Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird zunächst eine ausführliche Basis über dynamisch belastete Bauteile und die damit verbundene Problematik geschaffen. Anschließend werden zahlreiche Datenpunkte (Spannung, Lebensdauer) statistisch ausgewertet und interpretiert.
Die Bachelorarbeit befasst sich mit der statistischen Auswertung der Schwingfestigkeit Schweißnahtprofil-optimierter Stumpfnähte. Zunächst wird die Schwingfestigkeit in geschweißten Bauteilen und Konstruktionen näher betrachtet, die Einflussfaktoren diesbezüglich herausgestellt und einige Methoden zur Verbesserung der Schwingfestigkeit umrisshaft erläutert. Dabei wird die Nachbehandlungsmethode Ausschleifen (engl: burr grinding) ausführlicher dargelegt. Anschließend wird der Effekt von Materialfestigkeit und anderer wichtiger Parameter auf die Schwingfestigkeit nachbehandelter Schweißnähte hervorgehoben.
In dem zweiten Teil der Arbeit wird der international anerkannte Standard: engl: „ASTM E739 − 10 (Reapproved 2015) Standard Practice for Statistical Analysis of Linear or Linearized Stress-Life and Strain-Life Fatigue Data“ vorgestellt und anschließend für die statistische Auswertung eines Datensatzes beispielhaft angewendet. Das Ergebnis der Auswertung besteht aus einer Tabelle mit statistischen Parametern und einer Entwurfswöhlerlinie. Als nächstes werden einige Veröffentlichungen zur Optimierung der Schwingfestigkeit vorgestellt. Gleichzeitig bilden diese Veröffentlichungen einen großen Teil des zu untersuchenden Probenumfangs. Zum Schluss werden die Auswertungsergebnisse zusammengefasst und diskutiert.
Viele Konstruktionen sind zeitlich veränderlichen Beanspruchungen ausgesetzt. Dazu gehören beispielsweise Schiffskonstruktionen, welche durch die Wirkung des Seegangs, periodische Kräfte der Antriebsanlage oder die veränderliche Belastungszustände zyklisch beansprucht werden. Diese Art von Beanspruchung kann unter Umständen zu Anrissen und anschließend zu einem sogenannten Schwingbruch führen. Dieses Verhalten wird als „Werkstoffermüdung“ (engl: fatigue) bezeichnet und führt zu einer geringeren Festigkeit als bei einer rein statischen Belastung. Dies beruht auf den im Werkstoff auftretenden plastischen Verformungen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
Motivation und Hintergründe
2 Stand der Technik
Methoden zur Verbesserung der Dauerfestigkeit
2.1.1 Konstruktive Methoden zur Verringerung der Spannung an kritischen Stellen
2.1.2 Herstellungsmaßnahmen
2.1.3 Nachbehandlungstechniken
Modifikation der Geometrie des Schweißnahtfußes
2.1.4 Ausschleifen des Schweißnahtfußes (engl.: burr grinding)
Einfluss anderer wichtiger Parameter
2.1.5 Mittelspannungen:
2.1.6 Blechdicke
2.1.7 Imperfektionen
2.1.8 Materialfestigkeit
2.1.9 Unterschiedliche Nahtnachbehandlungsarten
3 Statistische Auswertung
Schwingfestigkeit und Wöhlerlinie
Statistische Grundlagen
Ermittlung der Wöhlerlinie nach ASTM E739 [10]
3.1.1 Durchführung des ASTM E739-10(2015)-Verfahrens [10] an einem Beispiel
4 Literaturrecherche
Studie 1: Bohrplattform vor der norwegischen Küste
Studie 2: „CETIM“ Studie zur Schwingfestigkeit der ausgeschliffenen Schweißnähte
Studie 3: Ausgeschliffene Schweißnähte in Zweitakt-Dieselmotoren
Studie 4: Nachbehandelte Schweißnähte mittels Drahtborste bei Stahlbrücken
Studie 5: Nachbehandelte Schweißnähte im Kranbau
Studie 6: Ermüdungsverhalten hochfester Stähle
5 Diskussion
6 Ausblick
7 Datensätze, Diagramme und statistische Parameter:
Serie 1-2 aus [12]:
Serie 3-4 aus [13]:
Serie 5-7 aus [14]:
Serie 8 aus [16]:
Serie 9-10 aus [17]:
Serie 11 aus [18]:
Serie 12 aus [19]:
Serie 13 aus [19]:
Serie 14 aus [20]:
Serie 15 aus [20]:
Serie 16 aus [21]:
Serie 17 aus [22]:
Serie 18 aus [23]:
Serie 19 aus [18]:
Serie 20 aus [25]:
8 Literatur
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Bachelorarbeit untersucht den Effekt schweißnahtprofil-optimierender Methoden, insbesondere des Ausschleifens, auf die Schwingfestigkeit von Stumpfstößen. Zentrales Ziel ist die statistische Auswertung diverser Datensätze aus unterschiedlichen Studien unter Anwendung der ASTM E739-10 Norm, um den Einfluss von Materialfestigkeit und Nachbehandlungsverfahren auf die Dauerfestigkeit zu quantifizieren und zu bewerten.
