Beschreibung
P 1203 – Bemessung von Kranstrukturen aus laserstrahl- und laserhybridgeschweißten höchst- und ultrahochfesten Stählen unter Berücksichtigung der metallurgischen Kerbe
Motiviert durch die Ausnutzung höchster aktuell am Markt verfügbarer Werkstofffestigkeiten auch in Fügeverbindungen und vor dem Hintergrund der Anwendung in hochbeanspruchten Bereichen von Tragstrukturen, wie sie bspw. in zugbelasteten Bereichen des Teleskopauslegers von Mobilkranen auftreten, zielt das Forschungsprojekt auf den abgesicherten und betriebsfesten Einsatz von Laserstrahl- und Laserhybridschweißverbindungen aus höchst- und ultrahochfesten Feinkornbaustählen ab. Vier Feinkornbaustähle unterschiedlicher Festigkeitsklasse, einen höchstfesten (S960) und drei ultrahochfeste (S1100 und S1300), die in unterschiedlichen Herstellverfahren (vergütet und thermomechanisch gewalzt) produziert werden, bilden die Grundlage für diese Untersuchung.
Zur Fertigung von drei Konstruktionsdetails, Stumpfstoß ohne und mit Blechdickensprung sowie aufgeschweißte Längssteife, werden die Laserstrahlschweißverfahrensvarianten, Laserstrahl ohne Schweißzusatz und Laser-MSG-hybrid, eingesetzt. Als Ergebnis der Probekörperschweißungen wird werkstoffunabhängig Bewertungsgruppe B bzw. B90 erreicht. Nennenswerte Schweißnahtunregelmäßigkeiten zeigen sich überwiegend in einer zu großen Nahtüberhöhung (Ober- und Unterseite) und Einbrandkerben (insbesondere Laserhybrid). Aus Laservermessungen der ausgearbeiteten Proben ergeben sich sehr geringe (Laserstrahl) bis moderate Winkelverzüge (Laserhybrid). Härtemessungen zeigen vom Schweißgut bis in die sichtbare WEZ hohe Härtewerte und -gradienten sowie in Abhängigkeit des Grundwerkstoffs und infolge der nachträglichen Wärmeeinbringung geringe Härtewerte, den sogn. Härtesack, in der Anlasszone. Ausnahme bildet hier der untersuchte S1100M, bei dem in der Anlasszone Härtewerte auf Grundwerkstoffniveau vorliegen. Bei Kerbschlagbiegeprüfungen für die Kerblage im Schweißgut werden nur geringe Kerbschlagarbeitswerte festgestellt, für die Kerblage in der WEZ nimmt die Streuung der ermittelten Kerbschlagarbeitswerte zu und es wird bei der Bruchflächenanalyse häufiger eine Rissabweichung in andere Gefügebereiche festgestellt.
Die Betriebsfestigkeitsuntersuchungen zeigen, dass die laserstrahlgeschweißten im Vergleich zu den laserhybridgeschweißten Stumpfnähten sowohl unter konstanten als auch variablen Lastamplituden durchgehend eine höhere Ermüdungsfestigkeit aufweisen deutlich bei den Stumpfnähten ohne Blechdickensprung und zumindest moderat bei Blechdickensprüngen. Auffällig ist die sehr hohe Ermüdungsfestigkeit des laserstrahlgeschweißten Stumpfstoßes aus S1100QL im Vergleich zu den anderen laserstrahlgeschweißten Serien. Die Bruchflächenanalyse liefert sowohl für die Laserstrahlals auch für die Laserhybridschweißungen keine bis wenige Schweißnahtunregelmäßigkeiten. Die in Anlehnung an den Teleskopausleger von Mobilkranen gewählten Musterbauteile aus S1300QL zeigen eine hohe Übereinstimmung mit der korrespondierenden laserstrahlstumpfnahtgeschweißten Kerbdetailserie. Aus der linearen Schadensakkumulation folgt für Kollektivhöchstwerte im Bereich der Zeitfestigkeit und für ausgewählte Modifikationen die Empfehlung einer zulässigen Schadenssumme von 0,5, woraus in ca. 97 % der Fälle konservative Ergebnisse resultieren.
