Wie wirken sich Kerbwirkungen an Schweißnähten auf die Bauteilfestigkeit aus?

Michael · 23 Sep. 2026

Kerbwirkungen an Schweißnähten mindern die Bauteilfestigkeit erheblich, weil sie lokale Spannungsspitzen erzeugen, die weit über der Nennspannung des Grundwerkstoffs liegen. Besonders unter wechselnder oder schwingender Belastung werden genau diese Stellen zum Ausgangspunkt für Ermüdungsrisse. Die folgenden Abschnitte gehen auf die wichtigsten Fragen ein, die Konstrukteure und Berechnungsingenieure in der Praxis beschäftigen.

Wie entstehen Kerbspannungen an Schweißnähten?

Kerbspannungen entstehen an Schweißnähten, weil jede geometrische Unstetigkeitsstelle den Kraftfluss im Bauteil umlenkt. An Nahtübergängen, Einbrandkerben, Wurzeldurchhängen oder Nahtenden verdichten sich die Spannungslinien, sodass die lokale Spannung die Nennspannung des Querschnitts deutlich übersteigt. Dieser Effekt wird als Kerbwirkung bezeichnet.

Die Ursachen lassen sich in zwei Gruppen einteilen: geometrische Kerben und metallurgische Kerben. Geometrische Kerben entstehen durch den Nahtübergang selbst, durch Nahtfehler wie Poren oder Bindefehler sowie durch konstruktiv bedingte Querschnittssprünge. Metallurgische Kerben resultieren aus dem Schweißprozess: Durch das Aufschmelzen und Wiedererstarren des Werkstoffs entstehen Eigenspannungen, Gefügeveränderungen und eine Wärmeeinflusszone mit veränderter Festigkeit.

Entscheidend ist, dass beide Kerbarten nicht unabhängig voneinander wirken. Ein ungünstiger Nahtübergangswinkel in Kombination mit Zugeigenspannungen kann die tatsächliche Beanspruchung im Kerbgrund auf ein Vielfaches der rechnerischen Nennspannung anheben.

Welche Kerbwirkungszahlen gelten für typische Schweißnahtgeometrien?

Die Kerbwirkungszahl (Kt oder Kf) beschreibt das Verhältnis zwischen der Maximalspannung im Kerbgrund und der Nennspannung im ungestörten Querschnitt. Für Schweißverbindungen liegen diese Werte je nach Nahtgeometrie und Belastungsart zwischen etwa 1,5 und über 4, wobei stumpfe Nähte mit gutem Nahtübergang deutlich günstiger abschneiden als Kehlnähte mit scharfem Einstandswinkel.

Normative Grundlage für die Bewertung ist in der Regel die IIW-Empfehlung (International Institute of Welding) oder die FKM-Richtlinie. Beide Regelwerke ordnen Schweißnahttypen in Kerbfallklassen ein, die direkt mit zulässigen Spannungsamplituden verknüpft sind. Wichtige Einflussgrößen auf die Kerbwirkungszahl sind:

Nahtform (Stumpfnaht, Kehlnaht, Lochnaht)
Nahtübergangswinkel und Nahtüberhöhung
Blechdicke und Steifigkeitsverhältnis der gefügten Bauteile
Schweißverfahren und Nahtqualitätsklasse

Ein Stumpfstoß mit beidseitiger Schweißung und nachbearbeiteter Oberfläche erreicht Kerbfallklassen im Bereich FAT 112 bis FAT 125. Eine nicht durchgeschweißte Kehlnaht an einem Kreuzstoß kann dagegen auf FAT 36 absinken, was eine drastisch reduzierte ertragbare Spannungsamplitude bedeutet.

Wie beeinflusst die Kerbwirkung die Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen?

Die Kerbwirkung ist der dominante Faktor für die Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen. Sie verkürzt die Lebensdauer, weil Risse bevorzugt im Kerbgrund initiieren, wo die lokale Dehnung die Streckgrenze des Werkstoffs zyklisch überschreitet. Die Ermüdungsfestigkeit einer Schweißnaht liegt typischerweise deutlich unter der des Grundwerkstoffs, selbst bei einwandfreier Schweißqualität.

Ausschlaggebend ist dabei die Kombination aus Kerbschärfe und Eigenspannungszustand. Zugeigenspannungen, die beim Schweißen nahezu zwangsläufig entstehen, überlagern sich mit den Betriebsspannungen und erhöhen den Mittelspannungsanteil. Deshalb darf bei Schweißkonstruktionen die Schwingbreite nicht allein auf Basis des Spannungsverhältnisses R bewertet werden, ohne den Eigenspannungszustand zu berücksichtigen.

Praktisch bedeutet das: Selbst wenn eine Schweißnaht statisch ausreichend dimensioniert ist, kann sie unter zyklischer Belastung versagen, wenn die Kerbwirkung nicht in der Auslegung berücksichtigt wurde. Gerade in Anlagen mit wiederkehrenden Lastwechseln, etwa durch Druckpulsationen, Vibrationen oder thermische Wechselbelastungen, ist eine explizite Ermüdungsberechnung unerlässlich.

Was ist der Unterschied zwischen Nennspannungs-, Strukturspannungs- und Kerbspannungskonzept?

Die drei Konzepte unterscheiden sich darin, welche Spannungsgröße als Bewertungsbasis dient und wie fein die Kerbwirkung bereits im Spannungsansatz erfasst wird. Das Nennspannungskonzept arbeitet mit der global berechneten Spannung im Querschnitt, das Strukturspannungskonzept bezieht den geometrischen Spannungsanstieg nahe der Naht ein, und das Kerbspannungskonzept erfasst die volle lokale Spannungsüberhöhung im Kerbgrund.

