Leseprobe_300327

DVSMediaGmbH

2016

DVS-BERICHTE

DVS Congress

Große

Schweißtechnische

Tagung

DVS-Studentenkongress


DVS Congress 2016

Große

Schweißtechnische

Tagung

DVS-Studentenkongress

Vorträge der Veranstaltungen in Leipzig

am 19. und 20. September 2016

Veranstalter:

DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte

Verfahren e. V., Düsseldorf


Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;

detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar.

DVS-Berichte Band 327

ISBN 978-3-945023-74-7

Die Vorträge wurden als Manuskript gedruckt.

Alle Rechte, einschließlich Übersetzungsrecht, vorbehalten. Nachdruck und Vervielfältigung dieses

Bandes oder von Teilen desselben nur mit Genehmigung der DVS Media GmbH, Düsseldorf.

© DVS Media GmbH, Düsseldorf ⋅ 2016

Herstellung: Griebsch & Rochol Druck GmbH & Co. KG, Hamm


Vorwort

Erfahrungen teilen, neue Erkenntnisse vermitteln und den Nachwuchs fördern! Unter diesem Motto steht

der DVS Congress 2016.

Betriebspraxis, Entwicklung und Forschung schreiben stetig den Stand der Technik fort. Technologien

und Anforderungen werden durch kürzere Innovationszyklen und die Globalisierung der Wirtschaft

immer rascher vorangetrieben. Der DVS Congress 2016 bietet eine wichtige Informations- und

Kontaktbörse für die Fügetechnik an. Hier werden Erfahrungen aus der betrieblichen Praxis, aber auch

jüngste Erkenntnisse aus der Fügetechnik branchenspezifisch und praxisnah vorgestellt.

Die Große Schweißtechnische Tagung hat sich in den letzten Jahren sehr erfolgreich mit praxisnahen

Vorträgen und einer branchenbezogenen Ausrichtung neu aufgestellt. In der diesjährigen Veranstaltung

werden Themen aus dem Schiffbau sowie auch fügetechnische Aspekte zur Energieerzeugung und zum

Fahrzeugbau besonders berücksichtigt. Zum Thema Stahlbau wird über die Anwendung der DIN EN

1090, Festigkeitsfragen sowie den Einsatz von Fügeverfahren und Werkstoffen informiert. Rund um die

Weiterentwicklung von Fügeverfahren stehen moderne Lichtbogenschweißverfahren, additive Fertigung,

Strahlschweißen und Widerstandspunktschweißen im Fokus der Betrachtungen. Aktuelle Anforderungen

an die Fügetechnik werden unter dem Schwerpunkt Industrie 4.0 diskutiert. Über den Korrosions- und

Verschleißschutz sowie neue Anforderungen an Grund- und Zusatzwerkstoffe werden auch Themen aus

Forschung und Entwicklung vorgestellt. Unter der Prämisse „nach dem Schweißen ist vor dem

Schweißen“ werden auch umfangreiche Aspekte der Qualitätssicherung und Qualifizierung sowie die

dazu korrespondierenden fügetechnisch relevanten Regelwerke präsentiert. Belange des Arbeitsschutzes

informieren über aktuelle Anforderungen und Lösungen in den Betrieben.

Der DVS-Studentenkongress bietet Arbeiten zu den Schwerpunkten „Mischverbindungen im automobilen

Leichtbau“, „Simulationsmodelle in der Lasertechnik“ und „Werkstofftechnische Herausforderungen

und Prüfverfahren“.

Mit dieser Vielfalt spricht der DVS Congress 2016 wieder ein breites Fachpublikum an und lädt alle an

der Füge-, Trenn- und Beschichtungstechnik Interessierten zu einem spannenden Erfahrungsaustausch

nach Leipzig ein.

Ein besonderer Dank geht an alle, die an der Durchführung der Veranstaltung beteiligt sind, insbesondere

an die Programmkommission des DVS, der es wieder gelungen ist, ein fachlich aktuelles und überaus

interessantes Vortragsprogramm zusammenzustellen.

Wir wünschen allen Teilnehmern eine erfolgreiche Tagung, gute Diskussionen und zahlreiche neue

Impulse für die tägliche Arbeit und für zukünftige Projekte.

Düsseldorf, im August 2016

DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e. V.

Hauptgeschäftsführer

Dr.-Ing. Roland Boecking


Schäden im Rahmen der Herstellungs- und Betriebsphase an Komponenten im Bereich

Kraftwerk- und Anlagentechnik sowie deren Prüfmöglichkeiten und Bewertung

C. Lehmkuhl und H. C. Schröder, Mannheim

Aus der Schadensstatistik und der täglichen Praxis verfahrenstechnischer Anlagen kennen wir viele Ursachen und

Wirkungsmechanismen, die zu Schäden führen und letztlich eine Lebensdauerreduzierung zur Folge haben. Im

Folgenden werden wesentliche Einflussgrößen beschrieben, die zu einer Beeinträchtigung der geplanten Lebensdauer

von Komponenten führen können.

1 Einleitung

Bei der Herstellung von Komponenten und Bauteilen

für Kraftwerke und Anlagen steht ein sicherer und

wirtschaftlicher Betrieb im Vordergrund. Sicherer Betrieb

bedeutet in erster Linie, dass das Bauteil keine

Gefahr für Menschen und die Umwelt darstellt.

Trotz sorgfältiger Konstruktion und Fertigung lassen

sich Schäden auch im ordnungsgemäßen Betrieb

nicht immer vermeiden. Meist bleibt es bei Sachschäden

und wirtschaftlichen Verlusten z.B. durch Produktionsausfall

sowie evtl. Folgekosten durch Reparaturen

wie auch durch Folgeschäden.

Um zukünftige Schäden zu vermeiden und auch die

Kosten für den Schaden vom Hersteller bzw. der Versicherung

erstattet zu bekommen, ist die Schadensanalyse

ein wichtiges Werkzeug von entscheidender

Bedeutung.

