Alternativer Berechnungsansatz zum Hochfrequenzhämmern – Versuch und praktische Anwendung in der Windenergietechnik

Die lokal anwendbare Schweißnahtnachbehandlung bietet ein vielversprechendes Potential zur Lebensdauerverlängerung und wirtschaftlicheren Fertigung geschweißter Bauteile. In diesem Beitrag wird ein alternativer Berechnungsansatz auf bruchmechanischer Basis vorgestellt, der es erlaubt, wesentliche Effekte des Hochfrequenzhämmerns, die für die signifikante Verlängerung der Lebensdauer verantwortlich zeichnen, direkt in die Abschätzung der Lebensdauer mit einfließen zu lassen. Ferner werden die Ergebnisse eines Schwingfestigkeitsversuches an dickwandigen, durchgeschweißten Kreuzstößen mit einer Blechdicke von 60 mm präsentiert. Auch aufgrund der sehr positiven Erfahrungen aus der Anwendung des Hochfrequenzhämmerns an verschiedenen Bauteilen von Windenergieanlagen in der Praxis wird diesem Verfahren zukünftig eine hohe Bedeutung zukommen. An alternative calculation approach for high frequency peening – further validation and practical application in wind energy technology. A local application of post weld treatment shows a high potential in increasing fatigue life and more economic manufacturing of welded components. An alternative assessment based on fracture mechanics is presented which takes into account the main effects of high frequency peening. Furthermore results of a fatigue test on a cross‐joint K‐butt weld with 60?mm thickness are presented. Also because of positive experiences in field application of high frequency peening on different components in wind energy converters this kind of post weld treatment will be a very promising technique in future.     

Numerische Analyse geschweißter Verbindungen von Duplexstahl und Quarzglas

Numerical analysis of welded joints between duplex steel and quartz glass. Welded joints are a vital element in structural engineering. Originating from conventional carbon steel welding in construction, recent advancements in welding technology now allow the joint of modern high‐strength steel and glass materials. With today's methods, an analysis of the welded joints' structural behaviour can be conducted by experiment, as well as by numerical analysis. Particularly for the numeric analysis, capturing the non‐linear thermal and mechanical properties of the materials is important, in order to allow a realistic determination of temperature, microstructure and residual stresses for different types of joints. Simulations of multi‐layered weld joint on duplex steel show, that a targeted heat treatment during MAG‐welding by variation of the welding parameters achieves a beneficial ratio between ferrite and austenite which, for example, ensures a high resistance of the weld to corrosion. The material quartz glass can generally be welded as butt‐weld with a CO₂‐laser. The simulations of a welded joint of a plate and a pipe show, that an optimization of the welding technology of preheat laser beam and welding laser beam is necessary, in order to reduce the thermal impact during the welding process, as well as residual stress in the joint. At the Department of Steel Structures at the Bauhaus‐Universität Weimar, numerical simulations of welded joints between steel and glass materials are a current and topical research focus.     

Höherfrequente Hämmerverfahren – Ursachen der Steigerung der Ermüdungsfestigkeit und Nachweismodell

Der Einsatz von Schweißnahtnachbehandlungsverfahren zur Optimierung wechselnd beanspruchter Stahlkonstruktionen in Hinblick auf deren Lebensdauerverlängerung oder eine Reduzierung des Konstruktionsgewichts wurde in den letzten Jahren verstärkt untersucht. Dabei erwiesen sich höherfrequente Hämmermethoden als besonders wirkungsvoll zur Steigerung der Ermüdungsfestigkeit. Der vorliegende Artikel zeigt die Potentiale der Verfahren auf und belegt deren Einfluss auf das Rissinitiierungs‐ und Rissfortschrittsverhalten von Schweißnähten. Anhand eines entwickelten Bemessungsmodells wird eine Möglichkeit der rechnerischen Erfassung der positiven Wirksamkeit der Verfahren dargelegt. Reasons and calculation of the improved fatigue life of welds treated with high frequency peening methods. The application of post weld treatment methods in order to optimize fatigue loaded steel structures in view of an extension of their service life or a reduction of the construction weight has been studied intensively in the last years. High frequency peening methods proved to be extreme effectively in order to increase the fatigue strength. The following article shows the potentials of the methods and proves their influence on the crack initiation and crack propagation behaviour of welds. With help of a developed design procedure the possibility of respecting the positive effect on the fatigue strength during the design is provided.     

