Einfluss der Schweißrestspannungen auf geschweißte Konstruktionen

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Dieser Beitrag wurde zuletzt von huanghong am 30.12.2020 um 09:49 bearbeitet. 1. Einfluss der Restspannungen nach dem Schweißen auf die statische Tragfähigkeit von Konstruktionen Bei glatten Bauteilen kann, sofern das Material ausreichend plastisch ist, die plastische Verformung dazu führen, dass die Spannungen in der Querschnittsfläche gleichmäßig verteilt werden. Die Existenz von Restspannungen beeinträchtigt somit nicht die Tragfähigkeit des Bauteils – also auch nicht seine statische Festigkeit； Wenn das Material in einem brüchigen Zustand ist, oder wenn es thermisch behandelt wurde sowie unter dreidimensionalem Spannungszustand steht, kann es aufgrund der Unfähigkeit des Materials zur plastischen Deformation nicht zu einer gleichmäßigen Verteilung der Spannungen in der Querschnittsfläche des Bauteils kommen. Dadurch addieren sich die verbleibenden Zugspannungen zu den Arbeitsspannungen, was zu einer lokalen Zerstörung der Struktur führt und letztendlich zum Bruch des gesamten Bauteils. Bei Bauteilen mit Aussparungen können aufgrund einer starken Spannungskonzentration gleichzeitig hohe Zugspannungen auftreten. Wenn auf ein Bauteil aus irgendeinem Grund (z. B. durch einen Temperaturabfall, eine erhöhte Dehnungsgeschwindigkeit oder einen dicken Querschnitt) große Kräfte wirken, dann führen die zusammenwirkenden Zugspannungen sowie die starken Spannungskonzentrationen dazu, dass die statische Tragfähigkeit der Struktur abnimmt. Dadurch kann die Struktur bereits bei weitaus geringeren äußeren Belastungen brüchig brechen. 2. Einfluss der Schweißrestspannungen auf die Ermüdungsfestigkeit Wenn in den Prüfkörpern, insbesondere an ihrer Oberfläche, kompressive Restspannungen vorhanden sind, kann dies die Ermüdungsfestigkeit erhöhen. Daher erfordert die Steigerung der Ermüdungsfestigkeit von geschweißten Konstruktionen nicht nur eine Verringerung der verbleibenden Zugspannungen, sondern auch die Reduzierung von Faktoren, die zu Spannungskonzentrationen an den Verbindungen führen, wie beispielsweise zu hohe Überstände oder zu ausgeprägte Winkelverbindungen. Außerdem kann die Zähigkeit von geschweißten Konstruktionen gegen Ermüdung verbessert werden, indem durch Verfahren wie Spritzstrahlen, punktuelle Erwärmung oder Überlastbehandlung kompressive Restspannungen in den Bauteilen erzeugt werden. 3. Einfluss der Schweißrestspannungen auf die Präzision der mechanischen Bearbeitung und die Dimensionstreuung Wenn im Werkstück Schweißrestspannungen vorhanden sind, führt die mechanische Bearbeitung dazu, dass beim Entfernen von Material auch die Restspannungen im entfernten Material beseitigt werden. Dadurch wird das Spannungsgleichgewicht im Werkstück gestört, wodurch das Werkstück verformt wird. Dadurch wird auch die Präzision der Bearbeitung beeinträchtigt. Außerdem verändern sich die Restspannungen in den geschweißten Bauteilen im Laufe der Zeit allmählich und verteilen sich erneut – es kommt zu einer Spannungsentlastung. Gleichzeitig ändern sich auch die Abmessungen der verschweißten Bauteile, was die Genauigkeit sowie die dimensionalische Stabilität der Komponenten beeinflusst. Kohlenstoffarme Stähle mit stabiler Struktur sowie Austenitstähle weisen bei Raumtemperatur nur eine geringe Spannungsabnahme auf. Daher ändern sich die inneren Spannungen im Laufe der Zeit nur wenig, wodurch die Abmessungen der geschweißten Bauteile relativ konstant bleiben ； Während bei einigen Hochtemperaturlegierungsstählen und hochfesten Aluminiumlegierungen aufgrund von Veränderungen in der instabilen Struktur im Laufe der Zeit erhebliche Änderungen der inneren Spannungen auftreten. Die gründlichste Methode, die Präzision der mechanischen Bearbeitung zu gewährleisten, besteht darin, zunächst die Restspannungen durch das Schweißen zu beseitigen und anschließend zu mechanisch bearbeiten. 4. Einfluss der Schweißrestspannungen auf die Stabilität von Druckstäben
Wenn ein Stab unter Druck steht, addieren sich die kompressiven Restspannungen in der Querschnittsfläche des Stabs zu den durch die äußeren Kräfte entstehenden Spannungen. Dadurch erreicht der Bereich mit den hohen Druckspannungen zunächst seine Versagungsgrenze – in diesem Bereich können keine weiteren Kräfte mehr aufgenommen werden. Damit wird die effektive Querschnittsfläche des Stabs verringert, wodurch die kritische Spannung des Stabs sinkt. Dies hat einen nachteiligen Einfluss auf die Stabilität des Stabs. Der Einfluss der inneren Spannungen im Stab auf die Stabilität hängt von der Querschnittsform des Stabs sowie von der Verteilung der Restspannungen ab. Wenn es gelingt, den effektiven Querschnitt vom Neutralachse des Stabs wegzubringen, kann seine Stabilität verbessert werden. 5. Der Einfluss der Schweißrestspannungen auf das Spannungskorrosionsrisiko: Spannungskorrosionsrisiko ist ein Phänomen, bei dem durch die Kombination aus Zugspannungen und korrosiven Medien Risse entstehen. Die nach dem Schweißen verbleibenden Restspannungen sowie die Arbeitsspannungen führen dazu, dass in der Nähe der Naht schnell eine Spannungskorrosionsrissbildung auftritt. Daher ist es vorteilhaft, bei korrodierten Strukturen geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um verbleibende Spannungen zu beseitigen, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. 6. Einfluss der Schweißrestspannungen auf die Steifigkeit der Struktur: Nach dem Schweißen entstehen in der Schweißnaht sowie in den umliegenden Bereichen Zugspannungen. In den Bereichen, die weiter von der Schweißnaht entfernt sind, entstehen Druckspannungen. Die Zugspannungen erreichen dabei die Bruchgrenze des Materials. Daher kann dieser Bereich bei Zugbelastung keine Last tragen, was einer Verringerung der effektiven Tragfläche entspricht und zu einem Rückgang der Steifigkeit führt. Bei Balken, die leicht zu Biegeverformungen neigen, führt dies ebenfalls zu einer Verringerung der Steifigkeit. Ausmaß dieser Verringerung hängt von der Größe und dem Standort des entstehenden plastischen Verformungsbereichs ab. Wenn die Naht in der Nähe der Neutralachse liegt, hat sie einen geringeren Einfluss auf die Steifigkeit.