Schweißverbindungen

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Ermüdungsverhalten von Schweißverbindungen

Numerische Simulation zur Berechnung von Verzug und Eigenspannungen

Mechanische Oberflächenbehandlung zur Erhöhung der Schwingfestigkeit

Bewertung von Fehlern in Schweißverbindungen

Thermomechanische Ermüdung von Schweißverbindungen

Crashbewertung von Punktschweißverbindungen

Experimentelle Schweißsimulation

Schadensanalysen

Eigenspannungsmessung

Gruppen am Fraunhofer IWM, die sich mit dem Thema Schweißverbindungen befassen

Das Schweißen gehört zu dem am häufigsten in der Industrie eingesetzten Fügeverfahren metallischer Verbindungen. Schweißverbindungen haben gegenüber anderen Verfahren wie Löten, Kleben, Verschrauben oder Gießen die Vorteile einer hohen Festigkeit der Verbindung sowie einer werkstoffsparenden, wirtschaftlichen Leichtbauweise. Nachteile sind jedoch die durch das Schweißen bedingten Schrumpfungen in Verbindung mit Verzug und Eigenspannungen sowie Gefügeveränderungen im Nahtbereich und in der Wärmeeinflusszone, die zu einer erhöhten Sprödbruchneigung oder Rissbildung führen können.

Die Bewertung der Lebensdauer und des Versagensverhaltens von Schweißverbindungen sowie der Nachweis eines sicheren Betriebs von Schweißverbindungen ist daher eine zentrale Aufgabe des Fraunhofer IWM, der in zahlreichen Projekten mit der Industrie und öffentlich geförderten Forschungsvorhaben nachgegangen wird. Im Fokus stehen dabei vor allem Baustähle, Konstruktionsstähle und Al-Legierungen sowie für Anwendungen im Kraftwerkbereich warmfeste Stähle und Nickel-Basis-Legierungen. Dabei werden für die unterschiedlichsten Belastungsszenarien wie statische Belastung, mechanische oder thermomechanische Ermüdung oder Crash sowie für die verschiedensten Schweißverfahren und Nachbehandlungsverfahren (Wärmebehandlung, mechanische Oberflächenbehandlung) Werkstoffmodelle und Berechnungsverfahren entwickelt und zur Festigkeits- und Lebensdauerbewertung der Schweißverbindungen eingesetzt. Die rechnerischen Verfahren werden dabei an Versuchen validiert, wobei neben entsprechenden Prüfmaschinen für die Belastung der Proben oder Bauteile auch Vorrichtungen zur Eigenspannungsmessung (Röntgenverfahren XRD, Bohrloch- und Ringkernverfahren) oder eine Gleeble-Schweißsimulationsanlage, mit der die Gefügeanalyse zur Kennwertermittlung gezielt erzeugt werden kann, zur Verfügung stehen.

Das Ermüdungsverhalten von Schweißverbindungen ist wesentlich geprägt von der Nahtgeometrie, den in der Schweißnaht vorliegenden Eigenspannungen und von der Höhe der angreifenden äußeren Belastung bzw. des Lastspektrums. Bei hohen Kerbfaktoren, hohen Eigenspannungen oder hohen Lasten kann es am Schweißnahtübergang zu plastischen Verformungen kommen, die mit den klassischen Konzepten der linearen Schadensakkumulation nicht mehr ausreichend beschrieben werden können. Hier kommen Finite-Elemente-Rechnungen in Verbindung mit elastisch plastischen Schädigungsparametern zum Einsatz, die sowohl plastische Verformungen als auch einen Abbau von Eigenspannungen infolge lokaler Plastifizierungen berücksichtigen und damit eine verbesserte Lebensdauerprognose ermöglichen. Mit Hilfe solcher Schädigungsparameter, die aus den lokalen Spannungs- und Dehnungsfeldern berechnet werden (z.B. SWT-Parameter nach Smith, Watson, Topper oder Parameter FS nach Fatemi und Socie), kann die Lastwechselzahl bis zum technischen Anriss abgeschätzt werden. Das daran anschließende Ermüdungsrisswachstum kann bruchmechanisch mittels der da/dN-Kurve ermittelt werden.

