SB_17.619NLP

2015
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Berechnung von Eigenspannungen
in Mehrlagenrohrschweißverbindungen
und
Quantifizierung des Einflusses
auf die Lebensdauer
bei Schwingbeanspruchung

Berechnung von
Eigenspannungen in
Mehrlagenrohrschweißverbindungen
und Quantifizierung
des Einflusses auf die
Lebensdauer bei
Schwingbeanspruchung
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 17.619 N
DVS-Nr.: I2.010
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik
IWM
Technische Universität Braunschweig
Institut für Füge- und Schweißtechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 17.619 N / DVS-Nr.: I2.010 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 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.

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unter: http://dnb.dnb.de
© 2015 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 290
Bestell-Nr.: 170399
ISBN: 978-3-96870-289-6
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Verzeichnisse
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung .......................................................................................................................... 1
2 Stand von Wissenschaft und Technik ............................................................................... 3
2.1
2.2
2.3
2.4
Werkstoffmechanisch basierte Modellbildung ............................................................. 3
Numerische Schweißsimulation .................................................................................. 4
Stand der Bewertung von Schweißeigenspannungen für das
Schwingfestigkeitsverhalten ........................................................................................ 6
Berücksichtigung des Eigenspannungsabbaus ........................................................... 8
2.4.1 Abbau von Eigenspannungen infolge zügiger Beanspruchung ....................... 10
2.4.2 Abbau von Eigenspannungen infolge zyklischer Beanspruchung ................... 11
2.4.3 Das m-Konzept zur Berücksichtigung von Eigenspannungen in der
Festigkeitsrechnung ....................................................................................... 12
3 Schweißversuche............................................................................................................ 15
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
Grundlegende Charakterisierung der verwendeten Werkstoffe ................................. 15
Probenvorbereitung .................................................................................................. 16
Schweißarbeiten ....................................................................................................... 17
Herstellung der Schwingproben ................................................................................ 19
Charakterisierung der geschweißten Proben ............................................................ 20
3.5.1 Charakterisierung der Proben aus S355J2H+N.............................................. 20
3.5.2 Charakterisierung der Proben aus X6CrNiTi18-10 ......................................... 23
4 Experimentelle Eigenspannungsanalyse ......................................................................... 24
4.1
4.2
4.3
Durchführung der Messungen ................................................................................... 24
4.1.1 Röntgenographische Eigenspannungsanalysen ............................................. 24
4.1.2 Neutronographische Eigenspannungsanalysen ............................................. 25
Eigenspannungsanalyse an geschweißten Rohren aus S355J2H+N ........................ 25
4.2.1 Schweißzustand ............................................................................................. 25
4.2.2 Einfluss der Vorwärm- und Zwischenlagentemperatur ................................... 30
4.2.3 Einfluss der Lage des Schweißnahtanfangs und der Schweißrichtung ........... 32
4.2.4 Untersuchungen an spannungsarmgeglühten Proben .................................... 32
Untersuchungen zum Eigenspannungsabbau unter quasistatischer Last .................. 34
4.3.1 Eigenspannungsabbau unter Zugbeanspruchung .......................................... 35
4.3.1.1 Eigenspannungsabbau an der Rohraußenseite ................................... 35
4.3.1.2 Eigenspannungsabbau an der Rohrinnenseite .................................... 38
4.3.1.3 Eigenspannungsabbau innerhalb der Rohrwand ................................. 41
4.3.2 Eigenspannungsabbau unter Druckbeanspruchung ....................................... 44
4.3.2.1 Eigenspannungsabbau an der Rohraußenseite ................................... 44
I

