Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMInnere Schweißnahtfehler wie Poren, Einschlüsse und Bindefehler verursachen in der Industrie kostspielige Nacharbeiten – obwohl viele dieser Unregelmäßigkeiten für die Ermüdungsfestigkeit tatsächlich unkritisch sind. Moderne Ultraschallverfahren (PAUT, TOFD) können erstmals Größe und Position innerer Fehler präzise erfassen, doch die geltenden Regelwerke (ISO 5817, IIW) berücksichtigen den Randabstand nicht. LIMPER schließt diese Lücke: Erstmals werden wissenschaftlich fundierte, kerbfallklassenabhängige Grenzwerte für innere Unregelmäßigkeiten unter Berücksichtigung von Lage, Art, Größe und Werkstoffeinfluss erarbeitet. Die Ergebnisse fließen direkt in die ISO 5817 und die IIW-Empfehlungen ein. Für Stahlbau-, Windenergie- und Offshore-Unternehmen bedeutet das: weniger unnötige Reparaturen, geringere Fertigungskosten und eine bessere Ausnutzung der tatsächlichen Verbindungsfestigkeit.
Festlegung von kerbfallklassenabhängigen Grenzwerten für innere Unregelmäßigkeiten von Schweißverbindungen – Limits of inner imperfections - LIMPER
Laufendes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Marktbedarf und gesellschaftliche Herausforderung
Innere Unregelmäßigkeiten in Schweißnähten – Poren, Einschlüsse und Bindefehler – lassen sich auch mit modernsten Schweißprozessen nicht vollständig vermeiden. Die aktuellen Regelwerke (ISO 5817, IIW-Richtlinie, Eurocode 3) klassifizieren diese Fehler ausschließlich nach Art und Größe. Die Position – insbesondere der Randabstand zur Oberfläche – wird nicht berücksichtigt, obwohl Forschungsergebnisse eindeutig zeigen, dass mittig liegende Fehler deutlich weniger kritisch sind als oberflächennahe. Gleichzeitig treiben steigende Material- und Energiepreise die Industrie zu höheren Festigkeitsklassen (FAT) die durch Nachbehandlungsmethoden wie Reinigungsstrahlen oder Hochfrequenzhämmern (HFH) erreicht werden können, wodurch innere Fehler zum limitierenden Element werden. Die Folge: aufwändige zerstörungsfreie Prüfungen, kostspielige Nacharbeiten (Reparaturraten bis über 10 %) und teilweise der Rückbau ganzer Strukturen – obwohl viele detektierte Fehler für die Lebensdauer tatsächlich unkritisch sind. Besonders KMU im Stahlbau, in der Windenergie und im Offshore-Bereich sind betroffen, da sie weder eigene Qualitätsstandards noch die Forschungskapazitäten besitzen, individuelle Bewertungen durchzuführen.
Lösungsansatz des Projekts
LIMPER kombiniert umfangreiche experimentelle Schwingfestigkeitsuntersuchungen (ca. 180 Proben) mit numerischen Parameterstudien (ca. 3.000 FE-Berechnungen), um kerbfallklassenabhängige Grenzwerte für innere Unregelmäßigkeiten zu ermitteln. Drei industriell relevante Werkstoffe (S355, S690, X6CrNiTi18-10) werden untersucht. An Schweißproben mit gezielt eingebrachten Fehlern definierter Größe, Position und Orientierung werden Lebensdauern experimentell ermittelt und mit einem validierten Zweiphasenmodell (Rissinitiierung + Rissfortschritt) rechnerisch reproduziert. Parallel quantifiziert ein ZfP-Ringversuch mit 7 Prüfunternehmen die Detektierbarkeit und Messgenauigkeit moderner Ultraschallverfahren. Die Ergebnisse werden in positionsabhängige Grenzwerttabellen überführt, die direkt in bestehende Normen integrierbar sind.
Beitrag zur Bewältigung der Herausforderungen
Das Projekt liefert der Industrie erstmals wissenschaftlich fundierte, positionsabhängige Grenzwerte, die unnötige Nacharbeiten an unkritischen inneren Fehlern vermeiden – bei gleichzeitiger Sicherstellung der Ermüdungsfestigkeit. Die Ergebnisse fließen direkt in die ISO 5817, ISO 10675-1 und die IIW-Empfehlungen ein und sind somit für die gesamte deutsche und internationale Stahl- und Schweißindustrie unmittelbar nutzbar. Für KMU bedeutet das: erhebliche Kosteneinsparungen bei Fertigung und Inspektion, weniger Produktionsverzögerungen und eine bessere Ausnutzung der tatsächlichen Leistungsfähigkeit geschweißter Verbindungen. Langfristig unterstützt dies Leichtbau und Ressourceneffizienz in Schlüsselbranchen wie Windenergie, Offshore, Brückenbau und Anlagentechnik.
