Eigenspannungen und Formaenderungen in Schweisskonstruktionen Leseprobe

1 Einführung
1.1 Zielstellung und Inhalt
Die Fertigungstechnik des Schweißens ist ein wirtschaftliches Verfahren zum Fügen von Bauteilen
aus den verschiedenen Werkstoffen mit großer Anwendungsbreite. Die wirtschaftlichen Vorteile
des Schweißens sind jedoch nur auszuschöpfen, wenn die Wirkungen des Schweißvorganges, die
Eigenspannungen und Formänderungen, bei der Konstruktion und in der Fertigung beherrscht werden.
Der bei der Herstellung einer Schweißnaht stattfindende örtliche Wärmeeintrag führt zu ungleichmäßigen
Stauchungen im Nahtbereich, wodurch bei Abkühlung Eigenspannungen und Formänderungen
unterschiedlicher Größe und Verteilung in der Verbindung und am Bauteil auftreten.
Bild 1-1. Kompetenzmanagement
zum Fügen [1-1].
Um eine rissfreie, sichere und maßgenaue Schweißkonstruktion herzustellen, bedarf es grundlegender
Kenntnisse und bewährter Verfahrensweisen. Für ein erfolgreiches Zusammenwirken bei
der Konstruktion, Fertigungsvorbereitung und der Fertigung sind Kompetenz der Beteiligten und
ein zielgerichtetes Management erforderlich. Bild 1-1 gibt dieses Kompetenz-Management zum
Fügen schematisch wieder. Mit der Wahl der Fügetechnologie wird auch maßgeblich über die
Maßgenauigkeit des zu fertigenden Bauteiles entschieden. Darauf ist bereits bei der Konstruktion
einzugehen und vom Fertigungsplaner sind entsprechende Maßnahmen umzusetzen. Die dazu erforderlichen
Dokumentationen sind Arbeitsplan, Schweißfolgeplan und Zusammenbauplan. Die
Aufstellung dieser Dokumente setzt Fachkenntnisse der thermischen und mechanischen Vorgänge
beim Schweißen voraus, insbesondere über die Maßnahmen zur Beherrschung der Auswirkungen
von Eigenspannungen und Formänderungen. Fachkompetenz ist dann erwiesen, wenn es gelingt,
durch geeignete Maßnahmen vor und während des Schweißprozesses die Qualität des geschweißten
Werkstückes zu sichern. Bild 1-2 zeigt das System, in dem die angesprochene Kompetenz
eingebunden ist.
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Bild 1-2. Managementsystem des Fügens, Kompetenzfelder und handelnde Bereiche [1-1].
Die Zielstellung, die Qualität einschließlich der Maßhaltigkeit nach dem Schweißen zu sichern,
Eigenspannungen und Formänderungen in Schweißkonstruktionen fachlich zu beherrschen, erfordert
Fachkompetenz (siehe Kapitel 2, Kapitel 3 und Kapitel 4) und ein Wissensmanagement mit
Erfahrungsrückfluss, Bild 1-3. Die Maßnahmen der Unternehmensleitung, der Konstruktion und
der Fertigungsvorbereitung zur Qualitätssicherung werden im Kapitel 5 übersichtlich dargestellt
und an Beispielen erläutert.
Bild 1-3. Wissensmanagement für Formänderungen und Eigenspannungen beim Schweißen.
Durch Minimieren der Form- und Maßabweichungen während des Schweißprozesses gelingt es,
den Aufwand für nachträgliches Richten deutlich unter 10 % der Zeit für das vorangegangene
Schweißen zu senken. Nachträgliches Reduzieren der Formänderungen durch Kalt- oder Warmrichten
kann ebenso wie ein nachträglicher Abbau der Eigenspannungen durch thermische oder
mechanische Verfahren schon aus Kostengründen nicht befriedigen und muss auf Ausnahmefälle
beschränkt bleiben.
Die Maßhaltigkeit der Werkstücke nach dem Schweißen ist Bestandteil des Qualitätsmanagements
nach DIN EN ISO 9000 [1-2]. Die Maßhaltigkeit ist auch Bestandteil der Verfahrensprüfung und
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in der Schweißanweisung des Herstellers nach DIN EN ISO 15609-1 [1-3] auszuweisen. Als
Grundlage können beispielsweise zur Vorausberechnung notwendiger Zugaben an den Einzelteilen
die in Kapitel 3 angegebenen praktischen Verfahren zur Ermittlung der Schrumpfungen und Formänderungen
nach dem Schweißen und die zusammenfassend wiedergegebenen Messergebnisse
dienen.