Verzeichnisse
4.3.2.2 Eigenspannungsabbau an der Rohrinnenseite ..................................... 46
4.3.2.3 Eigenspannungsabbau innerhalb der Rohrwand .................................. 48
4.4 Untersuchungen zum Eigenspannungsabbau unter zyklischer Last ......................... 51
4.4.1 Eigenspannungsabbau unter Zugbeanspruchung ........................................... 52
4.4.1.1 Eigenspannungsabbau an der Rohraußenseite ................................... 52
4.4.1.2 Eigenspannungsabbau an der Rohrinnenseite ..................................... 54
4.4.2 Eigenspannungsabbau unter Druckbeanspruchung ........................................ 56
4.4.2.1 Eigenspannungsabbau an der Rohraußenseite ................................... 56
4.4.2.2 Eigenspannungsabbau an der Rohrinnenseite ..................................... 57
4.5 Untersuchung des Eigenspannungszustands in der Umgebung eines Schwingrisses59
4.6 Eigenspannungsanalyse an geschweißten Rohren aus X6CrNiTi18-10 ................... 61
4.6.1 Schweißzustand ............................................................................................. 61
4.6.2 Eigenspannungsanalyse in oberflächennahen Schichten ............................... 66
5 Numerische Eigenspannungsanalysen ........................................................................... 71
5.1 Ergänzende Werkstoffcharakterisierung ................................................................... 71
5.1.1 Statische Zugversuche an Grundwerkstoffen .................................................. 71
5.1.2 Statische Zugversuche an Proben mit Schweißgefügen ................................. 73
5.1.3 Zyklische Versuche an Grundwerkstoffen ....................................................... 74
5.2 Schweißprozesssimulation und Eigenspannungsberechnungen ............................... 78
5.2.1 Temperaturanalysen ....................................................................................... 79
5.2.1.1 Modell der Wärmequelle ...................................................................... 79
5.2.1.2 FE-Rohrmodelle ................................................................................... 81
5.2.1.3 Berechnungsergebnisse ...................................................................... 82
5.2.2 Werkstoffmodellierung .................................................................................... 84
5.2.2.1 Modelle zur Beschreibung der Wechselplastizität ................................ 84
5.2.2.2 Werkstoffmodelle in SYSWELD ........................................................... 85
5.2.2.3 Werkstoffdaten in SYSWELD ............................................................... 86
5.2.2.4 Chaboche-Modell ................................................................................. 88
5.2.3 Implementierung des Chaboche-Modells in SYSWELD .................................. 89
5.2.4 Modellparameter für X6CrNiTi18-10 ............................................................... 94
5.3 Rechnerische Analysen von Schweißeigenspannungen ........................................... 95
5.3.1 Berechnungsergebnisse ................................................................................. 95
5.3.2 Einfluss des Verfestigungsmodells auf die Schweißeigenspannungen ......... 101
5.3.3 Einfluss des Zusatzwerkstoffs ....................................................................... 102
5.4 Analysen zur Umlagerung von Schweißeigenspannungen unter zyklischer
Beanspruchung .......................................................................................................104
5.5 Bewertung der Schwingfestigkeit .............................................................................108
II

Verzeichnisse
5.5.1 Schädigungsparameter ................................................................................ 108
5.5.2 Spannungsbasierte Schädigungsparameter ................................................. 109
5.5.3 Dehnungsbasierte Schädigungsparameter .................................................. 110
5.5.4 Auswertung der Schädigungsparameter für Rohrproben aus S355J2H+N ... 111
6 Schwingfestigkeitsuntersuchungen ............................................................................... 112
6.1
6.2
6.3
Versuchsaufbau und –durchführung ....................................................................... 112
6.1.1 Versuchsaufbau ........................................................................................... 112
6.1.2 Durchführung der Schwingversuche............................................................. 113
6.1.3 Untersuchungen nach Erreichen der Versagenslastspielzahl ....................... 115
Ergebnisse der Schwingfestigkeitsuntersuchungen ................................................ 116
6.2.1 Wöhlerdiagramm .......................................................................................... 116
6.2.2 Untersuchung der Bruchflächen ................................................................... 116
6.2.3 Rissfortschrittsbetrachtungen ....................................................................... 117
6.2.4 Einfluss der Kerbwirkung .............................................................................. 122
Diskussion der Ergebnisse ...................................................................................... 122
7 Diskussion der Ergebnisse .......................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
7.1
7.2
Abgleich numerischer und experimenteller ErgebnisseFehler! Textmarke nicht definiert.
Schwingfestigkeitsuntersuchungen ....................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
8 Zusammenfassung und Ausblick .................................................................................. 125
Literaturverzeichnis .............................................................................................................. 127
Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der erzielten
Ergebnisse insbesondere für KMU sowie ihres innovativen Beitrags und ihrer industriellen
Anwendungsmöglichkeiten .................................................................................................. 133
Ergebnistransfer in die Wirtschaft ........................................................................................ 134
Schlussbemerkungen .......................................................................................................... 138
III

