Risse am Schweißrahmen eines mobilen Prüfstands
Ein mobiler Prüfstand wird im Freien eingesetzt. Der Rahmen besteht aus 6 mm dickem S355J2; zwei Kehlnähte mit a = 4 mm und je 80 mm Länge verbinden eine Lasche mit dem Rahmen. Im Betrieb wirkt eine dynamische Zugkraft von 12 kN, die über die Lebensdauer etwa 10⁶ Lastwechsel erreicht. Die statische Überschlagsrechnung des Konstrukteurs ergab eine Schubspannung von etwa 26 N/mm² und wurde als unkritisch bewertet. Nach sechs Monaten zeigen sich Risse am Nahtübergang, obwohl die Last nie über 12 kN lag. Die Bleche sind überlappend geschweißt, im Bereich der Naht ist ein Spalt vorhanden; der Nahtübergang wurde nicht nachbehandelt. Die Umgebungstemperatur liegt im Winter bei −10 °C. Eine Schweißnahtvorbereitung oder eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erfolgte nicht. Der Betreiber fordert eine Ursachenklärung und eine dauerhafte Lösung, ohne den Prüfstand komplett neu zu bauen.
1. Beurteilen Sie, ob die Risse durch eine zu kleine statische Nahtdimension erklärt werden können. Führen Sie eine Überschlagsrechnung durch.
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Die wirksame Kehlnahtdicke beträgt a_w = 0,707 · a = 0,707 · 4 mm ≈ 2,83 mm. Bei zwei Nähten mit je 80 mm Länge ist die Schubfläche:
A_w = 2 · 80 mm · 2,83 mm ≈ 452 mm².
Die mittlere Schubspannung bei 12 kN ist damit:
τ = 12.000 N / 452 mm² ≈ 26,5 N/mm².
Für S355J2 liegt die Streckgrenze bei 355 N/mm². Selbst mit einer konservativen Sicherheit von 1,5 gegen Fließen ergäbe sich eine zulässige Vergleichsspannung in der Größenordnung von 355/(√3·1,5) ≈ 137 N/mm². Die Naht ist mit 26,5 N/mm² statisch nur zu etwa 19 % ausgelastet. Eine statische Unterdimensionierung erklärt die Risse daher nicht.
Die Risse sind vielmehr schwingungsbedingt zu erwarten: Die überlappte Stoßform erzeugt eine Kerbe am Nahtübergang, der Spalt wirkt als zusätzlicher Kerbgrund, und die Naht wurde nicht nachbehandelt. Bei 10⁶ Lastwechseln wird die Schwingfestigkeit des Details maßgeblich; die statische Rechnung erfasst diese Kerbwirkung nicht.
2. Nennen Sie drei konkrete Maßnahmen und bewerten Sie ihre Wirksamkeit im Hinblick auf die Schwingfestigkeit.
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1. Nahtübergang nachbehandeln: Der Nahtübergang wird geschliffen, sodass ein möglichst kerbfreier Übergang zum Grundwerkstoff entsteht. Das ist vergleichsweise einfach nachrüstbar und verbessert die Schwingfestigkeit deutlich, weil die Rissausgangsstelle entschärft wird. Der Spalt und die Überlappung bleiben aber bestehen.
2. Konstruktion ändern: Die Überlappung wird durch eine Stumpfnaht oder eine beidseitig ausgeführte Kehlnaht mit besserem Kraftfluss ersetzt; der Spalt wird beseitigt. Das ist die wirksamste Maßnahme, weil die Kerbwirkung an der Wurzel entfällt und die Last gleichmäßiger eingeleitet wird. Sie erfordert jedoch eine Nacharbeit am Rahmen.
3. Nahtdicke und Nahtlänge erhöhen: Eine Erhöhung von a = 4 mm auf a = 5 mm senkt die Nennspannung nur auf etwa 21 N/mm²; das ist keine entscheidende Verbesserung. Wirksamer ist eine längere Naht oder eine Vollanschlussnaht, die die Spannungsspitzen reduziert. Eine bloße Vergrößerung der Blechdicke würde die Steifigkeit erhöhen und möglicherweise mehr Last anziehen, ohne die Kerbe zu beseitigen.
Zusätzlich sollten die Schweißparameter und die Wasserstoffarmut geprüft werden; bei 6 mm S355J2 ist eine Vorwärmung bei normaler Umgebungstemperatur nicht zwingend, bei −10 °C und starkem Zwang sind die Herstellbedingungen aber zu dokumentieren.