Obwohl das Schweißen als technologisches Verfahren dem Fertigungsprozess zugeordnet ist, greift
es jedoch entscheidend in den Entwurfs- und Gestaltungsprozess ein. Es genügt daher nicht, die
Bemessung und Gestaltung einer Konstruktion allein nach den Beanspruchungen aus äußeren Lasten
und den speziellen Nutzungsbedingungen vorzunehmen. Das Schweißen beeinflusst in erheblichem
Maße die Dimensionierung, Werkstoffwahl, Formgebung und andere konstruktive Bedingungen.
Die Auswirkungen der Eigenspannungen und der Formänderungen beim Schweißen müssen
daher in Maßnahmen zu deren Begrenzung bei der Konstruktion und Fertigungsvorbereitung
einmünden.
Dem schon lange beherrschten Phänomen Sprödbrüche folgte in den letzten 30 Jahren das Phänomen
„Instabilität versteifter Druckgurte“ von Kastenträgern. Eigenspannungen in Verbindung mit
Formänderungen (Beulen und Verwerfungen) waren die Ursache für das Ausknicken ganzer Bauteile
mit Totalverlust. Dies verweist auf die wechselseitige Abhängigkeit von Konstruktion und
Technologie zur Einhaltung der festgelegten Form und des Nachweises für die Trag- und
Gebrauchsfähigkeit der durch das Schweißen beeinflussten Bauteile.
Zur Schwingfestigkeit geschweißter Verbindungen und Bauteile liegen umfangreiche Untersuchungen
und neue Richtlinien vor. Letztere unterscheiden sich zum Teil wesentlich von den bisher
angewandten Normen, daher wird auf diese Veränderungen eingegangen. Für die Tragfähigkeit
einer qualitätsgerecht hergestellten Schweißkonstruktion sind die Wirkungen von Eigenspannungen
und von Formänderungen differenziert zu bewerten. Während unter ruhender Zugbelastung die
Eigenspannungen normalerweise keine Rolle spielen, kann bei tieferer Einsatztemperatur ein gesonderter
Nachweis der Sprödbruchsicherheit erforderlich sein. Bei Druckbeanspruchung schlanker
oder dünner Bauteile sind Eigenspannungen im Stabilitätsnachweis zu berücksichtigen. Dazu
und für charakteristische Fälle unter schwingender Belastung wurde ein beschreibendes Verfahren
zur Bewertung des Einflusses der Eigenspannungen an typischen Bauteilen in Kapitel 4 dargestellt.
Bei veränderter Nutzung von Tragwerken ist oft eine Verstärkung notwendig. Zur wirtschaftlichen
Ausführung solcher Verstärkungen wurde das Verfahren zum Nachweis der Zulässigkeit des
„Schweißens unter Last“ angegeben.
Auf der Grundlage von Erfahrungen, neuerer Erkenntnisse und Vorschriften wird dazu mit diesem
für den Praktiker geschriebenem Buch notwendiges Rüstzeug für das Beherrschen der Eigenspannungen
und Formänderungen beim Schweißen vermittelt. Die gedrängte praxisorientierte Darstellung
dieses Buches sei ergänzt durch Verweise auf vertiefende Literatur zu:
– Wärmephysikalischen Grundlagen [1-7],
– Modellierung und Berechnung von Eigenspannungen [1-4],
– Konstruktive Gestaltung und Festigkeit [1-8],
– Fertigungsplanung in der Schweißtechnik [1-9].
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1.2 Eigenspannungen beim Schweißen
1.2.1 Entstehen und Arten der Eigenspannungen
Eigenspannungen entstehen durch ungleichmäßige plastische Formänderungen (Volumen- und
Gestaltänderungen) infolge Wärmedehnung und Abkühlung, Gefügeumwandlung oder Zustandsänderungen
durch das quasistationäre Temperaturfeld, das beim Schweißen entlang der Schweißnaht
über das Bauteil wandert, siehe Bild 1-4. Diese Formänderungen sind örtlich konzentriert und
werden durch angrenzende, weniger intensiv durchwärmte Querschnittsteile sowohl beim Erwärmen
als auch beim Abkühlen behindert. So besteht während des gesamten Schweißprozesses ein
sich ständig änderndes Spannungs- und Formänderungssystem, das nach vollständiger Abkühlung
bleibende innere Spannungen (Schweißeigenspannungen) und Formänderungen (Schrumpfungen)
zurücklässt.
Bild 1-4. Quasistationäres
Temperaturfeld, das entlang
der Schweißnaht bewegt
wird, nach [1-4].
Während das Temperaturfeld nach dem vollständigen Abkühlen des Bauteils wieder den Ausgangszustand
annimmt, bleiben die durch das Temperaturfeld verursachten Eigenspannungen und
Formänderungen im Bauteil bestehen. Die Wirkungskette von der Wärmequelle mit Temperaturfeld
zu den Eigenspannungen und Formänderungen gibt Bild 1-5 schematisch, vereinfacht wieder.
