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DOI: 10.1002/stab.201310085

652 © Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Stahlbau 82 (2013), Heft 9

Das Laserstrahl-MSG-Hybridschweißen bietet gegenüber konventionellen Schweißver-fahren Potenzial, die Wirtschaftlichkeit des Schweißens durch eine Reihe werkstofftech-nischer sowie nahtgestalterischer Besonderheiten zu verbessern. Untersuchungen die-ses Verfahrens beschränkten sich für Stahl bisher auf den Blechdickenbereich zwischen 6 mm und ca. 12 mm. Im Stahl-, Behälter-, Fahrzeug- oder Schiffsbau sind aber auch Bauteile größerer Wanddicke von Interesse. Diese werden derzeit unter Nutzung des Unterpulverschweißprozesses unter hohen Aufwendungen für Energie, Zusatzwerkstoff und Arbeitszeit gefertigt. Gegenstand dieses Projektes waren Untersuchungen zum Ein-fluss der Verringerung des Nahtvolumens und der Streckenenergie durch das Hybrid-schweißen auf die Entstehung von Eigenspannungen sowie deren Auswirkungen auf die Ermüdungsfestigkeit von Blechen mit großer Wanddicke. Die Untersuchungen zeigten, dass mit dem Hybridprozess vergleichbare und bessere Verbindungsqualitäten durch das Wurzel-/Gegenlageschweißen gegenüber dem reinen UP-Schweißen bei Blech-dicken von 40 mm erreicht wurden.

Influences on the strength of laser GMA hybrid welded joints in the case of sheet thick-nesses to 40 mm. The laser GMA hybrid welding offers capabilities to improve the econ-omy of welding compared to conventional welding processes due to characteristics concerning material and seam design. Researches of this process were restricted to a sheet thickness range between 6 mm and 12 mm for steel. But especially for steel-, con-tainer-, vehicle- or ship-engineering structures (components) with large wall thicknesses are of interest. These structures are currently welded by using the submerged arc weld-ing process with a high effort of energy, welding material and working time. The object of this project was the determination of the influence of the reduction of weld volume and energy per unit length of weld on the formation of residual stresses and their effects on the fatigue strength of hybrid welded sheets with large wall thicknesses. In result better qualities with regard to fatigue strength and toughness for hybrid welded joints has been achieved compared to submerged arc welded joints for wall thicknesses of 40 mm.

1 Ausgangssituation und Zielstellung

Der Laserstrahl-MSG-Hybridprozess wurde in den letzten Jahren beständig weiterentwickelt. Branchenübergrei-fend werden zurzeit die praktische Um-setzung dieses Verfahrens und dessen Wirtschaftlichkeit gegenüber konven-tionellen Verfahren geprüft. Untersu-chungen hinsichtlich des Potenzials sind aus Gründen der Kostensenkung und Einsparungen in der Fertigungs-zeit offenbar sehr lohnenswert. Inter-essant ist dieses Schweißverfahren insbesondere im Stahlbau, beispiels-weise bei der Fertigung von Grün-dungsstrukturen für Windenergieanla-

gen, aber auch für alle weiteren Be-reiche, in denen Bauteile mit großen Blechdicken verarbeitet werden. Bis-her werden solche Verbindungen fast ausschließlich unter Anwendung des UP-Schweißens hergestellt. Durch die hohe Anzahl von Lagen zur Füllung des Nahtvolumens ist der Prozess durch eine hohe Streckenenergie ge-kennzeichnet. Dies äußert sich durch vergleichsweise großen Verzug der Teile oder durch hohe Eigenspannun-gen im Bauteil.

Ziel des Projektes war deshalb eine teilweise oder vollständige Sub-stitution des UP-Prozesses durch ein Schweißverfahren, das sich durch ei-

nen geringen Schweißverzug auszeich-net. Durch eine Kombination des UP-Schweißens mit dem Hybridschwei-ßen im Wurzelbereich konnten große Einsparungen beim Nahtvolumen und der Streckenenergie erzielt werden.

