Kaltrissbildung bisher keine Berücksichtigung. Dieser Beitrag betrachtet die Wechselwirkungen der Haupteinflussgrößen auf die Kaltrissbildung beim Schweißen mit kleineren Nahtöffnungswinkeln am Beispiel des hochfesten Stahls S960QL.
Ausgehend vom derzeit vorrangigen Einsatz in Mobilkranen, kommen höherfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen ab 960 MPa zunehmend auch in anderen modernen Stahlkonstruktionen zur Anwendung. Dies ist aufgrund aktueller Forderungen nach Energie- und Ressourceneffizienz im Sinne des konstruktiven Leichtbaus vielfach notwendig. Die Verwendung höherfester Stähle sowie deren schweißtechnische Verarbeitung, insbesondere in sicherheitsrelevanten Tragstrukturen, erfordert ein tiefgreifendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Schweißverfahren, Wärmeeinbringung, Abkühlbedingungen sowie den daraus resultierenden metallurgischen Vorgängen in der Schweißnaht und den nahtnahen Bereichen. Vorwiegend werden höherfeste Güten mittels MAG-Prozess geschweißt. Bedeutende Fortschritte in der Regelungstechnik führten unter den Herstellern von Schweißstromquellen in den letzten Jahren zur Entwicklung zahlreicher modifizierter Sprühlichtbogenprozesse (mod. SLB). Diese Prozesse ähneln sich in ihren Eigenschaften und ermöglichen die bekannten positiven Aspekte, wie Einsparung an Schweißzusatz sowie Schweiß- und Rüstzeit aufgrund der Möglichkeit reduzierter Nahtöffnungswinkel. Der mod. SLB bedingt zusammen mit einer anderen Nahtgeometrie veränderte Naht- und Schweißraupenquerschnitte sowie einen abweichenden Lagenaufbau. Diese wirtschaftlich-technisch attraktive Möglichkeit reduzierter Nahtöffnungswinkel findet in den Regelwerken zur schweißtechnischen Verarbeitung höherfester Feinkornbaustähle unter Vermeidung von Kaltrissbildung bisher keine Berücksichtigung. Dabei gilt es, gerade die Interaktion der Haupteinflussgrößen auf die Kaltrissbildung unter reduziertem Nahtöffnungswinkel zu betrachten. Im Rahmen zweier AiF-Forschungsvorhaben (IGF-Nr. 17.978 N, 18.596 BR) wurde daher der Einfluss der Wärmeführung anhand vergleichender Mehrlagenschweißungen mittels konventionellem Übergangslichtbogen und mod. SLB mit angepasster Nahtkonfiguration auf schweißbedingte Beanspruchungen sowie auf die Wasserstoffkonzentration im Schweißgut untersucht.
Offshore-Windenergieanlagen erfordern Gründungskonzepte aus unterpulver-(UP-)geschweißten Dickblechen (bspw. der Güte S420ML). Während der Schweißfertigung kann eine zeitverzögerte wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung auftreten, deren Bewertung aufgrund der Bauteilgröße von Offshore-Strukturen sehr komplex ist. Deswegen wurde eine bauteilähnliche Geometrie (Mock-Up) entwickelt, um reale Steifigkeitsverhältnisse auf den Labormaßstab zu übertragen. Zusätzliche Versteifungen simulieren die Wirkung einer Einspannung bzw. Schrumpfbehinderung der Schweißnaht. Über die Verwendung von Schweißpulvern mit definierter Feuchte wurden zudem ein Extremszenario der Wasserstoffaufnahme simuliert. Entsprechend der vorgegebenen Mindestwartezeit für die ZfP von bis zu 48 h wurde die Schweißnaht zerstörungsfrei mit Phased-Array-Ultraschall-Prüfung (PAUT) geprüft und die Eigenspannungen über Röntgendiffraktometrie (XRD) bestimmt. Zusätzlich wurde die Wasserstoffverteilung in der Schweißverbindung numerisch simuliert. Außer zulässigen Defekten (wie Poren), wurde keine verzögerte Kaltrissbildung in den Mock-Ups festgestellt, was auf hohe Rissbeständigkeit hindeutet.
