P 922 – Einfluss der Wärmeführung auf die Eigenspannungsausbildung und Kaltrisssicherheit in geschweißten Konstruktionen aus hochfesten Feinkornbaustählen

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P922

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Beschreibung

P 922 – Einfluss der Wärmeführung auf die Eigenspannungsausbildung und Kaltrisssicherheit in geschweißten Konstruktionen aus hochfesten Feinkornbaustählen

Aus wirtschaftlichen, konstruktiven sowie ästhetischen Aspekten werden moderne Stahlbaukonstruktionen immer schlanker und leichter ausgeführt. Dazu werden zunehmend hochfeste Feinkornbaustähle mit Dehngrenzen ≥ 690 MPa eingesetzt,  wodurch eine Gewichtsreduzierung von 30 % bis 50 % und eine Kostenersparnis von 5 % bis 15 % erreicht werden können.
Das Potential hochfester Feinkornbaustähle ist unter Beachtung der heutigen Richtlinien und Regelwerke jedoch nicht ohne weiteres nutzbar. Durch das Forschungsvorhaben wurde der Einfluss der Wärmeführung auf die  Eigenspannungsausbildung und Kaltrissbildung unter Berücksichtigung realitätsnaher Steifigkeitsbedingungen untersucht. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse wurde ein Beitrag zur Verbesserung der Verarbeitungsrichtlinien erarbeitet, welche dem Verarbeiter eine sichere schweißtechnische Verarbeitung bei verbesserter Ausnutzung der Materialeigenschaften ermöglicht. Vor allem die Tragfähigkeit und die Sicherheit der Schweißverbindung bestimmen die Bemessung der Konstruktion und somit den  nachhaltigen und ökonomischen Einsatz dieser Stahlsorten. Der Zusammenhang zwischen der Höhe der entstehenden Eigenspannungen und der Wärmeführung in realen Konstruktionen ist zurzeit nur qualitativ überschaubar und führt zu einer eher konservativen Auslegung heutiger Schweißkonstruktionen. Die wirtschaftliche Verarbeitung hochfester Stähle wird neben dem Erreichen anforderungsgerechter mechanischer Eigenschaften im Schweißnahtbereich vor allem durch die Vermeidung von Kaltrissen bestimmt. Die diesbezüglichen Empfehlungen in den geltenden Regelwerken beruhen jedoch vornehmlich auf Erkenntnissen aus Laborschweißungen an Kleinproben unter freier äußerer Schrumpfung. Die Hauptursachen für die Entstehung von Eigenspannungen wie inhomogene, lokale Erwärmung und Abkühlung der schweißnahtnahen Bereiche und insbesondere die konstruktive Schrumpfbehinderung infolge umgebender Monta-g egruppen werden damit jedoch nicht abgebildet. Der Einfluss der Wärmeführung, insbesondere der lokalen Vorwärmung, auf die Eigenbeanspruchung einer Konstruktion ist derzeit weitgehend unbekannt.
Ziel des Forschungsvorhabens war es, den Einfluss der Wärmeführung auf die Eigenspannungsausbildung in geschweißten Konstruktionen zu quantifizieren sowie Aussagen zur Beeinflussung und Absenkung der Eigenspannungen und somit der Gesamteigenbeanspruchung von Schweißkonstruktionen zu erarbeiten. Dazu wurden durch die sukzessive Steigerung des
Einspanngrades der Zusammenhang zwischen Wärmeführung und resultierender Eigenspannung unter zusätzlicher Schrumpfbehinderung geklärt. Ferner wurde die Übertragbarkeit der den Regelwerken zugrundeliegenden Kleinprobenergebnisse auf reale Konstruktionen untersucht. Mithilfe systematischer Klein- und Großlastschweißversuche an definiert schrumpfbehinderten Proben konnte der Einfluss der hen Eigenspannungen als auch globale  Eigenbeanspruchungen durch Reaktionsspannungen analysiert werden. Es zeigte sich, dass eine Reduktion der lokalen Eigenspannungen und der Eigenbeanspruchung von geschweißten Konstruktionen durch eine geringere Wärmeeinbringung
möglich ist. Eine Absenkung der Zwischenlagentemperatur erwies sich dabei unter anderem als besonders günstig. Damit ist es möglich vorhandene Wärmeführungskonzepte für hochfeste Stähle zu optimieren und dadurch die Kaltrissbildung zu vermeiden.
Das IGF-Vorhaben 17267 N der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Fachbereich 9.4 – Integrität von Schweißverbindungen, Berlin
durchgeführt.

Autoren:
T. Kannengießer, D. Schröpfer

Veröffentlichung:
2015