2 Schadensursachen schon in der Planungsphase

beseitigen

Abbildung 1: Einflussparameter auf eine Konstruktion [Eigene

Darstellung]

Schon in der Planungsphase sind nach Möglichkeit

alle konstruktiven und betrieblichen Belange zu berücksichtigen,

um ungünstige und nicht betriebsgerechte

Konstruktionen und Werkstoffe zu vermeiden.

Abbildung 1 zeigt die Zusammenhänge verschiedener

Aspekte. Eine alleinige werkstoffkundliche Untersuchung

führt oft nicht zur eigentlichen Lösung der Problemstellung

eines Schadens. In jedem Fall sind dabei

alle notwendigen Parameter zu berücksichtigen, die

Einflüsse auf mögliche Schäden haben können. Für

diese Anforderungen müssen Konstruktionen und

Komponenten ausgelegt werden. Eine wichtige Rolle

spielt hierbei auch eine prüffreundlich und zugänglich

ausgeführte Komponente, damit entsprechende Wirkungsmechanismen

hinsichtlich eines möglichen

Schadens rechtzeitig erkannt bzw. detektiert werden

können. Des Weiteren müssen durch geeignete Messeinrichtungen

die sich real ergebenden Betriebsbeanspruchungen

wie Druck, Temperaturverläufe, Transienten,

Relativbewegungen usw. sicher erfasst werden,

um daraus rechtzeitige Maßnahmen ableiten zu

können.

3 Korrekturmaßnahmen von festgestellten

Planungsfehlern

Nach Möglichkeit sind frühzeitige Änderungsmaßnahmen

und Verbesserungen der Konstruktionsausführungen

durchzuführen. Konstruktionsfehler sollten

spätestens bei der Endabnahme des Produktes festgestellt

werden, da diese zu diesem Zeitpunkt noch im

Herstellerwerk durchgeführt werden können.

Dies setzt eine sorgfältige und umfängliche Überprüfung

der Komponente bei der Endabnahme voraus.

Leider wird in der Praxis oft der Focus zu sehr auf die

Werkstoff- und Schweißtechnik gelegt. Die Erfüllung

der schweißtechnischen Vorgaben ist natürlich ein

wichtiger Gesichtspunkt bei Abnahmen, doch die eigentliche

Prüfung des Bauteils mit seinen Funktionsmerkmalen

(sofern prüfbar) und späteren Instandhaltbarkeit

sollte dabei auch berücksichtigt werden.

Um Schäden und einen reibungslosen und vor allem

störungsfreien Betrieb zu gewährleisten ist die ordnungsgemäße

Funktion des Bauteils unabdingbar.

Hierfür ist vor allem das Wissen über die genaue

Funktionsweise und Einsatzzweck sowie die spezifischen

Feinheiten solcher Produkte hilfreich.

Diese Gesichtspunkte setzen nicht nur spezielles

Wissen der Schweißtechnik, Normenlage, Konstruktion

sondern auch Kenntnisse in der Betriebsweise und

deren notwendige Instandhaltung von Anlagen voraus.

4 Schonende und optimale Fahrweise

Hier geht es im Wesentlichen darum, rechtzeitig nach

der Inbetriebnahme und während des Betriebes entsprechende

Schwachstellen aufzudecken, die die

Lebensdauer maßgeblich beeinträchtigen können, um

diese dann zu eliminieren.

DVS 327 1


Durch die Fahrweise der Anlage sollen im Wesentlichen

Einwirkungen wie hohe Transienten, Thermoschock,

Schwingungen, Wärmedehnungen, Dehnungsbehinderungen,

Verschiebungen, Leitungsverlagerungen,

ungünstige An- und Abschaltvorgänge

durch eine nicht optimal eingestellte Mess- und Regeltechnik

usw. möglichst gering gehalten werden.

5 Prüfmöglichkeiten und Bewertung

Bereits bei der Planung und Konstruktion sollte ein

Augenmerk auf die Möglichkeiten der Prüfung gelegt

werden.

Dies betrifft zum einen die zerstörungsfreie Prüfung

(ZfP) bei der Fertigung der Komponente sowie die

Prüfung des im Betrieb befindlichen Bauteiles im

Rahmen wiederkehrender Prüfungen.

Die ZfP ist unter anderem bei einer Revision im Kraftwerk

ein sehr gutes Werkzeug, um Schäden an Anlagenteilen

vorzeitig zu erkennen. Als Werkzeuge werden

dabei eine Reihe von zerstörungsfreien Prüfungsmaßnahmen

eingesetzt wie z. B.:







Ultraschallprüfung

Farbeindringprüfung

Magnetpulverprüfung

Sichtprüfung

Gefügeabdrücke

Dehnungsmessung (Ovalität)

Die Aufgabe der zerstörungsfreien Prüfung ist es,

Fehler zuverlässig und qualifiziert nachzuweisen, die

zu einem Versagen des Bauteils führen können.

Hierfür stehen verschiedene Verfahren zu Verfügung,

die auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien

basieren. Kein Verfahren lässt sich universell einsetzen

und ist uneingeschränkt in der Lage, Fehler in

Abhängigkeit von Fehlercharakteristik, Größe und

Lage im Bauteil nachzuweisen.

Daher ist eine Auswahl geeigneter Prüfverfahren

unerlässlich, da sich mit jedem einzelnen Verfahren

aufgrund seiner physikalischen Grundlagen nur spezielle

Fehler lokalisieren lassen.

Durch frühzeitige Schadenserkennung können weitere

Maßnahmen zeitnah durchgeführt werden. Hierdurch

können zum einen Kosten durch die Verhinderung

des Bauteilversagens reduziert werden und zum anderen

die Anlagenverfügbarkeit gesteigert werden.

