Eigenspannungen in Schweißnähten und ihre Wirkung auf die Ermüdungslebensdauer

Schweißen ist eines der am häufigsten eingesetzten Fügeverfahren im Ingenieurwesen, führt aber unweigerlich Eigenspannungen in das Bauteil ein. Diese eingesperrten Spannungen — insbesondere die Zugeigenspannungen am Schweißnahtübergang — können die Ermüdungslebensdauer drastisch reduzieren, manchmal um den Faktor zwei oder mehr. Dieser Artikel erklärt, woher Schweißeigenspannungen kommen, warum sie für die Ermüdung so schädlich sind, wie sie abgeschätzt oder gemessen werden können und welche Strategien zur Minderung ihrer Auswirkungen verfügbar sind.

Quellen von Eigenspannungen

Eigenspannungen sind Spannungen, die in einem Werkstoff verbleiben, nachdem die ursprüngliche Ursache entfernt wurde. Im Gegensatz zu Spannungen aus äußeren Lasten resultieren sie aus Fertigungsprozessen, die plastische Verformung, Temperaturgradienten oder Phasenumwandlungen beinhalten. Zerspanung, Gießen, Schmieden und Schweißen erzeugen alle Eigenspannungen. Von diesen produziert das Schweißen einige der höchsten Beträge — Zugeigenspannungen in einer Schweißverbindung können sich der Fließgrenze des Grundwerkstoffs annähern.

Wie Eigenspannungen beim Schweißen entstehen

Beim Schweißen erzeugt der lokalisierte Wärmeeintrag steile Temperaturgradienten. Die erwärmte Zone dehnt sich aus, aber das umgebende kalte Material behindert diese Ausdehnung, was zu einer plastischen Stauchung des heißen Schweißguts führt. Beim Abkühlen und Schrumpfen versucht die plastisch verformte Zone sich zusammenzuziehen, wird aber vom umgebenden Grundwerkstoff zurückgehalten, wodurch Zugeigenspannungen in der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone (WEZ) verbleiben, ausgeglichen durch Druckeigenspannungen weiter entfernt (siehe Abbildungen 1 und 2).

Abkühlprozess einer Schweißnaht mit Schrumpfung des Schweißguts und Zugeigenspannungen
Abbildung 1. Schrumpfung des Schweißguts beim Abkühlen, die zu Zugeigenspannungen führt (für größeres Bild klicken).
Eigenspannungen entlang einer Schweißnaht - Druck- und Zugeigenspannungen dargestellt
Abbildung 2. Zugeigenspannungen (rot) und Druckeigenspannungen (grün) entlang der Länge einer Schweißnaht (für größeres Bild klicken).

Auswirkungen auf Ermüdung und Dauerhaftigkeit

Zugeigenspannungen am Schweißnahtübergang sind aus mehreren Gründen besonders schädlich:

  • Reduzierung der Ermüdungslebensdauer: Zugeigenspannungen erhöhen die Mittelspannung des Ermüdungszyklus, was sowohl die Rissentstehung als auch die Rissausbreitung beschleunigt. Bei ungeschweißten Bauteilen treibt typischerweise nur der Zuganteil eines Lastzyklus das Ermüdungsrisswachstum. In einer Schweißverbindung mit hohen Zugeigenspannungen kann der gesamte Zyklus — einschließlich dessen, was sonst eine Druckphase wäre — vollständig in den Zugbereich verschoben werden und zur inkrementellen Schädigung beitragen (siehe Abbildung 3). Deshalb verlangen Schweißermüdungsnormen wie BS 7608 und EN 1993-1-9, dass die volle Spannungsschwingbreite in der Ermüdungsbewertung verwendet wird, unabhängig vom R-Verhältnis der aufgebrachten Belastung.
  • Spannungsrisskorrosion: In korrosiven Umgebungen können Zugeigenspannungen Spannungsrisskorrosion (SCC) einleiten und vorantreiben, bei der sich Risse unter der kombinierten Wirkung von anhaltender Zugspannung und einem korrosiven Medium entwickeln.
  • Verzug: Die ungleichmäßige Verteilung der Eigenspannungen kann das Bauteil verziehen, was die Maßhaltigkeit und Passgenauigkeit bei der Montage beeinträchtigt.
Wirkung einer Eigenspannung auf die Mittelspannung eines Spannungszyklus
Abbildung 3. Links: aufgebrachter Spannungszyklus mit Zug- und Druckanteil — typischerweise treibt nur der Zuganteil das Ermüdungsrisswachstum. Rechts: eine Zugeigenspannung verschiebt den gesamten Zyklus in den Zugbereich.

