Laserstrahl- und Laserstrahl-MSG-hybridgeschweißte Verbindungen aus ultrahochfesten Feinkornbaustählen

Ultrahochfeste Feinkornbaustähle werden im Mobilkranbau und verwandten Industriezweigen zunehmend eingesetzt, um Leichtbau zu betreiben. Aufgrund der werkstoffspezifischen Besonderheiten begrenzen aktuell Schweißverbindungen die Beanspruchbarkeit der komplexen Tragkonstruktionen, sowohl gegenüber statischen als auch wechselnden Beanspruchungen, maßgeblich. Das Laserstrahlschweißen und das Laserstrahl-Metallschutzgas-Hybridschweißen bieten hier zahlreiche Vorteile, wie die deutlich reduzierte Wärmeeinbringung, die große Einschweißtiefe und die hohe Reproduzierbarkeit. Der Einsatz ist bisher aber Sonderanwendungen vorbehalten. ... mehrFehlende Erfahrungswerte und Kenntnisse über Fertigungs- und Schweißprozesseinflüsse sowie nicht validierte Bemessungsempfehlungen sind hierfür wesentliche Gründe.
Um den sicheren Einsatz laserstrahl- und laserhybridgeschweißter Verbindungen aus höchst- und ultrahochfesten Feinkornbaustählen (960 MPa ≤ Rp0,2 ≤ 1300 MPa) zu gewährleisten, liefert diese Arbeit einen wichtigen Beitrag. Hierzu belegen die durchgeführten Schweißversuche die Anwendbarkeit der Fügeverfahren für typische Konstruktionsdetails des Mobilkranbaus. Die Schweißnahtcharakterisierung zeigt, dass reproduzierbar eine mittelhohe (Laserhybrid) bis hohe (Laserstrahl) Nahtqualität erzielt werden kann. Jedoch variiert das metallurgische Gefüge in der Schweißzone der martensitisch geprägten Grundwerkstoffe mitunter erheblich. Wegen der höheren Legierungsgehalte sowie begünstigt durch die sehr hohen Abkühlraten beim Laserstrahlschweißen neigen die Werkstoffe zu einer Aufhärtung in der WEZ. Verbreitet ist zudem ein Härteabfall in der Anlasszone, welcher maßgebend das quasi-statische Versagen im Querzugversuch bestimmt.
Im Mittelpunkt der Arbeit steht das Ermüdungsverhalten der Fügeverbindungen. Grundlage bilden Schwingversuche an Kleinprüfkörpern, ergänzt durch praxisnahe Großbauteilversuche in Anlehnung an den Teleskopausleger. Unterschiede hinsichtlich der Ermüdungsfestigkeit resultieren in erster Linie aus der lokalen Schweißnahtgeometrie, welche maßgebend durch das Fügewerkzeug – Laserstrahl bzw. Laserstrahl und MSG-Lichtbogen – geprägt wird. Auf Nennspannungsbasis ist zwischen den laserhybrid- (Kerbfall 71) und den laserstrahlgeschweißten Stumpfstößen (Kerbfall 100) zu unterscheiden. Die kerbspannungsbasierten Untersuchungen deuten auf eine moderat niedrigere lokale Ermüdungsfestigkeit der betrachteten Werkstoffgruppe hin. Diese lässt sich mit einer geringeren Stützwirkung infolge des sehr feinkörnigen Gefüges im Kerbbereich begründen. Für den präferierten Ersatzkerbradius von 0,3 mm wird daher der moderat angepasste Kerbfall 260 (m = 3) empfohlen. Darüber hinaus wird das Anwendungspotenzial einer kerbdehnungsbasierten Bewertung unter Berücksichtigung des zyklischen, elastisch-plastischen Werkstoffverhaltens für Schweißverbindungen aufgezeigt.