Der verstärkte Einsatz höherfester Stähle und Zusatzwerkstoffe erfordert ein vertieftes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Schweißverfahren, Wärmeeinbringung, Abkühlbedingungen sowie den daraus resultierenden metallurgischen Vorgängen in der Schweißnaht und deren Umgebung. Nur aus dem Zusammenwirken aller Einflussfaktoren lassen sich Strategien ableiten, mit deren Hilfe die Festigkeitseigenschaften bzw. die Lebensdauer von Schweißkonstruktionen in einem Maße verbessert werden können, die den Einsatz höherfester Werkstoffe rechtfertigen und somit deren Leichtbaupotenzial voll ausgenutzt werden kann. Vorgestellt werden einige beispielhafte Untersuchungen an Schweißverbindungen aus höherfesten Feinkornbaustählen zu Interaktionen der Haupteinflussgrößen auf die Kaltrissbildung.----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
The increased utilisation of higher-strength steels and filler materials necessitates more profound understanding of the connections between the welding process, the heat input, the cooling conditions and the resulting metallurgical processes in the weld and its surroundings. Strategies which help to improve the strength properties and service lives of welded structures 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 full 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.
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.
Kaltrissprüfung hochfester Feinkornbaustähle beim Schweißen mit modifiziertem Sprühlichtbogen
(2019)
Der konstruktive Leichtbau erfordert den zunehmenden Einsatz hochfester Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen bis zu 1300 MPa. Um darüber hinaus Schweißzeit, Schweißnahtvolumina und Schweißkosten zu minimieren, kam es zur Entwicklung moderner Lichtbogenprozesse mit erhöhter Abschmelzleistung, wie bspw. dem modifizierten Sprühlichtbogen (mod. SLB). Dieser Beitrag zeigt Kaltrissuntersuchungen beim Einsatz des mod. SLB unter reduziertem Nahtöffnungswinkel eines Hochfesten S960QL. Mit Hilfe des fremdbeanspruchten Implant-Tests konnte dargelegt werden, dass durch die erhöhte Abschmelzleistung ein tieferes Einbrandprofil entsteht und es dadurch zu einer zeitverzögerten Rissbildung kommt. Ergebnisse des selbstbeanspruchenden TEKKEN-Tests zeigen eine deutliche Rissbildung im Schweißgut unter reduziertem Nahtöffnungswinkel. Durch eine Nachwärmung unmittelbar nach dem Schweißen kann diese Rissbildung minimiert werden.
Große Materialstärken und komplexe Strukturen bewirken eine erhebliche Schrumpfbehinderung der Schweißnaht.
Die aus dem Schweißprozess resultierenden multiaxialen Belastungen tragen maßgeblich zur Gesamteigenbeanspruchung einer Schweißkonstruktion bei und lassen sich nur unter realen Fertigungsbedingungen analysieren.
Zur wirklichkeitsnahen Simulation der komplexen Steifigkeitsverhältnisse realer Bauteile wurden hierzu in einer speziellen 3D-Prüfanlage UP-Mehrlagenschweißungen am warmfesten Stahl 13CrMoV9-10 durchgeführt. Während der schweißtechnischen Fertigung sowie der Abkühlung auf Raumtemperatur wurden die Proben an der freien Ausdehnung und Schrumpfung gehindert. Der Einfluss der Wärmeführung, d.h. Streckenenergie (E) und Vorwärm-/Zwischenlagentemperatur (T(Pli>), auf die resultierende Bauteilbeanspruchung wurde durch in-situ Messungen der Reaktionskräfte (Fy) und Biegemomente (Mx) während des Schweißens und der anschließenden Wasserstoffarmglühung untersucht. Sowohl die Reaktionskräfte als auch die Biegemomente steigen mit zunehmender Vorwärmtemperatur an und somit erhöht sich die Beanspruchung des Wurzelbereiches. Während die Vorwärm-/Zwischenlagentemperatur einen signifikanten Einfluss auf die resultierenden Reaktionskräfte hat, ist der Einfluss auf die Biegemomente nach Abkühlung auf Raumtemperatur vernachlässigbar. Eine Erhöhung der Streckenenergie wirkt sich nur geringfügig auf die Höhe der Endreaktionskraft aus, beeinflusst aber signifikant das resultierende Biegemoment nach erfolgter Abkühlung auf Raumtemperatur.