Gruppe Ermüdungsverhalten
Ansprechpartner: Dr. Michael Luke, Telefon: +49 761 / 5142-338

Gruppe Strukturintegrität und Bruchmechanik
Ansprechpartner: Dr. Igor Varfolomeev, Telefon: +49 761 / 5142-210

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Die durch den Schweißprozess resultierenden Verzugserscheinungen, Eigenspannungen und Gefügeeigenschaften bilden eine wichtige Grundlage sowohl für die Gebrauchseignung von Schweißkonstruktionen als auch für die Berechnung deren Festigkeit. Bei geschweißten Komponenten im Automobilbau darf der Verzug z.B. durch die Gesamtkonstruktion vorgegebenes Maximalmaß nicht überschreiten. Hier kann die numerische Schweißsimulation die Bedingungen des Schweißprozesses optimieren und damit aufwändige Vorversuche einsparen helfen. Die Höhe und das Profil der Eigenspannungen im Bereich der Schweißnaht wiederum ist eine wichtige Grundlage für die Berechnung der Schwingfestigkeit. Mit verschiedenen FE-Programme SYSWELD und ABAQUS können diese rechnerisch ermittelt und für die Lebensdauerbewertung genutzt werden. Dabei wird für jedes beliebige Schweißverfahren eine rechnerische Ersatzwärmequelle durch Anpassung an den experimentell ermittelten Temperatur-Zeit-Verlauf und/oder an einen Querschliff der entsprechenden Schweißnaht ermittelt und daraus das Temperatur- und Eigenspannungsfeld in einer Schweißkonstruktion berechnet.

Ein besonderer aktueller Schwerpunkt ist die Bewertung von Reparaturschweißungen. Je nach Größe des zu reparierenden Bereichs oder der umgebenden Konstruktion können sich aufgrund der Dehnungsbehinderung besonders hohe Eigenspannungen ausbilden, deren Einfluss auf die Schwingfestigkeit bzw. die Restlebensdauer eines Bauteils bewertet wird.

Gruppe Ermüdungsverhalten
Ansprechpartner: Dr. Michael Luke, Telefon: +49 761 / 5142-338

Gruppe Strukturintegrität und Bruchmechanik
Ansprechpartner: Dr. Igor Varfolomeev, Telefon: +49 761 / 5142-210

Gruppe Mikrostruktur und Eigenspannungen
Ansprechpartner: Dr. Frank Schweizer, Telefon: +49 761 / 5142-122

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Bei der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen spielt der Nahtübergang eine entscheidende Rolle. Zum einen kann dort aufgrund der Nahtgeometrie die Kerbformzahl hoch sein, zum andern können am Nahtübergang hohe Schweißeigenspannungen vorliegen. Beide Faktoren reduzieren die Schwingfestigkeit der Schweißverbindung. Eine Abhilfe dieses Nachteils stellt die mechanische Oberflächenbehandlung dar. Durch Kugelstrahlen, Hämmern oder Festwalzen wird der Nahtübergang geglättet und es werden Druckeigenspannungen in den behandelten Oberflächenbereich eingebracht. Hierdurch kann die Schwingfestigkeit erheblich, zum Teil bis zur Festigkeit des Grundwerkstoffs gesteigert werden. Durch die numerische Simulation der Prozesse der Oberflächenbehandlungen werden die Prozessparameter im Hinblick auf die zu erreichende Schwingfestigkeit optimiert. Wesentlich ist dabei die Verwendung geeigneter Plastizitäts- und Schädigungsmodelle, die in der Lage sind, sowohl das Verfestigungsverhalten bei der Oberflächenbehandlung als auch die Schädigung durch die nachfolgende Ermüdung im Betrieb realitätsnah zu beschreiben.