Voraussetzung für eine Vorhersage von Restlebensdauer

von geschädigten Anlagenkomponenten ist

eine qualifizierte Prüfung mit verlässlicher Aussage

über den genauen Fehlerstatus. Dies könnte z.B. ein

Riss in einem Bauteil sein. Durch eine ergänzende

bruchmechanische Berechnung und FEM kann anhand

der Rissbefunde eine qualifizierte Aussage über

einen möglichen Weiterbetrieb getroffen werden.

Eine Möglichkeit der qualifizierten und zuverlässigen

Bewertung von Fehlstellen in Bauteilen ist z.B. die

Ultraschalltomographie. Dieses Verfahren funktioniert

ähnlich wie eine konventionelle Ultraschallprüfung, ist

jedoch in der Lage ein 3D Volumen des geprüften

Bereiches darzustellen. Anhand dieser Daten können

nun die Fehlerlage und die Länge genau bestimmt

werden. Ein weiterer großer Vorteil ist die Speicherung

der Daten. Im Falle einer Nachprüfung nach

einem Zeitraum von z.B. einem Jahr, können die Daten

genau abgeglichen werden und mögliche Veränderungen

sind sofort ersichtlich. Zum einen kann hier

der genaue Rissfortschritt ausgemessen werden oder

es können neue Risse oder Defekte erkannt und bewertet

werden. In Abbildung 2 ist eine Ultraschalltomographie

einer Heißdampfumleitung aus einem

Kraftwerk zu sehen.

Abbildung 2: Ultraschalltomographie HDU [Eigene Darstellung]

6 Rechtzeitige Sanierungsmaßnahmen

Durch die vorher genannten Maßnahmen, richtigen

Einsatz und Durchführung von inneren Untersuchungen

der Anlagenteile, sowie sinnhafte Interpretationen

von Betriebsabläufen und Betriebsaufschreibungen

können notwendige und fällige Sanierungsmaßnahmen

rechtzeitig eingeplant werden.

Bei der Durchführung von entsprechenden Sanierungsmaßnahmen/Reparaturschweißungen

ergeben

sich im Wesentlichen hierbei Unterschiede im direkten

Vergleich zu Neuschweißungen aufgrund folgender

Ursachen:

Falsche Werkstoffkonzepte

Keine anlagenspezifische Berücksichtigung

von Schadensursachen wie Korrosion,

Erosion, Thermoschock

Ungünstige Werkstoffzustände bedingt

durch vorherige Schweißungen, Wärmebehandlungen

und Betriebsbeanspruchungen

Dehnungsbehinderungen

schlechte Zugänglichkeit

Schweißdurchführungen in Zwangslagen

Wärmebehandlungen nicht in jedem Fall

durchführbar

eingeschränkte Prüfmöglichkeiten

hohe Qualifikationsanforderungen an Planungs-

und Überwachungspersonal

Berücksichtigung entsprechender Sicherheits-

und Risikovorkehrungen

Durch die Ausführung von Reparaturen können sich

bei richtiger und sachgerechter Ausführung und Ein-

2 DVS 327


satz von entsprechenden Verfahren wesentliche Lebensdauerverlängerungen

ergeben.

Ergebnisse eine Schadensursache ermittelt werden

und verfolgt dabei folgende Methodik, Abbildung 5:

7 Schadensanalyse

Nicht immer werden Schäden in Anlagen frühzeitig

erkannt und können somit verhindert werden. Sollte

ein Schaden auftreten, ist die richtige Herangehensweise

an die Schadensaufklärung wichtig. Eine sehr

gute Hilfe mit detaillierten Beschreibungen und einem

Leitfaden liefert hier die VDI 3822, Blatt 1. Die Schadensanalyse

gliedert sich in verschiedene Teilpunkte

und ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 5: Methodik einer Schadensuntersuchung

8 Beispiele von Schäden

Abbildung 6 zeigt eine konstruktive Änderung an

einer Schweißverbindung eines Speisewasserbehälters.

Durch die eingebrachte Hohlkehle wurde eine

erhebliche Spannungsreduzierung erreicht. Durch

eine weitere Optimierung der Temperaturverteilung im

Behälter erfolgte eine weitere Reduzierung um 20 %.

Abbildung 3: Durchführung einer Schadenanalyse [Quelle

und Abbildung VDI 3822 Blatt1]

Zu beachten ist, dass in der Regel alleine auf Grundlage

werkstoffkundlicher Untersuchungen und Einzelbegutachtungen

ein Schaden nicht gelöst werden

kann. Grundsätzlich besteht die Vorgehensweise aus

folgenden Punkten, wie dieses in der Abbildung 4

skizziert wurde:

Abbildung 6: Reduzierung der Bauteilspannungen durch

Änderung der Konstruktion bzw. der Betriebsweise

Abbildung 7 a + b zeigen die Innenansicht eines

Überhitzers mit starken Abzehrungen und deren

Blecheinhausung.

Abbildung 4: Leitfaden zur Vorgehensweise einer Schadenanalyse

[Quelle und Abbildung VDI 3822 Blatt1]

Anhand dieser Informationen und aus Erfahrungswerten

aus anderen Schadensfällen kann anhand dieser

Abbildung 7a: Stark abgezehrte Bleche durch falsche Werkstoffwahl

DVS 327 3


Weiterhin zeigt Bild 9 b versinterte Anbackungen:

Abbildung 7b: Stark abgezehrte Bleche durch falsche Werkstoffwahl

Abbildung 8 zeigt einen direkten Vergleich eines abgezehrten

Bleches zu einem nicht abgezehrten Blech.

Abbildung 9 b: Versinterte Anbackungen im Feuerraum

Diese weisen eine glasförmige Struktur aus, die sich

im Feuerraum auf Grund zu hoher Feuerraumtemperaturen

ergeben haben. Grund hierfür ist, dass diese

oberhalb der Ascheerweichungstemperaturen liegen

und somit zu diesem Effekt führen, wie dieses auch in

Bild 10 beschrieben wird.

