Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Festigkeitsbewertung hochfester Schweißverbindungen anhand von Querzugversuchen

Schweißverbindungen an hochfesten Feinkornbaustählen erreichen oftmals nicht die Streckgrenze des Grundwerkstoffes, da hierfür keine geeigneten Schweißzusätze am Markt verfügbar sind. Dies führt zu einem Versagen von Zugproben quer zum Schweißgut im Schweißgut. Eine Bewertung über den Versagensort hinaus ist anhand des Querzugversuches aber kaum möglich, da das inhomogene Verformungsverhalten die Ermittlung einer Streckgrenze verhindert. Somit stehen keine einheitlichen Bewertungskriterien zur Verfügung, anhand derer die Eignung hochfester Schweißzusätze für eine Fügeaufgabe bewertet werden kann. Die Vereinbarung von Bestellspezifikationen und Abnahmekriterien ist hierdurch erschwert, so dass Unternehmen, insbesondere KMU, als Lieferant oder Abnehmer ein hohes Risiko eingehen.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, ein Bewertungskonzept für die mechanischen Eigenschaften von Schweißverbindungen über innovative gekoppelte experimentelle und schädigungsmechanische Modellierungsansätze zu entwickeln. Hierdurch soll die die Entwicklung einer Richtlinie zur Bewertung der Streckgrenze von Schweißverbindungen ermöglicht werden um darüber Definitionen von Prüfanforderungen abzuleiten, die zu einer effektiven Kostensenkung bei Herstellerbetrieben, Lieferanten und Abnehmern von Schweißzusätzen beiträgt.

Der Lösungsansatz für die Beantwortung der Forschungsfrage liegt in der experimentellen Untersuchung des Zusammenhangs zwischen eingesetzten Werkstoffen, Schweißparametern und mechanischen Eigenschaften, sowie des resultierenden lokalen Dehnungsverhaltens im Zugversuch. Der Einfluss der Prüfbedingungen auf die Kennwertermittlung wird hierbei berücksichtigt. Auf Basis der Versuche wird über numerische Schweißsimulation, schädigungsmechanische Modellierung und die Ermittlung lokaler mechanischer Eigenschaften das Verständnis des Verformungsverhaltens erarbeitet, so dass eine numerische Untersuchung der Einflussfaktoren in einem weiten Parameterraum effizient durchgeführt werden kann.

Auf dieser Basis wird eine Anwendungsrichtlinie vorbereitet, die innerhalb des DVS AfT zu einem Merkblatt ausgearbeitet werden kann, und die Durchführung und Auswertung von Querzugversuchen inhomogener Proben ermöglicht. Die angestrebte Anwenderrichtlinie wäre insbesondere für KMU wertvoll, um entsprechende Schweißaufgaben sicher lösen zu können. Hierdurch werden Schweißfehler vermieden und Überdimensionierungen reduziert, was zu einer Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und auch der Reduzierung der Ressourcen beiträgt.

Ergebniszusammenfassung:

Die Projektergebnisse tragen dazu bei, die lokalen Verformungsvorgänge innerhalb geschweißter Proben während der Prüfung im Querzugversuch in Abhängigkeit der Schweißparameter, der eingestellten Gefügearten und der lokalen Eigenschaften zu verstehen, simulativ abzubilden und auf Basis dieser Simulationen Kennlinienfelder der Festigkeitsverteilung zur Beurteilung der mechanischen Beanspruchbarkeit von Schweißkonstruktionen aus hochfesten Stählen abzuleiten. Mit Hilfe einer gekoppelten experimentell-numerischen Methodik wird die Wissensbasis geschaffen, um das Regelwerk zur Bewertung von Schweißverbindungen aus höchstfesten Stählen so weiterzuentwickeln, dass künftig die existierenden Anwendungsbarrieren abgebaut werden.

Es wurden anwendungsrelevante Aspekte hervorgebracht, unter deren Berücksichtigung künftig eine differenziertere (Festigkeits-) Bewertung von Schweißverbindungen anhand Querzugversuchen vorgenommen werden kann. Gleichermaßen unterstreichen die Ergebnisse, dass die Bestimmung einer singulären Streck- bzw. Dehngrenze anhand der Prüfung einer metallurgisch inhomogenen Querzugprobe aus technischer Sicht nicht sinnvoll möglich ist. Wegen der mikrostrukturellen Komplexität einer Querzugprobe, die aus einer Verbindungsschweißung entnommen wurde, ist die Ableitung makroskopischer Kennwerte (insb. Streck-/ Dehngrenze) aus einem Querzugversuch folglich nicht möglich. Diese Erkenntnis trägt künftig sicherlich dazu bei, ein gemeinsames Verständnis (bspw. zwischen Schweißfachbetrieben und Herstellern von Schweißzusätzen) bezüglich der Festigkeitsbewertung von Schweißverbindungen anhand von Querzugversuchen zu schaffen. Die Projektresultate bieten insgesamt eine experimentell belegte und numerisch validierte Grundlage dafür, die Anwender für das Thema zu sensibilisieren.