Bei der Fertigung dickwandiger Bauteile durch Schweißverfahren mit großen Abschmelzleistungen kommt es zu einer Wasserstoffversprödung. Diese ist abhängig von den Grundwerkstoff-Zusatzwerkstoff-Kombinationen, welche zu unterschiedlichen Ausscheidungen führen und das Diffusions- und Trappingverhalten des Wasserstoffes im Gefüge beeinflussen. Die metallurgischen Einflüsse sind bisher unbekannt. Es werden Empfehlungen zur Wärmeführung beim Schweißen abgeleitet. Hierzu ist es notwendig, die metallurgie- und mikrostrukturspezifische Wasserstoffdiffusion und -freisetzungstemperatur zu bestimmen. Die Konzepte zur Vermeidung der Kaltrissanfälligkeit werden an UP/MSG-Bauteilschweißungen entwickelt. Ziel ist die Identifikation von metallurgisch günstigen GW-Zusatz-Kombinationen zur a-priori Vermeidung zeitverzögerter wasserstoffunterstützter Kaltrissbildung geschweißter Komponenten aus modernen Stählen.
In vielen Anwendungen werden aufgrund zunehmender Anforderungen an den Widerstand gegenüber hohen, kombinierten mechanischen, tribologischen, thermischen und korrosiven Beanspruchungen Hochleistungslegierungen eingesetzt. Den vielfach komplexen Bauteilstrukturen, herausfordernden Fertigungseigenschaften und der Erhöhung der Ressourceneffizienz lässt sich heute mit der additiven Fertigung (AM) begegnen, dem oftmals noch unzureichende Kenntnisse über die resultierende Homogenität und Anisotropie der speziellen Gefüge und den damit verbundenen Eigenschaften entgegensteht. Viele Anwendungen benötigen zudem definierte Oberflächen mit hohen Anforderungen an die Oberflächenintegrität, dem durch komplementären Einsatz von additiven und abtragenden Fertigungsschritten Rechnung getragen wird. Hochleistungslegierungen auf der Basis von Nickel oder Kobalt sind infolge der niedrigen Wärmeleitfähigkeit verbunden mit hoher Festigkeit und Zähigkeit äußerst herausfordernd mit Blick auf eine wirtschaftliche Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide. Ein Vorhaben (IGF-Nr. 20.979 N/DVS-Nr. 1.3211) der BAM und TU Clausthal/ISAF befasst sich mit der Lösung dieser Problemstellung durch gezielte Beeinflussung des Gefüges mittels Modifikation der Schweißzusatzwerkstoffe und den Einsatz des ultraschallunterstützten Fräsens (US), bei gleichzeitiger Sicherstellung der geforderten Eigenschaften der untersuchten Werkstoffe. Im vorliegenden Beitrag werden für die beiden untersuchten FeNi- und CoCr-Legierungen wesentliche Zusammenhänge zwischen verschiedenen Legierungsmodifikationen, der entstehenden Gefügemorphologie und den Zerspanungseigenschaften von mittels PTA additiv gefertigter Proben dargestellt. Hierbei ließen sich Ti, Zr und Hf pulvermetallurgisch zu den jeweiligen Ausgangsschweißzusätzen hinzulegieren.
Für Komponenten im Turbinen- oder Anlagenbau werden aufgrund ihrer Eigenschaften häufig Kobalt-Chrom-Legierungen verwendet. Diese weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit und hohen Verschleißwiederstand auf. Aufgrund der komplexen Strukturen und dem Bestreben nach Ressourceneffizienz wird zur Herstellung der Komponenten die additive Fertigung verwendet. Hierbei sind hinsichtlich der Inhomogenität und Anisotropie der Gefüge und deren Eigenschaften weitere Kenntnisse notwendig. Bei den vorliegenden Belastungen liegt ein erhöhter Anspruch an die Oberflächenintegrität vor, welcher durch komplementären Einsatz von additiven und abtragenden Fertigungsschritten sichergestellt wird. Dabei sind gerade Co-Cr-Legierungen wegen der niedrigen Wärmeleitfähigkeit verbunden mit hoher Festigkeit und Zähigkeit äußerst herausfordernd mit Blick auf eine wirtschaftliche Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide. Ausgehend von dieser Problemstellung erfolgt im Zuge eines Gemeinschaftsvorhabens des ISAF in Kooperation mit der BAM eine gezielte Beeinflussung des Gefüges. Ziel des Projektes ist die Zusammenhänge zwischen verschiedenen Legierungsmodifikationen, der entstehenden Gefügemorphologie und den Zerspanungseigenschaften von Co- Cr-Legierungen für die additive Fertigung mittels PTA darzustellen. Der Fokus liegt auf dem Beheben der bestehenden Nachteile bei gleichzeitigem Aufrechthalten der besonderen Eigenschaften der Legierung. Durch das Hinzulegieren von variierenden Gehalten von Zirkonium und Hafnium wird die Gefügeveränderung eingestellt. Es hat sich gezeigt, dass Hafnium als zusätzliches Legierungselement einen deutlichen Einfluss auf die Gefügemorphologie hat. Darüber hinaus wird die Auswirkung der Legierungsmodifikation auf die Härte und die Zerspanbarkeit dargestellt.