Abbildung 8: Abzehrung von der Blechkonstruktion durch

Sigmaphasenschädigung.

Abbildung 9 a zeigt eine detaillierte Untersuchung aus

Bild 8 mit entsprechender Schädigung in Form von

Sigmaphasen-Ausscheidung und Korngrenzenoxidation.

Die Ursache für die Sigmaphasen-

Ausscheidung liegt darin, dass dieser Werkstoff im

Bereich einer ungünstigen Betriebstemperatur im

Bereich von 600 – 950 °C betrieben wurde, wie dieses

in Abbildung 10 a beschrieben wird.

Abbildung 10: Temperaturbereich der Sigmaphase

Abbildung 11 zeigt einen Abriss einer Rücklaufleitung

in einem Schmierölsystem verursacht durch vorhandene

Schwingungsbelastungen (ungünstige Konstruktion).

Abbildung 11: Detailansicht einer abgerissenen Rücklaufleitung

in einem Schmierölsystem

Abbildung 9 a: Detailuntersuchung aus Bild 8

Abbildung 12 zeigt eine Detailaufnahme der Bruchflächen

aus Abbildung 11.

4 DVS 327


Abbildung 12: Detailaufnahme aus Abbildung 11

9 Zusammenfassung

Der heutige Umfang von Untersuchungsmöglichkeitenmittels

entsprechenden Prüf- und Berechnungsmethoden

und Schadensbeurteilungen versetzt

uns in die Lage, umfangreiche Anlagenbewertungen

durchzuführen. In Verbindung mit gezielten Schwachstellenanalysen,

Objektuntersuchungen an relevanten

Bauteilen, bruchmechanischen Analysen und Probabilistik

ist der optimale und sichere Weiterbetrieb von

Anlagen möglich.

Das wesentliche Aufgabenziel aller Beteiligten ist,

dass sich einzelne Interessen zu einem gemeinsamen

Ziel bezüglich

• kostenwirtschaftlichem Weiterbetrieb,

• Abschätzung von Lebenszykluskosten,

• hohe Verfügbarkeit,

• hohe Verfahrens- und Prozesssicherheit,

• reale Einschätzung von technischen

Problemstellungen und Befunden,

• Vermeidung von unnötigen Sanierungsbzw.

Austauschmaßnahmen,

verknüpfen lassen.

Das reine Feststellen und Bewerten von Einzelaussagen

ohne einen ganzheitlichen Ansatz der zu beurteilenden

Komponenten / Anlage ist nicht alleine maßgebend.

Beispielsweise müssen mittels zerstörungsfreier

Prüfungen festgestellte Befunde wie Risse nicht

beseitigt werden, sofern bruchmechanische Analysen

und Risikoanalysen ergeben, dass die Unbedenklichkeit

dieser Fehler gegeben ist. Bei der Bewertung von

Befunden ist in jedem Fall deren Ursache zu klären,

damit diese beseitigt werden kann.

Entsprechende Auswirkungen sind dahingehend zu

bewerten, inwieweit sie zu wirklichen Beeinträchtigungen

der Verfügbarkeit bzw. zu einem Anlagenausfall

führen können bevor an Sanierungsmaßnahmen gedacht

wird. Entsprechende Prüfmethoden sowie betriebsbegleitende

Messungen können in diesem Fall

als ergänzende Maßnahmen eingesetzt werden, um

jeweils die Sachverhalte reproduzierbar zu verfolgen

hinsichtlich eines optimalen Anlagenbetriebes.

DVS 327 5


Thermisches Richten – Keine schwarze Magie mit der richtigen Theorie!

T. Vauderwange, Offenburg

Beim Richten von Schweißverzug gab es in den letzten Jahrzehnten einen Trend hin zum Kaltrichten mit Presse

oder Richtmaschine. Ursache hierfür war in vielen Fällen die Angst, beim Richten mit der Flamme das Material zu

schädigen. Außerdem hatte das Flammrichten stets den Ruch der Zauberei, da im Betrieb diejenigen, die es praktizieren,

normalerweise nicht in der Lage sind, zu erklären, was da warum funktioniert. In diesem Beitrag geht es

nun darum, ein paar Dinge grundlegend zu klären – unter anderem, dass Richten mit Wärme mit dem richtigen

Equipment eigentlich ein einfacher, verlässlicher Prozess sein kann und dass Kaltrichten nicht wirklich materialschonend

ist.

1 Grundlagen

1.1 Materialgrundlagen: Streckgrenze

Die Grundüberlegung ist folgende: Bei einer zu beseitigenden

(oder zu erzeugenden!) Deformation soll so

materialschonend wie möglich vorgegangen werden.

Was bedeutet das?

Generell ist zunächst zu verstehen, dass eine Formänderung

genau dann auftritt, wenn eine mechanische

Spannung σ (Biege-, Zug- oder Druckspannung)

aufgebracht wird, die größer ist als die Streckgrenze

Re.

Betrachten wir also einen Baustahl S355, so wird im

hier ausschließlich relevanten Belastungsfall der Biegung

eine Spannung von deutlich weniger als 355

N/mm² eine elastische Verformung erzeugen, die sich

komplett zurückbildet, wenn die Spannung wieder

weg ist. Erst eine Spannung von deutlich mehr als

355 N/mm² wird zu einer bleibenden Verformung führen.

Hierbei darf man aber nicht glauben, dass die Spannung

durch die plastische Verformung komplett abgebaut

wird. Es bleiben auf jeden Fall Spannungen –

unterhalb der Streckgrenze! – zurück. Wird nun die

externe Ursache, also z.B. eine aufgebrachte Biegespannung

weggenommen, entspannt sich ein Teil

dieser Restspannungen. Wenn er denn kann! Denn

bedingt durch die plastischen Verformungen sind die

Karten neu gemischt.

