Betriebsfeste Konstruktion und Berechnung von Schweißverbindungen

Das vorliegende Werk richtet sich primär an Ingenieure und Techniker, die sich mit der Konstruktion und Berechnung von Schweißverbindungen befassen. Diese zählen nach wie vor zu den wichtigsten stoffschlüssigen Verbindungen. Für die Betriebsfestigkeitsberechnung dieser Verbindungen gibt es zahlreiche Normen und Vorgaben – das Einordnen der verschiedenen Methoden ist auch für den versierten Ingenieur nicht immer einfach. Darüber hinaus wird die Finite-Elemente-Methode immer wichtiger – auch hier gibt es eine Vielzahl von Modellierungsansätzen. In diesem Buch werden die Grundlagen und die Zusammenhänge der Betriebsfestigkeit von Schweißverbindungen anschaulich und praxisgerecht erläutert, sowohl auf der Basis von „Handrechnungen“ als auch mittels FEM. Der Leser ist damit in der Lage, auch kritische Schweißverbindungen sicher schwingfest zu gestalten, zu berechnen sowie begleitende Labortests zielgerichtet zu planen.

Grundlagen zur Fertigung von Schweißverbindungen sind für den Konstrukteur von großer Bedeutung. Die vorgesehenen Schweißverbindungen müssen möglichst einfach und prozesssicher zu fertigen sein. Daher werden hier die wichtigsten Verfahren, aber auch einige der zahlreichen vorhandenen Regelwerke sowie Verbände zur schweißtechnischen Fertigung vorgestellt. Auch wenn die Festlegung der Werkstoffe durch die Konstruktion erfolgt, werden wichtige Werkstoffe für geschweißte Strukturen in diesem Kapitel vorgestellt – Schweißen ist immer eine Interaktion von Geometrie und Werkstoff. Die Schweißnahtvor- und -nachbehandlung wird ebenso erläutert wie begleitende Fertigungsschritte, wie z. B. das Heften. Diese vermeintlich nebensächlichen Schritte sind z. T. für das Betriebsfestigkeitsverhalten von großer Bedeutung.

Qualitätsmanagement ist eine Aufgabe des gesamten Unternehmens – dies gilt besonders bei Schweißverbindungen. Die Zusammenhänge der verschiedenen Unternehmenseinheiten und deren Interaktion wird kurz vorgestellt. Aufgrund ihrer Wichtigkeit wird hier erneut intensiv auf die Abstimmung zwischen Konstruktion und Fertigung eingegangen. Es folgt ein Überblick über die wichtigsten Normen, Vorschriften und Regelungen für Schweißverbindungen, inklusive der Anforderungen an Betriebe und Schweißaufsichtspersonen. Wichtige zerstörungsfreie und zerstörende Prüfverfahren werden kurz vorgestellt. Aufgrund des Umfangs des Regelwerks kann dies hier nur angerissen werden. Für die tiefergehende Betrachtung findet sich am Ende des Kapitels eine umfangreiche Auflistung von Normen. Eine Einordnung der zerstörenden Verfahren für die Betriebsfestigkeitsbewertung von Schweißverbindungen schließt den Inhaltsteil ab.

Zur besseren Unterscheidung der Berechnungsverfahren wird eine klare Trennung zwischen statischer Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit aufgezeigt. Wichtige Zusammenhänge werden erläutert. Größeren Raum nimmt in diesem Kapitel das Stabilitätsversagen ein, da die Folgen eines derartigen Versagens durchaus den plötzlichen Verlust einer ganzen Struktur zur Folge haben können. Das Ermüdungsverhalten wird nicht hier im Kapitel erklärt, diesem wird – aufgrund der Wichtigkeit – ein eigenes Kapitel gewidmet (Kap. 5, „Grundlagen der Betriebsfestigkeit“).

Dieses Kapitel behandelt die Grundlagen der Betriebsfestigkeit mit besonderer Ausrichtung auf die Auslegung von geschweißten Strukturen. Es ist eine wichtige Basis für die folgenden Abschnitte zur Berechnung von Schweißverbindungen. Zentrale Grundbegriffe und Zusammenhänge wie Wöhlerlinie, Lastkollektiv und Schadensakkumulationshypothese werden anschaulich erklärt. Wichtige Einflussfaktoren werden vorgestellt und ihre Bedeutung für ein Verständnis des Gesamtzusammenhangs erläutert. Größeren Raum nimmt hier die Kerbwirkung ein, da bei Schweißverbindungen die Schwingfestigkeit wesentlich durch die Kerbwirkung am Nahtübergang bzw. an der Nahtwurzel beeinflusst wird. Das besondere Werkzeug der Schädigungskollektive wird ebenfalls vorgestellt und an einem realen Beispiel erläutert.