Die praxisrelevanten Bemessungsempfehlungen sind derzeit auf den Zeit- und Langzeitfestigkeitsbereich beschränkt. Genaue Kenntnis der Anwendungsgrenzen ist für die Auslegung der hier im Fokus stehenden, typischerweise bei hohen Beanspruchungshorizonten eingesetzten Schweißverbindungen von besonderer Relevanz. Daher wird auf Grundlage einer integralen Betrachtung der Schweißzone eine Methode zur Abgrenzung der Kurzzeitfestigkeit entwickelt. Das Verfahren basiert auf einer kombinierten Auswertung von kraft- und dehnungsgeregelten Schwingversuchen an Kerbdetailproben. Ziel ist die Kalibrierung einer trilinearen Dehnungswöhlerlinie über mehrere Lebensdauerbereiche hinweg, anhand derer ein Abgrenzkriterium zwischen dem Kurzzeit- und Zeitfestigkeitsbereich abgeleitet wird.
Die erarbeiteten Ergebnisse führen zu angepassten Bemessungsempfehlungen für das Nenn- und Kerbspannungskonzept, die in die Regelwerke übernommen werden können.

Ultra-high-strength fine-grained structural steels are increasingly used in mobile cranes and related applications to achieve lightweight construction. Due to the specific properties of these materials, welded joints currently considerably restrict the resilience of the complex support structures to both static and alternating loads. Laser beam welding and laser beam gas metal arc hybrid welding provide numerous advantages here, such as significantly reduced heat input, deep penetration and high reproducibility. However, their use has so far been limited to special applications. ... mehrThe lack of experience and knowledge of manufacturing and welding process influences as well as non-validated design recommendations are key reasons for this.
To ensure the safe use of laser beam and laser hybrid welded joints made of ultra-high strength steels (960 MPa ≤ Rp0,2 ≤ 1300 MPa), this work makes an important contribution. The welding tests conducted demonstrate the applicability of the joining processes for typical constructional details of mobile cranes. The weld characterization shows that a medium-high (laser hybrid) to high (laser beam) weld quality can be achieved reproducibly. However, the metallurgical microstructure in the weld zone of the martensitic-stamped base materials can vary considerably. Due to the higher alloy contents and favoured by the very high cooling rates during laser beam welding the materials tend to harden in the heat-affected zone. Additionally, a drop in hardness is common in the tempering zone, which significantly influences quasi-static failure in the transverse tensile test.
This work focuses on the fatigue behaviour of the welded joints. The basis is formed by cyclic tests on small-scale specimens, complemented by practical large-scale component tests, which are chosen by analogy with the telescopic boom. Differences in fatigue strength result primarily from the local weld geometry, which is decisively influenced by the joining tool – laser beam or laser beam and arc. According to the nominal stress approach, a distinction must be made between the laser hybrid (FAT 71) and the laser beam welded (FAT 100) butt joints. The notch stress-based investigations indicate a moderately lower local fatigue strength of the examined material group. This can be explained by lower support effects due to the very fine-grained microstructure in the notch area. For the preferred reference notch radius of r = 0.3 mm, moderately adapted FAT 260 (m = 3) is therefore recommended. Furthermore, the application potential of a notch strain-based approach, considering the cyclic, elastic-plastic material behaviour, is demonstrated for welded joints.
Practical design recommendations are currently limited to the high-cycle and very-high-cycle fatigue regime. Precise knowledge of the application limits is particularly relevant for the design of the welded joints in focus here, which are typically used under high loads. Therefore, a method for delimiting the low-cycle fatigue regime is developed using an integral assessment of the weld zone. The method is based on a combined evaluation of force- and strain-controlled fatigue tests on small-scale welded specimens. The aim is to calibrate a trilinear strain-life curve over several fatigue life regimes. The strain-life curve will be used to derive a criterion for differentiating between the low-cycle and high-cycle fatigue regime.
The results obtained lead to adapted design recommendations for the nominal and notch stress approach, which can be incorporated into the standards.