Einleitung
1 Einleitung
Der Einfluss der durch das Schweißen entstehenden Eigenspannungen auf die
Schwingfestigkeitseigenschaften ist trotz vielfältiger Bemühungen bisher nicht ausreichend
quantifiziert. Dies liegt vor allem daran, dass die für die Beurteilung notwendigen Kenntnisse
der vorhandenen und für die Schwingfestigkeit verantwortlichen Eigenspannungen fehlen.
Die Gründe hierfür sind unterschiedlich. Einerseits ist man bemüht, die
Schweißeigenspannungen durch numerische Simulation des Schweißprozesses zu
berechnen. Solche Berechnungen sind für geschweißte Bauteile jedoch äußerst kompliziert
und bisher nicht ausreichend validiert. Bereits die Simulationen für Schweißungen an
einfachen Versuchskörpern mit streng festgelegten Randbedingungen zeigen für
unterschiedliche Werkstoffmodelle und Berechnungsansätze unterschiedliche
Eigenspannungsergebnisse und Diskrepanzen zu Messungen. Von einer Annäherung an die
Erfordernisse der Praxis mit komplexen Schweißkonstruktionen, die eine Vielzahl
unterschiedlich angeordneter Schweißnähte enthalten können, ist man noch weit entfernt.
Eine weitere Schwierigkeit in der Bewertung von Eigenspannungen besteht darin, dass diese
während der Beanspruchung Veränderungen unterliegen können, so dass selbst eine präzise
Berechnung der Ausgangseigenspannungen nur den ersten Schritt darstellen kann.
Experimentelle Untersuchungen, in denen die Eigenspannungen mit geeigneten
Messverfahren bestimmt und zur Beurteilung herangezogen werden, scheut man in der
Praxis bisher immer noch, obwohl Erfahrungen aus dem Automobil- und Flugzeugbau gezeigt
haben, dass mit geeigneten Messstrategien fertigungsbedingte Eigenspannungen beherrscht
werden können. Andererseits können durch Messungen nur punktuelle Informationen
gewonnen werden, während für eine Gesamtbewertung eines Bauteils die Kenntnis des
gesamten Eigenspannungsfelds erforderlich ist.
Die beschriebenen Umstände haben mit dazu geführt, dass bei schwingbeanspruchten
Schweißkonstruktionen das Potential hochfester schweißbarer Stähle nicht zum Tragen
kommt. Das aktuelle Regelwerk (Eurocode 3, IIW-Recommendations for Fatigue Design, etc.)
erlaubt eine Unterscheidung von Stählen nach Festigkeitsklassen überhaupt nicht, wofür die
vermuteten Eigenspannungen ganz wesentlich verantwortlich gemacht werden. Daraus folgt,
dass ohne eine prinzipielle Verbesserung der Bewertungspraxis von Eigenspannungen keine
Aussichten bestehen, seit langem verfügbare moderne hochfeste Stähle für solche
Anwendungen einsetzen und dabei das wirtschaftliche sowie das Festigkeitspotential voll
ausschöpfen zu können.
Das Forschungsvorhaben „Berechnung von Eigenspannungen in
Mehrlagenrohrschweißverbindungen und Quantifizierung des Einflusses auf die Lebensdauer
bei Schwingbeanspruchung“ wendet sich den beschriebenen Fragestellungen gezielt zu,
wobei sowohl die Berechnung der entstehenden Eigenspannungen und deren
Veränderungen im Betrieb betrachtet, als auch systematische Messungen von
Eigenspannungen durchgeführt werden sollen. Diese dienen einerseits zur Absicherung der
Berechnungsergebnisse und sollen gleichzeitig eine Grundlage bilden, wie in der
Anwendungspraxis eine kontinuierliche Qualitätskontrolle etabliert werden kann. Die
Verwendung von Rohrschweißverbindungen als Probekörper erscheint aus zwei
Gesichtspunkten als besonders erfolgversprechend. Zum einen erlauben die geometrischen
Verhältnisse bei diesen Verbindungen Berechnungen, deren Aufwand sich auf dem Niveau
1

