Festigkeit von mit großen Luftspalten verschweißten Stößen von Schiffssektionen (IGF-Nr. 14976 N)

Durchführende Stelle: Technische Universität Hamburg-Harburg (Prof. Fricke)

Bearbeitungszeitraum: 01.06.2007 - 31.08.2009

Schlussbericht: CMT 16/2010


Projektzusammenfassung:

 

Das Verschweißen großer Schiffssektionen kann einen hohen Aufwand erfordern, da die Herstellung der Sektionen aufgrund der Anforderungen an die zugabenfreie Genaufertigung zu großen Luftspalten führen kann. Hinzu kommen die Zwangsbedingungen durch die Schiffsstruktur, die zu ungünstigen Reaktionsspannungen führen können. Aus diesem Grund wurde innerhalb dieses Projekts untersucht, ob das Verschweißen großer Luftspalte den Klassifikationsanforderungen entspricht. Hierfür sollte eine ausreichende Festigkeit von Schweißnähten mit einem Luftspalt bis zu 30 mm sichergestellt werden. Zu diesem Zweck wurden Schweißstöße an Platten (150 x 250 x 15 mm, D36 bzw. A-Stahl, Schweißzusatz Filarc PZ 6113) verschieden breiter Luftspalte hinsichtlich ihrer Ermüdungs- und Bruchfestigkeitseigenschaften untersucht. Die Herstellung der Schweißstöße erfolgt unter definierten Einspannbedingungen, die die Steifigkeit der umgebenden Schiffsstruktur abbilden sollen. Neben dem Einfluss des Luftspaltes wurden weitere Variationsparameter untersucht, darunter der Einfluss der Schweißtechnik (Strichraupentechnik, Pendeltechnik). Die von der GKSS durchgeführten bruchmechanischen Untersuchungen umfassen im Rahmen eines Vorprogramms umfangreiche Härtemessungen und Zugversuche an Proben aus dem Grund- und dem Schweißmaterial.

Innerhalb des Hauptprogramms wurden für zahlreiche Proben unterschiedlicher Variationen die Risswiderstandskurven ermittelt. Die bruchmechanische Bewertung erfolgte nach dem FITNET-Konzept (Option 1, 2 und 3) anhand der bruchmechanischen Kennwerte aus den Kleinproben. Für den Vergleich der berechneten kritischen Spannungen und der zugehörigen Risslängen wurden zudem äquivalente Messungen der maximal aufnehmbaren Spannungen an einem 250 mm langen Stoß vorgenommen, der als Originalbauteil betrachtet wird. Aus bruchmechanischer Sicht bestehen bezüglich des großen Luftspaltes von 30 mm für die Pendeltechnik keine Bedenken. Sowohl die Materialuntersuchungen als auch die Bewertung der Proben nach der FITNET-Methode zeigten, dass der Einfluss des größeren Luftspaltes hinsichtlich der Materialeigenschaften des Schweißgutes sogar als positiv einzustufen ist. Das Ergebnis für die Strichraupentechnik hingegen ist hinsichtlich der CTOD-Werte sowie der kritischen Risslängen als bedenklich einzustufen. Insgesamt kann festgehalten werden, dass das FITNET-Konzept die Versuchsergebnisse sowie die Effekte der beiden Schweißtechniken gut abbilden konnte.

Die Ermüdungsversuche bestätigen die bruchmechanischen Ergebnisse hinsichtlich der Pendeltechnik. Trotz einer geringen Reduzierung der Schwingfestigkeit entspricht die Pendeltechnik den Anforderungen. Wie erwartet üben die Reaktionskräfte aufgrund der Einspannung beim Schweißen einen nennenswerten Einfluss auf die Schwingfestigkeit aus, der über das Grenzspannungsverhältnis R berücksichtigt werden kann. Für die Strichraupentechnik-Proben ergaben die lokalen Ermüdungskonzepte sehr geringe Schwingfestigkeiten σy. Zudem führen Materialeffekte sowie die lokale Nahtgeometrie als auch ungünstige Eigenspannungen zu unerwarteten Anrissorten für die Strichraupentechnik.

Sowohl die Ermüdungsversuche als auch die bruchmechanischen Untersuchungen haben ergeben, dass die Schweißtechnik einen deutlichen Einfluss auf das Bruch- und Ermüdungsverhalten einer Schweißnaht hat.

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