Beschreibung
P 1011 – Einsatz modifizierter Sprühlichtbogenprozesse zur Optimierung schweißbedingter Beanspruchungen an Bauteilen aus hochfesten Feinkornbaustählen
Aufgrund aktueller Leichtbaubestrebungen sowie Forderungen nach Energie- und Ressourceneffizienz werden zunehmend hochfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen ≥ 690 MPa in modernen Stahlkonstruktionen eingesetzt. Vorrangig werden diese mit Streckgrenzen bis 960 MPa verarbeitet und mittels MAG-Schweißprozessen gefügt. Moderne Invertertechnik ermöglichte jüngst zahlreiche Firmenentwicklungen (bspw. „DeepARC“, „forceArc“), die zu modifizierten Sprühlichtbögen (mod. SLB) mit ähnlichen Eigenschaften führten. Neben den bekannten wirtschaftlichen Vorteilen dieser mod. SLB, lassen gerade die reduzierten möglichen Nahtöffnungswinkel und die geringere Wärmeeinbringung eine positive Wirkung auf schweißbedingte Beanspruchungen erwarten.
Erste Eigenspannungsanalysen bei vorangegangenen Schweißeignungsuntersuchen mit mod. SLB zeigten bereits bei freischrumpfenden Laborproben geringere Zugeigenspannungen in der Schweißnaht im Vergleich zu konventionell geschweißten Proben. Die betriebsfeste Auslegung von hochfesten Schweißkonstruktionen und die Ausnutzung hoher Streckgrenzen erfordern jedoch eine ausreichende Quantifizierung schweißbedingter Beanspruchungen der mod. SLB unter definierter, bauteilrelevanter Schrumpfbehinderung. Dies betrifft sowohl die Kräfte und Spannungen im lokalen Schweißnahtbereich als auch die Gesamtbeanspruchung sowie den Einfluss von Wärmeführung, Bauteilgeometrie, Einspanngrad und Nahtöffnungswinkel. Hierzu lagen in der Industrie, besonders bei den KMU, kaum Kenntnisse vor und sollten deshalb als Ziel dieses Forschungsprojektes erarbeitet werden.
Die vergleichenden Untersuchungen mit konventionellen Lichtbogen und mod. SLB mit angepasster Nahtkonfiguration erfolgten mithilfe von speziellen Prüfanlagen, mit der reale Bauteilsteifigkeiten abgebildet werden können. Bei beiden Prozessvarianten waren mit den gewählten Parametern Schweißnähte unter Erfüllung der Anforderungen an die mechanisch-technologischen Eigenschaften realisierbar. Bei den Analysen konnte eine signifikante Reduzierung der Eigenbeanspruchungen durch eine verminderte Wärmeeinbringung bei dem Einsatz einer Nahtkonfiguration mit abgesenktem Nahtöffnungswinkel beobachtet werden. Insbesondere erwiesen sich zur Absenkung mehrachsiger Beanspruchungszustände aufgrund von Biegemomenten in den bauteilnahen Schweißungen die engeren Nahtspalte als zielführend. Eine Vorstellung der erarbeiteten Kenntnisse und Empfehlungen in entsprechenden Gremien zur Normung erfolgten, um mittelfristig vor allem den KMU eine einfachere Konstruktionsauslegung und sichere Verarbeitung hochfester Feinkornbaustähle zu ermöglichen.
Mit einer normativen Absicherung kann Qualifizierungs- und Zulassungsaufwand eingespart werden, der aktuell beim Einsatz hochfester Stähle vielfach notwendig ist. Ferner werden die Betriebe durch die Ergebnisse in die Lage versetzt, die technischen und wirtschaftlichen Vorteile der mod. SLB-Prozesse auszunutzen und signifikante Einsparungen bei Schweißzusatz, Schweiß- und Rüstzeit sowie unter Berücksichtigung der Eigenbeanspruchung optimierte Ergebnisse hinsichtlich der Tragfähigkeit von Bauteilen zu erreichen und die Produktivität zu erhöhen.
Veröffentlichung:
2017
Autoren:
T. Kannengießer, D. Schröpfer