Bild 1-5. Schema zum Entstehen
von Eigenspannungen
und Formänderungen beim
Schweißen.
Eigenspannungen werden beim Schweißen in erster Linie durch die behinderte Ausdehnung des
Werkstoffs infolge des instationären ungleichförmigen Temperaturfeldes verursacht. Die behinderte
Dehnung und die Plastifizierung infolge der Erwärmung führen zu einer Stauchung im Werkstoff,
die beim Abkühlen nicht mehr vollständig rückgängig gemacht werden kann, da die
Schrumpfung des Werkstoffs durch die umgebenden kalt gebliebenen Bauteilbereiche neben der
Schweißnaht behindert wird. Diese Ausdehnung/Stauchung der Werkstoffbereiche in unmittelbarer
Umgebung der Wärmequelle und die nachfolgende Schrumpfung bei Abkühlung führen zu den
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Eigenspannungen. Die bereits in den Halbzeugen oder Blechen vom Walzen oder einer Kaltumformung
bestehenden Eigenspannungen sind in besonderen Fällen zu berücksichtigen. Schweißeigenspannungen
und Formänderungen treten im Bauteil immer im Zusammenhang auf.
Geometrie, Steifigkeit des Bauteils und Schweißfolge entscheiden darüber, ob durch das Schweißen
höhere Eigenspannungen oder größere Formänderungen (Schrumpfung, Verzug oder Beulung
und Verwerfung) im Bauteil auftreten. In einem steifen, dickwandigen Bauteil werden die Eigenspannungen
meist höher sein als in einem dünnen Bauteil mit geringerer Eigensteifigkeit.
Eigenspannungen, die sich im Gefüge über makroskopische Bereiche erstrecken, werden im Unterschied
zu den nachfolgenden als Eigenspannungen der 1. Art (Makroeigenspannungen) bezeichnet.
Für den Praktiker sind nur diese Eigenspannungen 1. Art von Bedeutung. Die Mikroeigenspannungen
in Kristallit-Teilbereichen (von 1 bis 10 –2 mm Größe), die Eigenspannungen 2. Art zwischen
benachbarten Kristallen, sowie die in submikroskopischen atomaren Bereichen von 10 –2 bis
10 –6 mm Größe an Kristallbaufehlern (Leerstellen, Versetzungen) wirkenden Eigenspannungen
3. Art, bleiben für die Praxis außer Betracht.
1.2.2 Unterscheidung und Einteilung der Eigenspannungen
Die Eigenspannungen sind zu unterscheiden nach der Ursache des Entstehens, der Dauer des Bestehens,
der Richtung und dem Vorzeichen sowie abhängig von der Einspannung im Bauteil.
Tabelle 1-1. Übersicht der Bezeichnungen für unterschiedliche Eigenspannungen.
Unterscheidung
Bezeichnung
a) nach der Ursache des Entstehens – Eigenspannungen (aus elastisch-plastischen Volumenänderungen)
– Umwandlungs-Eigenspannungen (aus Gefügeänderungen)
b) nach der Dauer des Bestehens – transiente Eigenspannungen (zeitabhängig – beim Schweißen)
– Eigenspannungen (bleibend – nach Abkühlung auf Raumtemperatur)
c) nach Richtung und Vorzeichen – Längs-, Quer- und Dicken-Eigenspannungen
– Zug- und Druck-Eigenspannungen
d) mit/ohne Einspannung – Zwängungsspannungen (im Nahtbereich – bei freier Dehnung der
Bauteile)
– Reaktionsspannungen (infolge von Einspannungen)
Zu a): Im Folgenden beziehen sich die Angaben allgemein auf die Eigenspannungen, die aus elastisch-plastischen
Volumen- oder Längenänderungen beim Schmelzschweißen an unlegierten
Baustählen entstehen. An Werkstoffen mit erheblichen martensitischen Anteilen kann es infolge
der Volumenvergrößerung des Martensits zu Umwandlungs-Eigenspannungen kommen.
Zu b): Die während des Schweißens und während der Abkühlzeit zu messenden Eigenspannungen
werden als zeitabhängig und „transient“ angesehen. Die nach dem Schweißen bestehen
bleibenden Eigenspannungen sind nachfolgend zu behandeln.
Zu c): Diese Eigenspannungen werden weiter nach der auf die Naht bezogenen Richtung und nach
dem Vorzeichen in Zug- und Druck-Eigenspannungen unterschieden, Bild 1-6.
– Spannungen in Nahtlängsrichtung (Längs-Eigenspannungen),
– Spannungen quer zur Naht (Quer-Eigenspannungen),
– Spannungen in Richtung der Blech- oder Nahtdicke.