Es kommt in jedem Fall zu einem verbleibenden Eigenspannungszustand.

- Ein Bauteil, was man mit Hilfe einer Presse

gerichtet hat und was gerade war, ist nach

den Vibrationen eines längeren Straßentransports

auf einmal nicht mehr gerade.

Und noch ein ganz anderer Aspekt: Wir haben in unserem

Bauteil ein Gefüge vorliegen, was nur auf den

ersten Blick völlig homogen ist. In Wirklichkeit ist es

das natürlich nicht. Je genauer man hinschaut, desto

mehr Imperfektionen erkennt man. Kleine, lokale Unregelmäßigkeiten

wie Fehlstellen, Versetzungen,

Fremdatome und vieles mehr.

Wenn man nun eine große Spannung aufbringt, wo

genau wird das Material als erstes nachgeben? An

den schwächsten Stellen. Solange es um kleine Deformationen

geht, ist das nicht weiter der Erwähnung

wert und es gibt sogar positive Sondereffekte wie

lokale, kleine Verfestigungen, die uns betreffend der

dynamischen Eigenschaften helfen können. Sofern es

aber – wie man es in der Praxis leider immer mal

wieder beobachten muss – um große Deformationen

geht, teilweise auf dem Weg zur richtigen Form mehrfach

hin- und hergedrückt wird, ist eine Schädigung

vorprogrammiert.

Schnell ausprobiert: Sie nehmen ein Stück 5mm-

Rundmaterial und biegen dieses so stark, dass sich

ein 90°-Winkel bildet. Jetzt wieder gerade biegen.

Dann wieder zum Winkel. Dann wieder…? Haben Sie

schon zwei Teile in der Hand? Dann ist ja alles klar.

Die Handwerkliche Erfahrung sagt uns zu dem Thema,

dass es besser geht, wenn wir den Stahl an der

Stelle heiß machen, an der wir ihn verbiegen wollen.

Diese Grafik zeigt uns, warum:

Ist das schlimm? Nicht unbedingt. Schlimm wird es

erst, wenn man durch externe Einflüsse dafür sorgt,

dass sich diese Eigenspannungen abbauen können.

Durch Plastifizierungen. Durch unerwartete und

durchaus unerwünschte Verformungen. Beispiele

gefällig?

- Ein kaltgerichtetes Blech verbiegt und verwindet

sich auf einmal, nachdem es für eine

Feuerverzinkung erwärmt wird

Bild 1: Streckgrenze bei verschiedenen Temperaturen

6 DVS 327


Wie man sieht, sinkt die Streckgrenze mit steigender

Temperatur, bei 650°C auf die Hälfte - und bei noch

höheren Temperaturen noch weiter.

Passend hierzu gibt es den Verlauf der Streckgrenze

über der Temperatur in der folgenden Grafik aufgetragen:

Nicht zuletzt wollen wir natürlich in Erinnerung behalten,

dass höhere Temperaturen nur mit Energieaufwand

und damit mit Energiekosten, möglicherweise

auch mit Emissionen zu erreichen sind. Es ist also

immer der konkrete Nutzen zu betrachten.

An dieser Stelle muss eindringlich vor dem

Richten mit rein oberflächlich wirkenden

Induktionsverfahren wie Hochfrequenzoder

Resonanzinduktion gewarnt werden. Aufgrund

fehlender Wirktiefe lässt sich bei diesen Verfahren die

Oberflächentemperatur kaum unter Kontrolle halten!

Wird mit solchen Verfahren dann noch an hochfesten

Materialien wie Feinkornstahl S700 gearbeitet, sind

Versprödungen durch Grobkornbildung vorprogrammiert.

Leider sieht man speziell im nicht regulierten

Bereich derlei immer wieder, selbst an dynamisch

belasteten Konstruktionen.

1.3 Materialgrundlagen: Oberflächen

Bild 2: Streckgrenze über Temperatur (Quelle: TU Braunschweig

/ ifs)

Aus der Perspektive der Streckgrenze gilt also ganz

klar ‚viel hilft viel‘ was die Richt-Temperatur angeht.

Natürlich wäre es möglich, ein Metall ganz ohne nachteilige

Veränderung der Oberfläche sogar bis auf

Glühtemperaturen zu bringen, sofern man mit induktiver

Erwärmung und einer reinen Formiergasatmosphäre

arbeitet.

1.2 Materialgrundlagen: Temperaturgrenzen

So wünschenswert eine hohe Temperatur in der Umformzone

zur Absenkung der Streckgrenze auch ist,

je nach Material kommt man schnell an Grenzen, die

man nicht überschreiten darf, da das Material sonst

bleibende Schäden davonträgt.

Die entscheidenden Fragen, die man für das zu verwendende

Material beantworten muss:

- Wo beginnt gegebenenfalls eine Gefügeumwandlung

(z.B. bei Stahl AC1, also 723°C), ist

das Material empfindlich für Aufhärtung bei

normaler Abkühlung an Luft?

- Liegt eventuell ein Vergütungszustand vor?

Welches ist also die Vergütungstemperatur,

bei deren Überschreitung sich die Härteeigenschaften

ändern?

- Gibt es eine Temperatur (und Haltezeit), ab

der man mit Grobkornbildung und damit einhergehender

Versprödung rechnen muss,

wenn zu viel Wärme eingetragen wird?

- Gibt es besonders kritische Temperaturen,

bei denen nach gewissen Zeiten spröde Sonder-gefüge

entstehen? (z.B. Sigmaphase bei

Duplexstählen…)

- Im Extremfall: Wo liegt der Schmelzpunkt?

Diese Frage ist in der Praxis bei Stählen und

passendem Wärmeverfahren problemlos –

bei Aluminium hingegen ein echtes Problem!

