Schweißen Für die sichere Konstruktion: Schweißnaht richtig bewerten

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Schweißverbindungen nehmen in vielen Branchen einen wesentlichen Stellenwert ein. Ein umfangreiches Wissen über die Berechnung und Auslegung von Schweißkonstruktionen ist unerlässlich. Hierbei können drei Methoden die Arbeit erleichtern.

Schweißnähte ermöglichen flexible und dauerhafte, feste Verbindungen in der Konstruktion. Sie bilden jedoch in vielen Konstruktionen und Anwendungen häufig eine kritische Komponente: werden sie unsachgemäß ausgelegt und gefertigt, stellen sie eine Schwachstelle im Bauteil dar. Die möglichen Folgen sind Unfälle oder kostspielige Reparaturen.

Es ist daher wichtig, vorab eine sorgfältige Schweißnahtbewertung durchzuführen, um die strukturelle Integrität und Sicherheit von Konstruktionen zu gewährleisten. Versagt die Struktur, können Personen zu Schaden kommen. Hier werden Fragen der Haftung relevant, im schlimmsten Fall bis zur persönlichen Haftung des auslegenden Ingenieurs/ Konstrukteurs. Es ist daher zunächst wichtig zu betonen, dass die Schweißnahtberechnung und -bewertung in erster Linie eine Ingenieursdisziplin ist. Sie erfordert ein tiefes Verständnis von (Kontinuums)-Mechanik, Materialwissenschaft, der Konstruktion und den Lastfällen im Betrieb.

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Die Geometrie sowie das Material der Schweißnaht sind in der Regel für die Bewertung der Tragfähigkeit maßgebend. Weitere Schweißparameter sowie die Wahl des Schweißverfahrens spielen nach gängigen Normen nur eine untergeordnete Rolle.

Um die Tragfähigkeit von Schweißnähten zu bewerten, können unterschiedliche Konzepte verwendet werden. Diese sind abhängig von der Belastungs- und Beanspruchungsart sowie von der Geometrie und der zu verwendenden Norm oder dem Regelwerk. Die Schweißbarkeit sollte gemäß den Anforderungen des schweißtechnischen Dreiecks ganzheitlich betrachtet werden, um spätere Schäden zu vermeiden.

Drei verschiedene Methoden der Schweißnahtbewertung

Es gibt unterschiedliche Methoden zur Bewertung einer Schweißnaht. Generell werden drei Konzepte unterschieden, die sich wiederum in weitere Unterkonzepte unterteilen können:

• Nennspannungskonzept

• Strukturspannungskonzept

• Kerbspannungskonzept

Mit allen Konzepten können Strukturen unter statischen als auch unter Ermüdungslasten bewertet werden, wobei hier jedes Konzept seine Vor- und Nachteile aufweist.

Alle Methoden haben gemeinsam, dass gesicherte Kenntnisse über die vorherrschende Spannung in der Struktur vorliegen muss. Werden Dehnmesstreifen (DMS) eingesetzt, können lokale Dehnungen am realen Bauteil messtechnisch erfasst und in Spannungen umgerechnet werden. Mit der Finite Elemente Methode (FEM) können global die Spannungen im Bauteil ermittelt werden. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass keine reale Struktur benötigt wird und Geometrie- und Materialvariationen leicht untersucht werden können.

Einfache Geometrien schnell von Hand nachrechnen

Das Nennspannungskonzept basiert auf einem analytischen Ansatz, weshalb es in erster Linie für einfache Geometrien gedacht ist. Eine Kraft, welche auf einen Bezugsquerschnitt wirkt, ergibt eine Nennspannung. Einfache Geometrien können so schnell von Hand nachgerechnet werden. Softwarelösungen wie Mdesign weld können bei der Vorauslegung von Schweißnähten unterstützen.

Lokale Effekte wie sie zum Beispiel am Ende der Schweißnaht auftreten können, sind mit dem Nennspannungskonzept häufig nicht oder nur unzureichend erfassbar. Komplexe Geometrien und dreidimensionale Spannungszustände können mit diesem Ansatz nicht mehr sinnvoll bewertet werden.

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Durch den Einsatz von FEM-basierten Tools im Post-Prozessing können die Schweißnähte allerdings abschnittweise sehr genau bewertet werden. In Industrien mit verhältnismäßig dünnwandigen Strukturen, wie etwa im Schienenfahrzeugbau oder Schiffsbau, ist dies die am häufigsten eingesetzte Methode, da der Modellaufbau in der FEM häufig durch Schalenelemente realisiert wird.

