DE102008028996B4

DE102008028996B4 - Verfahren zur Nachbehandlung einer Schweißverbindung

Info

Publication number: DE102008028996B4
Application number: DE200810028996
Authority: DE
Inventors: Imke Dipl.-Ing. Weich; Thomas Prof. Dr. Ummenhofer
Original assignee: Technische Universitaet Braunschweig
Current assignee: ENGELHARDT, IMKE, PROF. DR.-ING., DE; UMMENHOFER, THOMAS, UNIV.-PROF. DR.-ING., DE
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2028-06-21
Also published as: DE102008028996A1; EP2304059A1; WO2009152808A1

Abstract

Verfahren zur Nachbehandlung hochbeanspruchter Bereiche einer Metallkonstruktion, insbesondere für Bauteile, bei dem durch eine Plastifizierung und/oder einen lokalen Energieeintrag Druck- und/oder Zugeigenspannungen in einen Bereich einer Schweißnaht, eines Schweißnahtübergangs oder in einen kritischer Kerbbereich eingebracht werden, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt randschichtnahe Eigenspannungen lokal eingebracht werden, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt ein Energieeintrag zum Einbringen weiterer oberflächennaher Druckeigenspannungen zumindest in den an die Schweißnaht oder den kritischen Kerbbereich angrenzenden Randbereich erfolgt, indem im Anschluss an den ersten Verfahrensschritt in dem zweiten Verfahrensschritt in größere Bereiche, die den behandelten Bereich einschließen oder an diesen angrenzen, Druckeigenspannungen in den oberflächennahen Randschichtbereich eingebracht werden, sodass in der Randschicht keine Zugeigenspannungen mehr auftreten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbehandlung hochbeanspruchter Bereiche einer Metallkonstruktion, insbesondere für Bauteile, bei dem durch eine Plastifizierung und/oder einen lokalen Energieeintrag Druck- und/oder Zugeigenspannungen in einen Bereich einer Schweißnaht, eines Schweißnahtübergangs oder in einen kritischer Kerbbereich eingebracht werden.
Schweißverbindungen bei derartigen Metall-, insbesondere Stahlkonstruktionen, beispielsweise Brücken, Kränen und Maschinenbauteilen, aber auch Bauwerke und Anlagen, wie beispielsweise Windenergieanlagen, werden häufig durch dynamische oder wechselnde Belastungen beansprucht. Dabei wird die Lebensdauer dieser Metallkonstruktionen vorrangig durch die Ermüdungsfestigkeit bestimmt, sodass eine Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit in den meisten Fällen zu einer Erhöhung der Lebensdauer der Gesamtkonstruktion führt bzw. eine Reduzierung der Wanddicken ermöglicht.
Durch die in der Praxis bei Metallkonstruktionen eingesetzten Schweißverbindungen wird jedoch die Ermüdungsfestigkeit der so gefügten Konstruktionselemente wesentlich vermindert.
Eine Möglichkeit, diesen nachteiligen Effekt bei wechselnd beanspruchten Metallkonstruktionen zu reduzieren, bieten Verfahren zur Nachbehandlung der Schweißnaht. Es ist bereits bekannt, durch ein Überschleifen oder Ausschleifen eine Verbesserung der Nahtgeometrie zu erzeugen und dadurch die kritischen Kerbspannungen zu reduzieren. Dabei wird davon ausgegangen, dass Risse, beispielsweise durch Ermüdung, nicht in einer Schicht von Druckeigenspannung entstehen.
Alternativ können so genannte mechanische Verfahren, wie beispielsweise Hämmerverfahren, eingesetzt werden. Diese erzeugen randschichtnahe Druckeigenspannungen und Aufhärtungen.
Durch das Einbringen von Druckeigenspannungen wird die Rissfortschrittsgeschwindigkeit reduziert. Randschichtverfestigungen führen zu einer Verzögerung der Rissbildung. Beide Effekte erhöhen die Ermüdungsfestigkeit. Durch plastische Verformungen können insbesondere Hämmerverfahren zusätzlich zu einer Ausrundung des Nahtübergangs führen und damit die Beanspruchungen aus geometrischer Kerbwirkung reduzieren.
Die DE 39 08 653 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von geschweißten hochfesten Stählen, bei dem die Schweißnahtübergänge mit örtlicher Energiezufuhr und mit einer aus einem vorgegebenen Bereich ausgewählten Streckenenergie nachbehandelt werden. Demnach ist es so, dass der Schweißnahtübergang zum Grundwerkstoff der kritische Bereich und dominierende Ausgangspunkt für Ermüdungsbrüche von Schweißnähten ist und an dieser Stelle auch die Maßnahmen zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit anzusetzen sind. Durch eine WIG-Nachbehandlung der Schweißnahtübergänge kann jedoch die Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindungen erhöht werden. Die nachzubehandelnden Schweißnähte werden auf eine Temperatur oberhalb Raumtemperatur vorgewärmt, wodurch eine wesentliche Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit der geschweißten hochfesten Stähle bis zur Festigkeit des nicht geschweißten Grundwerkstoffs erreicht werden soll. Es ist möglich, die zum Aufschmelzen der kritischen Schweißnahtübergänge notwendige örtliche Energiezufuhr durch Inertgas-Lichtbogenschweißen mit Wolframelektroden (WIG-Schweißen) oder durch Laserstrahlen einzubringen.
