Influence of deep rolling on the fatigue resistance of butt-welded joints

Zur Erreichung der Klimaziele ist ein signifikanter Ausbau der Offshore-Windenergie erforderlich. Die Tragstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen sind während ihrer Lebensdauer einer sehr hohen Zahl von Lastwechseln ausgesetzt, wodurch die Ermüdung zu einem maßgebenden Bemessungskriterium wird. Besonders kritisch sind Schweißnähte, da dort lokale Spannungskonzentrationen und Zugeigenspannungen auftreten, die die Rissinitiierung begünstigen. Nachbehandlungsverfahren von Schweißnähten bieten eine effektive Möglichkeit, die Ermüdungsfestigkeit zu erhöhen und gleichzeitig Material- und Fertigungsaufwand zu reduzieren. Für Monopiles, die die dominierende Gründungsstruktur von Offshore-Windenergieanlagen darstellen, ist die Fertigung weitgehend automatisiert. Entsprechend eignen sich auch automatisierte Nachbehandlungsverfahren besonders gut. Das Festwalzen ist ein mechanisches Oberflächenbehandlungsverfahren, das durch die Einbringung von Druckeigenspannungen und eine Verfestigung der Randzone die Ermüdungsfestigkeit erhöht. Bislang wurde das Festwalzen jedoch nicht systematisch für Schweißverbindungen im Stahlbau untersucht. Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss des Festwalzens als Schweißnahtnachbehandlung auf die Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen. Hierzu wurde ein umfangreiches Versuchsprogramm mit Stumpfnähten aus den Stählen S355MLO, S460ML und S690QL1 bei Blechdicken zwischen 19 und 60 mm durchgeführt. Die Festwalzprozessparameter wurden variiert, insbesondere der Kugeldurchmesser (2–13 mm). Ergänzend zu den Ermüdungsversuchen, anhand derer Wöhlerlinien abgeleitet wurden, erfolgten Analysen der Eigenspannungen, Härte und Schweißnahtgeometrie. Die Ergebnisse zeigen, dass das Festwalzen Druckeigenspannungen von mehr als -600 MPa in Tiefen von 50–1000 µm erzeugt und eine Verfestigung der Oberfläche bewirkt. Die Verfestigung war für S355MLO und S460ML deutlich erkennbar, bei der hochfesten Serie S690QL1 jedoch deutlich geringer ausgeprägt. Zur Quantifizierung des Einflusses auf die Schweißnahtgeometrie wurden automatisierte Auswertungsmethoden für Kerbradius und Nahtanstiegswinkel weiterentwickelt und verglichen. Diese Methoden erlauben nun eine zuverlässige geometrische Bewertung auf Basis von Scandaten. Zudem wurden Empfehlungen hinsichtlich der erforderlichen Scanauflösung und geometrischen Anforderungen abgeleitet. Die vor und nach dem Festwalzen durchgeführten Scans zeigten, dass die Wirksamkeit des Verfahrens von den Prozessparametern, dem Grundwerkstoff und der initialen Geometrie der Schweißnaht abhängt. Kleine Kugeldurchmesser führten nur zu geringen geometrischen Änderungen, während größere Kugeln erhöhte Kontaktkräfte und deutliche plastische Verformungen bewirkten. Flache Übergänge konnten dabei signifikant ausgerundet werden, während bei steilen Schweißnähten vereinzelt initiale Kerben entstanden, die zu erhöhten lokalen Spannungskonzentrationen führten. Trotz dieser geometrieabhängigen Effekte zeigten die Ermüdungsversuche eine deutliche Festigkeitssteigerung in allen untersuchten Serien. Ein umfassendes Versuchsprogramm verdeutlichte den Einfluss von Werkstoffgüte und Blechdicke und ermöglichte Vergleiche mit unbehandelten sowie HFH-behandelten Proben. Auf Basis dieser Ergebnisse wurden Empfehlungen für die Ermüdungsbewertung festgewalzter Schweißnähte abgeleitet. Insbesondere wird vorgeschlagen, analoge Kerbfallklassen wie für HFH-Behandlungen anzuwenden, wodurch die Ermüdungsfestigkeit von Stumpfnähten in Abhängigkeit von der Streckgrenze auf FAT 160 bzw. FAT 180 angehoben werden kann. Numerische Simulationen mit realer Schweißnahtgeometrie wurden durchgeführt, um probenspezifische Kerbwirkungszahlen zu bestimmen. Die Bewertung nach dem Kerbspannungskonzept zeigte, dass die durch Festwalzen erreichte Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit im Wesentlichen auf die eingebrachte Druckeigenspannung und die Randschichthärtung zurückzuführen ist, während die Geometrieänderung nur eine untergeordnete Rolle spielt. Darüber hinaus wurde der Einspannvorgang vor den Ermüdungsversuchen simuliert und gezeigt, dass Schweißimperfektionen zu Biegespannungen in den Proben führen können. Die Arbeit stellt eine umfangreiche Datenbasis zu festgewalzten Schweißverbindungen bereit, ergänzt durch unbehandelte und HFH-behandelte Referenzen. Sie liefert erste Empfehlungen für die Ermüdungsbewertung von festgewalzten Schweißverbindungen und praxisorientierte Vorschläge für die Anwendung im Stahlbau. Darüber hinaus werden automatisierte Methoden zur Geometriebewertung von Schweißnähten weiterentwickelt und ein vertieftes Verständnis für den Einfluss von Prozessparametern, Werkstoffeigenschaften und Nahtgeometrie im Zusammenhang mit dem Festwalzen geschaffen.