Die im vorherigen Kapitel erarbeiteten Methoden der Betriebsfestigkeit werden nun auf die speziellen Rahmenbedingungen der Schweißverbindungen angewandt. In diesem Kapitel erfolgt die Rechnung ausschließlich analytisch ohne Finite-Elemente-Methode. Deren Anwendung ist Inhalt des nächsten Kapitels. Für die analytische Berechnung wird hier die Nennspannungsmethode in Verbindung mit dem Wöhlerlinienkatalog des IIW (Hobbacher AF (Hrsg) in Recommendations for fatigue design of welded joints and components. Springer, London 2016) genutzt. Dieser findet sich ebenfalls in der bekannten FKM-Richtlinie (Rennert et al. in Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile (FKM-Richtlinie). VDMA-Verlag, Frankfurt a. M., 2020). Mit beiden Unterlagen kommt man zu ähnlichen Ergebnissen. Nach der Vorstellung der Methode und der Einflussfaktoren wird der Katalog an Beispielen angewendet und erläutert. Obwohl hier Auszüge aus dem Katalog dargestellt sind, sollte der Anwender für weitere Rechnungen die IIW-Richtlinie zur Hand haben. Aufgrund des Umfangs ist es nicht möglich, alle Faktoren, FAT-Klassen, Formeln etc. hier zu übernehmen. Auch ist dies nicht Ziel dieses Buches.

Die Anwendung der Finite-Elemente-Methode bei der Berechnung und Auslegung von Strukturen hat sich heute zum Standard entwickelt. Daher sollen auch Schweißverbindungen bei der Bemessung richtig berücksichtigt werden. Die industrielle Anwendung unterscheidet sich hier zum Teil von den Randbedingungen der Forschung: Auch größere Strukturen müssen mit Schweißverbindungen ausreichend genau und sicher modelliert und berechnet werden können. Es haben sich verschiedene Ansätze herausgebildet, die unterschiedlich tief und detailliert die Schweißverbindungen abbilden. Folgende Ansätze werden hier behandelt: Nennspannungsansatz, Strukturspannungsansatz und Kerbspannungsansatz. Diese Methoden werden auch in der IIW-Richtlinie (Hobbacher AF (Hrsg) in Recommendations for fatigue design of welded joints and components. Springer, London, 2016) erläutert. Zusätzlich wird hier eine neuere Methode vorgestellt, zu der es erste Veröffentlichungen gibt und zu der der Autor auch forscht: 3D-Scan-Geometrie-Ansatz mit realen Kerbspannungen. Hier können erstmals die „wahren geometrischen“ Spannungen an einer Schweißverbindung ermittelt werden.

In diesem Kapitel wird der Schwingversuch an Schweißproben vorgestellt. Dieser unterscheidet sich vom Test ganzer Strukturen (siehe Kap. 9, „Validierungstest von geschweißten Strukturen“) durch eine andere statistische Absicherung und unterschiedliche Prüfmaschinen. Der Schwingversuch wird oft als sogenannter Wöhlerversuch (konstante Lastamplitude während der gesamten Prüfung) gefahren. Betriebslastennachfahr- oder Blockprogrammversuche sind je nach Prüfmaschine möglich – erhöhen aber die Komplexität der statistischen Berechnungen. Für variierende Lasten oder Betriebslastnachfahrversuche wird daher meist der Validierungstest an kompletten Strukturen durchgeführt. Die statistische Absicherung bei der Verwendung von mehreren Proben ist ein sehr wichtiger Aspekt. Vor allem bei Schweißverbindungen, da hier die Streuungen sehr hoch sind. Sehr gut wird diese Thematik in der DIN 50100 behandelt. Daher werden die Vorgehensweisen zur statistischen Absicherung auf Basis dieser Norm vorgestellt.

Im Gegensatz zum vorherigen Kapitel wird hier der Test von gesamten Strukturen betrachtet. Aufgrund des Aufwands solcher Tests werden meist nur wenige Prüflinge oder sogar nur ein einzelner erprobt. Die Problematik der statistischen Absicherung muss daher separat berücksichtigt werden, z. B. durch ein angepasstes Lastkollektiv. Im Gegensatz zum üblichen Wöhlerversuch (konstante Lastamplitude) bei der Schwingprüfung von Schweißproben werden bei den hier behandelten Tests meist Betriebslastennachfahrversuche oder Blockprogrammversuche durchgeführt. Damit ist die Modellierung hinsichtlich äußerer Last näher an der Realität. Außerdem ist es möglich, ganze Maschinen im Einsatz zu messen. Diese zusätzliche Variante wird hier nur kurz präsentiert. Nach der Vorstellung der verschiedenen Testmöglichkeiten werden in diesem Kapitel typische Testdauern aufgezeigt. Für die industrielle Produktentwicklung ist die Betrachtung dieser auf dem Zeitstrahl bis zum Serienstart von sehr hoher Bedeutung. Die Vor- und Nachteile der verschiedenen Testmethoden sowie Tipps und Tricks für möglichst aussagefähige Tests bilden den Abschluss des Kapitels.

Die Konstruktion hat sehr großen Einfluss auf Kosten und Leistungsfähigkeit von Produkten – dies gilt auch und besonders bei Schweißverbindungen. Dieses Kapitel soll dem Konstrukteur Hinweise und Tricks vermitteln, wie Schweißverbindungen vor allem hinsichtlich der Schwingfestigkeit optimiert werden können. Für allgemeine Schweißregeln wird auf umfangreiche Literatur verwiesen. Die Gestaltungsempfehlungen werden anhand von Skizzen anschaulich erläutert.