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DL Decklage der Schweißnaht DMS Dehnungsmessstreifen EDZ ebener Dehnungszustand EPBM elastisch-plastische Bruchmechanik FAD Failure Assessment Diagram FE Finites Element FEM Finite Element Methode FITNET Fitness-for-service Network FKZ Feinkornzone FL,SL Fusionslinie oder Schmelzlinie FSP Ferrit mit sekundärer Phase GKZ Grobkornzone GTN Gurson-Tvergaard-Needleman GW Grundwerkstoff HLSV Hybridlaserschweißverbindung HRR Hutchinson, Rice, Rosengren IIW International Institute of Welding ILT Institut für Lasertechnik <strong>Aachen</strong> KZM Kohäsivzonenmodell LEBM linear-elastische Bruchmechanik MAG, MIG Metall-Aktivgasschweißen, Metall-Inertgasschweißen MCK Mastercurve-Konzept MFT Micro-Flat-Tensile MSG Metall-Schutzgas-Schweißen RA Rissauswandern REM Rasterelektronenmikroskopie SE(B) Single Edge Notched Bending SG Schweißgut SINTAP Structural Integrity Assessment Procedures SSY Small Scale Yielding (Kleinbereichsfließen) UCI Ultrasonic Contact Impedance WEZ Wärmeeinflusszone WL Wurzellage der Schweißnaht Nomenklatur IX
1 Einleitung 1. Einleitung Das Hybridlaserschweißverfahren, das auf der Kombination von Laserstrahl- und Lichtbogenschweißprozess basiert, findet dank zunehmender Entwicklung in letzten Jahren immer größere Anwendung beim Fügen von Stählen in der Fertigungsindustrie. Dieses Verfahren, das von Vorteilen beider gekoppelten Schweißprozesse profitiert, wird bereits mit großem Erfolg in der Schiffsbau- und Baumaschinenindustrie eingesetzt. Mit der Erschließung immer neuer Einsatzgebiete durch weitere Prozessoptimierung steigt der Bedarf nach genauer Charakterisierung des mechanischen Verhaltens von Hybridlaserschweißverbindungen (HLSV). Dieser Wunsch resultiert aus dem Ziel der industriellen Anwendung, eine wirtschaftliche Bauteilauslegung mit der optimierten Ausnutzung der Traglastreserven durchzuführen und gleichzeitig eine ausreichende Sicherheit im Bau- und Betriebszustand zu gewährleisten. Besonderer Schwerpunkt wird dabei auf die Bewertung von Fehlstellen gelegt, die in einer Schweißverbindung häufig nicht zu vermeiden sind und die in Abhängigkeit von den vorliegenden Materialeigenschaften, Abmessungen sowie Belastungs- und Umgebungsbedingungen zu Bauteilversagen führen können. Aus diesen Gründen ist eine bruchmechanische Sicherheitsbewertung wichtig, um die Auswirkung dieser Defekte auf Traglast und die Verformungskapazität der geschweißten Stahlbauteile ausreichend zu kennen. Vor diesem Hintergrund wurden in Vergangenheit Methoden zur Beschreibung und der Bewertung des Bruchverhaltens von angerissenen Stahlbauteilen entwickelt und zunehmend eingesetzt. Bruchmechanische Methoden, die in der Normen und Vorschriften enthalten sind und seit mehreren Jahrzehnten Anwendung finden, beruhen auf dem Wert der Bruchzähigkeit und führen häufig zu konservativen Abschätzungen der Traglast. Dank der Möglichkeiten numerischer Spannungsanalysen wurden diesen Methoden erweitert, um der Abhängigkeit der Bruchzähigkeit von der Geometrie und dem Belastungszustand Rechnung zu tragen. Trotz dieser Erweiterungen können die Mechanismen der Schädigungsentwicklung nur begrenzt wiedergegeben werden. Aus diesen Gründen wurde eine Vielzahl mikromechanischer Modelle entwickelt, die in der Lage sind, sowohl die Mechanismen des Gleitbruchs als auch die des Spaltbruchs zu beschreiben. Der vielversprechende Einsatz dieser Modelle bezüglich der Abschätzung des Bruchverhaltens resultiert in deren ständiger Optimierung und Verbesserung dank der schnell fortschreitenden Entwicklung von Rechnertechniken. In Rahmen vieler Forschungsprojekte [FAS02], [NEG03], [HEY04] wurden numerische und experimentelle Untersuchungen an den angerissenen laserstrahlgeschweißten Bauteilen unter Anwendung von bruch- und mikromechanischen Ansätzen durchgeführt, mit dem Ziel das Laserstrahlschweißverfahren zu qualifizieren. Die Übertragbarkeit der vorhandenen Ergebnisse auf hybridlasergeschweißte Bauteile ist nur beschränkt möglich, da durch den zusätzlichen Lichtbogenschweißprozess wesentliche Veränderungen bezüglich der Festigkeit, Mikrogefüge und der Nahtgeometrie festgestellt wurden. Das wesentliche Ziel dieser Arbeit besteht darin, unter Einbeziehung numerischer Modelle eine genaue Abschätzung des Bruchverhaltens von hybridlasergeschweißten Bauteilen zu ermöglichen. Damit soll eine sichere Auslegung von Stahlbauteilen bei gleichzeitiger Vermeidung einer zu konservativen Bewertung erreicht werden. Für die geplanten Untersuchungen standen im Rahmen des europäischen 1