Neben den technologischen Un-tersuchungen lag das Hauptaugen-merk auf dem Einfluss der Eigenspan-nungen auf die Festigkeit von Laser-strahl-MSG-Hybridschweißverbindun-gen. Mit der Verringerung des Schweißnahtvolumens und der Stre-ckenenergie durch Anwendung des Hybridschweißens ist zu vermuten, dass die beim Schweißen entstehen-den Eigenspannungen geringer ausfal-len. Somit könnten die, für den Ermü-dungsfestigkeitsnachweis erforder-lichen, ertragbaren Schwingbreiten höher angesetzt [1] und erforderliche Blechdicken eingespart werden bzw. kostenintensive Nacharbeiten entfal-len. Denkbar wäre auch eine Steige-rung der Lebensdauer und damit der Nutzungsdauer bei Beibehaltung der Blechdicke und der mechanischen Be-arbeitung der Nähte.

Zusammenfassend war die Ziel-stellung des Vorhabens demnach, die Möglichkeiten zur Steigerung der Er-müdungsfestigkeit von Hybridschweiß-verbindungen im Vergleich zu her-kömmlich geschweißten Verbindungen durch Verminderung von schweißbe-dingten Eigenspannungen zu ermit-teln.

2 Versuchsplanung und Durchführung

Für die Untersuchungen beim Schwei-ßen großer Wanddicken in Wannen-position wurden zwei unterschiedli-che Schweißverbindungen ausgeführt. Bei der ersten handelte es sich um eine Referenzprobe, welche konven-

Einflussfaktoren auf die Festigkeit von laser- strahl-MSG-hybridgeschweißten Verbindungen bei Blechdicken bis zu 40 mm

Bernd KranzJan NeubertGloria Wetzel

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zesse hybrid gekoppelt. Auf dieser Basis wurden für den Hybridprozess Parame-tereinstellungen bestimmt und erprobt. Eine Übertragung der hierbei erzielten Einschweißtiefen von bis zu 19 mm auf Bleche mit 40 mm Dicke mit Nahtvor-bereitung scheiterte aufgrund der ver-änderten Wärmeableitungsbedingun-gen. Nach Abwägen mehrerer Möglich-keiten wurde aus wirtschaftlichen Gründen die Variante der Lage-/Ge-genlage-Hybridschweißung zur Her-stellung der Nahtwurzel bei einer Steg-höhe von 20 mm gewählt. Das anschlie-ßende Füllen des Restnahtvolumens erfolgte mit dem UP-Prozess.

Die UP-Schweißverbindung wurde aus zwölf Schweißraupen hergestellt. Sie besteht aus einer Wurzellage, einer Gegenlage, aus drei Zwischenlagen je Seite und zwei Schweißraupen als Decklage. Die Hybridschweißverbin-dung konnte mit lediglich vier Schweiß-raupen hergestellt werden. Die Wur-zel- und Gegenlage wurden hybridge-schweißt. Je Seite wurde eine UP- Raupe als Decklage ausgeführt. Die Schweißparameter und die Randbe-dingungen zur Durchführung der bei-den Schweißungen sind in Tabelle 3 aufgeführt. Für beide Verbindungsva-rianten wurden die Schweißtechnolo-gie, Festigkeiten und Eigenspannun-gen untersucht.

3 Versuchsauswertungen3.1 Ergebnisse der schweißtechnologi-

schen Untersuchungen

Die Makroschliffe der beiden ausge-führten Schweißverbindungen (Ta-belle 4) wurden in metallographischen Untersuchungen auf Unregelmäßig-keiten nach Norm DIN EN ISO 5817

Schweißparameter basierten u. a. auf Empfehlungen der Zusatzwerkstoff-hersteller und wurden – nach Kontrolle der Schweißverbindung auf Unregel-mäßigkeiten – angepasst. Bei der Hy-bridschweißverbindung wurden auf-grund der angestrebten Blechdicke Voruntersuchungen zur Schweißtech-nologie durchgeführt, da hier keine Erfahrungswerte vorlagen.