Bild 3: Zumindest Anlauffarben bleiben auf der Oberfläche

nach dem Richtvorgang zurück

Wenn es aber um ein Praxistaugliches, für den harten

Einsatz in der Produktion vorgesehenes Verfahren

gehen soll, bietet sich eine solche Möglichkeit nicht.

Es gilt dann abzuwägen, ob die Anlauffarben aus

Gründen des Korrosionsschutzes entfernt werden

müssen.

DVS 327 7


Im Fall des Richtens von verzinkten Oberflächen hat

sich hierzu auch der Einsatz von Hartlöt-Flussmittel

bewährt. Dies schützt sowohl die Oberfläche vor Oxidations-Angriffen,

als auch gibt es einen optischen

Hinweis auf erreichte Temperaturniveaus.

Auf- und Abkohlungseffekte, wie sie durch nicht neutral

eingestellte Flammen entstehen, sind normalerweise

unerwünscht.

Hat man oberflächlich wirkende Wärmverfahren wie

die Flamme oder aber Hochfrequenz-/ Resonanzinduktion,

so besteht in jedem Fall die Gefahr einer

Überhitzung. Im Extremfall gibt es durch Anschmelzungen

eine sichtbare Beschädigung der Oberfläche,

aber auch durch zu schnellen Wärmeabfluss in die

Tiefe nach Überschreiten der Gefügeumwandlungstemperatur

droht Gefahr. Mit den einhergehenden

Versprödungen bei zu schneller Abkühlung kommt

man in der Praxis nicht zurecht.

Bei induktiven Richtverfahren mit Feldverstärker ist

zudem dafür zu sorgen, dass Zündstellen, wie sie

durch zwei blanke Stellen an den Induktorleitern und

gleichzeitiges Aufsetzen entstehen, konsequent vermieden

werden.

2 Grundlagen des Richtens mit ‚verhinderter

Ausdehnung‘

2.1 Funktionsprinzip und Einflussgrößen

Die Grundüberlegung ist folgende: Bei einer zu beseitigenden

Deformation soll so materialschonend wie

möglich Abhilfe geschaffen werden. Mit mechanischer

Kraft bei Raumtemperatur zu richten, scheidet damit

als erstes aus, da man damit das Material lokal über

seine maximale Streckgrenze, nämlich die bei normaler

Umgebungstemperatur bringen muss.

Das großflächige Herabsetzen der Streckgrenze, um

danach mit weniger mechanischer Kraft die für plastische

Verformung erforderliche Biegespannung von

außen aufzubringen, dürfte aus energetischen und

aus Zeitgründen nur im Ausnahmefall eine Option

sein.

Mit der alten Handwerkskunst des Flammrichtens ist

ein Zwischenweg gefunden, bei dem das Bauteil (1)

lokal gewärmt wird und dadurch im Material eine Zone

reduzierter Streckgrenze (2) geschaffen ist. Das umliegende

Material (3) wird so wenig wie möglich erwärmt.

Wenn dann noch in geeigneter Weise die notwendige

thermische Ausdehnung dieser Zone verhindert

- oder zumindest behindert - wird, kommt es dort

zu einem Staucheffekt. Diesen an die richtige Stelle

im Metall plaziert, erreicht man eine Verformung des

Bauteils. Ganz ohne externe Kräfte und Momente.

Die so gestauchte Zone hat nun im erwärmten Zustand

dieselben Ausmaße wie im kalten Ausgangszustand.

Nach erfolgter Abkühlung ist die Zone also

Bild 4: Thermischer Richtmechanismus auf Basis der verhinderten

Ausdehnung

kleiner als vorher (5), sie ist geschrumpft. Das Bauteil

(4) hat nach diesem Vorgang durch die unterschiedliche

Formänderung in der Stauchungszone (5) und

dem umliegenden Material (6) die gewünschte Formänderung.

2.2 Richtfiguren

Je nachdem, ob es darum geht, einen Winkelverzug

oder die Auswirkung einer Längsschrumpfung auszugleichen

– oder gar im Fall des Dünnblech-Richtens

im Schienenfahrzeugbau eigentlich die Spannwirkung

für ein Beulfeld im Vordergrund steht – sind die Strategien

betreffend der zu setzenden Wärmefiguren

völlig unterschiedlich. Betreffend der Grundlagen hierfür

wird auf die Qualifikation zur Flammricht-Fachkraft

gemäß der DVS-Richtlinie 1145 bzw. die Unterlagen

zu einschlägigen Flammrichtkursen verwiesen.

Nun sei an dieser Stelle aber auf ein kleines Detail

hingewiesen. Es macht einen enormen Unterschied,

ob die Wärme zur Erzeugung einer Keilfigur von der

Oberfläche über reine Wärmeleitung eingebracht wird,

oder ob ein tiefenwirksames Verfahren wie z.B. ein

Tiefeninduktionsgerät der Marke Alesco eingesetzt

wird, bei dem die Wärme bis in der Tiefe des Materials

entsteht – wohlgemerkt mit einem tiefenabhängigen

Konzentrationsunterschied, denn bei einer

gleichmäßigen Durchwärmung gäbe es ja keinen

Richteffekt.

Quelle [2] beschreibt die Funktion und die Unterschiede

der verschiedenen Induktionsverfahren eingehender.

8 DVS 327


Es lohnt sich, hier einmal genauer hinzuschauen,

denn durch die andere Handhabung, wesentlich geringere

Oberflächentemperaturen und Wärmeeinbringung

und schnellere Verfahrgeschwindigkeit der

Wärmequelle entsteht in der Praxis schnell ein Zeitvorteil,

der je nach Anwendung enorm ist.

In so einem Fall ist es sinnvoll und erforderlich, durch

externe Maßnahmen (verspannen, Auflegen von Gewichten

etc) die Ausdehnung zu behindern. Um das

klarzustellen: Es geht nicht darum, den Verzug wegzubiegen!