- Statistische Auswertung der Schwingfestigkeit von Stumpfnähten
- Analyse der Nachbehandlungsmethode Ausschleifen (burr grinding)
- Anwendung des ASTM E739 Standards zur Erstellung von Wöhlerlinien
- Untersuchung von Einflussparametern wie Materialfestigkeit und Blechdicke
- Vergleich verschiedener schweißnahtoptimierender Verfahren
Auszug aus dem Buch
2.1.4 Ausschleifen des Schweißnahtfußes (engl.: burr grinding)
Aufgrund der hohen Spannungskonzentration am Schweißnahtfuß ist diese Stelle eine Hauptquelle für Ermüdungsrisse. Ein scharfer Übergang zwischen Plattenoberfläche und Schweißnaht sowie Schweißimperfektionen und -fehler mit rissähnlichen Effekten verstärken zusätzlich die Spannungskonzentration. Diese rissartigen Fehler befinden sich in einer Tiefe vom Zehntelmillimeter unterhalb einer Einbrandkerbe und bei einer Nachbehandlung relativ gut erreichbar. Deshalb ist die Reduzierung der Größe oder gar vollständige Beseitigung dieser Fehler das vorrangige Ziel. Zusätzlich kann ein sanfter Übergang zwischen Plattenoberfläche und Schweißnaht die Spannungskonzentration reduzieren.
Das primäre Ziel des Ausschleifprozesses ist die Reduzierung der Größe der Schweißfehler an der Schweißnaht. Dies ist deshalb von großer Bedeutung, weil sich die Ermüdungsrisse von diesen Fehlerstellen verbreiten. Gleichzeitig wird versucht, die lokale Spannungskonzentration zu verringern und den Übergang zwischen der Platte und der Schweißnaht milder zu gestalten. Dazu wird eine pneumatische, hydraulische oder elektrische Hochgeschwindigkeitsschleifmaschine mit einem Drehzahlbereich von 15000-40000 U/min eingesetzt. Für luftbetriebene Schleifmaschinen wird ein Druck von 5-7 bar empfohlen. Das tatsächliche Werkzeug ist eine rundförmige, aus Wolframkarbid gefertigte, Feile (engl.: burr) mit einer halbkugelförmigen Spitze. Dabei ist der Radius dieser Kugel von der Plattendicke am Schweißnahtfuß abhängig. Für Eine Plattendicke zwischen 10 bis 50 mm muss der Durchmesser im Bereich 10 bis 25 mm liegen. Die Schweißnaht muss vor dem Schleifvorgang mit einem Schlackehammer von Schlacken befreit und mittels einer Drahtbürste gesäubert werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Vermittlung der Grundlagen zur Materialermüdung bei geschweißten Konstruktionen und Identifikation von Schweißnähten als Schwachstellen bezüglich der Schwingfestigkeit.
2 Stand der Technik: Übersicht über verschiedene konstruktive und fertigungstechnische Maßnahmen sowie spezifische Nachbehandlungstechniken wie das Ausschleifen zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit.
3 Statistische Auswertung: Einführung in die statistischen Grundlagen der Wöhlerlinien-Analyse nach der Norm ASTM E739-10 und Erläuterung des angewandten Auswerteverfahrens.
