Lokales Deformations- und Schädigungsverhalten zyklisch elastisch-plastisch beanspruchter Schweißverbindungen

Für eine wirtschaftliche Bauteilauslegung sind rechnerische Methoden, wie die Finite-Elemente- Analyse, etablierte Verfahren. Bei der Lebensdaueranalyse zyklisch belasteter Schweißverbindungen ist das sogenannte örtliche Konzept, das auf der Finiten-Elemente-Analyse basiert, ein gängiges Vorgehen um übermäßige Konservativität zu vermeiden. Beim örtlichen Konzept werden die wesentlichen Geometriemerkmale der belasteten Schweißverbindungen nachgebildet und die Vergleichsspannung am Ort der höchsten Beanspruchung bestimmt. Eigene Untersuchungen haben gezeigt, dass nicht nur die Geometrie der Schweißverbindung einen signifikanten Einfluss auf die Lebensdauer der Schweißverbindung besitzt, sondern auch ihre lokalen Werkstoffeigenschaften, die somit berücksichtigt werden müssen.

Der Einfluss der lokalen Werkstoffeigenschaften auf die Lebensdauer von Schweißverbindungen zeigt sich vor allem bei nachbearbeiteten Geometrien, wo alle geometrischen Schweißnahtmerkmale durch Abschleifen entfernt sind. Dort tritt trotz der entfernten Geometrieimperfektionen eine reduzierte Lebensdauer der Schweißverbindung im Vergleich zu der Lebensdauer der eingesetzten Werkstoffe – Grundwerkstoff und Schweißzusatzwerkstoff – ein. Die eingesetzten Werkstoffe sowie die Parameter des Schweißprozesses bestimmen maßgeblich, wie stark die Lebensdauer reduziert wird. Lokale Werkstoffinhomogenitäten führen in der Regel zu Spannungsüberhöhungen und damit zu einer reduzierten Lebensdauer der Bauteile. Um die resultierende Lebensdauer richtig rechnerisch bewerten zu können, sind die bestimmenden Werkstoffeigenschaften zu quantifizieren. Ziel dieser Arbeit ist die Quantifizierung lokaler Werkstoffeigenschaften am Beispiel einer austenitischen Schweißverbindung und die Bewertung dieser Eigenschaften in Hinblick auf die Lebensdauer geometrisch unterschiedlicher Schweißverbindungen.

Zur Quantifizierung lokaler Werkstoffkennwerte gibt es unterschiedliche Strategien. Eine Strategie ist die Kennwertermittlung anhand von Miniaturproben, die aus den unterschiedlichen Bereichen der Schweißverbindung gefertigt werden. Da die Herstellung und Prüfung dieser Proben sehr kosten- und zeitintensiv ist, werden in dieser Arbeit die einzelnen Werkstoffe sowie die Schweißverbindungen im Ganzen charakterisiert. Eine weitere Strategie ist die Ableitung von Kennwerten aus anderen Prüfmethoden – z. Bsp. einer flächigen Härtemessung. Dabei tritt die Frage auf, ob eine Umrechnung zwischen den unterschiedlichen Werkstoffkennwerten möglich ist – Härte zu zyklischer Festigkeit. Weiterhin zeigen eigene Untersuchungen, dass die Härteverteilung entlang der untersuchten Schweißverbindung nicht mit anderen lokalen Charakteristiken, wie der Mikrostruktur, einhergeht. Somit tritt ebenfalls die Frage nach der tatsächlichen Verteilung der lokalen zyklischen Werkstoffeigenschaften auf. Hierzu wird in dieser Arbeit eine optische Methode eingesetzt, um die Werkstoffeigenschaften mit Hilfe der Digitalen Bildkorrelation zu identifizieren. Die flächig ermittelten Verformungen entlang der geschweißten Proben werden genutzt, um in einem Postprozessing die zyklischen Werkstoffkennwerte zu ermitteln.

Eine identifizierte lokale Werkstoffeigenschaft weist eine direkte Korrelation zur Härtemessung, wohingegen eine andere mit der Mikrostruktur korreliert. Damit lässt sich neben der reduzierten Lebensdauer der Schweißverbindungen auch der Schweißprozess besser verstehen und beurteilen. Die erfassten Werkstoffeigenschaften und damit auch das konzeptionelle Vorgehen zur Bestimmung der Eigenschaften werden einerseits mit Hilfe der globalen Grundcharakterisierung der einzelnen Werkstoffe und andererseits anhand wärmebehandelter Proben validiert.

Computational methods such as the finite element analysis are established procedures for the design of economical components. For the durability analysis of cyclically loaded welded joints the so-called local concept, which is based on finite element analysis, is a common procedure to avoid a too high conservatism. In the local concept the essential geometric features of the loaded welded joints are reproduced in order to determine the equivalent stress at the location of the highest stress. Own investigations have shown that not only the geometry of the welded joint has a significant influence on the durability of the welded joint, but also the local material properties. Therefore, they must be taken into account.

The influence of local material properties on the durability of welded joints is particularly evident in the case of reworked geometries where all geometric weld features have been removed by grinding. Despite the removed geometric imperfections, the welded joint has a reduced durability in comparison to the durability of the used materials - base material and filler material. The used materials as well as the parameters of the welding process significantly determine the durability. Local material inhomogeneities usually lead to stress increases and, thus, to a reduced durability of the components. In order to correctly calculate the resulting durability, the determining material properties must be quantified. The aim of this thesis is the quantification of local material properties using the example of an austenitic welded joint and the evaluation of these properties with regard to the durability of geometrically different welded joints.

There are different strategies for quantifying local material parameters. One strategy is the determination of local material parameters using miniature samples that are produced from the different areas of the welded joint. Since the production and testing of these samples is very cost and time intensive, this work characterizes the individual materials as well as the whole welded joints. A further strategy is the derivation of local material parameters from other test methods - e.g. a flat hardness measurement. The question arises whether a conversion between the different material characteristics is possible - hardness to cyclic material properties. Furthermore, own investigations show that the hardness distribution along the examined welded joint is not accompanied by other local characteristics, such as the microstructure. Thus, it also arises the question how the real distribution of the local cyclic material properties looks like. In this thesis an optical method is used to identify the material properties by means of digital image correlation. The deformations along the welded specimens are used to determine the cyclic material properties in a post processing.

One local material property shows a direct correlation to the hardness measurement, whereas another local material property correlates with the microstructure. Thus, in addition to the reduced durability of the welded joints, the welding process can be better understood and evaluated. The identified material properties and, thus, also the conceptual procedure for determining the properties are validated on the one hand by means of the global basic characterization of the individual materials and on the other hand by means of heat treated samples.