Aus dem Maschinenbau ist auch bereits das Kugelstrahlen bekannt. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2007 026 540 A1 eine Oberflächenbehandlung eines Stahlwerkstoffs mittels Kugelstrahlen, bei der eine plastische Verformung der Oberfläche des behandelten Werkstoffs durch das Auftreffen der Kugeln und in Folge davon Eigenspannungen erzeugt werden. Beim Kugelstrahlen tritt der Aspekt der Einbringung von Druckeigenspannungen in den Vordergrund, um auf diese Weise die Dauerfestigkeit des Werkstoffs zu steigern. Dabei kommt es zu einer Verfestigung und einer elastischen-plastischen Verformung im Bereich der Oberfläche, was Druckeigenspannungen auf dem Werkstück zur Folge hat.
Ferner ist es auch bereits bekannt, CO₂-Laserstrahlung zur Induzierung von Eigenspannung zu nutzen. Hierdurch wird die Bauteilfestigkeit gegenüber konventionellen Verfahren gesteigert.
Die zur Nachbehandlung der Schweißnaht bestimmten Hämmerverfahren, beispielsweise nach dem Prinzip des High Frequency Impact Treatment (HiFIT) und des Ultrasonic Impact Treatment (UIT), stellen effektive Methoden zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit dar.
Bei der Anwendung wirken gehärtete Stahlstifte auf den Schweißnahtübergangsbereich ein, sodass mit jedem Schlag kleine plastische Eindrücke entstehen. Durch die Plastizierungen wird die Kerbschärfe des Nahtübergangs reduziert und der Werkstoffwiderstand erhöht.
Röntgenographische Eigenspannungsmessungen der oberflächennahen Eigenspannungen zeigen, dass Hämmerverfahren lokal hohe Eigenspannungen bis in die Höhe der Streckgrenze des Grundwerkstoffs erzeugen.
Durch die Nachbehandlung mit Hämmerverfahren kann die Ermüdungsfestigkeit daher deutlich gesteigert werden. Jedoch handelt es sich um ein nur lokal wirksames Verfahren, sodass Brüche im nicht direkt behandelten Bereich durch die sich beispielsweise aus den wechselnden Beanspruchungen überlagernden oder vorhandenen Zugeigenspannungen nicht ausgeschlossen werden können. Zusätzliche flächige Randschichtverfestigungen können zudem die positive Wirkung unterstützen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Nachbehandlung der Schweißverbindung derart in einem zweiten Schritt zu verbessern, dass die Ermüdungsfestigkeit der so gefügten Konstruktionselemente wesentlich verbessert wird. Insbesondere sollen in den an die behandelte Zone angrenzenden Bereichen ebenso Druckeigenspannungen erzeugt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur Nachbehandlung von Schweißnähten und anderen kritischen Kerbdetails von Metallkonstruktionen vorgesehen, bei dem im Anschluss an einen ersten Verfahrensschritt, dem lokalen Einbringen von randschichtnahen Eigenspannungen, beispielsweise durch Hämmern, in einem zweiten Schritt in größere Bereiche, die den behandelten Bereich einschließen bzw. an diesen angrenzen, Druckeigenspannungen in den oberflächennahen Randschichtbereich eingebracht werden, sodass in der Randschicht keine Zugeigenspannungen mehr auftreten. Für den Fachmann hat es sich in unerwarteter Weise gezeigt, dass durch den im zweiten Schritt erfolgenden Abbau der im ersten Schritt lokal erzeugten hohen Druckeigenspannungen auf ein niedrigeres Niveau dennoch die Ermüdungsfestigkeit maßgebend im Vergleich zu der alleinigen Behandlung des ersten Schrittes gesteigert werden konnte.
Die Erzeugung von Druckeigenspannungen könnte beispielsweise durch einen partiellen thermischen Energieeintrag mittels Laser erfolgen. Besonders Erfolg versprechend ist es hingegen, wenn zumindest in dem zweiten Behandlungsschritt ein mechanisches Erzeugen von Druckeigenspannungen, insbesondere durch Strahlen, erfolgt, um so ein in der Praxis beispielsweise auch auf der Baustelle einfach durchführbares Verfahren zu realisieren. Zusätzlich erzeugte Randschichtverfestigungen unterstützen zudem die positive Wirkung der Verfahren.
Hierzu eignet sich eine weitere Erfolg versprechende Abwandlung, nämlich wenn der Energieeintrag durch Strahlen, insbesondere Festkörperstrahlen, erfolgt. Auf diese Weise kann in dem gesamten Bereich, also in dem im ersten Verfahrensschritt erzeugten Verformungsbereich sowie in dem sich daran anschließenden Randbereich eine flächige Behandlung durch Einbringen der mechanischen Energie erfolgen, durch die in dem gesamten oberflächennahen Bereich Druckeigenspannungen sichergestellt werden.