Es ist erwähnenswert, dass Eigenspannungen nicht immer schädlich sind. Druckeigenspannungen an der Oberfläche verzögern die Rissentstehung und können die Ermüdungslebensdauer erheblich verbessern. Dieses Prinzip wird gezielt in Verfahren wie dem Kugelstrahlen genutzt. Da Eigenspannungen jedoch über den Querschnitt im Gleichgewicht sein müssen, erzeugt das Einbringen von Druckeigenspannungen an einer Stelle unweigerlich Zugeigenspannungen an anderer Stelle — ein Kompromiss, der verstanden und gesteuert werden muss.

Abschätzung und Messung von Eigenspannungen

Finite-Elemente-Analyse

Die Finite-Elemente-Analyse kann den Schweißprozess simulieren — Wärmeeintrag, thermische Gradienten, Phasenumwandlungen und elasto-plastisches Materialverhalten — um Betrag und Verteilung der Eigenspannungen vorherzusagen. Diese Fähigkeit ermöglicht es Ingenieuren, verschiedene Schweißfolgen, Nahtformen oder Einspannstrategien vor der Fertigung zu bewerten und den Bedarf an kostspieligen Versuch-und-Irrtum-Ansätzen an realen Bauteilen zu reduzieren.

Experimentelle Messung

Es existieren mehrere experimentelle Techniken, gruppiert nach dem Grad der erforderlichen Materialabtragung:

  • Zerstörende Methoden: Die Konturmethode erzeugt eine zweidimensionale Eigenspannungskarte, indem ein präziser Schnitt durch das Bauteil gelegt und die resultierende Oberflächenverformung gemessen wird; die Schlitzmethode bestimmt die Durchdickungsspannung durch schrittweises Vertiefen eines schmalen Schlitzes und Aufzeichnung der Dehnungsentlastung bei jedem Schritt.
  • Teilzerstörende Methoden: Bohrlochverfahren und Tiefbohrverfahren messen Eigenspannungen, indem eine kleine Bohrung eingebracht und die Dehnungsentlastung in deren Umgebung aufgezeichnet wird. Das Bohrlochverfahren eignet sich für oberflächennahe Spannungen; das Tiefbohrverfahren kann Spannungen tief im Inneren dickwandiger Bauteile erfassen.
  • Zerstörungsfreie Methoden: Röntgendiffraktion misst oberflächennahe Eigenspannungen durch Detektion von Änderungen der Gitterabstände infolge der Spannung; Neutronendiffraktion nutzt die hohe Eindringtiefe von Neutronen, um Spannungen im Inneren des Werkstoffs zu kartieren; Ultraschallprüfung leitet Spannungen aus Änderungen der Schallgeschwindigkeit ab.

