DE102014011551B4

DE102014011551B4 - Verfahren und Vorrichtung zum minimalinvasiven Richten von Metallen

Info

Publication number: DE102014011551B4
Application number: DE102014011551.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Vauderwange
Original assignee: VauQuadrat GmbH
Current assignee: VauQuadrat GmbH
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2016-11-03
Anticipated expiration: 2034-08-09
Also published as: DE102014011551A1

Abstract

Verfahren zum minimalinvasiven Richten von Metallen, dadurch gekennzeichnet, dass für den verwendeten Werkstoff ein Temperaturbereich abgesenkter Streckgrenze aber noch nicht abgefallenen Elastizitätsmoduls identifiziert wird und dass die Erwärmung für Richtzwecke auf diesen Temperaturbereich begrenzt wird.

Description

Beispielsweise zum Richten von Schweißverzug, aber auch für andere geringfügige Gestaltänderungen von Metallstrukturen ist es erforderlich, das Metall plastisch zu verbiegen. Hierzu muss im kalten Zustand zumindest der mechanische Spannungswert der Streckgrenze (Rp 0,2) überschritten werden. Die hierzu erforderlichen Kräfte und Momente sind speziell bei hochfesten Stählen sehr hoch.
Dadurch kommt es je nach Material lokal zu negativen Veränderungen der Materialeigenschaften, wie Verfestigung und Versprödung. Speziell bei dynamischer Belastung senkt dies die Dauer-Belastungsfähigkeit des Bauteils herab.
Weniger Schäden hätte es zur Folge, wenn die Temperatur der zu verformenden Zone großflächig erhöht wird. Dadurch wird die Streckgrenze herabgesetzt, die nötige Spannung für eine bleibende Verformung ist geringer und das Maß an Schädigung im Gefüge ist kleiner. Aufgrund des hohen Energieaufwandes und der benötigten Zeit ist dieses Verfahren aber nicht praktikabel.
Dahingegen ist in der industriellen Schweisstechnik das „Flammrichten” bekannt, bei dem ohne externe Kraftaufwendung die Verformung eines Werkstücks dadurch erzielt wird, dass von einem Werkstück (1 Pos. 1) nicht der komplette Querschnitt, sondern nur eine ausgesuchte Zone (1 Pos. 2) erwärmt wird. Der Rest des Werkstücks (1 Pos. 3) bleibt in erster Näherung nahe der Umgebungstemperatur.
Der Richteffekt beruht darauf, dass sich die erwärmte Zone entsprechend der Erwärmung, die in der Praxis mindestens 600 K beträgt, ausdehnen müsste, dies aber aufgrund des umliegenden Materials, was keine Notwendigkeit zur Ausdehnung hat und seine Gestalt behalten möchte, nicht kann. Diese verhinderte Ausdehnung führt vornehmlich in der erwärmten Zone zu einer Stauchung. Die ungleiche Reaktion von erwärmter Zone (1 Pos. 2) und nicht erwärmter Zone (1 Pos. 3) ergibt sich aus den Unterschieden in der Streckgrenze, welche in der erwärmten Zone herabgesetzt ist.
Die nunmehr gestauchte, erwärmte Zone, die im heißen Zustand etwa die selben Ausmaße hat wie zuvor im unerwärmten und ungestauchten Zustand kühlt sich nun ab. Die Stauchung bleibt erhalten und die Größe der gestauchten Zone nimmt mit der Abkühlung ab. Das abgekühlte Bauteil (4) besteht nunmehr aus der weitgehend unveränderten Zone (6) und der gestauchten Zone (5). Durch den Unterschied in den geometrischen Zonen oben und unten resultiert eine plastische Verformung des Bauteils in der gewünschten Art.
In den letzten Jahrzehnten nahm die Verbreitung des Flammrichtens zugunsten des Kaltrichtens in der Industrie ab. Hauptgründe dafür waren:

– Die schwer zu erlernende Anwendung und die erforderliche hohe handwerkliche Geschicklichkeit
– Die benötigten Oberflächentemperaturen, um per Wärmeleitung die nötige Eindringtiefe zu erreichen
– Das Risiko der Werkstoffschädigung durch die Effekte der hohen Temperarturen, nämlich Aufhärtungen/Versprödungen bzw. bei längerer Wärmeeinwirkung die Grobkornbildung, welche ebenfalls zu einer Versprödung führen kann.