High strength structural steels are susceptible to hydrogen embrittlement. A critical combination of stress, amount of diffusible hydrogen and microstructure is believed to cause cold cracking. Especially during welding of high strength structural steels high tensile residual stresses may develop. Therefore, a feasibility study was conducted using synchrotron X-ray diffraction in order to analyze the stress–strain behavior during tensile loading. For that purpose two types of steel showing different hardening mechanisms were used. On the one hand a thermo-mechanically treated S1100MC and on the other hand a quenched and tempered S1300Q were chosen. The samples were electrochemically charged with hydrogen and subsequently stored in liquid nitrogen to prevent effusion. Tensile tests of the samples were conducted in a special load frame allowing for tilting the samples while applying constant loads. High energy synchrotron radiation was used for energy dispersive X-ray diffraction (EDXRD) analysis in transmission geometry. This method offers the possibility for measuring several diffraction lines of all contributing crystalline phases of the material. Strains as well as stresses applying the sin²ψ-method were determined for varying load situations. This feasibility study shows how the interaction of hydrogen and the stress/strain response may be assessed by diffraction methods. Examples are presented showing that hydrogen alters the load distribution as well as the strain behavior between different lattice planes in high strength steels.
Komponenten aus dickwandigen, hochwarmfesten CrMoV-Stählen erfordern eine anspruchsvolle UP-Schweißverarbeitung. Dabei muss die notwendige Wärmenachbehandlung der Schweißnaht (PWHT) sicher beherrscht werden.
Hier kann u.U. Bauteilversagen infolge von Spannungsrelaxationsrissbildung (SRR) auftreten. Bislang erfolgt die Beurteilung der SRR-Neigung primär über Ersatzgrößen, wie temperaturbedingte Änderung der Härte und Duktilität.
Die Wirkung der konstruktiven Schrumpfbehinderung einer Schweißnaht auf die SRR ist bislang völlig unbekannt.
Hier setzt das Forschungsprojekt an, hinsichtlich der Gewinnung und Optimierung der Parameter für die PWHT unter realitätsnahen Bauteilsteif igkeiten (def inierte Einspannbedingung) mit dem Ziel der SRR-Vermeidung. Am Beispiel des niedriglegierten, hochwarmfesten Stahls 13CrMoV9-10 wurden UP- Schweißungen unter industriepraktischen Bedingungen freischrumpfend bzw. unter definierter Schrumpfbehinderung durchgeführt. Diese wurden mit unterschiedlichen PWHT-Szenarien (Variation der Auf heizrate und Endtemperatur) beaufschlagt. Die Ergebnisse des Projektes DVS 01.2261 / IGF 20171 N werden in diesem Beitrag vorgestellt, wie Aussagen zur SRR-Suszeptibilität in Abhängigkeit von Mikrostruktur und vorliegender mehrachsiger mechanischer Beanspruchung der Schweißnaht vor/während des PWHT. Für einen kritischen Zustand sind hohe Kräfte / Spannungen notwendig, die in freischrumpfenden Schweißversuchen u.U. nicht abbildbar sind. Die Berücksichtigung des mikrostrukturspezifischen Ausscheidungsverhaltens (in Schweißgut und Wärmeeinflusszone) unter realitätsnahen Einspannbedingungen ist für die Bewertung einer SRR-Suszeptibilität notwendig. Instrumentierte Schweißversuche unter definierter Schrumpfbehinderung ermöglichen hier das Monitoring der entstehenden Reaktionskräfte, -momente bzw. -spannungen. Ausgehend von diesem Referenzzustand erfolgte die Applikation der PWHT-Szenarien bzw. deren praktische Überprüfung. Zusätzlich wurde eine Ersatzprüfmethodik entwickelt, die die Betrachtung der mikrostrukturspezifischen SRR-Suszeptibilität unter Beibehaltung der äußeren Schrumpfbehinderung der Schweißnaht während des PWHT ermöglicht. Hierdurch wird die Bauteilübertragbarkeit ermöglicht und eine Transfergröße geschaffen, welche die Bauteilbewertung hinsichtlich der SRR-Neigung umfasst.