Behandlung von unrealistich hohen Spanungen an den Schweissnähten

Beim Strukturspannungskonzept werden Schweißnähte vereinfacht im FE-Modell abgebildet. Bei dieser Methode werden häufig unrealistisch hohe Spannungen an den Schweißnahtübergängen und/oder der Wurzel berechnet, welche durch die Anwendung von diversen Konzepten herausgerechnet werden. Die bekanntesten Methoden sind hierbei die Hot-Spot-Methode, CAB und die Innenlinearisierung. Das Strukturspannungskonzept eignet sich besonders, um eher dreidimensionale/volumetrische Strukturen mit komplexen Schweißnähten zu untersuchen.

• Bei der Hot-Spot-Methode werden die Oberflächenspannungen an definierten Punkten extrahiert und zum Schweißnahtübergang extrapoliert. Hierdurch werden die reinen Strukturspannungen berechnet, der Einfluss von spannungserhöhenden Kerben wird herausgerechnet.

• Die CAB-Methode ist bzgl. der Spannungsermittlung am Nahtübergang deutlich einfacher und vor allem großflächig anwendbar. Anstelle eines vereinfachten, dreieckigen Nahtquerschnitts, wird die Schweißnaht kerbfrei durch Ausrundung der Nahtoberfläche modelliert. Die Spannungen können direkt am tangentialen Nahtübergang herausgelesen werden. Die Nahtwurzel lässt sich mit dieser Methode nicht bewerten.

• Bei der Innenlinearisierung wird über den Blechquerschnitt an den Auswertungspunkten die Membran- und Biegespannung der Grundstruktur ermittelt. Die Überlagerung dieser Spannungen wird direkt für die Bewertung der Schweißnaht herangezogen, der Kerbanteil der Spannungen bleibt unberücksichtigt.

Detaillierter Einblick in die Spannungs- zustände der Schweißnaht

Mit dem Kerbspannungkonzept können kritische Stellen gezielt untersucht werden. Sie wird oftmals im Anschluss an eine der oben genannten Konzepte angewendet, um einen detaillierten Einblick in die Spannungszustände der Schweißnaht zu erhalten.

Die Schweißnahtgeometrie wird nahe dem realen Zustand modelliert, der Schweißnahtübergang und die -wurzel wird mit einem definierten Radius verrundet und berechnet. Die Spannungen können direkt für die Bewertung herangezogen werden. Da diese Methode rechenintensiv ist, wird oft an den als kritisch identifizierten Stellen ein Sub-Modell herausgeschnitten, auf welches die Deformationen und Lasten aus dem globalen Modell übertragen werden.

Der genaue Anwendungsfall der Bewertungsmethoden hängt von vielen Faktoren ab. Im Allgemeinen steigt die Komplexität bzw. der Aufwand mit steigendem Detaillierungsgrad der Bewertungsmethode: Nenn-, Struktur- und Kerbspannungskonzept.

Welche Methode eignet sich am besten für welche Anwendung?

So eignet sich ein Schalenmodell im Nennspannungskonzept, um große, dünnwandige Strukturen zu untersuchen. Auch in der Konzeptphase, in der oftmals Wandstärken und Art der Schweißnaht noch nicht feststehen, liefert diese Methode schnelle und aussagekräftige Ergebnisse.

Für volumetrische Bauteile eignet sich hingegen das Strukturspannungskonzept mit einer der oben genannten Untermethoden (Hot-Spot, CAB und Innenlinearisierung). Auch die Kombination mehrerer dieser Untermethoden ist möglich, um alle Bewertungspunkte zu erfassen.

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Für detaillierte Untersuchungen bietet sich das Kerbspannungsmodell an. Da dies oft eine nachgelagerte Analyse ist, erhöht sich der Aufwand, die tatsächliche Geometrie wird jedoch berücksichtigt. Insbesondere bei aufgetretenen Schadensfällen in der Schweißnaht kann die äußere Schweißnahtgeometrie (sofern noch intakt) mittels optischer Messung erfasst und in das FE-Modell übertragen werden. Damit können die Kerbspannungen ermittelt werden. Dabei wird der Einfluss der vorhandenen Nahtoberflächen bzw. der Nahtübergänge berücksichtigt.

Abschließend kann keine Empfehlung für oder gegen eine konkrete Methode abgegeben werden. Die Wahl ist stark abhängig vom Designstand (Konzept, Ausarbeitung, Prüffähiger Festigkeitsnachweis) sowie von der zugrundeliegenden Norm (beispielsweise Eurocode, FKM, DVS1612, etc.). Grundsätzlich sollte bei der Dimensionierung, Berechnung und Bewertung sowie der Umsetzung am realen Bauteil ein ganzheitlicher Ansatz im Sinne des Schweißtechnischen Dreiecks verfolgt werden. 

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