Langschwager, Kay (2020)
Lokales Deformations- und Schädigungsverhalten zyklisch elastisch-plastisch beanspruchter Schweißverbindungen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.25534/tuprints-00011738
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Für eine wirtschaftliche Bauteilauslegung sind rechnerische Methoden, wie die Finite-Elemente- Analyse, etablierte Verfahren. Bei der Lebensdaueranalyse zyklisch belasteter Schweißverbindungen ist das sogenannte örtliche Konzept, das auf der Finiten-Elemente-Analyse basiert, ein gängiges Vorgehen um übermäßige Konservativität zu vermeiden. Beim örtlichen Konzept werden die wesentlichen Geometriemerkmale der belasteten Schweißverbindungen nachgebildet und die Vergleichsspannung am Ort der höchsten Beanspruchung bestimmt. Eigene Untersuchungen haben gezeigt, dass nicht nur die Geometrie der Schweißverbindung einen signifikanten Einfluss auf die Lebensdauer der Schweißverbindung besitzt, sondern auch ihre lokalen Werkstoffeigenschaften, die somit berücksichtigt werden müssen.

Der Einfluss der lokalen Werkstoffeigenschaften auf die Lebensdauer von Schweißverbindungen zeigt sich vor allem bei nachbearbeiteten Geometrien, wo alle geometrischen Schweißnahtmerkmale durch Abschleifen entfernt sind. Dort tritt trotz der entfernten Geometrieimperfektionen eine reduzierte Lebensdauer der Schweißverbindung im Vergleich zu der Lebensdauer der eingesetzten Werkstoffe – Grundwerkstoff und Schweißzusatzwerkstoff – ein. Die eingesetzten Werkstoffe sowie die Parameter des Schweißprozesses bestimmen maßgeblich, wie stark die Lebensdauer reduziert wird. Lokale Werkstoffinhomogenitäten führen in der Regel zu Spannungsüberhöhungen und damit zu einer reduzierten Lebensdauer der Bauteile. Um die resultierende Lebensdauer richtig rechnerisch bewerten zu können, sind die bestimmenden Werkstoffeigenschaften zu quantifizieren. Ziel dieser Arbeit ist die Quantifizierung lokaler Werkstoffeigenschaften am Beispiel einer austenitischen Schweißverbindung und die Bewertung dieser Eigenschaften in Hinblick auf die Lebensdauer geometrisch unterschiedlicher Schweißverbindungen.

Zur Quantifizierung lokaler Werkstoffkennwerte gibt es unterschiedliche Strategien. Eine Strategie ist die Kennwertermittlung anhand von Miniaturproben, die aus den unterschiedlichen Bereichen der Schweißverbindung gefertigt werden. Da die Herstellung und Prüfung dieser Proben sehr kosten- und zeitintensiv ist, werden in dieser Arbeit die einzelnen Werkstoffe sowie die Schweißverbindungen im Ganzen charakterisiert. Eine weitere Strategie ist die Ableitung von Kennwerten aus anderen Prüfmethoden – z. Bsp. einer flächigen Härtemessung. Dabei tritt die Frage auf, ob eine Umrechnung zwischen den unterschiedlichen Werkstoffkennwerten möglich ist – Härte zu zyklischer Festigkeit. Weiterhin zeigen eigene Untersuchungen, dass die Härteverteilung entlang der untersuchten Schweißverbindung nicht mit anderen lokalen Charakteristiken, wie der Mikrostruktur, einhergeht. Somit tritt ebenfalls die Frage nach der tatsächlichen Verteilung der lokalen zyklischen Werkstoffeigenschaften auf. Hierzu wird in dieser Arbeit eine optische Methode eingesetzt, um die Werkstoffeigenschaften mit Hilfe der Digitalen Bildkorrelation zu identifizieren. Die flächig ermittelten Verformungen entlang der geschweißten Proben werden genutzt, um in einem Postprozessing die zyklischen Werkstoffkennwerte zu ermitteln.

Eine identifizierte lokale Werkstoffeigenschaft weist eine direkte Korrelation zur Härtemessung, wohingegen eine andere mit der Mikrostruktur korreliert. Damit lässt sich neben der reduzierten Lebensdauer der Schweißverbindungen auch der Schweißprozess besser verstehen und beurteilen. Die erfassten Werkstoffeigenschaften und damit auch das konzeptionelle Vorgehen zur Bestimmung der Eigenschaften werden einerseits mit Hilfe der globalen Grundcharakterisierung der einzelnen Werkstoffe und andererseits anhand wärmebehandelter Proben validiert.

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