Druckbehälter mit großen Wandstärken (250+ mm) aus hochwarmfesten, niedriglegierten Stählen werden hauptsächlich Mehrdraht-Unterpulver-(UP) geschweißt. Der damit verbundene hohe Energieeintrag führt unter anderem zu hohen lokalen Schweißeigenspannungen, welche bei unsachgemäßer Prozessführung der notwendigen Wärmenachbehandlung (PWHT) zu Spannungsrelaxationsrissen (SRR) führen. In den Bewertungskriterien zur Spannungsrelaxationsrissanfälligkeit finden weder die, mit klassischen, freischrumpfenden Schweißversuchen nicht abbildbaren, erhöhten Eigenspannungen aus der Schrumpfbehinderung der Bauteilsteifigkeit Beachtung, noch die damit einhergehenden metallurgischen Effekte wie bspw. das Ausscheidungswachstum während der PWHT und damit einhergehende Härteunterschiede an den Korngrenzen bzw. die vorzeitige Alterung durch Bildung differenter Sonderkarbide. Die Aufheizrate des PWHT als Einflussfaktor für die SRR-Bildung bleibt derzeit ebenfalls unbeachtet.
Daher wurde eine Versuchsmethodik entwickelt, die eine mögliche SRR-Anfälligkeit durch die Kopplung von thermischer und mechanischer Beanspruchung untersucht. Dazu wurden Proben mit unterschiedlichen Gefügen thermisch simuliert und während des PHWT repräsentativ mit sehr hohen Lasten/Eigenspannungen mechanisch beansprucht.
Dazu wurde an Kleinzugproben für das as-welded UP-Schweißgut und die thermisch simulierte GKZ eines 13CrMoV9-10 die Dehnung des Prüfbereichs bei variablen Querspannungen und Aufheizraten gemessen. Diese aufheizraten- und gefügeabhängige Längenänderung der Probe wurde durch mathematische Prozeduren analysiert. Damit war es möglich, singuläre werkstoffliche Effekte auf μm-Ebene (Ausscheidungswachstum) als summarische Längen- bzw. Volumenänderung per klassischer Kurvendiskussion zu beschreiben. Die erste und zweite Ableitung zeigten eine ausscheidungsabhängige Härtezunahme, welche von der Spannung und Aufheizrate im geringen Maß linear abhängig war. Gleichzeitig sind Volumenänderungen bei Bildung und Wachstum differenter Sonderkarbide bekannt, welche zusammen mit gefügespezifischen Untersuchungen und der neuen Versuchsmethodik zu einer verbesserten Beurteilung der SRR-Anfälligkeit von geschweißten CrMoV-Stählen beitragen sollen. Prinzipiell ist die vorgestellte Methodik jedoch werkstoff- und zustandsoffen, d.h. sowohl für Grundwerkstoff e als auch definierte Wärmebehandlungsbedingungen geeignet. Dies ermöglicht erstmals die Schaffung einer Transfergröße zwischen Labor und realen Schweißungen, unter Beibehaltung der Bauteilsteifigkeit, d.h. vereinfachte, aber realistische Eigenspannungsabbildung als Grundlage für weitergehende gefügespezifische metallurgische Effekte während des PWHT.
