Welding residual stress behavior in tubular steel joints under multiaxial loading

The lack of insight into the initial welding residual stress field and its behavior during the different phases of the fatigue damage namely crack initiation and propagation has led to conservative assumptions in fatigue design codes of welds. Since a significant amount of fatigue failures in welded joints are caused by torsion or combined tension-torsion in machinery components, estimating the potential threat of the inevitable residual stresses to structural integrity seems to be mandatory for the design of the future tubular lightweight welded components and structures. In this paper the residual stresses in cylindrical specimens with bead on tube welds out of S355J2H were determined experimentally by means of X-ray and neutron diffraction. Welding residual stresses as high as almost the yield strength of the base metal were observed in the weld bead. At the weld toes which are potentially fatigue crack initiation sites, however compressive residual stresses were pre sent. After discussing briefly the sources and origins of the residual stress field, its behavior under pure torsional and combined tension-torsion loading will be presented.

Die mangelnden Kenntnisse über das Eigenspannungsfeld im Ausgangszustand und dessen Verhalten während der drei Phasen der Ermüdung, d. h. anrissfreie Phase, Rissbildungs- und Rissfortschrittsphase haben zu konservativen Denkweisen in Regelwerken geführt. Da ein wesentlicher Teil von Ermüdungsbrüchen in Schweißverbindungen durch Torsion oder kombinierte Zug-Torsions-Beanspruchung in Maschinenteilen verursacht wird, ist eine realistische Schätzung der potentiellen Gefahr der unvermeidlichen Schweißeigenspannungen für die strukturelle Integrität zukünftiger Schweißverbindungen unumgänglich. In dieser Arbeit wurden die Schweißeigenspannungen in zylindrischen Schweißproben mit Blindnähten aus S355J2H mithilfe von Röntgen- und Neutronenbeugungsverfahren bestimmt. Schweißeigenspannungen in Höhe der Streckgrenze des Grundwerkstoffs wurden in der Naht beobachtet. An den Schweißnahtübergängen, die als mögliche ermüdungsbruchkritische Stellen betrachtet werden können, waren jedoch Druckeigenspannungen vorhanden. Nach einer kurzen Diskussion über die Entstehungsmechanismen des Eigenspannungsfelds wird das mechanische Verhalten dieses Felds unter reiner Torsion und kombinierter Zug-Torsions-Belastung vorgestellt.