Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Bewertung von Unregelmäßigkeiten im Bezug auf die Ermüdungsfestigkeit unter der besonderen Berücksichtigung der Blechdicke

Empfehlungen und Regelwerke verlangen bei zyklisch beanspruchten Konstruktionen hohe Nahtqualitäten, die nicht in jedem Fall erforderlich sind. Durch die Verknüpfung der Nahtqualitäten mit Ermüdungsfestigkeitswerten in DIN EN ISO 5817 haben sich Fragen über die Sinnhaftigkeit von blechdickenunabhängigen Grenzwerten speziell in der Bewertung von Poren und Einschlüssen in der Industrie und besonders bei dickeren Blechen ergeben. Bislang liegt eine sehr konservative Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von Poren und Einschlüssen bei größeren Blechdicken (t>15mm) vor, da die Blechdickenabhängigkeit dort nicht mehr beachtet wird. Dies führt dazu, dass in der Wirtschaft erhebliche Mehraufwände für das Ausarbeiten solcher „unzulässigen“ Unregelmäßigkeiten entstehen. Dabei ist zu beachten, dass die Vorgaben für die Bewertung von Poren und Einschlüssen in vorhandenen Normen keine experimentelle Grundlage besitzen. Mit der Zielstellung dieses Projektes die Tolerierbarkeit von Unregelmäßigkeiten speziell bei höheren Blechdicken zu quantifizieren, soll ein Beitrag zum Thema Energiewende und Wirtschaftlichkeit geleistet werden. In diesem Zusammenhang spielt auch die Detektierbarkeit der Unregelmäßigkeiten eine große Rolle. Es wird in diesem Vorhaben auf verbesserte Prüftechnik TOFD und Phased Array zurückgegriffen. Damit soll zum einen die Qualität der Untersuchungen erhöht, zum anderen aber auch die Akzeptanz dieser Prüftechnik in der Wirtschaft erhöht werden. Für den Einsatz von geschweißten Komponenten müssen Unregelmäßigkeiten dahingehend bewertet werden, ob sie toleriert werden können und mit welcher Minderung der Ermüdungsfestigkeit solche detektierten Fehler verbunden sind. Es wird durch Schädigungs- und Bruchmechanik die Grenzen der Unregelmäßigkeiten gezeigt. Die Ergebnisse werden in Form von Merkblättern der Industrie zur Verfügung gestellt. Für KMU‘s sollen damit hohe Kosteneinsparungen für die Reduzierung von unnötigen Nacharbeiten möglich sein. Der potentielle Nutzerkreis ist als groß anzusehen, betrifft es doch die gesamte Anlagen- und Stahlbaubranche, bei der tragsicherheitsrelevante Schweißarbeiten ausgeführt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt wurde der Einfluss der Schweißnahtunregelmäßigkeiten Pore (ISO 6520-1 Nr. 2011) und metallischer Einschluss außer Kupfer (ISO 6520-1 Nr. 304) auf die Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindungen untersucht. Dabei wurde experimentell und simulativ festgestellt, dass die Limitierung der Größe der Unregelmäßigkeit bei höheren Blechdicken aus Sicht der Ermüdungsfestigkeitsbewertung nicht notwendig ist. Eine lineare Weiterführung des Zusammenhanges zwischen Nahtdicke und Größe der Unregelmäßigkeit wurde bis zu einer Blechdicke von 25 mm sowohl experimentell als auch simulativ evaluiert und kann empfohlen werden.

Die Ergebnisse bilden die Basis für eine Neubewertung der normativen Grenzwerte für Einzelporen in Schweißnähten in Hinblick auf die Ermüdungsfestigkeit. Die Ergebnisse zeigen, dass größere Poren in den vorgesehenen FAT-Klassen akzeptiert werden können. Die Weiterführung des linearen Zusammenhanges zwischen Porendurchmesser und Blechdicke kann bis zu einer Blechdicke von 25 mm empfohlen werden.

Die eingesetzten Methoden zur ZfP zeigen kostenreduzierende Alternativen zur Röntgen-Durchstrahlungsprüfung, die Anzeigen in äquivalenter Qualität bereitstellen. Die bildgebenden Ultraschallverfahren sind darüber hinaus in der Lage, die Position der Pore bzw. des Einschlusses in Blechdickenrichtung zu bestimmen. Dies ist speziell für die Bewertung der Sinnhaftigkeit von Nacharbeiten bzw. zur Einschätzung des Abstandes zur Bauteiloberfläche von Vorteil.

Von einer Anpassung der normativen Grenzwerte profitieren Anwender wie auch KMU durch die Verringerung notwendiger Nacharbeit, was zu einer deutlichen Kostensenkung führen kann. Die Versuche stellen eine neue Datenlage dar, die Argumentationslinien zur Bewertung von Schweißnähten unterstützt. Durch die vorgestellten Rechenmodelle werden Konstrukteure bzw. Schweißaufsichten in die Lage versetzt, den Einfluss von Schweißnahtunregelmäßigkeiten individuell zu bewerten.