Das Bauteil soll nur daran gehindert werden,

durch thermische Ausdehnung der erwärmten

Zone ‚mitzugehen‘ – denn dann tritt kein oder zu wenig

Richteffekt ein.

In der Realität trifft man leider immer wieder den Fall

an, dass der Werker den mangelnden Richteffekt

durch Steigerung der Temperatur (Gelbglut jenseits

der Gefügeumwandlung und mit der Gefahr der lokalen

Versprödung) auszugleichen versucht. Das hat mit

Richten nichts zu tun und ist nicht fachgerecht.

2.4 Richten von mehrteiligen Schweissungen

Der einfachste Fall: Eine mehrlagige Kehlnaht. Mit der

ersten Naht entsteht ein Winkelverzug. Mit den weiteren

Lagen wird dieser Verzug nun ‚festgeschweißt‘!

Bild 5: Mit Tiefeninduktion entsteht die Richtfigur sofort,

nicht schrittweise von der Oberfläche her

2.3 Dehnungsbehinderung

Da das nicht erwärmte Material seine volle Streckgrenze

behält, hat dieses ein relativ großes Vermögen,

die erwärmte Zone an der Ausdehnung zu hindern.

Ob diese Eigendehnbehinderung ausreicht oder

nicht, lässt sich daran ablesen, ob das Bauteil 'mitgeht',

sich bei der Erwärmung also entgegen der

gewünschten Formänderung verformt.

Wenn das geschieht, ist das ein Zeichen dafür, dass

die thermisch bedingte Ausdehnung der Erwärmungszone

nicht oder nicht hinreichend verhindert

wird.

Angewandte Energieverschwendung, egal mit welcher

Wärmequelle gearbeitet wird!

Praxistipp:

Machen Sie pro Bauteilgeometrie einmal

eine Verzugsmessung, wenn die Wärme

komplett eingebracht ist. Wurde der Verzug

nennenswert GRÖSSER, ist das Bauteil

also ‚MITGEGANGEN‘, dann ist der Richtvorgang

nicht ideal. Dehnungsbehinderung

oder abschnittsweises Wärmen kann einfache

Abhilfe schaffen!

Der Richter bemerkt einen auffälligen Unterschied im

Richteffekt. Während der Winkelverzug einer einfachen

Kehlnaht mit wenig Aufwand beseitigt ist, funktioniert

das bei einer mehrlagigen Schweißung nicht

mehr. Wird jedoch nach der ersten Lage kurz gerichtet,

ist der Verzug mit wenig Aufwand beseitigt. Die

weiteren Lagen werden dann auf einem schon vorgewärmten

Material durchgeführt, was deutlich weniger

Verzug erzeugt.

Nun geht es aber nicht nur um mehr-LAGIGE

Schweißungen, sondern in der Praxis trifft man regelmäßig

Fälle an, bei denen das andere Ende eines

verzogenen Bauteils am falschen Ort festgeschweißt

wird, anstatt zuerst den Verzug zu richten und dann

die Schweißung am richtigen Ort machen zu können.

Beliebtes Beispiel: Verstrebungen, die zwischen zwei

Bauteile eingeschweißt werden sollen, von denen

eines durch die vorhergehende Schweißung verzogen

ist.

2.5 Zusammenfassung der Grundlagen

Damit ist das thermische Richten mit verhinderter

Ausdehnung in der Theorie beschrieben. Zwei Zonen

unterschiedlicher Temperatur, die thermische Ausdehnung

der heißeren Zone wird verhindert – dies

führt zu einer lokalen Stauchung und damit zur gewünschten

Formänderung.

Die Realität weicht von der Theorie in einem wichtigen

Punkt ab: die Temperatur der erhitzten Zone ist

nicht gleichmäßig, da die Wärme mittels einer Autogenflamme

nur mittels einer Übertemperatur an der

Oberfläche eingebracht und über den Mechanismus

der Wärmeleitung mit entsprechendem Zeitverzug in

die Tiefe des Materials gebracht werden kann.

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Außerdem ist bei der Erwärmung mit der Flamme

eine Erwärmung eines großen Bereichs um die gewünschte

Zone herum durch die abgeleiteten Flammgase

unvermeidlich.

Wichtiger Hinweis: Die benötigte Wärme für das Richten

eines verzogenen Bauteils ist wesentlich geringer, als beim

Versuch, ein gerades Bauteil im selben Umfang krumm zu

machen! In der Praxis profitiert man davon, indem es einen

breiten Bereich an richtwirksamem Energieeintrag gibt, bei

dem der Verzug beseitigt ist. Ein ‚Zuviel‘ an Richtenergie,

wodurch es zu einem Verzug in Gegenrichtung kommt, ist

bei den typischen Richtaufgaben kaum ein Thema!

Weiterbringend für das Verständnis der Effekte ist an

dieser Stelle, die nötigen Mechanismen für Spannungserzeugung

im Material nachzuvollziehen, die

Voraussetzung für eine plastische Verformung – sofern

die Spannungen die Streckgrenze überschreiten!

Hierzu betrachten wir zwei Spiralfedern mit gleicher

Windungszahl, aber mit unterschiedlicher Federsteifigkeit.

Die blaue Feder habe eine hohe, die graue

Feder eine geringe Federsteifigkeit. Beide besitzen

lastfrei dieselbe Ausgangslänge l0.

3 ‚Minimalinvasives Richten‘

3.1 Richteffekt

Die bisherigen Ausführungen gingen davon aus, dass

man das, was man beim Flammrichten mit der Autogenflamme

macht, mit Tiefeninduktion mehr oder

weniger nachempfunden wird.

Die erste prinzipielle Abweichung resultierte aus der

Feststellung, dass man bei der Tiefenwirkung der

neuen Technologie die hohen Temperaturen an der

Oberfläche zur Beschleunigung der Wärmeleitung in

die Tiefe bei dickem Material nicht mehr braucht.

