Terrassenbruch

Als Terrassenbruch wird in der Schweißtechnik ein in Dickenrichtung durch eine geschweißte Stahlplatte verlaufender Kaltriss bezeichnet, der durch Schweißschrumpfspannungen verursacht wird. Der Riss ist typisch terrassenförmig abgetreppt oder liegt lamellenförmig in Walzrichtung.[1]

Terrassenbruchgefährdung

Der Terrassenbruch ist einer der häufigsten durch Schweißen verursachten Bauteilfehler. Der deutsche Stahleisenverlag hat in seiner DAST 014,[2] Empfehlungen zur Vermeidung von Terrassenbrüchen in geschweißten Konstruktionen aus Stahl veröffentlicht. Diese Empfehlungen haben Eingang in das Deutschen Normenwerk, unter anderem der DIN 18800, gefunden und sind als Stand der Technik zu betrachten.

Grundsätzlich sind nur Bauteile terrassenbruchgefährdet, die durch Schweißschrumpfspannungen senkrecht zur Walzebene belastet werden. Schweißungen, die in der Walzebene liegen, zum Beispiel Blechstumpfstöße oder andere Vollanschlüsse, bei denen die gesamte Blechdicke erfasst wird, sind nicht problematisch, da die Schrumpfspannungen ausschließlich oder fast ausschließlich in Walzrichtung auftreten. Die Terrassenbruchgefahr steigt bei:

  • Schlechtem Festigkeitswert (Brucheinschnürung) in Bauteildickenrichtung
  • Schweißung ohne Vorwärmung, da die hohen Abkühlgeschwindigkeiten den Umlagerungsprozessen keine Zeit lassen und die Verformung in der Abkühlungsphase förmlich einfriert.
  • Große Blechdicken, da dies hohe Abkühlgeschwindigkeit bewirkt.
  • Große Schweißnahtstärken, wegen der hohen Wärmeeinbringung
  • Steife Konstruktionen verursacht durch ungünstige Bauteil- und Nahtgeometrien die das freie Schrumpfen verhindern.[3]

Verringerung der Verformbarkeit in Dickenrichtung

Gewalzte Platten haben senkrecht zur Walzrichtung, also in Dickenrichtung, eine deutlich geringere Verformbarkeit und Zugfestigkeit als in Walzrichtung. Ursache hierfür sind Einschlüsse von Oxiden, Silikaten und Sulfide. Diese ursprünglich beim Guss der Bramme punktförmig im Stahl liegenden Einschlüsse werden in Folge des Walzvorgangs abgeflacht. Dies hat zur Folge, dass diese flächig oder zeilenförmig in der Blechplatte liegen. Der Verbund dieser Lamellen untereinander ist gering, was die Festigkeit der Platte in Dickenrichtung deutlich verringert. Dies lässt sich mit einer Analogie zu einem Stapel Papier darstellen: Während sich einzelne Blätter des Stapel mühelos abheben lassen, ist der Stapel als Ganzes nur schwer zu zerreißen.

Ursache von Schweißschrumpfspannungen

Infolge der Abkühlung nach dem Schweißen verringert das Bauteil sein Volumen. Ist die Konstruktion "steif" wird also die Volumenverringerung durch feste Einspannung verhindert, entstehen Spannungen im Bauteil, die das Bauteil bis an seine Festigkeitsgrenze belasten können. Ursache dieser Schrumpfspannungen ist die Plastifizierung des Bauteils. Mit zunehmender Temperatur verliert der Stahl an Elastizität und Festigkeit. Wird die Wärmeausdehnung behindert, so wird das Bauteil im Bereich der Schweißnaht gestaucht. Bei der verhältnismäßig schnellen Abkühlung nach dem Schweißen hat das Werkstück dann nicht mehr ausreichend Zeit, diese Verformung rückzuentwickeln. Auch die Volumenverringerung des flüssigen Schweißguts nach der Abkühlung trägt zu den Schrumpfspannungen bei. [4]

Brucheinschnürung

Da für die Terrassenbruchneigung das Formänderungsvermögen des Werkstoffes entscheidend ist, wird beim Zugversuch die Brucheinschnürung in Dickenrichtung gemessen. Die Ermittlung der Festigkeitswerte in Dickenrichtung hat wenig Aussagekraft, da sich erst bei sehr geringen Werten der Brucheinschnürung, unterhalb von etwa 20 % eine deutliche Verringerung der Zugfestigkeit nachweisen lässt. Als Brucheinschnürung wird die Verringerung der Querschnittsfläche bis zum Bruch der Probe bezeichnet. Der Stahl wird aufgrund des Prüfergebnisses in 3 Klassen aufgeteilt:

  • Stahl Güteklasse 1: Brucheinschnürung im Mittel mindestens 15 %, Kleinstwert 10 %
  • Stahl Güteklasse 2: Brucheinschnürung im Mittel mindestens 25 %, Kleinstwert 15 %
  • Stahl Güteklasse 3: Brucheinschnürung im Mittel mindestens 35 %, Kleinstwert 20 %

Es wird der Mittelwert mehrerer Proben bestimmt, wobei der angegebene Kleinstwert nicht unterschritten werden darf.

Auswahl der Werkstoffgüten zur Vermeidung von Terrassenbrüchen

Durch Gewichtung einzelner Einflüsse anhand einfacher Schaubilder und Tabellenwerten lässt sich mit der DAST-014 ermitteln, welche Mindestanforderungen in Bezug auf die Brucheinschnürung der Stahl besitzen sollte. Aus der Addition der gewichteten Einflüsse lässt sich die Mindestbrucheinschnürung in Prozent direkt ablesen und die erforderliche Stahlgüteklasse ermitteln. Die DAST-014 hat hier den erforderlichen Kleinstwert als maßgeblich bestimmt. Brucheinschnürungen bis 10 % bedeuten, dass an den Stahl keine Anforderungen in Bezug auf den Nachweis der Güteklasse gestellt werden, Brucheinschnürungen bis 15 % Güteklasse 1 usw.

In der Schweißtechnik ist vom Fertiger, vor allem bei großen Blechdicken und großen Nahtstärken, die Gefahr von Terrassenbrüchen immer ins Kalkül zu nehmen. Bei vielen Konstruktionen reicht bereits einfaches Vorwärmen auf etwa 100 Grad Celsius aus, diese Gefahr drastisch zu reduzieren, da hiermit die Schweißschrumpfspannungen deutlich vermindert werden.

Einzelnachweise

  1. [[[:Vorlage:WBA]] IWT Ingenieurbüro für Werkstofftechnik: Rissphänomene in Stählen, Seite 11, Bild 20. Terrassenbruch (hier genannt Lamellenbruch) an einer Stutzenschweißnaht]
  2. DAST-Richtlinie 014. Empfehlungen zur Vermeidung von Terrassenbrüchen in geschweißten Konstruktionen aus Stahl
  3. Ausführung von Stahlbauten. Von Herbert Schmidt, Ulrich Schulte, Rainer Zwätz, Lothar auf Google Books
  4. Ursache von Schweißschrumpfspannungen

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