Einleitung
einfacher Stumpfnahtverbindungen bewegt. Gleichzeitig stellen die Verbindungen aber
selbsteinspannend wirkende Geometrien dar, die den Bauteilcharakter wesentlich besser
abbilden, weil die Einspannbedingungen durch ausgeprägte Längs- (tangential) und
Querschrumpfungsbehinderungen (axial) die Entstehung eines Eigenspannungszustands
bewirken, der an ebenen Blechen so nicht vorhanden ist. Zum anderen stellen
Rohrverbindungen ein typisches Praxisbeispiel dar, bei dem der Einsatz hochfester
schweißbarer Stähle Stand der Technik ist, beispielsweise in der Offshoreindustrie und dem
Mobilkranbau. Die systematische Untersuchung des Eigenspannungszustands nach dem
Schweißen sowie unter Beanspruchung erlaubt Einblicke in die Mechanismen der
Eigenspannungsentstehung sowie des Eigenspannungsabbaus im Zusammenhang mit
diesen in der Praxis so häufig vorkommenden Schweißverbindungen.
2

Stand von Wissenschaft und Technik
2 Stand von Wissenschaft und Technik
Eigenspannungen in Schweißverbindungen entstehen durch den Wärmeeintrag während des
Schweißprozesses mit instationärem Temperaturfeld und lokalen Umwandlungen des
Werkstoffs während der Abkühlphase [Woh86]. Der Werkstoff erfährt dabei eine lokale
Wechselplastizierung, die mit den gängigen Werkstoffmodellen in Rechenprogrammen zur
Schweißsimulation bisher nur unzureichend beschrieben werden kann. Mit neueren
Werkstoffmodellen des Chaboche-Typs, die entsprechende Formulierungen der Vorgänge
der Plastizität und der Zeitabhängigkeit enthalten, lassen sich Ermüdungsvorgänge mit
plastischen Wechselverformungen beschreiben [Cha93, Jia00, Sch02, Ses97]. Solche
Modelle werden bisher überwiegend in Festigkeits- und Lebensdaueranalysen eingesetzt und
finden in der numerischen Schweißsimulation bisher kaum Verwendung bzw. sind nicht durch
Versuchsergebnisse validiert.
Neuere Ergebnisse zur Berechnung von Schweißeigenspannungen deuten darauf hin, dass
die in der Wärmeeinflusszone erzeugten Verfestigungen durch die erwärmungsbedingten
Plastizierungen für die Eigenspannungsentstehung eine wichtigere Rolle spielen als bislang
angenommen [Woh09]. Dadurch sind nicht nur genauere Berechnungen der
Eigenspannungen möglich, die erreichten Verfestigungen sind auch im Hinblick auf die
Eigenspannungsstabilität bei Beanspruchung im Betrieb zu beachten, so dass dies auch
Konsequenzen für das Schwingfestigkeitsverhalten und damit für Auslegungskriterien haben
könnte. Bei erfolgreichem Einsatz von fortgeschrittenen Werkstoffmodellen in der
Schweißsimulation könnten die Eigenspannungen in Schweißverbindungen jedoch genauer
berechnet und damit die Prognosefähigkeit von rechnerischen Lebensdauervorhersagen
erheblich verbessert werden. Eine experimentelle Validierung der rechnerischen Modelle ist
dabei unverzichtbar.
2.1
Werkstoffmechanisch basierte Modellbildung
Für eine genauere Beschreibung des Werkstoffverhaltens unter komplexer
Ermüdungsbeanspruchung wurde in den letzten Jahrzehnten eine Vielzahl von Modellen
entwickelt, die die Beschreibung der Interaktion zwischen den Verformungs- und
Schädigungsprozessen ermöglichen [Rob78, Cha77, Har76, Bod75, Kre86, Mil76]. Im
Gegensatz zu den Ansätzen der Plastizitäts- und Kriechtheorie, die die Vorgänge und
Kriech-, Plastizitäts- und Ermüdungsbedingungen getrennt voreinander betrachten,
beschreiben diese sogenannten "unified models" das elastisch-viskoplastische
Werkstoffverhalten durch übergeordnete Formulierungen.
Modelle des Chaboche-Typs, die entsprechende Formulierungen der Vorgänge der Plastizität
und der Zeitabhängigkeit enthalten, haben sich in verschiedenen Anwendungen bereits für
die Beschreibung des Werkstoffverhaltens unter Ermüdungs- und Kriechermüdungsbedingungen
bewährt. Dabei wird ein Schädigungsparameter aus der Spannungs-Dehnungs-
Hysterese als Funktion der Spannung und der plastischen Dehnung abgeleitet und über
Messungen mit der Anrisslastwechselzahl korreliert. Solche Modelle sind in der Lage, die
Umlagerung von Spannungen durch Wechselbelastung zu beschreiben, allerdings muss das
Werkstoffverhalten durch die den Modellen zugrunde liegenden inneren Variablen möglichst
3