In vielen Bereichen des modernen Stahlbaus kommen geschweißte Vollwandträger, wie I-Träger zum Einsatz. Im Gegensatz zu Walzprofilen können die Bauhöhe, die Querschnittsform und die Blechdicken an die Beanspruchung angepasst werden, wodurch sich wirtschaftliche Vorteile erzielen lassen. Dabei werden heutzutage immer häufiger hochfeste Feinkornbaustähle mit (Mindest-) Fließgrenzen bis 690 MPa eingesetzt. Zur verbesserten Ausnutzung des Tragfähigkeitspotenzials geschweißter Profile aus diesen Stählen existieren keine geeigneten Modelle zur Erfassung der schweißfertigungsbedingten Eigenspannungen an realen Komponenten. Diese Daten werden durch konservative Annahmen angenähert. Die potentielle Tragfähigkeit geschweißter Konstruktionen wird daher in der Regel unterschätzt. Die Eigenspannungsannahmen in DIN EN 1993 basieren auf starken Vereinfachungen, bspw. im Rahmen sog. „Ersatzstabnachweise“. Diese setzen die Proportionalität der Eigenspannungsamplituden zur Fließgrenze voraus. Vergleichsrechnungen mit einem parametrisierten Eigenspannungsmodell zeigten mögliche Abweichungen in den berechneten Tragfähigkeiten über mehrere Knicklinien. Die Festlegungen hinsichtlich der anzuwendenden Knicklinie beeinflussen jedoch die Blechdicken und somit in erheblichem Maße auch die Fertigungskosten.
Als Optimierungsstrategie wurden in diesem Forschungsprojekt deswegen unterschiedliche anwendungsorientierte Modellansätze entwickelt, welche mithilfe nichtlinearer Traglastberechnungen, die höhere Ausnutzung von Tragfähigkeitsreserven ermöglichen sollen.
Forschungsziel war somit primär die Entwicklung und Bereitstellung entsprechender Berechnungsansätze. Experimentell wurde hierzu der Eigenspannungszustand von konventionell geschweißten Strukturen am Beispiel der im Stahlbau besonders häufig verwendeten I-Träger aus zwei gängigen Baustählen, einem unlegierten Baustahl S355J2+N und einem Feinkornbaustahl S690QL, erfasst und durch numerische Schweißstruktursimulationen ergänzt. Anschließend erfolgte die Ableitung eines vereinfachten Berechnungsmodells zur weiteren Berücksichtigung in nichtlinearen Tragfähigkeitsberechnungen. Die Erkenntnisse sollen in einen entsprechenden Anwenderleitfaden, herausgegeben durch das Technical Committee 8 der Europäischen Konvention für Stahlbau, einfließen und diesbezüglich als Orientierung einer möglichen zukünftigen Anpassung der Knicklinien in DIN EN 1993-1-1 dienen.
Im Projekt wurden die genannten Stähle in zwei typischen Dickenkombinationen von 25/15 mm und 20/10 mm (Gurt- und Stegbleche) zu Großprobekörpern „I-Träger“ unter industrienahen Fertigungsbedingungen mittels Metall-Aktivgasschweißen gefügt. Diese erzeugten die typischen Eigenspannungen, die in solchen Trägern nach der Fertigung vorliegen. Während des Schweißens wurden die Temperaturfelder durch Thermoelemente aufgezeichnet. Die Eigenspannungen wurden nach dem Schweißen experimentell durch eine Kombination aus mechanischem Zerlegen (Zerlegemethode) und anschließender mobiler Röntgendiffraktometrie (XRD) festgestellt. Der Einfluss der industriell üblichen Brennschnittkantenvorbereitung der Bleche auf die finalen
Eigenspannungszustände wurde experimentell zusätzlich an kleinmaßstäblichen Proben untersucht. Metallographische Analysen (Schliffbilder und Härtemessungen) komplettierten das experimentelle Programm der FE 2 (BAM, Berlin).
Die Ergebnisse zeigten, dass beim mechanischen Zerlegen bereits ein Großteil der Eigenspannungen herausgelöst wurde. Eine Aussage zu den nahtnahen Zugeigenspannungen war allerdings erst durch die Überlagerung mit der XRD möglich. Dabei zeigte der S690QL überwiegend ein besseres Verhalten als der S355J2+N, welches sich unter anderem in abgesenkten Zugeigenspannungen im Verhältnis zur jeweiligen Fließgrenze äußerte. Die maximalen Eigenspannungen wurden dabei zumeist in der Wärmeeinflusszone (WEZ) der Schweißnaht gemessen, unabhängig von der eingebrachten Streckenenergie oder der Festigkeit des Grundwerkstoffs. Die baupraktische Annahme, dass die maximalen Eigenspannungen in Höhe der Fließgrenze vorliegen können, wurde nur in Einzelfällen und nur für den S355J2+N bestätigt. Die experimentellen Ergebnisse zeigten für die Druckeigenspannungen ebenfalls reduzierte relative Eigenspannungswerte des S690QL. Dies zeigt die notwendige weitere Optimierung bei der Wahl der Bewertungsansätze für Eigenspannungen auf die Tragfähigkeit.
