Prüfung und Modellierung von Schweißnähten

Schweißkonstruktionen

Geschweißte Bauteile kommen in allen Bereichen des Maschinen- und Stahlbaus vor. Da sich Schweißnähte im Festigkeitsverhalten vom Grundmaterial unterscheiden, sind meistens gesonderte Nachweise erforderlich. Zunächst ist bei allen Bauteilen und Lasten die statische Festigkeit der Schweißnähte zu gewährleisten. Da Schweißnähte für Ermüdungsschäden anfällig sind, stellt sich bei geschweißten Bauteilen unter wechselnder Belastung zusätzlich die Frage nach der Ermüdungsfestigkeit:

Schweißnaht-Nachweise

Beim statischen Festigkeitsnachweis werden die Spannungen in der Schweißnaht mit zulässigen Werten verglichen. Hierbei werden je nach Norm Schweißnahtfaktoren verwendet, welche eine Abminderung der Festigkeitskennwerte des Grundmaterials berücksichtigen.

Beim Ermüdungsfestigkeitsnachweis werden die ertragbaren Spannungen in den Schweißnähten bzw. die ertragbaren Lastwechsel mit Hilfe von Schweißnahtklassen und entsprechenden Wöhlerkurven (siehe Abbildung) ermittelt. Je nach Schweißnahtdetail (z.B. Stumpfstoß, einseitig oder beidseitig geschweißter T-Stoß) und der Diskretisierung der Schweißnaht im FE-Modell werden die Schweißnähte in unterschiedliche "FAT-Klassen" eingeordnet.
 

Wöhlerkurven für Schweißverbindungen aus Stahl
Wöhlerkurven für Schweißverbindungen aus Stahl [Hobbacher, A. ,IIW Recommendations]

 

Schweißnaht-Modellierung

Um die vorhandenen Spannungen in den Schweißnähten zu ermitteln gibt es verschiedene Möglichkeiten: Nenn-, Struktur- und Kerbspannungskonzept.

Nennspannungskonzept:

Bei diesem Konzept werden die Spannungen am ungestörten Querschnitt ermittelt. Üblicherweise wird dieses Konzept bei Handrechnungen verwendet.

Strukturspannungskonzept:

Dieses Konzept wird bei Nachweisen anhand von Finite-Elemente-Analysen am häufigsten verwendet. Es kann sowohl für Schalen- als auch für Volumenmodelle verwendet werden. Die Schweißnahtgeometrie wird üblicherweise stark vereinfacht oder gar nicht abgebildet. Die Spannungen an den Schweißnahtübergängen werden anhand von Spannungsextrapolationen ermittelt. Dieses Konzept bietet sich an, wenn das Schweißnahtdetail eindeutig in eine Schweißnahtklasse eingeordnet werden kann.

Submodell einer Schweißnaht - Berechnung mit Hilfe des Strukturspannungskonzepts

Submodell einer Schweißnaht - Berechnung mit Hilfe des Strukturspannungskonzepts

Kerbspannungskonzept:

Bei diesem Konzept wird die Geometrie der Schweißnaht ausmodelliert. Die Schweißnahtübergänge werden durch einen Radius von 1 mm verrundet. Daher wird das Kerbspannungs-Konzept für Schweißnähte auch R1-Konzept genannt. Diese Vorgehensweise ist jedoch sehr aufwändig und wird deshalb oft nur bei komplexen Schweißnahtgeometrien angewendet.


Normen

Im Bereich Schweißnahtnachweise haben wir Erfahrungen mit folgenden Normen:

 

Haben wir Ihr Intresse geweckt? Dann schreiben Sie uns bitte eine E-Mail. Wir werden Sie dann gerne umfassend beraten.