正交异性钢桥面板结构体系的疲劳破坏模式和抗力评估

正交异性钢桥面板的疲劳问题属于包含多疲劳破坏模式的结构体系疲劳问题。基于这一本质特性,以典型的正交异性钢桥面板结构体系为研究对象,由结构体系的主导疲劳破坏模式出发,提出正交异性钢桥面板结构体系疲劳抗力评估的新方法。以纵肋与顶板焊接细节和纵肋与横隔板交叉构造细节为主要研究对象,设计8个足尺节段模型,主要包括传统纵肋与顶板焊接细节、新型镦边纵肋与顶板焊接细节和纵肋与横隔板交叉构造细节,通过模型试验研究了两类重要构造细节的主导疲劳破坏模式和实际疲劳抗力,在此基础上结合切口应力评估方法探讨正交异性钢桥面板构造细节切口应力S-N曲线方程、结构体系的主导疲劳破坏模式等关键问题。研究结果表明：传统纵肋与顶板焊接细节和新型镦边纵肋与顶板焊接细节的主导疲劳破坏模式均为疲劳裂纹萌生于焊根并沿顶板厚度方向扩展,二者的实际疲劳抗力基本相同;纵肋与横隔板交叉构造细节的疲劳破坏模式为焊趾开裂沿纵肋腹板方向扩展;对于研究对象而言,萌生于纵肋与顶板焊接细节焊根并沿顶板厚度方向扩展的疲劳破坏模式为控制结构体系疲劳抗力的主导疲劳破坏模式。     

不同缺口类型钢筋力学性能试验及数值分析

为模拟局部锈蚀对钢筋静力及疲劳性能的影响,对4种缺口形状、6种缺口尺寸的100根钢筋进行轴向静力拉伸和疲劳拉伸试验.基于静力拉伸试验结果,给出了缺口形状、缺口深度与钢筋屈服载荷、极限荷载间的定量关系,分析了缺口尺寸对应力集中系数的影响;基于疲劳拉伸试验结果,研究了缺口形状和缺口尺寸对钢筋疲劳寿命的影响,建立了钢筋应力范围-疲劳寿命-缺口深度的曲线方程;在试验基础上,建立了精细有限元三维实体计算模型,分析了缺口附近的应力分布状态,解释了坑蚀形态导致钢筋性能退化的原因.结果表明:三角形缺口应力集中系数最大,依次为变长度三角形、径向椭圆形和轴向椭圆形,应力集中程度随应力水平和缺口深度的增加而增大;不同缺口类型钢筋的实际应力范围和疲劳寿命在对数坐标下呈线性关系;三角形和变长度三角形锈坑应力集中梯度较大,率先进入塑性变形阶段,从而较早发生破坏.     

Versuche und Anwendung hochfrequenter Hämmerverfahren als Schweißnahtnachbehandlung

Die Lebensdauer von dynamisch belasteten Bauteilen aus Stahl stellt ein entscheidendes Qualitätsmerkmal von Produkten der Stahlbau Firmen dar. Der Einsatz höherfrequenter Hämmerverfahren, im Besonderen des UIT oder HiFIT‐Verfahrens, als lebensdauerverlängernde Maßnahme von ermüdungsbeanspruchten Schweißverbindungen wurde im Rahmen des REFRESH‐Forschungsprojekts erstmals wissenschaftlich untersucht. Einsatz und Wirksamkeit der Verfahren wurde von den am Projekt beteiligten Firmen an ausgeführten Bauteilen untersucht. Die Erkenntnisse aus Versuchen und praktischer Anwendung der Firmen Schachtbau Nordhausen und Maurer Söhne werden im folgenden Artikel geschildert. Tests and application of high frequency peening as a post weld treatment method. The fatigue life of dynamic loaded steel construction elements is an influential quality characteristic for products of steel fabricators. The application of high frequency peening, especially the UIT (ultrasonic impact treatment) or the HiFIT (high frequency impact treatment) as a method to extend the fatigue life of welded connections, has been investigated in course of the research project called REFRESH for the first time. The practical application and the effectiveness of high frequency peening at finished building components have been examined by building companies which are concerned to the research project. The present paper describes the tests and the practical application of the companies Schachtbau Nordhausen and Maurer Söhne.     