Stand von Wissenschaft und Technik
genau beschrieben werden, um auch den Spannungsabbau realitätsnah vorherzusagen
[Cha98].
In der Vergangenheit wurden solche Modelle bereits erfolgreich für die
Lebensdauervorhersage von Komponenten unter zyklischer und wechselnder thermischer
Belastung, wie z.B. Abgaskomponenten, eingesetzt [Rie87, Sch02]. In der erweiterten
Version des Chaboche-Modells werden die Spannungen σ ij in der Form
∂C
th vp ijkl −1
σ
ij
= C (
ijkl
ε
kl
− ε
kl
− ε
kl
) + Cklmnσ
T
mn
∂T
(2.1)
berechnet, wobei C ijkl der Elastizitätstensor, ε die Gesamtdehnung, ε th die thermische,
ε vp die viskoplastische Dehnung und T die Temperatur sind. Die viskoplastische Dehnung
β
eq
−σ
Y
p
=
K
, (2.2)
beinhaltet mit β ij = σ’ ij -α ij die Rückspannung α ij (σ’ ij Spannungsdeviator, β eq V.Mises
Vergleichsspannung, σ y Streckgrenze, K und n Viskositätsparameter), die über die
Entwicklungsgleichungen
und
ε
α
ϕ
vp
ij
3
=
2
β
ij
p
β
eq
( k )
( k ) ( k ) vp ( k ) ( k ) ( k ) ( k ) ( k ) 1 ( k )
ij
= C ε
ij
− γ ϕ p
α
ij
− R α
ij
+ T
α
( k ) ij
(1)
n
k = 1,2
, (2.3)
(2)
−ω
ϕ = ϕ
sowie
ss
+ 1−ϕss
e
(2.4)
beschrieben werden kann.
Mit den Werkstoffparametern σ Y , C (k) , γ (k) , R (k) , φ (k) ss und ω (k ) ist das Modell in der Lage, die
zyklische Ver- und Entfestigung eines Werkstoffs zu beschreiben.
Die temperaturabhängigen Variablen des Modells werden dabei an komplexe
Messergebnisse aus kombinierten LCF- und Kriechversuchen mit einem Computerprogramm
angepasst. Das Modell ist damit in der Lage, die Entwicklung der plastischen Dehnung und
der Schädigung in einem zyklisch beanspruchten Bauteil lokal zu erfassen [Moh05, Moh06].
Mit Hilfe der beschriebenen Werkstoffmodelle ist zwar prinzipiell die Beschreibung von
Wechselplastizierungen und Spannungsumlagerungen als Funktion möglich, die im
Ausgangszustand vorliegenden Eigenspannungen müssen jedoch zunächst bekannt sein.
Hierfür sind entweder auf Messergebnisse gestützte Annahmen oder numerische Analysen
des Schweißprozesses erforderlich.
∂C
∂T
(1) vp
(1)
(1) −ω
ε eq
(2)
(2) ( 2)
p
= ϕ + ( 1−ϕ
) e
( )
ss
ss
C
2.2
Numerische Schweißsimulation
Die numerische Schweißsimulation ist prinzipiell geeignet, Gefüge, Verzug und
Eigenspannungen infolge des Wärmeeintrags durch den Schweißprozess rechnerisch zu
ermitteln [Rad88, Rad99, Ven06]. Abhängig vom angewandten Schweißverfahren kann die
Wärmeeinbringung sehr unterschiedlich sein. Die Berechnung von Gefüge, Verzug und
Eigenspannungen in einer Schweißverbindung erfolgt meist mit einer entkoppelten
4