Gegenmaßnahmen

Mehrere Strategien können Schweißeigenspannungen reduzieren oder umverteilen, um die Ermüdungs- und Dauerhaftigkeitsleistung zu verbessern:

  • Vorbehandlungen: Vorwärmen reduziert den Temperaturgradienten zwischen Schweißzone und Grundwerkstoff, was wiederum den Betrag der während der Abkühlung entstehenden Eigenspannungen verringert.
  • Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT): Spannungsarmglühen bei kontrollierter Temperatur ermöglicht dem Werkstoff plastische Relaxation, wodurch die Eigenspannungen signifikant reduziert werden. PWHT wird von vielen Normen für dickwandige Druckgeräte vorgeschrieben.
  • Mechanische Nachbehandlungsverfahren: Kugelstrahlen, Laserpeening, Hämmerpeening (HFMI) und Rollieren bringen günstige Druckeigenspannungen am Schweißnahtübergang ein, die den schädlichen Zugeigenspannungen direkt entgegenwirken und die Ermüdungslebensdauer erheblich verbessern.
  • Optimierte Schweißparameter: Geringerer Wärmeeintrag, kontrollierte Zwischenlagentemperaturen, ausbalancierte Schweißfolgen und geeignete Nahtgestaltung tragen alle dazu bei, das Eigenspannungsfeld ohne die Notwendigkeit einer Nachbehandlung zu minimieren.

Fazit

Schweißeigenspannungen sind eine unvermeidliche Folge des Schweißprozesses, aber keine unkontrollierbare. Den Mechanismus zu verstehen — lokalisierte plastische Verformung während der Abkühlung erzeugt Zugeigenspannungen, die den Ermüdungszyklus in einen schädlicheren Bereich verschieben — ist der erste Schritt zur Beherrschung des Problems. Durch die Kombination von FEA-Vorhersage, gezielter Messung und geeigneten Gegenmaßnahmen (Wärmebehandlung, mechanisches Peening oder optimierte Schweißparameter) können Ingenieure sicherstellen, dass geschweißte Strukturen ihre vorgesehene Auslegungslebensdauer erreichen.

Mehr zur Ermüdungsbewertung geschweißter und ungeschweißter Bauteile erfahren Sie in unserem Kurs Einführung in Ermüdungsberechnungen mit FEA. Für Projekte, die spezialisiertes Schweißermüdungs-Ingenieurwesen erfordern, kann unser Ermüdungsanalyse-Team helfen.

Häufig gestellte Fragen

Häufige Fragen zu Schweißeigenspannungen und Ermüdung.

Die Schweißermüdungs-Bemessungskurven in Normen wie BS 7608 und EN 1993-1-9 wurden aus Versuchsdaten an Proben im Schweißzustand abgeleitet, die bereits hohe Zugeigenspannungen enthalten. Da diese Eigenspannungen den lokalen Spannungszyklus unabhängig vom aufgebrachten R-Verhältnis in den vollständig zugbeanspruchten Bereich verschieben, trägt auch der Druckanteil eines extern aufgebrachten Zyklus zur Ermüdungsschädigung bei. Die Normen berücksichtigen dies, indem sie die Verwendung der vollen Spannungsschwingbreite vorschreiben, was implizit den ungünstigsten Eigenspannungszustand annimmt.

In stark eingespannten Verbindungen können Längszugeigenspannungen sich der Fließgrenze des Schweißguts oder der Wärmeeinflusszone annähern oder diese sogar erreichen. Bei Stahlbauschweißnähten kann dies 300–500 MPa Zugeigenspannung am Schweißnahtübergang bedeuten. Quereigenspannungen sind in der Regel geringer, aber dennoch signifikant. Der genaue Betrag hängt von Nahtgeometrie, Blechdicke, Einspannungsgrad, Schweißverfahren und Wärmeeintrag ab.

Nicht vollständig, aber eine ordnungsgemäß durchgeführte PWHT reduziert Eigenspannungen typischerweise auf 10–30 % des Niveaus im Schweißzustand, was in der Regel ausreicht, um deren schädliche Wirkung auf die Ermüdung zu beseitigen. Die Wirksamkeit hängt von Haltetemperatur, Haltezeit, Aufheiz- und Abkühlraten sowie dem Werkstoff ab. Einige Normen, darunter EN 13445 für Druckbehälter, geben explizite PWHT-Anforderungen vor und erlauben eine günstigere Ermüdungsbewertung, wenn eine PWHT durchgeführt wurde.