4 Literaturrecherche: Präsentation und Analyse von Daten aus sechs verschiedenen Studien, die unterschiedliche Versuchsaufbauten und Nachbehandlungsmethoden abdecken.
5 Diskussion: Kritische Analyse der extrahierten Daten, Bewertung der Effektivität verschiedener Nachbehandlungsarten und Vergleich mit FAT-Klassen nach IIW.
6 Ausblick: Diskussion über die Herausforderungen der statistischen Analyse über verschiedene Datenquellen hinweg und Vorschläge für zukünftige Forschungsansätze.
7 Datensätze, Diagramme und statistische Parameter: Zusammenstellung der tabellarischen Rohdaten, Wöhlerlinien-Diagramme und statistischen Auswertungsparameter für die 20 untersuchten Serien.
8 Literatur: Auflistung der im Rahmen der Arbeit verwendeten Quellen und wissenschaftlichen Fachliteratur.
Schlüsselwörter
Schwingfestigkeit, Stumpfstoß, Schweißnaht, Ausschleifen, Dauerfestigkeit, Wöhlerlinie, ASTM E739, Ermüdungsrisse, Spannungskonzentration, Materialfestigkeit, Nachbehandlung, Statistik, Kerbwirkung, Baustahl, Lebensdauer.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht, wie sich verschiedene Methoden zur Schweißnahtprofil-Optimierung – insbesondere das mechanische Ausschleifen – auf die Schwingfestigkeit von stumpfgeschweißten Stahlverbindungen auswirken.
Welche Themenfelder sind zentral?
Die Arbeit fokussiert sich auf die Ermüdungsfestigkeit im Maschinenbau und Schiffbau, die Analyse von Schweißfehlern, die Optimierung durch Nachbehandlungsverfahren und die statistische Bewertung von Ermüdungsdaten.
Was ist das primäre Ziel der Studie?
Das primäre Ziel ist es, durch die statistische Auswertung zahlreicher Datensätze nach ASTM E739-10 zu belegen, wie stark Nachbehandlungen wie das Ausschleifen die Dauerfestigkeit gegenüber dem Schweißzustand erhöhen können.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden experimentelle Daten aus verschiedenen Studien extrahiert und einheitlich nach der US-Norm ASTM E739-10 statistisch analysiert, um Wöhlerlinien und Konfidenzbänder zu bestimmen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine fundierte Literaturrecherche, eine detaillierte methodische Erläuterung der statistischen Analyse und die umfangreiche Präsentation der Ergebnisse aus 20 verschiedenen Testserien.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit ist durch Begriffe wie Schwingfestigkeit, Wöhlerlinie, Stumpfstoß, Nachbehandlung, ASTM E739 und Spannungskonzentration definiert.
Welche Rolle spielt die Materialfestigkeit?
Es wird festgestellt, dass die Materialfestigkeit bei unbehandelten Schweißnähten kaum Einfluss hat, während sie bei geometrisch optimierten, nachbehandelten Verbindungen eine deutliche Steigerung der Schwingfestigkeit ermöglicht.
Wie unterscheidet sich "blecheben geschliffen" vom "Ausschleifen"?
Die Arbeit zeigt, dass das "blechebene Schleifen" (flush ground) im Durchschnitt bessere Resultate liefert als das reine "Ausschleifen" (burr grinding), da es keine Schweißnahtfuß-Kerbwirkung hinterlässt.
Warum wird ASTM E739-10 verwendet?
Dieser international anerkannte Standard ermöglicht eine methodisch konsistente statistische Analyse von S-N-Daten (Spannung-Lebensdauer) über verschiedene Versuchsreihen hinweg.
Welche praktische Relevanz hat die Arbeit?
Sie liefert wichtige Erkenntnisse für Konstrukteure, um die Lebensdauer von schweißtechnisch gefertigten Bauteilen unter zyklischer Belastung gezielt durch einfache, standardisierte Nachbehandlungsverfahren zu erhöhen.
- Arbeit zitieren
- Hadi Bakhschi (Autor:in), 2020, Effekt Schweißnahtprofil-optimierender Methoden auf die Schwingfestigkeit von Stumpfstößen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/594853
