A151

Erhöhte Rationalisierungseffekte im Schiffskörperbau durch Laserstrahlschweißen teilangeschlossener T-Stöße

(A151 S 24/10016/01)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 2002- 30. April 2004

In dem Vorhaben sollten Grundlagen für die Zulassung von einseitig laser- und laserhybridgeschweißten teilangeschlossenen Kehlnähten für Schiffsdeckkonstruktionen erarbeitet wer-den. Zu diesem Zweck waren die fertigungstechnischen Aspekte des Laser- bzw. Laserhybrid-schweißens (insbesondere die Optimierung der Schweißparameter) unter dem Blickwinkel des praktischen Einsatzes dieser innovativen Fügeverfahren zu untersuchen sowie die Qualität und die Tragfähigkeit teilangeschlossener Kehlnähte zu bewerten.

Das Vorhaben war in folgende Arbeitsschritte gegliedert:

· Durchführung von FEM-Berechnungen zur Bewertung der Spannungskonzentration in
     T-Stoßverbindungen mit Teilkehlnähten,
· Ableitung von Anhaltswerten für die Planung von Schweißversuchen zur Optimierung der
     Schweißprozessparameter und der T-Stoßgeometrie,
· Realisierung und Auswertung der Schweißprozessversuche,
· Optimierung der Schweißprozessparameter,
· Durchführung, Auswertung und Interpretation von Schwingfestigkeitsversuchen.

Neben der Optimierung der Schweißparameter ist insbesondere die Schwingfestigkeit teilange-schlossener Kehlnähte ein noch offenes Problem, weil die zum Führen von Schwingfestigkeits-nachweisen benötigten Entwurfswöhlerlinien nicht bekannt sind. Sie lassen sich nur experimentell ermitteln.
Da der Einsatz teilangeschlossener Kehlnähte zunächst für nicht oder nur schwach belastete Decksteifen angedacht ist, konzentrierten sich die theoretischen Untersuchungen auf den aus Kerbfallkatalogen bekannten Fall der Quersteife.

Auswertung der systematischen FEM-Berechnungen

Generell gilt, dass die Spannungskonzentration am Wurzelkerb größer ist, wenn am Über-gangskerb kein Einbrand vorhanden ist. Ein Einbrand am Übergangskerb kann den Ort der maximalen Spannungskonzentration vom Wurzel- zum Übergangskerb verlagern und ist folglich zu vermeiden, da in diesem Falle zwei Hotspots vorhanden sind, die einen negativen Einfluss auf die Schwingfestigkeit haben können.

Ableitung von Anhaltswerten für die Planung der Schweißversuche

Auf der Grundlage der systematischen Berechnungen lassen sich für die Konzipierung der experimentellen Untersuchungen und für die Bewertung einseitig geschweißter teilangeschlossener Kehlnähte folgende Schlussfolgerungen ableiten:

· Es ist eine möglichst kleine Kehlnahtdicke anzustreben.
· Übergangskerben zwischen Kehlnahtflanke und Gurt sind zu vermeiden.
· Die Höhe des Luftspalts zwischen Gurt und Steg ist für die Spannungskonzentration ohne
      Belang. Er darf ausschließlich nach verfahrensspezifischen Gesichtspunkten festgelegt
      werden.
· Die Länge des nicht abgeschweißten Luftspalts zwischen Gurt und Steg ist für die Span-
      nungskonzentration ebenfalls irrelevant. Er darf unter Einhaltung der Forderungen der
      Klassifikationsgesellschaften und der Verfahrensführung gewählt werden.
· Die Nahtflankenform (Wölb- oder Flachnaht) ist keine bestimmende Größe für die Span-
      nungskonzentration.
· Der Übergangsradius zwischen Kehlnahtflanke und Gurt ist insbesondere bei un-
      vermeindlicher Winkelschrumpfung des T-Stoßes möglichst groß zu wählen.
· Die Winkelschrumpfung ist insbesondere bei Verbindungen zu vermeiden, die unter einer
      dominanten Primärbiegebelastung stehen. Aber auch bei Gurtzugbelastung führt die Win-
      kelschrumpfung zu erheblichen Spannungserhöhungen und –konzentrationen.

Realisierung und Auswertung der geplanten Schweißprozessversuche
Laserstrahlschweißen

Das reine Laserstrahlschweißen teilangeschlossener T-Stöße ist prinzipiell durchführbar. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass sowohl das Schweißen von spaltlosen T?Stößen sicher beherrschbar ist als auch das Schweißen von Kehlnähten mit Spalten bis zu einem Millimeter ebenfalls möglich ist.