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Bild 1-6. Bezeichnung der Eigenspannungen nach
der Richtung zur Naht.
Zu d): Abhängig davon, ob die Schweißverbindung im Bauteil frei schrumpfen kann, ist zu unterscheiden
in Zwängungsspannungen aus dem Schweißen der Verbindung und den Reaktionsspannungen
aus der Einspannung im Bauteil oder in einer Vorrichtung.
Für die Bewertung der Tragfähigkeit geschweißter Bauteile ist immer die Summe der Zwängungsund
der Reaktionsspannungen bestimmend; dagegen ist die Unterscheidung für die Ableitung von
Maßnahmen zur Fertigung einer spannungsarmen und maßgenauen Schweißkonstruktion wichtig.
Ferner ist die Veränderung der Höhe der Eigenspannungen durch Prüf- oder Nutzlasten bei örtlich
begrenzter Überschreitung der Streckgrenze zu berücksichtigen. Die bei schwingender Last im
Zeitfestigkeitsbereich durch Abbau und Umlagerung verringerten Eigenspannungen werden als
Restspannungen bezeichnet, siehe Abschnitt 4.3.
1.2.3 Beispiele typischer Eigenspannungsverteilungen
Eigenspannungen sind im Bauteil ohne äußere Beanspruchung vorhanden und stehen in jedem beliebigen
Querschnitt im Gleichgewicht:
∑ F = 0 und ∑ M = 0.
Die Verteilung der Längseigenspannungen im Querschnitt einer Schweißverbindung an unlegiertem
Baustahl zeigt Bild 1-7 a. Die zuletzt erkalteten Stellen des Werkstoffs weisen Zugeigenspannungen
auf, während sich in ihrer Umgebung Druckeigenspannungen in der Weise ausbilden, dass
das Gleichgewicht der Kräfte und Momente hergestellt wird. Da bei Schweißverbindungen die
erwärmten und damit zuletzt abgekühlten Zonen verhältnismäßig klein sind, entstehen in der
Schweißnaht und deren Umgebung hohe Zug-Längsspannungen, die oft die Fließgrenze erreichen,
während sich die Druck-Längsspannungen auf größere Querschnittsteile erstrecken und demzufolge
wesentlich niedriger sind. An niedrig legierten Werkstoffen können infolge von Gefügeumwandlungen
bei Abkühlung Druck-Eigenspannungen in der Naht und Zug-Eigenspannungen in der
Übergangszone entstehen, Bild 1-7 b.
Eine typische Verteilung der Längs- und der Querspannungen an der Stumpfnaht eines dünnen
Bleches aus Baustahl wird in Bild 1-8 wiedergegeben.
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Bild 1-7. Längs-Eigenspannungen an der Schweißnaht;
a) bei unlegiertem oder austenitischem Stahl,
b) an niedrig legiertem Stahl mit Gefügeumwandlung,
nach [1-4].
Bild 1-8. Längs- und Quer-Eigenspannungen in einer
Stumpfnaht;
a) Längsspannungen in Nahtrichtung σ E x,
b) Querspannungen quer zur Naht σ E y [1-5].
Längseigenspannungen können ab einer Länge der Schweißnaht von etwa 300 mm den Betrag der
Streckgrenze des geschweißten Werkstoffes, die deutlich über der des Grundwerkstoffs liegen
kann, erreichen. Quereigenspannungen und die in Richtung der Dicke liegenden Eigenspannungen
sind meist deutlich niedriger. Die Eigenspannungen verhalten sich wie
σ E x zu σ E y zu σ E z ≈ 1·R e zu 0,5·R e zu 0,1·R e.
Die Verteilung der Quereigenspannungen wird wesentlich von der Länge der Naht und der
Schweißgeschwindigkeit beeinflusst, Bild 1-9.
Bild 1-9. Quer-Eigenspannungen in einer Rechteckplatte; a) lange Naht – schnell geschweißt, b) kurze Naht
– schnell geschweißt, c) lange Naht – langsam geschweißt, nach [1-4].
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Am Flachstab nach Bild 1-10 wird die Überlagerung der aus dem Schweißen der Längsnaht (ohne
Einspannung des Stabes) sich ergebenden Zwängungseigenspannungen mit den Reaktionsspannungen,
die sich aus dem Behindern der Verkürzung und der Krümmung durch die äußere Einspannung
ergeben, veranschaulicht. Die Zwängungsspannungen entstehen in jedem Fall, sowohl in der
frei beweglichen als auch in der festgespannten Lage.