Low cycle fatigue assessments of corner welded joints based on local strain approach

Low cycle fatigue strengths of corner welded joints with single bevel groove welding were studied. Low cycle fatigue tests were performed with three types of specimens which have different sizes of weld root face. The test results indicated that the low cycle fatigue strength of the corner welded joints strongly depends on the weld root size. Then, the fatigue strength of the corner joints was evaluated based on the effective notch strain at the weld root tip which was calculated by elasto-plastic finite element analyses. A unique relationship between the effective notch strain and the fatigue life of the joint was observed regardless of the weld root size. Therefore, it was revealed that the effective notch strain approach is applicable to evaluate the low cycle fatigue strength of the corner welded joints.     

Schädigungsmodell für hybride Verbindungen in Offshore‐Windenergieanlagen

Grout‐Verbindungen als hybride Rohr‐in‐Rohr‐Steckverbindungen mit hochfester zementgebundener Füllschicht sind während der Betriebsphase von Offshore‐Windenergieanlagen (OWEA) dynamischen Lasten aus Wind‐ und Wellen‐ sowie Betriebslasten der Anlage ausgesetzt. Zusätzlich müssen diese nicht redundanten Verbindungen Extremlasten widerstehen. Die in den letzten Jahren festgestellten Vertikalverschiebungen im Bereich der Verbindung bei Monopiles unterstreichen eine erforderliche konstruktive Optimierung. Dies kann beispielsweise durch in Umfangsrichtung angeordnete Auftragsnähte erfolgen. Die damit hervorgerufenen Druckstreben ermöglichen einerseits eine signifikante Axialtragfähigkeitssteigerung, andererseits führen die geometrischen Kerben zu Spannungskonzentrationen in den Stahlrohren und der Füllschicht. Der Nachweis ausreichender Ermüdungsfestigkeit kann dabei nach bekannten Konzepten erfolgen. Werden einaxiale Wöhlerlinien von Beton angesetzt, ist der Nachweis der Groutschicht gegen Materialermüdung rechnerisch nur schwer zu erbringen. Unter Berücksichtigung der tatsächlich vorliegenden mehraxialen Spannungszustände im Grout und mehraxialer Wöhlerlinien für das Verbundmaterial kann trotz vorliegender Spannungskonzentration der Nachweis ausreichender Ermüdungsfestigkeit der Verbindung durchgeführt werden. Damage approach for hybrid connections in offshore wind turbines. During the service life of an offshore wind turbine, the connection between monopile and tower, the so‐called grouted joint, is exposed to high dynamic loadings from wind and wave actions. Additionally the connection, which is filled with a high performance grout, has to withstand extreme load situations. Within the last years vertical settlements between the connected steel pipes have been detected. This non‐redundant failure mode underlines the necessity for an optimization of the axial load bearing capacity. One possible solution is the application of shear keys, which are weld beads installed in circumferential direction of the connection on the surfaces of pile and sleeve. This additional mechanical interlock leads to compression struts and an increased axial strength. Unfortunately these geometric notches lead to local stress concentration and reduce the fatigue resistance of steel and grout. The fatigue design for the steel members can be performed acc. to well known local approaches. For plain grouted joints usually uniaxial S‐N‐curves for the grout layer are considered, which is not appropriate in cases of shear keys. Taking the multiaxial stress space around the weld beads and suitable S‐N‐curves into account, the fatigue design of the connection can be conducted.     

关于钢桥纵横梁接连处维护加强效果的研究

进行了钢桥纵横梁接连处维护加强效果的研究,研究表明直角缺口与圆形缺口的应力比为2.01,采用圆形缺口的疲劳寿命为直角缺口的7倍~8倍,采用Upper flange splice加强对延长疲劳寿命效果最为突出。     

铸钢节点对接焊缝有效缺口应力分析

为了研究铸钢节点对接焊缝的疲劳性能和寿命评估方法,对一种常用的铸钢热轧钢对接焊缝试件进行了疲劳试验研究,得到了刚度、位移与疲劳寿命阶段之间的关系。根据疲劳试验现象和断面的电镜扫描结果,提出了该类试件的疲劳失效机理。此外,采用有效缺口应力法预测了铸钢节点对接焊缝的疲劳寿命,并在考虑了平均应力和焊接残余应力的前提下,提出了改进的有效缺口应力法,分别将预测结果与实测疲劳寿命进行了对比。研究结果表明:铸钢节点对接焊缝的疲劳过程可分为稳定阶段和断裂阶段。稳定阶段占总寿命比例≥80%,断裂阶段≤20%。有效缺口应力法能在一定程度预测疲劳寿命的变化趋势,但结果偏危险,改进的有效缺口应力法能提供较安全的预测结果。     