Aufgrund der großen Blechdicken und der hohen Schweißgeschwindig-keit war zu erwarten, dass es zu einer schnellen Wärmeableitung und bei den derzeit verwendeten Baustählen zu metallurgisch bedingten Effekten wie z. B. Aufhärtungen in der Wärme-einflusszone kommt. Die Entwicklung der technologischen Parameter zum Hybridschweißen wurde deshalb un-ter verschiedenen Prämissen durchge-führt.

Voruntersuchungen zur maxima-len Einschweißtiefe wurden zunächst getrennt für Laserstrahl und Lichtbo-gen an Blechen der Dicke 20 mm im Stumpfstoß durchgeführt. Anschlie-ßend wurden die hinsichtlich der Ein-schweißtiefe optimierten Einzelpro-

tionell mit dem Unterpulverschweiß-verfahren hergestellt wurde. Bei der zweiten Verbindung wurde alternativ die Wurzellage mit dem Laserstrahl-MSG-Hybridprozess hergestellt, wo-bei die anschließende Füllung des Restnahtvolumens durch den UP-Pro-zess erfolgte.

In Tabelle 1 ist der ursprünglich geplante Nahtaufbau für das Schwei-ßen von Blechen mit 40 mm Wand-dicke für beide Schweißverbindungen dargestellt.

Die Untersuchungen beider Schweißverbindungen wurden am Werkstoff S355J2+N durchgeführt. Dieser wies nach Abnahmeprüfzeug-nis eine Streckgrenze von 365 MPa, eine Zugfestigkeit von 532 MPa, eine Bruchdehnung von 26,2 % und eine mittlere Kerbschlagarbeit von 89 J bei einer Prüftemperatur von –20 °C auf. Die chemische Zusammensetzung des Werkstoffs sowie das Kohlenstoffäqui-valent sind in Tabelle 2 dargestellt. Beim UP-Schweißen wurde der Schweißzusatz S2 nach DIN EN 756 [2] (ersetzt durch DIN EN ISO 14171) und beim Hybridschweißen der G3Si1 nach DIN EN 440 [3] (ersetzt durch DIN EN ISO 14341) verwendet.

Bei den Verbindungen wurden jeweils zwei Bleche mit den Abmaßen L × B × H = 500 mm × 200 mm × 40 mm im Stumpfstoß verschweißt. Für die reine UP-Verbindung wurde aus Er-fahrungswerten und in Bezugnahme auf die Norm DIN EN ISO 9692-2 [4] eine DY-Nahtvorbereitung mit beid-seitigem Öffnungswinkel von 60° aus-gewählt. Die anfänglich verwendeten

Tabelle 1.  Geplanter Nahtaufbau beider SchweißverbindungenTable 1.  Planned bead sequence of both welding joints

UP-Schweißverbindung mit Wurzel und Gegenlage, 5 bis 7 Zwischenlagen und

2 bis 3 Raupen als Decklage auf jeder Seite

UP-Schweißverbindung mit hybrid- geschweißter Wurzel und Gegenlage und

2 bis 3 Raupen als Decklage auf jeder Seite

Tabelle 2.  Chemische Zusammensetzung des GrundwerkstoffsTable 2.  Chemical composition of the base metal

C Mn Si P S Cr Ni Mo Cu Al N2 V Nb Ti Ceq

0,16 1,43 0,31 0,011 0,006 0,05 0,093 0,02 0,19 0,029 0,009 0,004 0,003 0,002 0,43

Tabelle 3.  Schweißparameter und RandbedingungenTable 3.  Welding parameter and boundary conditions

Schweißverfahren UP Hybridverbindung

Öffnungswinkel (beidseitig) 60° 45°

Steghöhe 5 mm 20 mm

Vorwärmtemperatur 120 °C 200 °C

Zwischenlagentemperatur 150–190 °C

Schweißgeschwindigkeit 50 cm/min 1 m/min

Streckenenergie 2,4–2,7 kJ/mm 1,18 kJ/mm (Laser + Lichtbogen)

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keine signifikante Reduzierung der Aufhärtung erreicht werden konnte. Die Ergebnisse der Härteuntersuchun-gen der UP-Verbindung und der Hy-bridverbindung mit Vorwärmung sind in Tabelle 5 dargestellt.

