Verbesserung der rechnerischen Auslegung von Schweißnähten

Schweißnähte sind eine der ältesten und wichtigsten Verbindungsmethoden metallischer Bauteile, die uns im Alltag begegnen. Angefangen beim Topfhenkel über Büromöbel, Fahr-, oder Fahrzeugrahmen, bis hin zu zum Kran- und Schiffsbau. Mit dem zunehmenden Wunsch nach Leichtbau und den Möglichkeiten moderner und effizienzsteigernder Fertigungsmethoden werden diese Bauteile immer gezielter für ihren Einsatzbereich maßgeschneidert. Dies stellt mehr und mehr eine Herausforderung für die bestehenden Berechnungskonzepte dar.

Fragestellung

Gerade bei neuen Produkten oder komplexen Komponenten fehlen den Unternehmen interne produktspezifische Regeln zur Lebensdauerbewertung. Die Auslegung erfolgt nach den geltenden nationalen und internationalen Normen für Schweißnähte. Dabei wird eine Abschätzung der erforderlichen Festigkeit mit Hilfe von Sicherheits- und Einflussfaktoren durchgeführt. Die Berechnungsvorschriften basieren überwiegend auf Versuchsdaten mit Kleinproben und Schweißnähten weniger Millimeter bis Zentimeter, welche eine gleichmäßige Verteilung der Beanspruchung über die gesamte Schweißnaht aufweisen. Schweißnähte an realen Bauteilen hingegen werden aufgrund von Steifigkeitsänderungen in der Struktur entlang der Naht, zum Beispiel bei Rippen, Rohren oder Winkeln oft nicht homogen beansprucht. Dadurch entstehen lokale Spannungsspitzen, welche stark über die gesamte Nahtlänge variieren können.

Aus Untersuchungen zu nicht geschweißten Bauteilen ist bekannt, dass kleine, hoch beanspruchte Bereiche eine Stützwirkung im umliegenden Material erzeugen. Diese aus der Umlenkung des Kraftflusses resultierende Stützwirkung wirkt sich lebensdauerverlängernd aus. Für nicht geschweißte Bauteile ist dies bereits als „Statistischer Größeneinfluss“ in Normen für Lebensdauerberechnungen etabliert.

Mit ihren Untersuchungen wollen die Clausthaler Wissenschaftler ein ähnliches Konzept für die Berechnung geschweißter Bauteile ermitteln. Ziel ist die Erhöhung der Sicherheit bei der Bauteilauslegung durch die Berücksichtigung der tatsächlich beanspruchten Bereiche einer Schweißnaht.
In Versuchen zeigt sich ein Zusammenhang zwischen hochbeanspruchter Schweißnahtlänge und dem statistischen Größeneinfluss. Wird der Größeneinfluss in den Lebensdauerberechnungen berücksichtigt, dann zeigt sich im Vergleich mit Literaturwerten eine deutliche Verbesserung der Ergebnisse und damit der Sicherheit.

Vorteile

Unterstützung für Konstrukteure und Ingenieurbüros
Unterstützung bei der Auslegung für Sonderanfertigungen
Maßgeschneiderte Schweißnähte für Leichtbaukonstruktionen

Entwicklungsstand

Die resultierende Anpassung der Empfehlungen zur Berechnung von Schweißnähten ist bereits in die aktuelle 7. Auflage der FKM-Richtlinie Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile aus Stahl, Eisenguss und Aluminiumwerkstoffen übernommen worden.