Alternativ kann das Strahlverfahren auch mittels flüssiger Medien oder gefrorener Flüssigkeiten erfolgen, wobei sich aufgrund der hierbei reproduzierbaren Ergebnisse das Strahlen mittels Granulat oder kugelförmigen Festkörpern, insbesondere also das aus dem Maschinenbau bereits grundsätzlich bekannte Kugelstrahlen als zweckdienlich erweist.
Besonders praxisgerecht ist es dabei, wenn im ersten Verfahrensschritt im Verformungsbereich die plastische Verformung durch Hämmern, insbesondere Pinhämmern, eingebracht wird. Hierbei wird in dem durch den Schweißnahtübergang bestimmten Randbereich zunächst das Hämmern mit einer Pinhämmerfrequenz zwischen 10 Hz und 300 Hz, insbesondere zwischen 150 Hz und 250 Hz durchgeführt. Durch das gezielte Hämmern speziell der Nahtübergänge der Schweißnaht wird dieser Bereich plastisch verformt, wobei die Kerbwirkung durch eine Ausrundung verringert wird. Zugleich werden in dem Verformungsbereich die gewünschten Druckeigenspannungen eingebracht.
In dem anschließenden zweiten Verfahrenschritt werden der gesamte Schweißnahtbereich und gegebenenfalls angrenzende Bereiche flächig gestrahlt, wobei oberflächennah insbesondere gleichmäßige Druckeigenspannungen erzeugt werden. Die zuvor auf den Verformungsbereich beschränkten Druckeigenspannungen werden dadurch auf den angrenzenden Randbereich und darüber hinaus erstreckt.
Die im zweiten Verfahrensschritt eingebrachten Druckeigenspannungen können dabei ihrem Betrag nach mit dem im ersten Verfahrensschritt erzeugten Druckeigenspannungen übereinstimmen oder auch einen geringeren Betrag aufweisen.
Grundsätzlich werden dabei die Verfahrensschritte bevorzugt in kurzer zeitlicher Abfolge durchgeführt, jedoch kann der zweite Verfahrensschritt zur Nachbehandlung bereits bestehender Metallkonstruktion auch mit erheblichem zeitlichen Abstand, beispielsweise auch nach mehrjährigem Einsatz, durchgeführt werden.
Ein besonderer Vorteil der Nachbehandlung wird auch dadurch erreicht, dass im Anschluss an beide Verfahrensschritte ein Korrosionsschutz, insbesondere eine Korrosionsschutzschicht aufgebracht wird, weil die beiden Verfahrensschritte eine optimale Untergrundvorbereitung für das anschließende Aufbringen des Korrosionsschutzes darstellen. Selbstverständlich bieten die beiden Verfahrensschritte in optimaler Weise auch die Möglichkeit zum Anbringen anderer Beschichtungen.
Die durch die Erfindung erreichbare Steigerung der Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindung von Metallkonstruktionen kann für alle geschweißten, schwingend oder ermüdend beanspruchten Konstruktionen in vorteilhafter Weise genutzt werden. Dabei kann es sich sowohl aus dem Anlagenbau, dem Maschinenbau, dem Flugzeugbau, dem Schiffbau, dem Kranbau oder dem Fahrzeugbau wie auch um Metallkonstruktionen aus dem Bauwesen handeln. Eine entsprechende Nachbehandlung von Lötverbindungen ist dabei ebenfalls denkbar.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine Seitenansicht einer eine Schweißverbindung aufweisenden Metallkonstruktion;
2 eine vergrößerte Darstellung der in 1 gezeigten Metallkonstruktion mit einer graphischen Darstellung der Eigenspannungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der 1 und 2 näher dargestellt, welche eine mit einer Schweißverbindung 1 ausgestattete Metallkonstruktion 2 sowie eine vergrößerte Detaildarstellung zeigen. Bei dem Verfahren zur Nachbehandlung der Schweißverbindung 1 der insbesondere für Bauwerke bestimmten Metallkonstruktion 2 werden zunächst in einem ersten Verfahrensschritt durch eine gezielte plastische Verformung 3 durch Hämmern Druckeigenspannungen 4 in einem Verformungsbereich 5 der Schweißnaht 6 eingebracht. In einem den Verformungsbereich 5 sowie einen angrenzenden Randbereich 7 einschließenden Bereich erfolgt in einem zweiten Verfahrensschritt ein weiterer flächiger Energieeintrag durch Strahlen, insbesondere Kugelstrahlen. Auf diese Weise wird der zunächst nach dem ersten Verfahrensschritt eingebrachte, in der 2 gestrichelt dargestellte oberflächennahe Eigenspannungsverlauf 8, 8', 8'', welcher in dem Verformungsbereich 5 Druckeigenspannungen 4 und möglicherweise in dem Randbereich 7 Zugeigenspannungen 9 aufweist, umgewandelt. Insbesondere werden also die Zugeigenspannungen 9 in dem Randbereich 7 in Druckeigenspannungen 4 entsprechend dem geänderten Eigenspannungsverlauf 10, 10' umgewandelt. Die im ersten Verfahrensschritt durch die plastische Verformung 3 in den Verformungsbereich 5 eingebrachten, erwünschten Druckeigenspannungen 4 werden dabei ihrem Betrage nach vermindert.