Nennspannungskonzept

Das Nennspannungskonzept ist das in der Praxis am häufigsten verwendete Verfahren. Die Bewertung erfolgt anhand von Kerbfallklassen, die aus umfangreichen Schwingversuchen an realen Schweißproben abgeleitet wurden. Der Vorteil liegt in der einfachen Handhabung; der Nachteil ist, dass das Konzept nur für genormte Nahtgeometrien und Belastungsfälle zuverlässig gilt.

Strukturspannungskonzept

Das Strukturspannungskonzept, auch als Hot-Spot-Konzept bekannt, extrapoliert die Spannung aus dem ungestörten Bauteilbereich auf den Nahtübergang. Es erfasst den Einfluss der Bauteilgeometrie, nicht aber die scharfe Nahtkerbe selbst. Es eignet sich besonders für komplexe Schweißkonstruktionen, bei denen keine passende Kerbfallklasse existiert.

Kerbspannungskonzept

Das Kerbspannungskonzept berechnet die Spannung direkt im Kerbgrund, entweder analytisch oder per FEM mit einem fiktiven Kerbradius (nach IIW: 1 mm für Blechdicken über 5 mm). Es ist das genaueste der drei Verfahren und erlaubt eine geometrieunabhängige Bewertung, erfordert aber einen höheren Modellierungsaufwand.

Wie kann die FEM-Berechnung Kerbwirkungen an Schweißnähten abbilden?

Die Finite-Elemente-Methode kann Kerbwirkungen an Schweißnähten abbilden, wenn Netzfeinheit, Modellierungsstrategie und Auswertungsmethode auf das gewählte Nachweiskonzept abgestimmt sind. Ein grobes Globalnetz reicht für Nennspannungsauswertungen aus; für das Kerbspannungskonzept ist ein sehr feines Netz im Kerbbereich mit Elementgrößen im Zehntel-Millimeter-Bereich erforderlich.

Für das Strukturspannungskonzept wird die Spannung an definierten Abständen vor dem Nahtübergang (z. B. 0,5 t und 1,5 t nach IIW) aus dem FE-Modell extrahiert und linear extrapoliert. Dieses Vorgehen ist weniger sensitiv gegenüber lokalen Netzeinflüssen als die direkte Kerbspannungsauswertung.

Beim Kerbspannungskonzept wird der reale Kerbradius durch einen fiktiven Ersatzradius ersetzt, um die Streuung realer Nahtgeometrien zu erfassen. Das Modell muss die Nahtgeometrie einschließlich Nahtübergang, Wurzel und Nahtüberhöhung geometrisch korrekt abbilden. Eine FEM-basierte Strukturanalyse nach diesem Ansatz liefert belastbare Aussagen zur Lebensdauer auch bei komplexen Bauteilgeometrien, die mit Kerbfallklassen allein nicht zuverlässig bewertet werden können.

Welche konstruktiven Maßnahmen reduzieren die Kerbwirkung an Schweißnähten?

Konstruktive Maßnahmen zur Reduktion der Kerbwirkung zielen darauf ab, den Kraftfluss gleichmäßiger zu gestalten, scharfe Nahtübergänge zu vermeiden und Eigenspannungen zu minimieren. Die wirksamsten Eingriffe lassen sich bereits in der Konstruktionsphase umsetzen, bevor ein Bauteil gefertigt wird.

Zu den bewährten Maßnahmen gehören:

Vermeidung von Querschnittssprüngen durch sanfte Übergänge und Anschrägungen der Fügepartner
Bevorzugung von Stumpfnähten gegenüber Kehlnähten bei schwingend beanspruchten Verbindungen
Nachbehandlung der Nahtübergänge durch Schleifen, TIG-Aufschmelzen (TIG dressing) oder Kugelstrahlen
Verlagerung der Naht in Bereiche mit geringerer Beanspruchung durch gezielte Bauteilgestaltung
Einsatz von Vollnahtschweißung statt Teileinschweißung, um Wurzelkerben zu vermeiden

Nachbehandlungsverfahren wie das Hochfrequenz-Hämmerverfahren (HFMI) können die ertragbare Spannungsamplitude deutlich steigern, weil sie Druckeigenspannungen in der Kerbzone einbringen und gleichzeitig den Nahtübergangsradius vergrößern. Diese Maßnahmen sind in der IIW-Empfehlung normativ verankert und erlauben eine Hochstufung des Kerbfalls unter bestimmten Bedingungen.

Wie CE-SYS Engineering bei der Schweißnahtberechnung unterstützt

Die Bewertung von Kerbwirkungen an Schweißnähten erfordert die richtige Kombination aus Nachweiskonzept, Modellierungsstrategie und Regelwerkkenntnissen. CE-SYS Engineering führt Schweißnahtberechnungen durch, die alle drei Konzepte abdecken und auf die jeweilige Bauteilsituation abgestimmt sind:

Ermüdungsnachweise nach FKM-Richtlinie und IIW-Empfehlung für statisch und dynamisch beanspruchte Schweißverbindungen
FEM-Berechnungen nach dem Struktur- und Kerbspannungskonzept für komplexe Nahtgeometrien ohne passende Kerbfallklasse
Identifikation kritischer Nahtbereiche und Ableitung konstruktiver Optimierungsmaßnahmen
Begleitung von Nachbehandlungsmaßnahmen mit rechnerischem Nachweis der erreichbaren Lebensdauersteigerung

Wenn Sie eine Schweißkonstruktion unter schwingender Belastung absichern oder eine bestehende Auslegung überprüfen möchten, sprechen Sie uns direkt an und schildern Sie Ihren Berechnungsfall.