Die Anwendbarkeit der lokalen Schwingfestigkeitsbewertung durch das Kerbspannungskonzept wird am Beispiel der S1100QL-Stumpfnähte durch Gegenüberstellung der empfohlenen FAT-Klasse FAT 500 (k = 5,0) für den Referenzradius rref = 0,05 mm gezeigt. Allerdings erfolgt gegenüber den gegenwärtig nach den Regelwerken empfohlenen FAT-Klassen nicht durchgängig eine sichere Abschätzung, weshalb der allgemeingültige Einsatz anwendungsspezifisch zu hinterfragen ist. Darüber hinaus wird die Anwendung des Kerbdehnungskonzepts mit den Referenzradien rref = 1,00 mm und rref = 0,05 mm und dem zyklischen Werkstoffverhalten des S1100QL anhand der Ergebnisstreuung diskutiert. Für die Kombination von rref = 0,05 mm und dem Schädigungsparameter PSWT ergibt sich die insgesamt niedrigste Streuung im Bereich von 1,32 ? 1 : TP ? 1,36. Es zeigt sich jedoch, dass die Betrachtung der Streuung als alleiniges Kriterium der Abschätzungsgüte nicht ausreichend ist.
Für die Einordnung der Schwingfestigkeitsergebnisse nach dem Nennspannungskonzept in die relevanten Bemessungsregelwerke zeigt sich eine grundwerkstoffunabhängige Betrachtung der verschiedenen Konstruktionsdetails differenziert nach dem Schweißverfahren (Laserstrahl ohne SZW bzw. Laserhybrid), begründet u. a. in der unterschiedlichen Schweißnahtgeometrie, als zweckmäßig. Anstelle des in einigen Regelwerken gewählten oberen Startpunkts der Bemessungswöhlerlinie bei N = 10.000 Schwingspielen, erfolgt die Festlegung auf Grundlage einer Grenzoberspannung, die in Abhängigkeit der Festigkeitsklasse des Grundwerkstoffs in Höhe der größten experimentell ermittelten Oberspannung unterhalb der jeweiligen Verformungsgrenze gewählt wird. Dadurch ist eine lineare Erweiterung der Wöhlerlinie bis zu dieser Grenzspannungsschwingbreite bzw. einer Lebensdauer bis deutlich unter 10.000 Schwingspielen möglich und experimentell abgesichert, wodurch die Anwendung des Nennspannungskonzepts auf einen praxisrelevanten Lebensdauerbereich erweitert wird.
Die vorgestellte Wirtschaftlichkeitsbetrachtung stellt die untersuchten Laserstrahlschweißvarianten den konventionellen MSG-Herstellvarianten unter ökonomischen Gesichtspunkten gegenüber. Dabei zeigt sich, dass, je detaillierter die Analyse erfolgen soll, desto konkreter müssen die gewählten Randbedingungen definiert werden, weshalb zwei unterschiedliche Detaillierungsgrade gewählt werden. Grundsätzlich lässt sich für zwei gewählte Referenzbeispiele eine Reduktion der Lohnkostenanteile und Durchlaufzeiten bei den Laserstrahlschweißvarianten feststellen. Bei der durch hohe Vorhaltezeiten geprägten Großbauteilfertigung bestimmen die Anschaffungskosten maßgebend die Gerätekostensätze. Die Laserhybridvariante zeigt sich hierbei aufgrund der kostengünstigen Schweißnahtvorbereitung, der hohen Schweißgeschwindigkeiten und der Einlagenschweißung, als besonders kosteneffizient. Der methodische Ansatz eine technische Zielgröße (bspw. Ermüdungsfestigkeit) in direkte Korrelation zu den Kosten zu setzen zeigt, dass u. a. eine hohe Ermüdungsfestigkeit bei N = 2·106 Schwingspielen im Zustand wie geschweißt nicht mit allen Verfahrensvarianten erzielt werden kann. Allgemein ist festzuhalten, dass der spezifische Anwendungsfall nicht nur für die Kostenabschätzung eine entscheidende Rolle spielt, sondern auch die Rahmenbedingungen für die Fertigung und den Einsatz höchst- und ultrahochfester Feinkornbaustähle und deren Schweißverbindungen liefert.
Veröffentlichung:
2021
Autoren:
Prof. Dr.-Ing. T. Melz, Prof. Dr.-Ing. T. Ummenhofer