Seite 1 und 2: Experimentelle und numerische Analy
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Seite 7 und 8: Inhalt IV 5.2 Überprüfen von Para
Seite 9 und 10: Nomenklatur J N/mm J-Integral, Riss
Seite 11: Nomenklatur pl ε& s -1 Rate der pl
Seite 15 und 16: 2 Stand der Technik 2. Stand der Te
Seite 17 und 18: Einbrandkerbe Erstarrungsriss ungen
Seite 19 und 20: 2. Stand der Technik In den meisten
Seite 21 und 22: ⎧ ∂ui ⎫ J = ∫ ⎨Wdy −Ti
Seite 23 und 24: 2. Stand der Technik Dabei ist m=4
Seite 25 und 26: 2. Stand der Technik mit dem Beschl
Seite 27 und 28: Kontinuum Riss ursprüngliche Risss
Seite 29 und 30: 2.3.2 Modellierung im Spaltbruch- u
Seite 31 und 32: 2. Stand der Technik Wichtungsparam
Seite 33 und 34: 2. Stand der Technik Schädigung in
Seite 35 und 36: 2. Stand der Technik Detailgeometri
Seite 37 und 38: 3. Aufgabenstellung • Die erste T
Seite 39 und 40: 4 Experimentelle Datenbasis 4. Expe
Seite 41 und 42: 4. Experimentelle Datenbasis PCM al
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Seite 45 und 46: 4. Experimentelle Datenbasis Im Ver
Seite 47 und 48: 4. Experimentelle Datenbasis Der Gr
Seite 49 und 50: 4. Experimentelle Datenbasis In der
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Seite 53 und 54: wahre Spannung [MPa] 1600 1400 1200
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4. Experimentelle Datenbasis Bis au
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4. Experimentelle Datenbasis Schlie
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Werkstoff EH36-15F EH36-20F RQT701-
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Kerbschlagarbeit A v [J] 160 140 12
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5 Modellierung des stabilen Risswac
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5. Modellierung des stabilen Risswa
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Axiale Dehnung E 3 0.30 0.25 0.20 0
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Kraft F [kN] 30 25 20 15 10 5 0 Exp
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Kraft F [kN] 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
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pl plastische Vergleichsdehnung εv
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6. Analyse des Bruchverhaltens in d
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K Jmat [MPa*m 0.5 ] 300 250 200 150
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K Jmat [MPa*m 0.5 ] 300 250 200 150
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θθ/σ0 bei rσσ0/J=2 σ θθ 4.0
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K Jmat [MPa*m 0.5 ] 300 250 200 150
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h [-] 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 6. An
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f σσI [MPa] 3000 2500 2000 1500 1
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f σσI [MPa] 4000 3500 3000 2500 2
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y [mm] y [mm] y [mm] 7 6 5 4 3 2 1
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Weibullspannungsanteil Weibullspann
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Versagenswahrscheinlichkeit P f [-]
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Spannungsintensität K I [MPam 1/2
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6.5 Schlussfolgerungen 6. Analyse d
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7. Sicherheitsbewertung von hybridl
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T calc [°C] 20 0 -20 -40 -60 -80 -
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J-Integral [N/mm] 450 400 350 300 2
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7.5 Schlussfolgerungen 7. Sicherhei
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8 Zusammenfassung und Ausblick 8.1
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9. Literaturverzeichnis [BOU05] Bou
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9. Literaturverzeichnis [HEU86] Heu
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9. Literaturverzeichnis [NEE90] Nee
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9. Literaturverzeichnis [SEE07] See
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Persönliche Angaben Name: Aida Non
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