Weiterhin konnte festgestellt werden, dass sich definierte Einschweißtiefen auch bei unter-schiedlichen Schweißgeschwindigkeiten sicher wiederholbar realisieren lassen.
Dieser Umstand erlaubt einen korrigierenden Eingriff in den Prozess, um auf äußere Nahtgeo-metriefehler wie Einbrandkerben reagieren zu können, trotzdem aber definierte Einschweißtie-fen zu realisieren.

Laser-MIG Hybrid Schweißen

Das Laser-MIG-Hybridschweißen teilangeschlossener T-Stöße ist mit einer erheblichen Steige-rung der Schweißgeschwindigkeit gegenüber vollangeschlossenen hybridgeschweißten T-Stößen verbunden. Folgende Verbesserungen konnten bei vorhandener Prozessstabilität er-reicht werden:

  6 mm HP auf 8 mm Deck: Steigerung der Schweißgeschwindigkeit um 23 %,
  9 mm HP auf 8 mm Deck: Steigerung der Schweißgeschwindigkeit um 20 %,
12 mm HP auf 8 mm Deck: Steigerung der Schweißgeschwindigkeit um 43 %.

Ein weiterer Vorteil ist die dazu korrespondierende erhebliche Verringerung der Streckenenergie gegenüber vollangeschlossenen hybridgeschweißten T-Stößen. Es konnten nachste-hende Werte erreicht werden:

  6 mm HP auf 8 mm Deck: Verringerung der Streckenenergie um 44 %,
  9 mm HP auf 8 mm Deck: Verringerung der Streckenenergie um 32 %,
12 mm HP auf 8 mm Deck: Verringerung der Streckenenergie um 42 %.
Die geschweißten Proben wurden in Anlehnung an die „Mechanisch-technologische Werkstoff-prüfung zur Verfahrensprüfung nach DIN EN 288-3 für das MIG-Laser-Hybridschweißen“ vorbereitet.
Der Prüfumfang für die im Rahmen des Vorhabens durchgeführten Schweißungen teilange-schlossener T-Stöße umfasste die visuelle Prüfung, metallographische Untersuchungen, Härte-prüfungen sowie zerstörende und Ultraschall-Prüfungen. Die metallographischen Untersuchungen beinhalten die Anfertigung von Makro- und Mikroschliffen. An Makroschliffen (Querschlif-fen) wurden die Nahtgeometrie in Abhängigkeit von den Prozessparametern bestimmt und die Härteprüfungen durchgeführt. Mikroschliffe dienen der Beurteilung der Gefügeausbildung der geschweißten Proben.
Nach Optimierung der Schweißparameter anhand eines festgelegten statistischen Versuchsplans konnten alle hybridgeschweißten Proben die vorbereitenden Verfahrensprüfungen bestehen.
Die lasergeschweißten Proben wiesen aufgrund der geringen eingebrachten Wärmemenge zu hohe Härtewerte auf.

Auswertung der Schwingfestigkeitsversuche

Im Rahmen der hier durchgeführten Versuche sollte geprüft werden, inwieweit das Schwingfes-tigkeitsverhalten teilangeschlossener nicht kraftübertragender laserhybridgeschweißter Kehlnähte, die mit einer gesteigerten Geschwindigkeit geschweißt wurden, dem von konventionellen Kehlnahtverbindungen mit Vollanschluss gleichwertig ist bzw. ob eventuell signifikante Unter-schiede bestehen.
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass bezüglich der erreichbaren Schwingfestigkeit bei 2·106 Lastwechseln die untersuchten Verbindungen den Erwartungen entsprechen. Die als Referenz herangezogenen FAT-Klassen für Voll- bzw. Teilanschluss werden von allen untersuch-ten Verbindungen klar übertroffen, wenn bei dem verwendeten Schweißverfahren eine bezüg-lich des Schweißspaltes mittige Einschweißung erfolgt. Bruchauslösend ist in allen Fällen die vom Wurzelspalt bzw. dem Nahtübergang ausgehende Kerbwirkung, die bei den untersuchten Verbindungen überwiegend relativ gleichmäßig ist. Ein Einfluss der Luftspaltgröße auf das Schwingfestigkeitsverhalten konnte nicht nachgewiesen werden. Hingegen wirkt sich bei Axialbeanspruchung das Maß des Winkelverzugs merklich auf die Höhe der erzielbaren Schwingfestigkeit aus. Maßnahmen, die bei vergleichbarer Schweißnahtqualität den Verzug minimieren, erscheinen daher als erfolgversprechendstes Mittel zur Schwingfestigkeitsoptimierung.

Forschungsstelle 1:
Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH
www.slv-rostock.de
 
Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. Peter Seyffarth

vorgelegt vom Verband für Schiffbau und Meerestechnik e.V., VSM für CMT, Hamburg

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutschen Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF