Schweißnähte sind eines der wichtigsten Verbindungsmittel in der Technik. Bei wechselnder Belastung sind sie in den allermeisten Fällen auch die Schwachstellen, die zuerst versagen. Bei der Auslegung eines Produktes müssen sie folglich im Hinblick auf statische Beanspruchung und Ermüdungsfestigkeit ausgelegt werden. Der Nachweis erfolgt nach Regelwerken, wie z. B. internationalen Regeln: IIW Recommendations [2], europäischen Regeln: Eurocode 3 und 9 [3] und nationalen Regelwerken: FKM-Richtlinie [1], DS 952 [4], DVS 1612 [5] und DIN 13001 [6], je nach Einsatz der Schweißnaht.
Schweißnähte versagen typischerweise vom Nahtübergang ins Innere hinein oder von der Schweißnahtwurzel nach außen, siehe Bild.
[1] Rennert, R.; Kullig, E.; Vormwald, M.; Esderts, A.; Luke, M.: FKM-Richtlinie - Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile; VDMA Verlag, 7. überarbeitete Ausgabe, 2020
[2] Guideline IIW „Recommendations for fatigue design of welded joints and components“, Hobbacher, Springer Nature, 2016
[3] DIN EN 1999-1-3: Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten – Teil 1-9: Ermüdung; Deutsche Fassung EN 1993-1-9:2005 + AC:2009; Beuth Verlag GmbH, Berlin; Ausgabe Dezember 2010 und DIN EN 1993-1-9: Eurocode 9: Bemessung und Konstruktion von Aluminiumtragwerken – Teil 1-3: Ermüdungsbeanspruchte Tragwerke; Deutsche Fassung EN 1999-1-3:2007 + A1:2011; Beuth Verlag GmbH, Berlin; Ausgabe Dezember 2010
[4] DS 952 “Vorschrift für das Schweißen metallischer Werkstoffe in Privatwerken; Anhang II: Richtlinie für die Berechnung der Schweißverbindungen“, 1977
[5] Guideline DVS 1612 “Gestaltung und Dauerfestigkeitsbewertung von Schweißverbindungen an Stählen im Schienenfahrzeugbau”; Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren, 2014-08
[6] DIN EN 13001-3-1: Krane – Konstruktion allgemein – Teil 3-1: Grenzzustände und Sicherheitsnachweis von Stahltragwerken; Deutsche Fassung EN 13001-3-1:2012 + A1:2013; Beuth Verlag GmbH, Berlin; Ausgabe Dezember 2013
[7] Feickert, W.; Kirchhoff, T; Schlitzer,T: Verfahren zur Korrektur der Spannungen parallel der Schweißnaht, NAFEMS, NCR22 DACH, Bamberg, 2022
[8] Feickert, W.; Kirchhoff, T; Schlitzer,T: Herausforderungen und Lösungen bei der Implementierung eines automatisierten Schweissnahtnachweises nach der aktuellen FKM-Richtlinie, DVM Tagung: Neue Entwicklungen für die Bauteilfestigkeitsnachweise, Berlin 2022
Die Bewertung von Schweißnähten ist, auch in der modernen simulationsgetriebenen Produktentwicklung, eine Herausforderung. Mit Verbreitung der rechnergestützten virtuellen Produktsimulation (Finite-Elemente-Methode, FEM) haben sich Verfahren, die auf Strukturspannungen bzw. Kerbspannungen basieren, zum Stand der Technik entwickelt. Mit diesen Verfahren lassen sich nun die Beanspruchungen am Nahtübergang oder in der Wurzel – also an den Versagensorten – für fast beliebige Schweißnähte direkt ermitteln und nachweisen. Insbesondere auch für Schweißnähte, die mit dem klassischen Nennspannungskonzept gar nicht bewertet werden können. Der Aufwand für die Berechnung ist ohne speziell auf das Nachweisverfahren zugeschnittene Software sehr hoch. Insbesondere die Ermittlung der lokalen Spannungen an den Schweißnähten und deren Bewertung ist bei vielen Nähten ohne spezielle Software wirtschaftlich nicht möglich [8].
Das Nennspannungskonzept basiert auf Spannungen im Schweißnahtquerschnitt aus der klassischen Elastostatik: Normalspannung, Biegespannung und Schubspannung, die aus den Schnittgrößen und den Widerstandsgrößen errechnet werden. Die Normal- und Biegespannungen werden am kritischen Auswertepunkt der Naht überlagert und mit der Schubspannung zu einer Vergleichsspannung im Nahtquerschnitt zusammengeführt, die dann mit einem entsprechenden Sicherheitskonzept auf der Widerstands-, Last- und Materialseite bewertet wird. Für einzelne stabförmige oder plattenförmige Strukturen (Kranbau, Stahlbau, ...) lassen sich die Querschnitte einfach definieren und Schnittgrößen sicher ermitteln. Für Strukturen oder Schweißnähte, die hiervon abweichen, lokal beansprucht sind oder lokale Störungen (Löcher, Querschnittsänderungen, ...) aufweisen, lassen sich Nennspannungen in den allermeisten Fällen nicht sicher ermitteln. Spannungskonzentrationen, z.B. durch Kerbeinflüsse, müssen mit Korrekturfaktoren, wie Form- und Kerbwirkungszahlen, berücksichtigt werden. Die Anwendung ist deshalb beschränkt auf Bauteile und Schweißnahtgeometrien, wie sie in Schweißnahtkatalogen der entsprechenden Normen definiert sind (T-Stoß, Kreuz-Stoß, Stumpfstoß, ...). Bei zyklischen Nachweisen sind diesen Schweißnähten in den Katalogen sogenannte FAT-Klassen zugeordnet, die den Kerbfall mit einer entsprechenden Schwingfestigkeit berücksichtigen. Die FAT-Klasse definiert dabei - in Normen unterschiedlich benutzt (Vorsicht!) - eine Spannungsamplitude oder eine Spannungsschwingbreite bei einer definierten Zyklenzahl. Zusammen mit einer Steigung definiert sie eine Wöhlerlinie. Auch hier können sich je nach Norm Zyklenzahl (Aufhängepunkte der Wöhlerlinie) und Steigung unterscheiden. Z.B. weiterer Abfall der Wöhlerlinie jenseits einer Dauerfestigkeit.
Beim Strukturspannungskonzept wird die Spannungsüberhöhung bedingt durch die Gesamtgeometrie berücksichtigt. Es handelt sich also um lokale Spannungen. Nicht betrachtet werden jedoch die durch die lokale Schweißnahtgeometrie verursachten Spannungsüberhöhungen (lokale Kerbeffekte). Die Schweißnaht selbst muss nicht im Detail modelliert werden, was die Modellgröße beschränkt. Bei der Hot-Spot-Methode und dem Vorgehen nach Haibach werden die Spannungen vor der Naht zur Bewertung herangezogen. Die Spannung wird also nicht direkt an der Schweißnaht ermittelt und bewertet, sondern vor dem Schweißnahtübergang. Hierzu wird nach IIW-Richtlinie (Hot-Spot-Methode) die Spannung an der Blechoberfläche in definierten Abständen zum Nahtübergang der Schweißnaht hin extrapoliert, siehe Bild. Dabei werden an die Netzgröße an den Extrapolationspunkten Anforderungen gestellt. Auch für das Strukturspannungskonzept gibt es einen FAT-Klassenkatalog. Daneben gibt es die Methode der Innenlinearisierung, z.B. im ASME-Code oder die CAB-Methode, bei der die Schweißnaht mit einem Radius 1,414a (a=A-Maß) modelliert wird und die Spannung direkt vor der Naht zur Bewertung herangezogen wird.
Beim Kerbspannungsverfahren wird ein fiktiver Kerbradius von r=1mm, 0,3mm oder 0,05mm am Schweißnahtübergang und in der Schweißnahtwurzel in das Simulationsmodell eingeführt, siehe Bild. Die Schweißnaht und der Kerbradius müssen im Simulationsmodell geometrisch abgebildet werden. Für eine Schweißnahtwurzel stellt dieses Verfahren zurzeit den Stand der Technik dar. Der Vorteil der Methode liegt darin, dass beliebige Nähte betrachtet werden können. Nachteilig ist der große Modellierungs- und Rechenaufwand (lokal sehr feines Netz). Häufig müssen deshalb für einzenle kritische Schweißnähte Submodelle aufgebaut werden. Zu beachten ist, dass die Spannungen senkrecht und parallel zur Naht sowie die Schubspannung in der Naht getrennt bewertet werden müssen. Für beliebig im Raum verlaufende Schweißnähte kann das aufwändig werden. Zudem ist die Spannung parallel der Naht als Nennspannung zu bewerten. Aufgrund der Behinderung der Querkontraktion im Kerbradius ist die Spannung parallel der Naht häufig artifiziell durch die Spannung senkrecht zur Naht beeinflusst. Hierzu werden im Beitrag [7] Hinweise gegeben.
Typischerweise versagen Schweißnähte vom Nahtübergang (Einbrandkerbe) oder von der Nahtwurzel aus. Ausgenommen hiervon sind durchgeschweißte Querschnitte, die keine Wurzel aufweisen. Ein Nachweis des Nahtübergangs ist mit allen Konzepten, wie Nenn-, Stuktur- und Kerbspannung, möglich. Die Nahtwurzel kann normativ zur Zeit nur mit dem Nennspannungs- und Kerbspannungskonzept nachgewiesen werden. Aktuelle Forschungsprojekte haben das Ziel, das Strukturspannungskonzept auf den Nachweis der Nahtwurzel zu erweitern.
Das Kerbspannungskonzept erfordert ein Volumenmodell, siehe Bild. Nachweise an Schalenmodellen sind auch mit dem Nennspannungs- und dem Strukturspannungskonzept möglich. Bei großen Modellen wird häufig mit Submodellen gearbeitet.