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Bild 1-10. Längs-Eigenspannungen vom
Schweißen einer Längsnaht;
a) eingespannter Flachstab mit Schweißnaht
auf der Kante,
b) Querschnitt mit Naht,
c) Spannungsdiagramme:
(1) Zwängungsspannungen bei freier
Dehnung,
(2) Reaktionsspannungen durch die
Einspannung,
(3) resultierende Eigenspannung.
Reaktionsspannungen entstehen durch innere (beim Zusammenfügen mehrerer Einzelteile) oder
durch äußere Einspannung. Äußere Einspannung besteht beispielsweise, wenn die Einzelteile während
des Schweißens in Vorrichtungen fest eingespannt sind. Zusätzliche Reaktionseigenspannungen
ergeben sich auch bei Montageschweißungen oder Instandsetzungsarbeiten, wenn die
Schweißkonstruktion äußerlich statisch unbestimmt gestützt wird [1-5, 1-6]. In den meisten praktischen
Fällen ist eine klare Trennung der auftretenden Eigenspannungen in Zwängungs- und Reaktionseigenspannungen
nicht möglich. Dies hängt von der Schnittführung zur Betrachtung des inneren
Gleichgewichts ab.
Die eigenspannungs- und formänderungsfreie Schweißkonstruktion ist technisch und wirtschaftlich
nicht real. Aus der Kenntnis der Größe, Verteilung und Wirkung der Eigenspannungen und Verformungen
sind die Maßnahmen zur Herstellung einer den Sicherheits- und Qualitätsansprüchen
gerecht werdenden Schweißkonstruktion abzuleiten.
1.2.4 Wirkung der Eigenspannungen
Das Verhalten des verwendeten Werkstoffs (Schweißeignung) und die Fähigkeit der Konstruktion,
die beim Schweißvorgang entstandenen Eigenschaftsänderungen unter den geforderten Betriebsbedingungen
zu ertragen (Schweißsicherheit), sind für die Wirkung der Eigenspannungen maßgebend.
Zum Komplex der Schweißsicherheit gehört die Gewährleistung der Rissfreiheit. Eigenspannungen
können die Schweißsicherheit wesentlich beeinflussen. Auf die konstruktiv und fertigungsbedingte
Schweißsicherheit wirken aber außerdem noch Einflüsse der äußeren Belastung, der konstruktiven
Gestaltung und der Einsatztemperatur sowie der schweißtechnologischen Bedingungen,
wie Schweißnahtgeometrie, Schweißfolge, Schweißverfahren, Schweißzusatzwerkstoff und Wärmebehandlung.
Der Einfluss der Eigenspannungen auf die Schweißsicherheit einer Konstruktion ist
daher immer im Zusammenhang mit diesen Bedingungen differenziert zu betrachten [1-5].

Bild 1-11. Spannungs-Dehnungs-Diagramm mit Energiebilanz
[1-5]:
1 = durch Eigenspannung verbrauchte Energie,
2 = in Eigenspannung gespeicherte elastische Energie,
ε e,pl = plastische Dehnung,
ε e.el = elastische Dehnung,
ε e,ges = ε e,pl + ε e,el = Gesamtdehnung.
Der elastische Charakter der Eigenspannungen bringt die Speicherung von elastischer potentieller
Energie mit sich. Im Fall von einachsigem Zug stellt die schraffierte Fläche 1 in Bild 1-11 den Teil
der Energie dar, der bis zum Erreichen der Eigenspannung σ e verbraucht wurde, und die Fläche 2
(gebildet durch das Dreieck e – ε e,pl – ε e,ges ) die gespeicherte potentielle Energie. Zwängungsspannungen
treten im Volumen örtlich begrenzt auf. Daher ist der Beitrag der gespeicherten Energie
klein. Beim Vorhandensein von Reaktionsspannungen erstreckt sich die gespeicherte elastische
Energie auf ein größeres Volumen. Sind Risse oder andere Fehler vorhanden, so wirkt die gesamte
gespeicherte Energie auf diese schwachen Stellen und kann den Bruch herbeiführen. Große Bauwerke
können große Energiemengen in Form von Reaktionsspannungen speichern. Es ist daher
erforderlich, beim Zusammenbau günstige Verhältnisse zum Ausgleich dieser Spannungen zu
schaffen. Wenn sehr starre Einspannungen während des Schweißens vorhanden waren und die Eigenspannungen
nicht abgebaut wurden, besteht die Gefahr der plötzlichen Entladung der gespeicherten
Energie durch einen Bruch, der sich über große Querschnittsbereiche erstreckt, wie es bei
den Schäden an Schiffen und Brücken beobachtet wurde.
Bild 1-12. Charakteristik von Zwängungs-
und Reaktionsspannungen, Modell
nach [1-5];
a) Rahmen mit im Schnitt I – I eingespanntem
Flachstahl und Längsnaht,
b) Eigenspannungen aus der Summe der
Zwängungs- und Reaktionsspannungen
σ E R vor Auftrennen im Schnitt
I – I,
c) Eigenspannungen als Zwängungsspannungen
σ E Z nach Auftrennen im
Schnitt I – I.
Am Beispiel des im starren Rahmen eingespannten Stabes mit einer Längsnaht nach Bild 1-12 wird
die Umverteilung nach dem Freisetzen dieser gespeicherten potentiellen Energie gezeigt. Wird der
mit Reaktionsspannungen behaftete Stab bei I – I bis zu einer bestimmten Tiefe angeschnitten, so
wird die gesamte potentielle Energie im Augenblick des Bruches frei und durch einen Knall hörbar.
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Die in Eigenspannungen gespeicherte Energie bleibt über lange Zeit hinweg bestehen und wird erst
im Gebrauchszustand der Konstruktion im Zusammenwirken mit der Nutzlast und anderen Einflüssen
(Temperaturänderung, Schlagbeanspruchung, Ermüdungsbeanspruchung, Korrosion oder Verformung)
frei. Dies wird entweder in Rissbildung oder in örtlicher Verformung erfolgen. Dieser
Gefahr muss man durch entsprechende Maßnahmen vor der Inbetriebnahme der Konstruktion begegnen.
Da aber Maßnahmen zur Spannungsreduzierung, wie thermisches oder mechanisches Entspannen,
sehr aufwendig sind, muss die Aufmerksamkeit hauptsächlich auf das Geringhalten insbesondere
der Reaktionsspannungen durch technologische Maßnahmen während der Herstellung der
Schweißkonstruktion gerichtet werden. Für bestimmte Schweißkonstruktionen ist die Bemessung
so vorzunehmen, dass die Eigenspannungen in den Tragfähigkeitsnachweis eingeschlossen werden;
zum Beispiel sind beim Stabilitätsnachweis von Druckstäben die Druckeigenspannungen im Zusammenwirken
mit weiteren Imperfektionen maßgebend, siehe Abschnitt 4.2. Es gibt aber auch
Fälle, in denen Eigenspannungen einen günstigen Effekt im Zusammenwirken mit Lastspannungen
bewirken. Zum Beispiel können durch technologische Maßnahmen stabile Druckeigenspannungen
erzeugt und damit örtlich begrenzte Querschnittsteile mit örtlich hohen Zuglastspannungen entlastet
werden und damit einer Rissgefahr vorgebeugt werden.
Eigenspannungen sind in jeder Konstruktion vorhanden, sofern sie nicht durch eine besondere Behandlung
(zum Beispiel Spannungsarmglühen, mechanisches Entspannen oder Vibrationsentspannen)
minimiert sind. Der Konstruktionswerkstoff Stahl und in gleicher Weise auch die Leichtmetall-
oder Titanlegierungen haben genügend Verformungsreserve, so dass sie Eigenspannungen im
Regelfall schadlos ertragen können. Bei örtlicher Überschreitung der Streckgrenze im Schweißnahtbereich
infolge des Aufbringens von Lastspannungen werden Spannungen umgelagert, beim
Entlasten werden auch die Eigenspannungen mit abgebaut. Insofern sind Eigenspannungen nur von
Bedeutung für die Tragfähigkeit, wenn diese beispielsweise an steifen Bauteilen eine Ursache für
Rissbildung sein können. Bei Dauerschwingbeanspruchung sind insbesondere an Kerben die Wirkungen
der Eigenspannungen für die Bemessung der Konstruktion zu beachten, siehe Abschnitt
4.4.
1.3 Formänderungen, Bezeichnungen, Arten und Wirkungen
Die während des Schweißens verursachten Verformungen sind örtlich konzentriert und werden
durch angrenzende, weniger intensiv durchwärmte Querschnittsteile sowohl beim Erwärmen als
auch beim Abkühlen behindert, was zu plastischen Formänderungen führt. Diese Formänderungen
können je nach Konstruktionsform, Geometrie und Anordnung der Schweißnaht an dem Bauteil in
Form von Schrumpfungen (Maßverkürzungen), Verzug (Krümmungen, Knickung, Biegung) oder
als Beulen (Verwerfungen aus der Konstruktionsebene) auftreten. Dem Nahtbereich und der beeinflussten
Bauteilform sind die verschiedenen Arten der Formänderung zuzuordnen. Dies wurde als
Übersicht in Tabelle 1-2 dargestellt.
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Tabelle 1-2. Übersicht der Bezeichnungen und Arten der Formänderungen beim Schweißen.
