Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Beanspruchungsreihenfolgeeinfluss auf bearbeitungsbedingte Verfestigungen und Eigenspannungen und die Betriebsfestigkeit nachbehandelter Kerbdetails

Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist es, eine wirtschaftliche und konservative Schadensakkumulationshypothese für mit höherfrequenten Hämmerverfahren (HFH) nachbehandelte Schweißnahtdetails zu erarbeiten, diese Anwendern und Genehmigungsbehörden vorzustellen und zugänglich zu machen. Dies soll einen wirtschaftlichen und sicheren Einsatz der HFH in der Praxis ermöglichen.

Um dieses Ziel zu erreichen, wird im Rahmen dieses Forschungsvorhabens die Wirksamkeit der höherfrequenten Hämmerverfahren unter Betriebsbeanspruchung anhand von umfänglichen Versuchsreihen untersucht. Reihenfolgeeinflüsse der Beanspruchungen für verschiedene Lastkollektive werden analysiert und benannt. Da die Wirksamkeit der HFH-Verfahren auf eingebrachten Druckeigenspannungen sowie Verfestigungen beruht, werden umfängliche Untersuchungen zum Verhalten dieser Einflussgrößen unter Betriebsbeanspruchung durchgeführt. Diese werden unter Berücksichtigung der lokalen Beanspruchungen analysiert und die Ergebnisse bei der Anwendung von Schadensakkumulationshypothesen berücksichtigt. Gezielte Rissinitiierungs- und Rissfortschrittsanalysen zur Ermittlung des Einflusses der Beanspruchungsreihenfolge werden durchgeführt. Abschließend wird der Einfluss von Betriebsbeanspruchungen unter Berücksichtigung von Reihenfolgeeinflüssen und Kollektivformen auf die Wirksamkeit der Schweißnahtnachbehandlung in bislang fehlenden Bemessungsempfehlungen beschrieben und diese den Genehmigungsbehörden vorgestellt.

Durch die Nachbehandlung der Schweißnähte ermüdungsbeanspruchter Stahlbauteile mit HFH können Konstruktionen mit reduzierten Blechdicken und damit reduziertem Materialaufwand bzw. mit längeren Lebensdauern erstellt werden. Dadurch entsteht für Unternehmen aus den Bereichen Stahlbau, Brückenbau und Kranbau, die in Deutschland zu den klein- und mittelständischen Unternehmen zählen, sowie für die Offshore-Industrie und den Anlagenbau ein deutlicher Wettbewerbsvorteil.

Ergebniszusammenfassung:

Die Wettbewerbsfähigkeit der vorrangig Klein- und Mittelständischen Unternehmen im Stahlbau kann durch innovative Methoden gesteigert werden, die eine Reduzierung des Material- oder des Arbeitsaufwandes für Stahlkonstruktionen ermöglichen. In vielen Bereichen ist die Ermüdungs- bzw. Betriebsfestigkeit von Schweißnahtdetails bei der Auslegung der Bauteile bemessungsrelevant. Durch die Nachbehandlung von Schweißnähten mit höherfrequenten Hämmerverfahren (HFH-Verfahren) wird nachweislich die Ermüdungsfestigkeit der Details deutlich erhöht, so dass mit deren Anwendung ressourcenschonende und wirtschaftliche Bauteilauslegungen geschweißter Konstruktionen möglich sind.

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde aus diesem Grund die Betriebsfestigkeit von Schweißnähten untersucht. Dabei wurde der Einfluss der Belastungsreihenfolge und der Kollektivform auf die Wirksamkeit von HFH-nachbehandelten Schweißverbindungen an dem Kerbdetail Quersteife analysiert. Die Lebensdauerverlängerung und die Wirksamkeit der HFH-nachbehandelten Quersteifen unter Ermüdungs- und Betriebsbeanspruchungen konnten nachgewiesen und quantifiziert werden. Eine zusätzliche Steigerung der Betriebsfestigkeit durch den Einsatz höherfester Stähle konnte ebenfalls gezeigt werden.

Die Untersuchungen haben zudem gezeigt, dass die Stabilität der durch HFH-Nachbehandlung eingebrachten Druckeigenspannungen maßgeblich von der maximal auftretenden Spannung und nicht von der Belastungsdauer sowie -reihenfolge abhängig ist. Das bedeutet, dass in vielen Anwendungsbereichen, in denen das Beanspruchungsniveau niedriger als die Grenzspannung ist, eine Lebensdauerverlängerung durch HFH-Nachbehandlung erzielt werden kann.

Die bereitgestellten Bewertungsvorschläge dienen vorrangig KMUs der Bereiche Brücken-, Hoch-, Kran-, Offshore- und Windenergieanlagenbau. Der industrielle Einsatz von HFH-Nachbehandlungsverfahren kann an Kerbdetails zur Verbesserung der Schwing- und Betriebsfestigkeit empfohlen werden.