Fachzeitschrift ÖGS 05/06/2019

Schweißnahtbewertung bei komplexen
Maschinenstrukturen im Sondermaschinenbau
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Thomas Murauer und Harald Sehrschön, Fill GmbH,
Gurten
Ein erheblicher Anteil von Maschinen und Anlagen für
Kunden der Fill Gesellschaft m.b.H. sind Sondermaschinen
für die Serienproduktion, die auftragsspezifisch einmalig
konstruiert und gefertigt werden, insbesondere Pressenrahmen,
Formenträger und andere hochbelastete Maschinenstrukturen.
Durch mehrschichtigen Betrieb der Maschinen
beim Kunden und einer Nutzungsdauer größer 7 Jahre sind
Belastungszyklen zwischen 1-10 Mio. gängig. Die Energieeffizienz
von Maschinen, die Herstellkosten und der Transport
und die Aufstellung zwingen Fill zur leichten, kostengünstigen
Konstruktion und Fertigung. Dazu hat sich für kleine
Stückzahlen insbesondere Losgröße Eins, die Fertigung aus
Grobblechen durch Schweißverbindungen mit anschließender
Bearbeitung zum Anbau der Maschinenelemente
etabliert. Diese Bauweise ist jedoch durch die bekannten
Normen der Schweißtechnik schlecht abgedeckt. Durch die
Bearbeitung für den Anbau von Maschinenelementen, wie
etwa Anschraubflächen, Linearführungen, Motorkonsolen,
Führungsschuhe, Hydraulikzylinder u.ä. ist es vorteilhaft,
wenn die Grobbleche entsprechend stark ausgeführt
werden. Ebenso sind die Strukturspannungen durch die
Prozesskräfte sehr gering zu dimensionieren, da die Einschränkung
für den Betrieb meist die zulässige Verformung
ist. Beispielsweise sind Pressen und Formenträger auf ihre
Biegeschmiegelinie der Werkzeughälften und deren Abweichung
durch Verformung auszulegen. Die Verbindungstechnik
muss jedoch kostengünstig und daher wenig arbeitsintensiv
ausgeführt werden. Für die Schweißtechnik ist hier die
Notwendigkeit dicke Bleche durch beidseitige Kehlnähte
zu fügen, die in ihrem Dickenverhältnis stark abweichen.
So werden beispielsweise Bleche mit t= 50mm mit Kehlnähten
a8 angebunden.
Diese Situation stellt die Ingenieure vor die Herausforderung
nicht durchgeschweißte, dynamisch belastete Kehlnähte in
Strukturen richtig zu dimensionieren. In der Vergangenheit
wurde versucht, die durch Simulation und Berechnung ermittelten
Schweißnahtspannungen mit zulässigen Spannungen
durch Anwendung der Normen wie EC3, DVS, alte
Kranbaunorm 15018 oder Stahlbaunorm 18800 zu definieren,
da der Maschinenbau [1] keine allgemeinverbindliche
Berechnungsvorschrift aufweist. Die genannten Normen
beruhen auf Nennspannungskonzepten, die bei Tragstrukturen
und Stahlbauten wesentlich einfacher zu ermitteln sind
und auf sehr umfangreiche Entwicklungen zurückgreifen.
Die komplexen Strukturen von Schweißkonstruktionen von
Maschinen sind im Nennspannungskonzept kaum abbildbar.
Ebenso geben die Normen keine Auskunft über die Verwendung
von FE-Modellen für die Spannungsermittlung. Beispielsweise
können vorliegende Spannungssingularitäten
zur Falschinterpretation führen. Nennspannungskonzepte
können meistens nicht einfach angewendet werden, da die
Schweißnahtgeometrie oder die Belastungen dies in keinem
vernünftigen Ausmaß an Aufwand zulassen. Generell ist es
mittels FE-Modell zwar möglich Nennspannungen innerhalb
von Flächen zu bilden, bedarf aber sehr umfangreicher Erfahrung
und führt zu einer sehr subjektiven Bewertung.
Die Überführung von Spannungsergebnissen aus FE-Modellen
in Nennspannungen stellte sich daher bei Fill als nicht
praktikabel heraus.
Daher entwickelte Fill eine eigene geeignete Vorgehensweise
zur Beurteilung der Schweißnahtspannungen für nicht
durchgeschweißte Kehlnähte. Als vorhandenes Regelwerk
zur Beurteilung der Spannungen gilt neben anderen die
FKM-Richtlinie, da diese auch für örtliche Spannungskonzepte
anwendbar ist. Diese örtlichen Spannungskonzepte sind das
Strukturspannungskonzept und das Kerbspannungskonzept,
jedes mit seinen Vor- und Nachteilen.
In den meisten Berechnungen müssen bereits FE-Modelle
aufgebaut werden, um Verformungen und andere Größen
zu bestimmen. Daher liegt das Verwenden von örtlichen
Spannungskonzepten nahe. Strukturspannungskonzepte
erlauben zwar eine einfachere Modellierung der Schweißnaht,
jedoch ist der Umweg der Auswertung über die Spannungsextrapolation
aufwändig. In manchen Konstruktionen
sind die oberflächlichen Extrapolationspfade geometrisch
nicht möglich, speziell bei Knoten mit umlaufender Kehlnaht
oder beim Verlauf der Kehlnaht aus der Blechebene. Die
Abbildung 1 rechte Seite zeigt beispielsweise die blau
dargestellten Kehlnähte zur Anbindung einer Schwenkscharnieraufnahme
eines Formenträgers.
Fill hat beschlossen das Kerbspannungskonzept als prinzipielle
Methode zur Schweißnahtauslegung zu verwenden.
Die Bewegründe sind folgende: ein Großteil der Schweißnähte
sind Kehlnähte, die zwar bevorzugt beidseitig ausgeführt
werden, jedoch die Zugänglichkeit auch als nur einseitige
Kehlnaht vorliegen kann. Somit ist oftmals auch ein
Nachweis der Nahtwurzel unbedingt notwendig. Mit dem
Strukturspannungskonzept ist dies nicht möglich. Die Fertigung
und Ausführung der Konstruktionen sind vorwiegend
Baustähle und der statische Nachweis ist mit dem Kerbspannungskonzept
für Baustähle möglich. Durch die Modellierung
der Schweißnähte (s. Abbildung 2) mit Radien in der
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