Die Arbeitspakete des Fraunhofer IWM:
Werkstoffkennwerte für Schweißgutwerkstoffe:
- Vollständige experimentelle Datenbasis aus mindestens 125 Versuchen: Schädigungsparameter-Wöhlerlinien (PRAM), zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurven sowie Risszähigkeiten, Schwellenwerte und Rissfortschrittskurven auf Mikrostrukturebene
- Eine durchgängige Werkstoffcharakterisierung, die lokale Schädigungsmechanismen und ingenieurmäßig anwendbare Kennwerte gleichermaßen abdeckt – von der Mikro- bis zur Makroskala
Rechnerisch abgesicherte Grenzwerte für innere Schweißnahtunregelmäßigkeiten:
- Kalibrierte FE-Modelle innerer Unregelmäßigkeiten auf Basis realer CT- und Bruchflächendaten
- Rund 3.000 systematische Lebensdauerberechnungen, die den vollständigen Parameterraum aus Fehlergröße, Randabstand, Fehlercluster-Abstand und Blechdicke (10–100 mm) für drei Fehlerarten und acht Lastniveaus abdecken
- Eine belastbare Zuordnung berechneter Lebensdauern zu Kerbfallklassen von FAT63 bis FAT160 – als direkte Grundlage für Bemessungsempfehlungen
Internationale Regelwerksempfehlung:
- Eine tabellarische Empfehlung zur Ergänzung von ISO 5817 und den IIW-Empfehlungen, die alle experimentellen und rechnerischen Projektergebnisse normgerecht zusammenführt
- Durch aktive Mitarbeit in den IIW-Kommissionen C-X und C-XIII stellt das Fraunhofer IWM sicher, dass diese Empfehlungen international in die Regelwerke übernommen werden
Auf der Grundlage der Projektergebnisse kann das Fraunhofer IWM Industrieunternehmen folgende Forschungs- und Entwicklungsleistungen anbieten:
1. Rechnerische Lebensdauerbewertung innerer Schweißnahtfehler
Das Fraunhofer IWM bewertet detektierte innere Unregelmäßigkeiten in Schweißnähten individuell hinsichtlich ihrer Ermüdungsrelevanz – in Abhängigkeit von Position, Größe, Fehlerkonfiguration und Werkstoff, auf Basis des validierten Zweiphasenmodells.
- Individuelle Lebensdauerbewertung detektierter innerer Unregelmäßigkeiten für konkrete Schweißkonstruktionen
- Bewertung einzelner Fehler, Fehlercluster und deren Wechselwirkung
- Einordnung in bestehende Kerbfallklassen (FAT63 bis FAT160)
2. Maßgeschneiderte Grenzwertberechnungen für kundenspezifische Werkstoffe und Geometrien
Das Fraunhofer IWM führt automatisierte Parameterstudien durch und erstellt individuelle Bewertungsgrundlagen für Werkstoffe und Blechdicken, die über die normierten Standardfälle hinausgehen.
- Parameterstudien für Sonderstähle, Aluminiumwerkstoffe und große Blechdicken (> 100 mm)
- Systematische Berechnung des vollständigen Parameterraums aus Fehlergröße, Randabstand und Bauteilgeometrie
- Erstellung anwendungsspezifischer Grenzwerttabellen
3. Werkstoffcharakterisierung von Schweißgut mittels Makro- und Mikroprobentechnik
Das Fraunhofer IWM ermittelt die zyklischen Eigenschaften spezifischer Schweißgutwerkstoffe – von der Dehnungs-Wöhlerlinie über Rissfortschrittskurven bis zur Risszähigkeit, auch lokal im Gefüge aufgelöst.
- Dehnungs-Wöhlerlinien (LCF/HCF), Schädigungsparameter-Wöhlerlinien (PRAM) und zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurven
- Risszähigkeit, Rissfortschrittskurven und Schwellenwerte bzgl. Risswachstum für das Schweißgut
- Lokale Charakterisierung auf Mikrostrukturebene mittels Mikroprobentechnik
4. Bruchmechanische Einzelfallbewertung rissbehafteter Schweißkonstruktionen im Betrieb (Fitness-for-Service)
Das Fraunhofer IWM bewertet individuelle Schadensbefunde an bestehenden Strukturen und erstellt eine Restlebensdauerprognose auf Basis der bewährten Software IWM-VERB.
- Bruchmechanische Restlebensdauerbewertung für konkrete Schadensbefunde an Bestandsstrukturen
- Beurteilung der sicheren Betriebsfähigkeit unter realen Lastbedingungen
- Dokumentation als Grundlage für Weiterbetriebsentscheidungen
5. Bewertung des Einflusses von Nahtnachbehandlungen auf die Tolerierbarkeit innerer Fehler
Das Fraunhofer IWM prüft, welche inneren Unregelmäßigkeiten trotz Nahtnachbehandlung (z. B. HFH, Strahlen) und der damit verbundenen erhöhten FAT-Klasse sicher tolerierbar bleiben.
- Kombinierte Bewertung von Nachbehandlungseffekten und inneren Fehlern
- Berechnung tolerierbarerer Fehlergrößen und -positionen unter Berücksichtigung erhöhter Kerbfallklassen
- Auslegungsempfehlungen für nachbehandelte Schweißnähte mit inneren Unregelmäßigkeiten
6. Übertragung der Bewertungsmethodik auf Gussbauteile mit Ungänzen
Das Fraunhofer IWM wendet die im Projekt entwickelte numerische Methodik – Zweiphasenmodell und automatisierte Parameterstudien – auf Gussbauteile mit prozessbedingten Ungänzen an.
- Lebensdauerbewertung von Lunkern, Poren und oxidischen Einschlüssen in Gussbauteilen
- Automatisierte Parameterstudien für gussspezifische Fehlergeometrien und Werkstoffe
- Ableitung bauteilspezifischer Grenzwerte für Gussfehler