Claims

Verfahren zur Nachbehandlung hochbeanspruchter Bereiche einer Metallkonstruktion, insbesondere für Bauteile, bei dem durch eine Plastifizierung und/oder einen lokalen Energieeintrag Druck- und/oder Zugeigenspannungen in einen Bereich einer Schweißnaht, eines Schweißnahtübergangs oder in einen kritischer Kerbbereich eingebracht werden, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt randschichtnahe Eigenspannungen lokal eingebracht werden, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt ein Energieeintrag zum Einbringen weiterer oberflächennaher Druckeigenspannungen zumindest in den an die Schweißnaht oder den kritischen Kerbbereich angrenzenden Randbereich erfolgt, indem im Anschluss an den ersten Verfahrensschritt in dem zweiten Verfahrensschritt in größere Bereiche, die den behandelten Bereich einschließen oder an diesen angrenzen, Druckeigenspannungen in den oberflächennahen Randschichtbereich eingebracht werden, sodass in der Randschicht keine Zugeigenspannungen mehr auftreten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hochbeanspruchten Bereiche durch eine Schweißverbindung gebildet sind.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in dem den angrenzenden Randbereich einschließenden Bereich ein mechanischer Energieeintrag erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag durch Strahlen erfolgt.
Verfahren nach Annspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlen mittels Granulat, kugelförmigen Festkörpern, Eis oder einer Flüssigkeit durchgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Verfahrensschritt der Verformungsbereich durch Hämmern eingebracht wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Verfahrenschritt die gesamte Schweißnaht flächig in dem Verformungsbereich und dem Randbereich gestrahlt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte in kurzer zeitlicher Abfolge durchgeführt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an beide Verfahrensschritte ein Korrosionsschutz, insbesondere eine Korrosionsschutzschicht, aufgebracht wird.