Gruppe Ermüdungsverhalten
Ansprechpartner: Dr. Michael Luke, Telefon: +49 761 / 5142-338

Gruppe Mikrostruktur und Eigenspannungen
Ansprechpartner: Dr. Frank Schweizer, Telefon: +49 761 / 5142-122

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Fehler in Schweißverbindungen können nie vollständig ausgeschlossen werden. Man unterscheidet zwischen äußeren und inneren Fehlern, und in den entsprechenden Normen ist festgelegt, welche Fehlergrößen tolerierbar sind bzw. wie die Fehlergröße mit der Reduktion der Schwingfestigkeit korreliert. Diese Normen basieren auf der Auswertung zahlreicher Versuchsergebnisse und können im Einzelfall sehr konservativ sein. Eine verbesserte Bewertung kann hier mit bruchmechanischen Konzepten erreicht werden. Dabei wird der Fehler als Riss betrachtet und das Rissausbreitungsverhalten mittels der bruchmechanischen Risswachstumskurve (Risswachstumsgeschwindigkeit da/dN als Funktion der Schwingbreite des Spannungsintensitätsfaktors ΔK) bestimmt. Für die bruchmechanische Fehlerbewertung steht am Fraunhofer IWM das selbst entwickelte Programm VERB zur Verfügung, das auch spezielle Tools für Schweißverbindungen enthält.

Gruppe Ermüdungsverhalten
Ansprechpartner: Dr. Michael Luke, Telefon: +49 761 / 5142-338

Gruppe Strukturintegrität und Bruchmechanik
Ansprechpartner: Dr. Igor Varfolomeev, Telefon: +49 761 / 5142-210

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Die Lebensdauer geschweißter Bauteile hängt maßgeblich von der Qualität der Schweißverbindungen ab. In thermischen Kraftwerken oder Turbinen sind Bauteile und deren Schweißverbindungen neben den stationären (Kriech-)Beanspruchungen auch zahlreichen Temperaturwechseln ausgesetzt, was zur thermomechanischen (Kriech-)Ermüdung der geschweißten Bauteile führt. Um die Lebensdauer von Schweißverbindungen unter derartig komplexen Belastungen zu untersuchen, werden am Fraunhofer IWM Laborversuche unter betriebsähnlichen Belastungen an cross-weld Proben und bauteilnahen Ersatzprobenkörpern durchgeführt, die die wesentlichen geometrischen und thermomechanischen Randbedingungen des realen Bauteils abbilden. Die Lebensdauervorhersage von Bauteile und deren Schweißverbindungen auf Basis der Methode der Finiten Elemente erfolgt am Fraunhofer IWM mit entsprechenden an das jeweilige Material und die jeweilige Schweißverbindung angepassten Werkstoffmodellen und einem bruchmechanisch basierten Schädigungsparameter für (Kriech-) Ermüdung.

Gruppe Lebensdauerkonzepte und Thermomechanik
Ansprechpartner: Dr. Gerhard Maier, Telefon +49 / 761 5142-431

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In der Automobil-, Nutzfahrzeug- und in der Schienenverkehrsindustrie ist der Nachweis der Crashsicherheit der Fahrzeuge ein wichtiger Bestandteil der Zulassung. Punktschweißverbindungen stellen im stahldominierten Fahrzeugbau die häufigste Verbindungsart bei Blechverbindungen dar und müssen bei der Crashbewertung berücksichtigt werden. In der Crashsimulation werden mit der Finite Elemente Methode Blechbauteile mit Schalenelementen nachgebildet und daher ist die detaillierte, dreidimensionale Modellierung von Tausenden von Schweißpunkten mit allen Schweißgefügezonen und geometrischen Abmessungen nicht möglich. Am Fraunhofer IWM werden daher Ersatzmodelle entwickelt, die in der Lage sind, die Tragfähigkeiten und Energieabsorptionen der Punktschweißverbindungen unter Crashbelastung realitätsnah und effizient zu beschreiben. Hierfür werden zum Verständnis des Verformungs- und Versagensverhaltens zum einen Versuche an geschweißten Kopfzug-, Schäl- und Scherzugproben durchgeführt. Und zum anderen werden numerische Detailanalysen der kompletten Punktschweißverbindung gemacht, wobei Geometrie und zonenspezifische Gefügeeigenschaften der Schweißlinse, der Wärmeeinflusszonen und des Grundwerkstoffs aufgelöst und berücksichtigt werden. Die Ersatzmodelle müssen dann näherungsweise mit dem Versuch und dem Versagensverhalten des kompletten Detailmodells übereinstimmen.