Lebens‐ und Restlebensdauerverlängerung geschweißter Windenergieanlagentürme und anderer Stahlkonstruktionen durch Schweißnahtnachbehandlung

Life cycle extension of welded wind energy converters and other steel constructions by weld improvement techniques. The design of Wind Energy Converters and other dynamic loaded structures is significantly defined by the fatigue strength of critical notch details, especially welded joints. Weld improvement techniques seem to be promising to increase the fatigue strength and life time of those details. In context of presently conducted research activities by the “Institut für Bauwerkserhaltung und Tragwerk” at the Technical University Carolo‐Wilhelmina Braunschweig shot peening and ultrasonic peening are more detailed analysed. Both methods seem to produce by their combination of geometrical and mechanical effects a clear improvement of the fatigue strength of welded details. First results from fatigue tests confirm this for welded ring‐flange‐details. The ultrasonic peening was further more tested for the use for the rehabilitation of fatigue stressed existing structures. First results show that the use of the method for specimen which reached their calculated life time can improve the fatigue strength to the level of originally treated specimen.     

复杂焊接结构的疲劳问题探讨

从疲劳抗力评估、结构应力分析、断裂力学计算疲劳寿命、模型疲劳试验等几方面对复杂焊接结构的疲劳问题进行讨论和分析,提出针对验证结构抗疲劳设计的复杂焊接结构模型试验原则、疲劳失效准则和主要研究部位。     

Messverfahren zur Überprüfung randschichtnaher Veränderungen des Werkstoffzustandes als Folge mechanischer Oberflächenbehandlungen

Zur Charakterisierung der ermüdungsrelevanten Werkstoffveränderungen infolge hochfrequenter Schweißnahtnachbehandlung hat sich der Einsatz von mikromagnetischen Werkstoff‐ und Spannungsanalysen vorteilhaft gezeigt. Für Standardbauteile hat sich gezeigt, dass die Qualitätssicherung der Nachbehandlung mit höherfrequenten Hämmerverfahren bei Einhaltung der Behandlungsparameter durch eine Sichtkontrolle möglich ist. Das Mikromagnetische Verfahren ermöglicht bei neuen Anwendungsfällen eine Gütekontrolle der Nachbehandlung an Arbeitsproben ·und am Realbauteil. A measurement technique for inspection of material subsurface changes after mechanical surface treatment. The micro‐magnetic stress and material analysis has shown to be advantageous for characterizing the fatigue related material properties after high frequency post weld treatment. The quality control of standard parts treated by high frequency hammer peeing with the same peening parameters is possible by means of visual inspection. For new applications, the micro‐magnetic analysis provides a quality control of post weld treated work samples and real components.     

Eine Methode zur Bewertung von Restspalten in Schweißnähten an T‐ und Kreuzstoßverbindungen

A method to assess root gaps in welded seams of T‐ and Cross joints. Design and welding codes require full penetration in case of complete butt splices. This often ends up to time‐ and cost‐intensive repair work for the executing steel work company. Quite recently, classification methods and along with these, a method of tolerating such partial penetrations (here: root gaps) to be considered right from the weld design or planning stage were actually missing, so that additional manufacturing work was preassigned from the outset. Within an AiF‐DASt‐research project [1] an assessment method has been developed basing on an accurate detection of root gaps by non‐destructive testing methods. That method guarantees the demanded structural reliability of a steel structure despite of leaving a weld that actually is to be rejected due to insufficient penetration according to the conventional codes.     

Reliability and residual service life of the steampipe welded joints at the temperature of 540°C

In this paper the influence is described of the 1/2Cr-1/2Mo-1/4V steel pipe joints, welded with electrodes of the same composition (with long-term exposure to the temperature of 540°C and the pressure of 14MPa), on life decreases of steampipe with 273 mm in diameter and 32 mm wall thickness. To the prediction of welded joint lifetimes the model of separated diffusion and fatigue failure was applied. The results show that the prolongation of intervals between the putting out of operation tends to welded joints lifetime elongation. It is also indicated that in lower weld structural stability values for fatigue processes are predominant being caused by a weld failure, and in higher structural stability values the failure is caused by creep processed.     

