Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Bemessung von Kranstrukturen aus laserstrahl- und laserhybridgeschweißten höchst- und ultrahochfesten Stählen

Speziell in der Konstruktion zyklisch höchstbeanspruchter Strukturen stellen hochfeste Stähle eine geeignete Möglichkeit dar, Leichtbau zu betreiben und Festigkeitsreserven auszunutzen. Im Kranbau werden innerhalb der Strukturen Verbindungen klassischerweise mittels MAG-Schweißen ausgeführt. Um diese herzustellen oder in höchstbeanspruchten Bereichen die Steifigkeit zu erhöhen, finden beispielsweise im Teleskopausleger eines Krans, Stumpfstöße, aufgeschweißte Bleche, U-Beulsteifen oder im Fahrzeugrahmen I-Stege Anwendung. Aufgrund fortschreitender Kosteneffizienz in der Fertigung und der Erhöhung der Nahtfestigkeit streben neuere Entwicklungen den Einsatz von Laserstrahlschweißverfahren und Laserhybridverfahren an.

An Stumpfstoßverbindungen konnte der Einsatz von Laserschweißprozessen für einige Werkstoffe in einem weiten Blechdickenbereich gezeigt werden. Allerdings liegen im Bereich hoch-, höchst- und insbesondere ultrahochfester Feinkornbaustähle wenige Ergebnisse vor, die durch eine Einordnung in gängige Regelwerke deren Anwendbarkeit sicherstellen. Daher zielt das Forschungsvorhaben auf die Untersuchung der zyklischen Beanspruchbarkeit von Stumpf- und Kehlnähten aus Stählen mit Streckgrenzen von 960 bis 1300 MPa ab. Die Schwingfestigkeitsbewertung dieser Verbindungen erstreckt sich aufgrund der Beanspruchungen im Kranbau und des notwendigen Abgleichs mit den Regelwerken bei 2.000.000 Schwingspielen über den Zeitfestigkeits- bis in den Kurzzeitfestigkeitsbereich. Im Rahmen der Bewertung werden sowohl geometrische und metallurgische Unterschiede in der Nahtgestalt, als auch der Einfluss variabler Betriebsbeanspruchungen auf die Schwingfestigkeit berücksichtigt.

Für die Betriebsfestigkeitsbewertung werden Nennspannungs- und Kerbgrundkonzepte auf den Anwendungsfall angepasst und diese an Bauteilausschnitten (Musterbauteilen) verifiziert. Ergänzend dazu findet eine Analyse der Wirtschaftlichkeit der angewendeten Laserschweißprozesse statt.

Ergebniszusammenfassung:

Motiviert durch die Ausnutzung höchster aktuell am Markt verfügbarer Werkstofffestigkeiten auch in Fügeverbindungen, u. a. in Kranstrukturen, zielt das Projekt auf den abgesicherten und betriebsfesten Einsatz von Laserstrahlschweißverbindungen aus höchst- und ultrahochfesten Feinkornbaustählen ab. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf das Laserstrahlschweißen ohne Schweißzusatz und Laser-MSG-hybridschweißen an vier Werkstoffen. Probekörperschweißungen dreier, verschiedener Kerbdetails weisen werkstoffunabhängig eine hohe Schweißnahtqualität (BG B bzw. B90) und hohe statische Zugfestigkeiten der Verbindungen, über den nominellen Mindestwerten der Grundwerkstoffe, auf.

Die Betriebsfestigkeitsuntersuchungen zeigen, dass die laserstrahl- im Vergleich zu den laserhybridgeschweißten Stumpfnähten sowohl unter konstanten als auch variablen Lastamplituden durchgehend höhere Ermüdungsfestigkeiten aufweisen – deutlich bei Stumpfnähten ohne Blechdickensprung und zumindest moderat bei Blechdickensprüngen. Infolge der linearen Erweiterung der Wöhlerlinie bis zu einer u. a. von der Verformungsgrenze abhängigen maximalen Grenzspannungsschwingbreite werden Lebensdauern bis deutlich unter 10.000 Schwingspielen abgesichert, wodurch die Anwendung des Nennspannungskonzepts auf einen praxisrelevanten Lebensdauerbereich erweitert wird. Die in Anlehnung an den Teleskopausleger von Mobilkranen gewählten Musterbauteile aus S1300QL zeigen eine hohe Übereinstimmung mit der korrespondierenden Kerbdetailserie. Aus der linearen Schadensakkumulation folgt die Empfehlung einer zulässigen Schadenssumme von 0,5. Die Anwendbarkeit der lokalen Schwingfestigkeitsbewertung durch das Kerbspannungs- und Kerbdehnungskonzept wird am Beispiel der S1100QL-Stumpfnähte für die Referenzradien 1,00 mm und 0,05 mm diskutiert.

Zudem werden die Laserstrahlschweißvarianten den konventionellen MSG-Herstellvarianten in einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung unter ökonomischen Gesichtspunkten gegenübergestellt.