Des Weiteren wurden Kerbschlag-biegeversuche für beide Verbindungs-varianten durchgeführt. Nach der Norm DIN EN 10025-2 [8] muss ein Mindestwert von 27 J bei einer Prüf-temperatur von –20 °C erreicht wer-den. Sowohl in der Schweißnaht als auch in der Wärmeeinflusszone bei-der Schweißverbindungen werden diese Vorgaben erfüllt. Tabelle 6 zeigt die ermittelten Werte.

3.2 Untersuchungen zur Ermüdungs-festigkeit

Zum Vergleich der Ermüdungsfestig-keit wurden Wöhlerkurven für beide Schweißvarianten unter den kons-tanten Grenzspannungsverhältnissen R = –1,0; R = 0,1 und R = 0,5 nach dem

Die Untersuchung der Härte er-gab, dass die Werte der Härtereihen der UP-Verbindung den zulässigen Höchstwert nach Norm DIN EN ISO 15614-1 [7] von 380 HV 10 nicht über-schritten. Bei der Hybridverbindung wurde die Härte sowohl bei Schwei-ßungen mit als auch ohne Vorwär-mung untersucht. Es wurde deutlich, dass im laserdominierten Bereich der Nahtmitte durch die Vorwärmung

[5] bzw. Norm DIN EN ISO 13919 [6] untersucht. Während die UP-Schweiß-verbindungen keine nennenswerten Unregelmäßigkeiten aufwiesen, traten beim Hybridprozess im Bereich der Nahtmitte, in dem sich die Lage-/Ge-genlageschweißungen überdecken, porenartige Unregelmäßigkeiten in un-terschiedlicher Größe auf. Sie resul-tieren aus der behinderten Ausgasung beim Schweißen der Gegenlage.

Tabelle 4.  Makroschliffe der UP-Schweißverbindung und der Hybridschweißung mit UP-DecklagenTable 4.  Macrosections of the submerged arc welding joint and of the hybrid joint with submerged arc welded final passes

UP-Schweißverbindung Hybridschweißverbindung

Tabelle 5.  Härtemessungen nach Vickers in HVTable 5.  Results of hardness measurements

UP-Verbindung

Hybridverbindung

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Decklage flacher als beim reinen UP-Schweißen verläuft. Der flachere Nahtübergang führt zu einer geringe-ren Spannungskonzentration und so-mit zur Verminderung der Kerbwir-kung (Tabelle 7).

3.4 Eigenspannungsuntersuchungen

Die Eigenspannungen beider Schweiß-verbindungen wurden sowohl durch röntgenographische Messungen als auch durch Simulationen ermittelt. Für die Kalibrierung der Simulationen wurden Temperaturmessungen durch-geführt. Um für beide Schweißverbin-dungen vergleichbare Werte zu errei-chen, wurden die Bauteile spannungs-armgeglüht und Eigenspannungen jeweils vor, während und nach dem Schweißen gemessen.

Die röntgenographischen Ermitt-lungen und die Simulationen zeigten bei beiden Schweißverbindungen hö-here Eigenspannungen parallel als quer zur Schweißnaht. Dies kann mit der größeren Schrumpfungsbehinde-rung in Nahtlängsrichtung begründet werden. Aus den Messungen ging au-ßerdem hervor, dass die Eigenspan-nungen mit zunehmendem Nahtauf-bau, d. h. zunehmendem Nahtvolu-

3.3 Spannungskonzentration an den Nahtübergängen

Des Weiteren wurden die Kerbspan-nungen beider Schweißverbindungen untersucht. Die Auswertung der Ma-kroschliffe ergab, dass der Nahtüber-gang beim Hybridschweißen mit UP-

Perlschnurverfahren [9] durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten eine deutliche Steigerung der Ermüdungsfestigkeit bei der Hybridschweißverbindung im Vergleich zur UP-Schweißverbindung. Die Einordnung der Untersuchungen in das FAT-Klassensystem der IIW-Empfehlungen ist im Bild 1 dargestellt.

