Wie lässt sich die Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen verbessern?

1. Spannungskonzentration verringern

Ermüdungsrisse entstehen an Spannungskonzentrationen in Schweißverbindungen und Konstruktionen. Jede Maßnahme, die diese Konzentrationen beseitigt oder verringert, kann die Ermüdungsfestigkeit erhöhen.

Eine zweckmäßige Konstruktionsform wählen

• Bevorzugen Sie Stumpfverbindungen und reduzieren Sie Überlappungsverbindungen auf ein Minimum. Ersetzen Sie, soweit möglich, T-Verbindungen oder Eckverbindungen in tragenden Konstruktionen durch Stumpfverbindungen und vermeiden Sie Schweißnähte an Ecken. Ist eine T-Verbindung oder Eckverbindung unvermeidbar, sorgen Sie für eine vollständige Durchschweißung.
• Vermeiden Sie exzentrische Belastung. Die inneren Kräfte sollten gleichmäßig fließen und sich gleichmäßig verteilen, ohne dass sekundäre Spannungen entstehen.
• Sorgen Sie für sanfte Übergänge an den Stellen, an denen Platten mit deutlich unterschiedlicher Dicke oder Breite aufeinandertreffen. Verwenden Sie an scharfen Ecken und Biegungen großzügige Radien.
• Vermeiden Sie räumliche Schnittpunkte von drei Schweißnähten. Halten Sie Schweißnähte von Spannungskonzentrationszonen fern und vermeiden Sie Querschweißnähte an tragenden Zügen. Ist dies unvermeidbar, stellen Sie eine hohe innere und äußere Qualität sicher und minimieren Sie die Konzentration an der Schweißnahtwurzel.
• Hinterlassen Sie bei einer einseitigen Stumpfschweißnaht in einer kritischen Konstruktion keine dauerhafte Unterlage. Vermeiden Sie unterbrochene Schweißnähte, da jedes Segment am Anfang und am Ende starke Konzentrationen aufweist.

Konstruktionen, die dynamischen Belastungen oder dem Betrieb bei niedrigen Temperaturen ausgesetzt sind, erfordern eine sorgfältigere Detailplanung als Konstruktionen, die bei Raumtemperatur statischen Belastungen ausgesetzt sind.

Steuerung von Schweißnahtform und -qualität

Die Verstärkung durch Stumpfschweißnähte sollte so klein wie möglich gehalten werden; die Schweißnaht sollte vorzugsweise bündig abgeflacht oder abgeschliffen werden. Bei T-Verbindungen sind eher konkave als konvexe Kehlnähte zu verwenden. An der Schweißnahtfuge ist für einen glatten Übergang zu sorgen; gegebenenfalls ist diese abzuschleifen oder mittels WIG-Schweißen neu aufzuschmelzen.

Jeder Schweißfehler führt zu einer gewissen Spannungskonzentration. Flächige Fehler – Risse, unvollständige Durchschweißung, mangelnde Verschmelzung und Hinterschneidung – haben den größten Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit. Jede Schweißnaht ist so zu konstruieren, dass sie leicht zugänglich ist und ordnungsgemäß ausgeführt werden kann, und alle Fehler, die die Abnahmegrenzen überschreiten, sind zu beseitigen.

2. Das Restspannungsfeld anpassen

Restdruckspannungen erhöhen die Ermüdungsfestigkeit, während Restzugspannungen diese verringern. Durch eine Änderung der Schweißreihenfolge oder durch lokale Erwärmung lässt sich ein günstiges Druckfeld an der Oberfläche oder eine Spannungskonzentration erzeugen.

Bei einer Stoßverbindung eines I-Trägers ist die Stoßnaht 1 der größten Biegespannung ausgesetzt. Lassen Sie an jedem Ende ein kurzes Stück der Kehlnaht 3 unverschweißt, schließen Sie die Schweißnaht 1 ab und führen Sie anschließend die Steg-Stoßnaht 2 aus. Durch die Schrumpfung der Schweißnaht 2 wird die Schweißnaht 1 in eine Restdruckbeanspruchung versetzt. Schließlich werden die zurückgelassenen Abschnitte der Schweißnaht 3 verschweißt; deren Schrumpfung versetzt sowohl die Schweißnaht 1 als auch die Schweißnaht 2 in eine Restdruckbeanspruchung. Versuche zeigten, dass diese Reihenfolge die Ermüdungsfestigkeit von 30% im Vergleich zum Schweißen der Naht 2 vor der Naht 1 erhöhte. Bei einer durch Längsnähte verbundenen Knotenblechverbindung kann eine richtig positionierte Punktwärmebehandlung an der Kerbe nahe dem Schweißnahtende eine vorteilhafte Restdruckbeanspruchung an der Konzentrationsstelle erzeugen.

Eine Verfestigung durch Oberflächenverformung mittels Walzen, Hämmern oder Kugelstrahlen kann ebenfalls zu einer plastischen Verformung und Verfestigung der Verbindungsfläche führen, wodurch eine Restdruckbeanspruchung entsteht, die die Ermüdungsfestigkeit verbessert.

3. Verbesserung der Mikrostruktur und der Eigenschaften von Verbindungsstellen

Um die intrinsische Ermüdungsbeständigkeit des Grund- und Schweißmetalls zu verbessern, sind eine höhere metallurgische Qualität sowohl des Werkstoffs als auch des Schweißdrahts sowie weniger Einschlüsse erforderlich. Soweit dies praktikabel ist, kann durch eine gemeinsame Wärmebehandlung eine günstige Mikrostruktur erzeugt werden, die sowohl die Festigkeit als auch die Duktilität, die Zähigkeit und die Ermüdungsbeständigkeit erhöht.

Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit müssen ausgewogen sein. Festigkeit wirkt dem Bruch entgegen, doch hochfeste Werkstoffe sind kerbenempfindlich. Die Duktilität absorbiert Verformungsenergie, senkt Spannungsspitzen, verteilt hohe Spannungen neu und stumpft Kerben und Rissspitzen ab, sodass das Risswachstum verlangsamt oder gestoppt wird. Da die Duktilität eine effektive Nutzung der Festigkeit ermöglicht, kann eine Erhöhung der Duktilität und Zähigkeit die Ermüdungsbeständigkeit von hochfesten Verbindungen aus Aluminiumlegierungen deutlich verbessern.