Eigenspannung beim Schweißen

Unter Schweißeigenspannung versteht man die innere Spannung, die in geschweißten Strukturen aufgrund der eingeschränkten thermischen Verformung während des Schweißprozesses entsteht. Insbesondere während des Schmelzens, Erstarrens und Abkühlschrumpfens des Schweißguts wird aufgrund der Zwänge eine erhebliche thermische Spannung erzeugt, die diese zur Hauptkomponente der Eigenspannung macht. Im Gegensatz dazu ist die innere Spannung, die durch Veränderungen der metallografischen Struktur während des Abkühlungsprozesses entsteht, eine sekundäre Komponente der Eigenspannung. Je größer die Steifigkeit der Struktur und je höher der Grad der Beanspruchung, desto größer ist die Eigenspannung und desto größer ist ihr Einfluss auf die Tragfähigkeit der Struktur. In diesem Artikel werden hauptsächlich die Auswirkungen der Schweißeigenspannung auf Strukturen erörtert.

Einfluss der Schweißeigenspannung auf Strukturen oder Komponenten

Unter Schweißeigenspannung versteht man die Anfangsspannung im Querschnitt eines Bauteils, noch bevor es einer äußeren Belastung ausgesetzt ist. Während der Lebensdauer des Bauteils verbinden sich diese Eigenspannungen mit den durch äußere Belastungen verursachten Betriebsspannungen, was zu sekundären Verformungen und einer Umverteilung der Eigenspannungen führt. Dies verringert nicht nur die Steifigkeit und Stabilität der Struktur, sondern wirkt sich unter den kombinierten Auswirkungen von Temperatur und Umgebung auch erheblich auf die Ermüdungsfestigkeit, die Sprödbruchbeständigkeit, die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion und Kriechrissbildung bei hohen Temperaturen aus.

Auswirkungen auf die Struktursteifigkeit

Wenn die kombinierte Spannung aus äußeren Lasten und Eigenspannungen in einem bestimmten Bereich der Struktur die Streckgrenze erreicht, erfährt das Material in diesem Bereich eine lokale plastische Verformung und verliert seine Fähigkeit, weitere Lasten zu tragen, was zu einer Verringerung des effektiven Querschnitts führt Fläche und damit die Steifigkeit der Struktur. Beispielsweise kann es bei Konstruktionen mit Längs- und Querschweißnähten (z. B. den Rippenblechschweißnähten an I-Trägern) oder solchen, die einem Flammrichten unterzogen wurden, in größeren Querschnitten zu erheblichen Zugeigenspannungen kommen. Obwohl der Verteilungsbereich dieser Spannungen über die Länge des Bauteils möglicherweise nicht groß ist, kann ihr Einfluss auf die Steifigkeit dennoch erheblich sein. Insbesondere bei geschweißten Trägern, die einer intensiven Flammrichtung unterzogen werden, kann es zu einem merklichen Rückgang der Steifigkeit während der Belastung und zu einem verringerten Rückprall beim Entladen kommen, was bei Konstruktionen mit hohen Anforderungen an Maßhaltigkeit und Stabilität nicht zu übersehen ist.

Einfluss auf die statische Belastungsfestigkeit

Bei spröden Materialien, die sich nicht plastisch verformen können, kann die Spannung im Bauteil mit zunehmender äußerer Kraft nicht gleichmäßig verteilt werden. Die Spannungsspitzen steigen weiter an, bis sie die Streckgrenze des Materials erreichen, was zu örtlichem Versagen und schließlich zum Bruch des gesamten Bauteils führt. Das Vorhandensein von Eigenspannungen in spröden Materialien verringert deren Tragfähigkeit und führt zu Brüchen. Bei duktilen Materialien kann das Vorhandensein einer triaxialen Zugeigenspannung in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen das Auftreten einer plastischen Verformung behindern und dadurch die Tragfähigkeit des Bauteils erheblich verringern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Schweißeigenspannung einen erheblichen Einfluss auf die Leistung von Strukturen hat. Durch eine angemessene Konstruktion und Prozesskontrolle können Eigenspannungen reduziert und so die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit geschweißter Strukturen erhöht werden.