Bild 1.  Wöhlerlinien der UP-Schweißungen – Vergleich zu den IIW-FAT-KlassenFig. 1.  Stress-cycle curves of the submerged arc welded joints – In comparison to the IIW-FAT-classes

Tabelle 6.  Kerbschlagarbeiten beider Schweißverbindungen bei –20 °CTable 6.  Notched-bar impact work of both welding joints at –20 °C

SG Decklagenbereich KV = 31 J

Grundwerkstoff KV = 33 J

SG Decklagenbereich KV = 68 J

SG Bereich der Überlappung KV = 64 J

Grundwerkstoff KV = 51 J

SG – Schweißgut WEZ – Wärmeeinflusszone

WEZ im Bereich der Überlappung KV = 35 J

SG im Übergangsbereich Decklage – Wurzel KV = 63 J

SG Bereich der Überlappung KV = 43 J

WEZ im Bereich der Überlappung KV = 71 J

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dul: Vorlaufforschung (VF)“ aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bun-destages gefördert.

Literatur

[1] Hobbacher, A.: Recommendations for fatigue design of welded joints and com-ponents. Doc IIW-1823-07, WRC Bul-letin 520, Welding Research Council, Inc., New York, 2009.

[2] DIN EN 756: Schweißzusätze – Mas-sivdrahtelektroden, Fülldrahtelektroden und Draht-Pulver-Kombinationen zum Unterpulverschweißen von unlegierten Stählen und Feinkornstählen – Eintei-lung. Berlin: Beuth Verlag 2004.

[3] DIN EN 440: Schweißzusätze – Draht-elektroden und Schweißgut zum Me-tall-Schutzgasschweißen von unlegier-ten Stählen und Feinkornstählen – Ein-teilung. Berlin: Beuth Verlag 1994.

[4] DIN EN ISO 9692-2: Schweißen und verwandte Verfahren – Schweißnaht-vorbereitung – Teil 2: Unterpulver-schweißen von Stahl. Berlin: Beuth Verlag 1999.

[5] DIN EN ISO 5817: Schweißen – Schmelzschweißverbindungen an Stahl, Nickel, Titan und deren Legierungen (ohne Strahlschweißen) – Bewertungs-gruppen von Unregelmäßigkeiten. Ber-lin: Beuth Verlag 2006.

[6] DIN EN ISO 13919-1: Schweißen – Elektronen- und Laserstrahl-Schweiß-verbindungen; Leitfaden für Bewer-tungsgruppen für Unregelmäßigkeiten – Teil 1: Stahl. Berlin: Beuth Verlag 1996.

[7] DIN EN ISO 15614-1: Anforderung und Qualifizierung von Schweißverfah-ren für metallische Werkstoffe – Schweiß-verfahrensprüfung – Teil 1: Lichtbogen- und Gasschweißen von Stählen und Lichtbogenschweißen von Nickel und Nickellegierungen. Berlin: Beuth Ver-lag 2008.

[8] DIN EN 10025-2: Warmgewalzte Er-zeugnisse aus Baustählen – Teil 2: Tech-nische Lieferbedingungen für unlegierte Baustähle. Berlin: Beuth Verlag 2011.

[9] Hobbacher, A.: Zur Auswertung von Schwingfestigkeitsversuchen an Schweißverbindungen. Schweißen und Schneiden (1977), S. 143–146.

Autoren dieses Beitrages:Dr.-Ing. Bernd Kranz, kranz@slv-halle.de,Dipl.-Ing. (FH) Jan Neubert, neubert@slv-halle.de,Dipl.-Math. Gloria Wetzel, wetzel@slv-halle.de,Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Halle GmbH, Köthener Straße 33a, 06118 Halle (Saale)

Bauteile zu steigern, wurde durch die Substitution des UP-Schweißprozes-ses durch den Hybridprozess in den Wurzellagen erreicht. Es konnte nach-gewiesen werden, dass das Schweißen der Nahtwurzel mit dem Hybridpro-zess beherrschbar ist und gefüllt mit UP-Decklagen eine Alternative zur reinen UP-Schweißverbindung dar-stellt. Qualitativ wurde dies durch die Härtemessungen und Untersuchun-gen zur statischen Festigkeit bestätigt.