(1) einzelne/mehrere Quernähte Knick/Krümmung der Stabachse
(2) durchgehende Längsnähte stetige Krümmung der Stabachse
1.3.1 Schrumpfungen
Schrumpfung tritt generell in allen drei Achsenrichtungen – wenn auch in unterschiedlicher Größe
– auf. Die Verkürzung des Bauteiles in Längsrichtung wird als Längsschrumpfung bezeichnet.
Ab einer gewissen Nahtlänge- und dicke ist diese nahezu proportional zur Länge und beträgt etwa
0,5 bis 1 mm/m. Ihren Maximalwert erreicht die Längsschrumpfung am Ort der Schweißnaht und
nimmt zu den Bauteilrändern hin ab. Die Längs-, Quer-, und die Winkelschrumpfung (Winkelverzug)
sind in Bild 1-13 wiedergegeben.
Bild 1-13. Längs- und Querschrumpfung, Winkelschrumpfung
(Winkelverzug) und Biegeverzug durch
einseitige V-Naht an einer Rechteckplatte, nach
[1-4].
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Die Querschrumpfung ist weniger eine Funktion der Bauteillänge als vielmehr der Schweißnahtform,
der Spaltbreite, des Schweißverfahrens oder der Wärmeeinbringung. Daher kann die Querschrumpfung
in Abhängigkeit von den genannten Einflussgrößen sehr unterschiedliche Werte von
0,001 mm beim Präzisionsschweißen mit dem Laser- oder Elektronenstrahl bis hin zu 10 mm oder
mehr beim Elektroschlackeschweißen aufweisen. Eine spezielle Form der Querschrumpfung ist die
Winkelschrumpfung, die an unsymmetrischen Schweißnahtformen (V-, Y- oder U-Naht) und an
Kehlnähten auftritt.
1.3.2 Verzug und Krümmung (Biegeverzug)
Als Folge der auftretenden Quer- und Längsschrumpfungen ergibt sich an den Bauteilen, abhängig
von der
– Größe und Lage der Schweißnähte,
– Querschnittsform und Gestaltung der Bauteile sowie
– schweißtechnologischen Ausführung
der Schweißverzug. Axiale Verkürzungen der Bauteile infolge Quer- und Längsschrumpfungen
ergeben sich nur bei zentrisch wirkenden Schrumpfkräften. Weit häufiger ist aber die Abweichung
der Wirkungslinien der Schrumpfkräfte von den Bauteilachsen oder -ebenen (außermittige
Schrumpfwirkungen). Zu Schweißverzug kann es nicht nur infolge von Längsnähten in plattenförmigen
Bauteilen kommen, sondern auch unsymmetrisch angeordnete Quernähte an trägerartigen
Bauteilen rufen infolge des auftretenden Schrumpfmomentes Trägerkrümmungen hervor. Dann
kommen zu den axialen Verkürzungen noch Biegeformänderungen hinzu, siehe Bild 1-14. Die
außermittigen Schrumpfkräfte erzeugen innere Schrumpfmomente und führen zu Durchbiegungen,
einer Krümmung der Stab- oder Trägerachse. Ursachen für Krümmungen (Biegeverzug) sind:
– außermittige Längsschrumpfung von Längsnähten, die eine kontinuierliche Krümmung der Bauteilachse
oder Mittelfläche erzeugt,
– außermittige Querschrumpfung, die eine Winkeländerung der die Schweißnaht einschließenden
Schweißteilflanken erzeugt und zur Knickbildung längs der Schweißnaht führt.
Bild 1-14. Trägerkrümmung durch unsymmetrisch
angeordnete Nähte [1-4];
a) Halskehlnähte am T-Träger,
b) Quernähte am Doppel-T-Walzprofil.
Bei unsymmetrischer Nahtanordnung auf dem Bauteil kommt es stets zu einem Schrumpfmoment,
einem Biegemoment aus der in der Nahtachse wirkenden Schrumpfkraft und dem Abstand zwischen
Nahtachse und neutraler Faser des Bauteils. Das ruft zusätzlichen Verzug in Form von Bauteilkrümmungen
oder auch Beulung mit Formänderungen senkrecht zur Plattenebene hervor.
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Durch die außermittige Schweißschrumpfung und Längsverkürzung im Nahtbereich kommt es auch
in zweiachsig ausgesteiften Paneelen zum Schweißverzug in beiden Achsen, Bild 1-15. Sofern es
nicht gelingt, durch entsprechende Maßnahmen (Vorkrümmen in Vorrichtungen oder durch Gegenspannen)
den Verzug innerhalb der Toleranzen zu halten, sind vor der weiteren Montage von ausgesteiften
Paneelen zu Blöcken bereits vor der Endmontage Richtarbeiten durchzuführen. Durch
die Krümmung kommt es zu weiteren Maßveränderungen in der Länge „L – ∆L“ und in der Breite
„B – ∆B“.