Die Durchführung des Verfahrens analog dem Flammrichten mit einem Induktionsverfahren als Wärmequelle, was mit Hilfe eines offenen Schnittbandkerns und einer konstanten Mittelfrequenz eine Wirktiefe von ca. 15 mm hat und dadurch sowohl geringere Oberflächentemperaturen benötigt als auch die Gefahr der Überhitzung vermindert, ist ebenfalls seit Jahren bekannt (z. B. DER PRAKTIKER 07_2011 S. 274–277, DER PRAKTIKER 10_2013 S. 496–498).
Mit der vorliegenden Anmeldung wird auf der Basis dieses Induktionsverfahrens gezeigt, wie man einen erheblich höheren Richteffekt mit deutlich weniger Wärmeeinbringung erzielen kann.
Grundlage hierfür ist die Betrachtung von zwei Materialgrößen. Nicht nur der Verlauf der Streckgrenze (Rp 0,2) des Materials über der Temperatur wird betrachtet, sondern ebenfalls der Verlauf des Elastizitätsmodul (E) im selben Temperaturbereich.
3 zeigt einen typischen Verlauf der beiden Kurven. Bei vielen Metallen, im Besonderen Baustählen, Feinkornstählen und hochlegierten austenitischen Stählen, findet man eine Hyperplastizitätszone (9), die dadurch charakterisiert ist, dass die Streckgrenze (8) schon deutlich gegenüber dem Wert bei Raumtemperatur abgenommen hat, der Elastizitätsmodul (7) aber noch vor seinem charakteristischen Steilabfall steht.
Nimmt man das Richtverfahren nun in der Art vor, dass die Temperatur der zu erwärmenden Zone (2) sich auf einen Wert im Bereich der Hyperplastizitätszone HPZ (9) beschränkt, ergeben sich folgende Vorteile:

– Die Streckgrenze ist gegenüber der Raumtemperatur deutlich herabgesetzt und
– Gleichzeitig kann das Material durch den hohen Elastizitätsmodul die durch die unterschiedliche Erwärmung entstehende Druckspannung nur zu einem sehr kleinen Teil elastisch abfedern. Die Masse der entstehenden Druckspannung muss durch die gewünschte plastische Verformung abgebaut werden und
– Dadurch, dass die Temperatur der Hyperplastizitätszone weit unter den üblichen Richttemperaturen liegt, ist der benötigte Energieaufwand für die Erwärmung, die benötigte Zeit für die Erwärmung und schliesslich die benötigte Zeit für das Abkühlen des Werkstücks bedeutend geringer als bei den bekannten Verfahren. und
– Durch die niedrigeren Temperaturen und die geringere eingebrachte Wärmemenge wird die Schädigung des Werkstücks minimiert oder verhindert.

Um das Verfahren erfolgreich anzuwenden, ist es erforderlich, ein enges Temperaturband (Je nach Werkstoff 50–100 K) für die Erwärmungszone einzuhalten. Dadurch wird es ab Materialstärken von 5 mm schwierig, die benötigten Temperaturen per Wärmeleitung von der Oberfläche herzustellen, wie das beispielsweise mit der Autogenflamme oder den ebenfalls verbreiteten Resonanz- oder Hochfrequenz-Induktionsverfahren der Fall ist.
4 und 5 in einer anderen Ansicht zeigen einen besonders geeigneten Aufbau, bei dem ein Stromfluss einer geeigneten Mittelfrequenz (ca. 15 ... 19 kHz) durch einen mit Kühlmittel durchflossenen Hohlleiter (11) erfolgt, auf dem sich ein Schnittbandkern (12) aus einem höchst permeablen Material wie z. B. Metglas befindet. Gleichzeitig ist es erforderlich, dass das Schnittbandkernmaterial eine geringe elektrische Leitfähigkeit besitzt, da es ansonsten zu Verlusten durch Wirbelströme innerhalb des Schnittbandkerns kommt.
Dieser Schnittbandkern erzeugt vor sich ein elektromagnetisches Feld. Wird der Schnittbandkern auf ein metallisches Werkstück (10) plaziert, wird in der Tiefe des Metalls durch Wirbelströme – und bei ferritischen Werkstoffen durch die Reibungswärme der Umpolung der Elementarmagnete in der Frequenz des Wechselstroms – Wärme entstehen.
Dadurch, dass die Arbeitsfrequenz nach oben begrenzt wird, bleibt Temperaturunabhängig eine große Wirktiefe erhalten.
Der Temperaturgradient innerhalb der Erwärmungszone (13) ist dadurch klein gehalten.

Claims

Verfahren zum minimalinvasiven Richten von Metallen, dadurch gekennzeichnet, dass für den verwendeten Werkstoff ein Temperaturbereich abgesenkter Streckgrenze aber noch nicht abgefallenen Elastizitätsmoduls identifiziert wird und dass die Erwärmung für Richtzwecke auf diesen Temperaturbereich begrenzt wird.
Verfahren nach den Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung nicht durch Wärmeleitung von der Materialoberfläche, sondern durch induktiv in der Tiefe des Materials erzeugte Wärme erfolgt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Induktor mit Schnittbandkern verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnittbandkern aus einem hochpermeablen Material geringer elektrischer Leitfähigkeit besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnittbandkern aus Metglas besteht.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 3–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des anregenden Wechselstrom einen Bereich von 15–19 kHz nicht verlässt.