焊接管节点疲劳研究综述

为加深对焊接管节点疲劳问题的认识,对焊接管节点名义应力法、热点应力法、切口应力法和断裂力学法4种常用疲劳评估方法应用现状和存在问题进行介绍,从疲劳效应（热点应力集中系数）和抗力（热点应力幅S N曲线）2个方面对首推的热点应力法研究现状进行总结,探讨了管节点结构形式的发展趋势。结果表明:焊接管节点常用四大疲劳评估方法中名义应力法应用最广,但过于保守,热点应力法最被推崇,但仍有待进一步完善,切口应力法实施难度大,尚未在规范中使用,断裂力学法则适用于剩余疲劳寿命评估;对于传统的圆形和矩形钢管节点,已形成了较为系统的热点应力评估方法,对热点应力集中系数最大值可能发生位置、外推区域、热点应力集中系数计算公式、壁厚效应修正系数等方面进行了明确的规定;在传统的圆钢管和矩形钢管节点基础上,创新节点形式,提出了钢管混凝土节点、PBL加劲型钢管混凝土节点、圆管 方管节点和鸟嘴式节点,对比传统钢管节点,钢管混凝土节点热点应力集中系数降幅在25%以上,PBL加劲型矩形钢管混凝土节点降幅在50%以上,圆管 方管节点和鸟嘴式节点降幅则介于圆形钢管和矩形钢管节点之间。     

豪克能消除焊接应力设备的研究与应用

豪克能消除应力设备是国外较为广泛使用的提高焊接接头疲劳寿命、消除焊接残余应力和进行局部强化处理的焊后处理设备。它的基本工作原理是向被处理的金属部位输入大能量的豪克能并使工具头以每秒几万次的频率冲击金属表面,从而达到消除残余应力提高疲劳寿命的目的。通过对120t的炼钢转炉壳体和对大亚湾核电站中微电子设备进行消除焊接应力试验及对低碳钢Q235-B与0345板材的对接接头和十字接头形式标准焊接试件进行疲劳性能试验证明：豪克能焊接应力消除设备对焊接应力的消除率可达90％以上、疲劳寿命可提高30倍以上。     

国际期刊导读

给出波纹钢腹板与翼缘板焊接节点的疲劳评估方法。对这种焊接节点的失效模式、应力分布和疲劳强度进行试验研究和有限元分析。由于节点处弧线焊缝的应力集中对疲劳寿命的评估十分重要,因此,对这类几何效应进行了研究,并对其应力特性进行了讨论。结果表明,由于节点处弧线焊缝疲劳关键点的应力集中,曲率半径与波纹高度之比越小,波纹和曲率角度的影响越显著,反之亦然。可将十字形节点的S-N曲线作为极限值,与不同波纹角度焊接节点的疲劳强度进行对比。所提出的方法考虑了复合应力条件,可用于波纹板焊接节点的疲劳评估。该方法也从理论上对残余应力的影响进行了讨论。     

Experimentelle und numerische Untersuchungen von Knotenverbindungen für Tripods von Offshore‐Windenergieanlagen

Experimental und numerical investigations for tripod joints of offshore‐structures. This paper summarises fatigue tests on Y‐joints to estimate the influence of a post weld treatment method called Ultrasonic Impact Treatment (UIT). With this method the fatigue resistance could be increased significantly. Furthermore tubular joints of tripods are analysed with numerical simulations to judge these welded joints with the hot‐spot‐concept. The stress concentration factor for the treated weld toe geometry was determined numerically using submodel analysis. Finally a comparison between welded and cast iron joints is carried out for the fatigue limit state under consideration of experimental results.     

基于等效结构应力的钢框架焊接梁柱节点低周疲劳评估

在地震作用下钢框架梁柱焊接节点会发生低周疲劳现象,进而导致结构发生破坏。本文基于等效结构应力法提出一种高层钢框架梁柱焊接节点低周疲劳评估方法。首先,结合有限元多尺度模拟方法,建立包含翼缘及腹板焊缝细节的钢框架梁柱焊接节点多尺度模型。其次,利用不同单元尺寸多尺度模型,验证结构应力的网格不敏感特性,进而通过等效结构应力法评估钢框架梁柱焊接节点的疲劳寿命。结果表明,采用等效结构应力法可消除网格的敏感性,在往复荷载作用下,靠近工艺孔焊缝应力水平高于远离工艺孔焊缝,翼缘中心焊缝寿命最低,裂纹最先产生于翼缘焊缝中心处,评估方法为实际工程提供技术支持。