Die erzeugten Messwerte dienten im weiteren Verlauf als Eingangswerte für die Modellentwicklung und die numerischen Simulationen an I-Trägern durch die FE 1 (LSH, Cottbus). Die numerischen Schweißsimulationen erfolgten in Simufact.Welding® für die Simulationsmodelle mit „klassischem“ Schweißsimulationsansatz sowie in Ansys® für vereinfachte Simulationen und Näherungsansätze. Die Modelle lieferten insgesamt vergleichbare Ergebnisse für die Längseigenspannungen mit teils jedoch erheblichen Unterschieden in den Rechenzeiten. Durch eine angepasste Vernetzung konnte die Rechenzeit in allen Fällen deutlich reduziert werden. Aufgrund der verwendeten Bauteilgrößen ist die Anwendung der Modellierung mit Volumenelementen allerdings meistens nicht praktikabel. Für typische Trägerschweißungen bieten stattdessen Querschnittsmodelle mit der Annahme eines verallgemeinerten ebenen Verzerrungszustands eine mögliche Alternative. Der Abgleich der Ergebnisse mit den Experimenten lieferte zusammenfassend überwiegend gute bis befriedigende Übereinstimmungen. Die experimentell festgestellten Tendenzen wurden dabei in allen Fällen richtig vorhergesagt.
Eine umfassende Bewertung der erzielbaren Genauigkeiten war bisher nicht möglich. Dies lag einerseits daran, dass die Datendichte der mit der durch die Zerlegung gewonnen Ergebnisse gering war. Anderseits lieferten die überlagerten Ergebnisse mit der XRD in Teilen, insbesondere in den interessierenden Druckbereichen, widersprüchliche Aussagen zum Eigenspannungseinfluss, was bisher nicht abschließend geklärt werden konnte. Darüber hinaus entstanden etwaige Abweichungen in den Simulationen auch durch die zugrunde gelegten Materialdaten selbst. Diese entsprachen Standarddatensätzen aus Materialbibliotheken. Die Skalierung dieser erfolgte gleichmäßig über den gesamten Temperaturbereich. Insbesondere für den S690QL existierten zu wenige belastbare Materialkennwerte.
Entsprechende Versuche konnten im Rahmen dieses Vorhabens nicht mit durchgeführt werden.
Dennoch konnten hinsichtlich eines vereinfachten Berechnungsvorgehens zur Berücksichtigung der Schweißeigenspannungen in Tragfähigkeitsberechnungen einige wichtige Erkenntnisse gewonnen werden. Auf Basis der in den numerischen Schweißsimulationsmodellen ermittelten plastischen Dehnungsmuster, auch „Eigenspannungsquellen“, wurde eine vereinfachte Simulationsvorgehensweise vorgeschlagen und verifiziert. Die dabei eingeführten Vereinfachungen wurden im Hinblick auf die Berechnung ausschließlich der plastischen Längsdehnungen bzw. der Längseigenspannungen gewählt. Die Anwendbarkeit ist daher auf ausreichend lange Schweißträger mit Längsnähten beschränkt. Einige Modellmodifikationen zur weiteren Vereinfachung bzw. Modellimplementierung in die strukturmechanische Berechnung an großen Komponenten wurden vorgestellt. Abschließend erfolgt die Einstufung in eine mögliche Knicklinie auf Basis eines mittels GMNIA (geometrisch und materiell nichtlineare Analyse mit Imperfektionen) Berechnungen simulierten Streubands der Tragfähigkeiten mittels Abaqus® und Ansys®. Die anfängliche Hypothese einer günstigeren Knicklinie eines S690QL im Vergleich zum S355J2+N wurde dabei rechnerisch bestätigt. Der experimentelle Nachweis mittels entsprechender Trägerfähigkeitsversuche ist allerdings noch ausstehend.