1.3.3 Beulung und Verwerfung
Bild 1-15. Paneel mit Durchbiegung
in Längs- und Querrichtung bei zweiachsiger
Plattenkrümmung.
Während Schrumpfung, Krümmung und Verzug durch konstruktive und technologische Maßnahmen
verringert und auch relativ gut abgeschätzt werden können, sind Beulen und Verwerfungen
weitaus schwieriger vorauszuberechnen und auch ungleich aufwändiger zu beseitigen. Sie können
mit erheblichen Abweichungen senkrecht zur Plattenebene verbunden sein und ihr Vorzeichen von
Plattenfeld zu Plattenfeld verändern.
Bild 1-16. Verschiedene Formänderungen;
a) Winkelschrumpfung,
b) Schnitt durch ausgesteifte Platte,
c) Verwerfungen durch Stumpfnähte
an Platten,
d) Beulen an Platten mit Aussteifung
und Randverformung.
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Bild 1-16 zeigt die Auswirkungen von Längs-, Quer- und Winkelschrumpfungen an nicht ausgesteiften
Platten und an ausgesteiften Plattenfeldern. An den Plattenenden kommt es zu Aufwölbungen/Verwerfungen.
Die Beulen in den Plattenfeldern können sowohl eine positive als auch eine
negative Krümmung aufweisen. Die Winkelschrumpfung (Bild 1-16 a) überlagert die Druckspannungen
in den Platten zwischen den Aussteifungen (Bild 1-16 d); dadurch entstehen insbesondere
an dünnen Blechen oft Feldbeulen, die schwierig durch Richtprozesse zu beseitigen sind.
Bild 1-17. Längs- und Querverbände
einer Stahlkonstruktion.
Bild 1-18. Formänderungen an Blechen nach dem Brennschnitt.
Um Formänderungen an der fertig geschweißten Konstruktionen zu minimieren, sind bereits bei
der Teilefertigung, beim Zuschnitt der Einzelteile beginnend, aus dem Herstellungsprozess (Walzen,
ungleichmäßiges Abkühlen) herrührenden Eigenspannungen zu beachten, Bild 1-17. Diese
können auch durch die lokale Wärmeeinbringung des Brennschnittes verstärkt werden. Dies kann
zu deutlichen Formänderungen an plattenförmigen Bauteilen führen, Bild 1-18. Um diese möglichst
gering zu halten und auf der Brennschneidmaschine Kollisionen zwischen dem Brenner und
den verformten Blechteilen zu vermeiden, sollten die Einzelteile durch Stege verbunden bleiben.
Diese als Einspannung wirkenden sind dann zuletzt von Hand zu trennen.
Jeder weitere Fertigungsschritt kann zu neuen Deformationen und/oder Eigenspannungen führen.
Das gilt sowohl für den Transport großflächiger Einzelteile geringer Eigensteifigkeit über Rollengänge
oder beim Transport mit dem Kran, aber in weitaus größerem Maß durch das Schweißen und
Montieren der Bauteile.
Die nachfolgenden Bilder zeigen einige Beispiele mit Formänderungen (Deformationen), die beim
Schweißen eines Stumpfstoßes mit sogenannter Sattelbildung, Bild 1-19 und Bild 1-20 oder an
ausgesteiften Paneelen mit Feld- oder Randbeulen auftreten können, Bild 1-21 und Bild 1-22.
Beim Zusammenwirken mit den Winkelschrumpfungen durch Kehlnähte an den Aussteifungselementen
sind die dabei auftretenden Maßabweichungen zu berücksichtigen. Zur Berechnung sind
Maßzugaben beim Zuschnitt erforderlich, siehe Kapitel 3.
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Bild 1-19. Sattelbildung am Stumpfstoß.
Bild 1-20. Sattelbildung am Stumpfstoß unmittelbar
neben einer Steife.
Bild 1-21. Randbeulen.
Bild 1-22. Randbeule, verursacht durch thermischen
Brennschnitt zwischen den Rahmenträgern im Mittelfeld.
Insbesondere im Sichtbereich einer Schweißkonstruktion müssen Beulen vermieden werden. In der
Mitte des Plattenfeldes können Beulen (so genannte Feldbeulen) auftreten, wenn dort erhebliche
Druckspannungen vorliegen, die als Reaktion aus den Zugeigenspannungen der Schweißnähte, zum
Beispiel an Aussteifungen, resultieren. Das Bild 1-23 zeigt derartige Beulen am Deck eines Fährschiffs.
Bild 1-23. Feldbeulen im Deckbereich eines Fährschiffes
(Beulung zwischen Quer- und Längsaussteifungen).
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