Gruppe Fügeverbindungen
Ansprechpartnerin: Dr. Silke Sommer, Telefon: +49 761 / 5142-266

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Für die rechnerische Analyse von Schweißverbindungen ist die Kenntnis der thermomechanischen und thermophysikalischen Eigenschaften der Wärmeeinflusszone und des Schweißgefüges erforderlich. Diese können entweder aus der Literatur entnommen oder mit entsprechenden Programmen (z.B. ThermoCalc, JMatPro) berechnet werden, in vielen Fällen ist jedoch die direkte Messung erforderlich. Hierfür steht am Fraunhofer IWM die  Schweißsimulationsanlage GLEEBLE 3150 zur Verfügung, mit der das Probenmaterial individuell verschiedensten Temperatur-Zeit-Verläufe mit überlagerter mechanischer Zug- oder Druckbelastung  auf das Probenmaterial ausgesetzt werden kann. So können Aufheiz- und Abkühlpfade eines Wärmebehandlungs- oder Schweißprozess‘ genau nachgestellt werden um das entsprechende Gefüge gezielt einzustellen. Zudem kommt die Versuchseinrichtung auch für kombinierte thermisch-mechanische Versuche (z.B. Warmzugversuche, Warmstauchversuche, Rekristallisationsstudien, Bestimmung von Umwandlungsschaubildern, u.v.a.) zum Einsatz.

Gruppe Umformprozesse
Ansprechpartnerin: Eva Augenstein, Telefon: +49 761 / 5142-381

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Schäden können leider nicht immer ausgeschlossen werden. Sie können jedoch entscheidend helfen, die Ursachen der Schäden aufzufinden und künftige Schäden durch verbesserte Konstruktionen zu vermeiden. Die Schadensanalyse leistet hierzu einen wesentlichen Beitrag. Durch Untersuchungen der Bruchfläche kann festgestellt werden, von welcher Stelle der Schaden ausging und welcher Schadensmechanismus (Ermüdung, duktiler Bruch, Sprödbruch) vorlag. Bei Schweißverbindungen können z.B. Inhomogenitäten im Gefüge, Bindefehler oder Heißrisse detektiert werden, durch die es unter Betriebsbelastungen zu Ermüdungsrisswachstum kommen kann. Begleitende rechnerische Untersuchungen von Schadensfällen können helfen, den Schadenshergang zu verstehen und Abhilfe zu schaffen.

Gruppe Mikrostruktur und Eigenspannungen
Ansprechpartner: Dr.-Ing. Johannes Preußner, Telefon: +49 761 / 5142-101

Gruppe Ermüdungsverhalten
Ansprechpartner: Dr.-Ing. Lutz Reißig, Telefon: +49 761 / 5142-146

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Die Ermittlung der Eigenspannungen mit Röntgenbeugung, Bohrloch- oder Ringkernverfahren ist ein wichtiges Werkzeug, um Kenntnis über die in einem Bauteil oder einer Schweißverbindung vorliegenden Eigenspannungen zu erlangen und die Richtigkeit der numerischen Simulationsergebnisse zu überprüfen. Am Fraunhofer IWM stehen hierfür mehrere Röntgendiffraktometer und automatisierte Bohrloch- bzw. Ringkernverfahren für die tiefenauflösende Eigenspanungsermittlung zur Verfügung.

Gruppe Mikrostruktur und Eigenspannungen
Ansprechpartner: Dr.-Ing. Frank Schweizer, Telefon: +49 761 / 5142-101

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