Die Ermüdungsfestigkeit der UP-gefüllten Hybridnaht ist gegenüber der reinen UP-Naht deutlich besser. Ursachen hierfür liegen jedoch nicht vorrangig im geringeren Eigenspan-nungszustand (insbesondere quer zur Naht), sondern u. a. im milderen Kerb-übergang der UP-gefüllten Hybridnaht und deren geringerem Winkelverzug.

Die Untersuchungen im Rahmen des Projektes ergaben, dass die Wirt-schaftlichkeit der Hybridverbindung höher als die der UP-Verbindung ist. Eine Abschätzung ergab eine 20%ige Kostenersparnis in der Fertigung, da mit dem Einsatz des Hybridprozesses für das Schweißen der Nahtwurzel der Aufwand für Zusatzwerkstoff und der Energie zum Füllen der Deckla-gen mittels UP-Schweißens deutlich reduziert werden konnte. Berücksich-tigt wurde dabei bereits der höhere Aufwand für das Vorwärmen beim Hy-bridschweißen. Die Verifizierung die-ser Einschätzungen unter realen Fer-tigungsbedingungen steht noch aus.

Danksagung

Das Vorhaben wurde im Rahmen des Förderprogramms des Bundesministe-riums für Wirtschaft und Technologie „FuE-Förderung gemeinnütziger exter-ner Industrieforschungseinrichtungen in Ostdeutschland – Innovationskom-petenz Ost (INNO-KOM-OST) – Mo-

men sowohl parallel als auch quer zur Schweißnaht wuchsen.

Bei der UP-Schweißverbindung wurden im nahtnahen Bereich Zug-eigenspannungen parallel zur Naht in Höhe von ca. σres = 300 N/mm² ge-messen.

Bei der Laserhybridschweißver-bindung mit UP-Decklagen wurden Zugeigenspannungen von ca. σres = 250 N/mm² ermittelt. Die Messungen bestätigten die Annahme, dass auf-grund des geringeren Schweißnahtvo-lumens bei der Hybridschweißverbin-dung niedrigere Eigenspannungen nur tendenziell auftreten. Zu beachten ist dabei, dass durch die röntgenographi-schen Eigenspannungsmessungen nur Aussagen über oberflächennahe Eigen-spannungen gemacht werden können. Eigenspannungstiefenverläufe sind un-ter Anwendung des Elektropolierens möglich. Auf diese wurde hier ver-zichtet, da sich die Stellen mit höchs-ter Beanspruchung an der Oberfläche befinden. Die Simulationen bestätig-ten den qualitativen Verlauf der Eigen-spannungen aus der Messung.

Zusätzliche röntgenographische Eigenspannungsmessungen an Schwingproben nach N = 10n Schwing-spielen (mit n = 0 bis 6) sollten zeigen, ob ein Eigenspannungsabbau erfolgt. Aufgrund des Brennfleckdurchmessers bei der Eigenspannungsmessung war eine Messung direkt im Kerbübergang und damit an der Stelle der höchsten Spannungskonzentration nicht repro-duzierbar durchführbar. Es konnte nur in einem Abstand von ca. 2 mm neben dem Nahtübergang gemessen werden. Dort konnte kein Abbau von Eigenspannungen beobachtet werden.

4 Schlussfolgerungen

Das Ziel des Projektes, die Ermüdungs-festigkeit dickwandiger geschweißter

Tabelle 7.  Kerbfaktor und Kerbspannungen beider Schweißverbindungen in N/mm²Table 7.  Notch factor and notch stresses of both welding joints

UP-Schweißverbindung Hybridschweißverbindung