Hinzu kamen aber schon in den ersten Jahren der

Nutzung in Einzelfällen wahrgenommene Fälle großer

Richtwirkung bei erstaunlich niedrigen Temperaturen,

die zunächst nicht reproduzierbar und nicht erklärbar

waren.

Zum Verständnis der Effekte, wie es entgegen der

handwerklichen Erfahrung tatsächlich Fälle geben

kann, bei denen man bei niedrigerer Temperatur höheren

Richteffekt hat, hilft ein Blick auf den Verlauf

von Streckgrenze und Elastizitätsmodul von Raumtemperatur

z.B. bis 1000°C. Solche Daten sind jedoch

von den Herstellern der Materialien kaum zu bekommen.

Dass die STRECKGRENZE (Rp0.2) eines Metalls mit

der Temperatur abnimmt, ist altbekannt - wahrscheinlich

hat jeder schon mal einen Stahlstab über Rotglut

erwärmt und dann mit wenig Kraft bleibend verformt.

Ohne eine Reduzierung der Streckgrenze in der Zone

der beabsichtigten Verformung ist eine gegenüber der

Kaltverformung schonendere Richtwirkung nicht zu

erwarten - andererseits haben Versuche eindeutig

klar gemacht, dass dies nicht der einzige Einflussfaktor

ist. Denn in vielen Fällen war bei reproduzierbar

gleichmäßiger Erwärmung der Richteffekt mit steigender

Temperatur der Erwärmungszone (allerdings

immer im Bereich deutlich unterhalb AC3) eher rückläufig!

Bild 6: Auslenkung von Federn unterschiedlicher Federsteifigkeit

unter derselben Last / auf gleiche Auslenkung

In Umkehrung dessen, was dieses Beispiel zeigt,

könnte man nun untersuchen, wieviel Kraft es

braucht, um eine gewisse Auslenkung zu erzeugen.

Einfache Antwort: Für dieselbe Auslenkung braucht

man bei der geringeren Federsteife weniger Kraft!

Nun sollte man beachten, dass es eigentlich nicht um

die auslenkende Kraft F geht, sondern um die resultierende

Zugspannung

σ = F / A

(A: Querschnittsfläche des Federdrahts)

Bei einem Metall unter Zug-/Druckbeanspruchung ist

dessen 'Federsteifigkeit', also das Dehnungsverhalten

unter einer gewissen Beanspruchung, beschrieben

durch den ELASTIZITÄTSMODUL E.

Was hat dies nun mit dem thermischen Richten zu

tun?

Die Erwärmungszone gibt die Antwort. Diese hat bei

Umgebungstemperatur eine gewisse Länge l0. Unter

der Erwärmung um die Temperaturdifferenz ∆T ergäbe

sich unbehindert eine Längenänderung ∆l, die vom

thermischen Ausdehnungskoeffizienten α und von l0

abhängt.

α = ∆l / ( l0 * ∆T) bzw. ∆l = α / ( l0 * ∆T)

Nun soll die thermische Ausdehnung aber gerade

behindert oder sogar verhindert werden. Das Material,

das bei der höheren Temperatur eigentlich die Länge

l = l0+ ∆l

hätte, wird ja nun auf die Länge l0 zusammengepresst!

10 DVS 327


Anhand des Bilds der Federn unterschiedlicher Federsteife

kann man sich nun vorstellen, dass die resultierende

Druckspannung σ im Material dabei massiv

vom vorhandenen Elastizitätsmodul E abhängt. Ist

dieser hoch, so wird eine hohe Druckspannung entstehen

- ansonsten eher nicht. Die entscheidende

Frage zum Thema Richteffekt ist nur, ob bei den vorliegenden

Temperaturen die entstehende Druckspannung

über der zugehörigen Streckgrenze liegt oder

nicht.

Benötigt würde also die Information über den Verlauf

von Streckgrenze und Elastizitätsmodul über der

Temperatur - und das weit außerhalb des regulären

Nutzungsbereichs der Materialien! Sieht man entsprechende

Verläufe, kann man sich anhand des

qualitativ unterschiedlichen Abfalls von Streckgrenze

und E-Modul durchaus Fälle erklären, in denen 100K

weniger Temperatur zwar eine leichte Zunahme der

Streckgrenze, jedoch eine starke Zunahme des Elastizitätsmoduls

mit sich bringen. Und damit mehr Richteffekt!

Aufgrund des Fehlens systematischer Untersuchungen

ist man zu diesem Thema bislang auf eigene

Versuche angewiesen, der Hinweis, es mit deutlich

weniger Wärme, erzielt durch schnellere Bewegung

der Wärmequelle zu versuchen, ist aber was das

neue Induktionsrichtverfahren angeht in jedem Fall

zielführend.

3.2 Eigendehnbehinderung

Betrachten wir einen wirklich schlimmen Fall betreffend

der Eigendehnbehinderung: Ein Doppel-T-

Trägerprofil. Zum Zweck der Überhöhung des Trägers

zur Mitnahme statischer Vorteile (oder auch zum

Richten eines Verzugs) wird dieser mit der Unterseite

nach oben auf zwei möglichst weit voneinander entfernte

Auflager (Böcke) gelegt. Bedingt durch die

Streckenlast des Eigengewichts ergibt sich an der

Oberseite ein gewisses Maß an Druckspannung.

Eventuell wird zur Erhöhung dieser Druckspannung

sogar noch weiteres Gewicht aufgelegt.

Bild 7: Typische Verläufe des E-Modul über Temperatur

(Quelle: TU Braunschweig / ifs)

Bei den bisher betrachteten Metallen gab es jeweils

eine Zone mit einem charakteristischen Steilabfall des

E-Modul. Andererseits hat der Streckgrenzenverlauf

über demselben Temperaturbereich einen mehr oder

weniger monotonen Abfall zu verzeichnen.

Daraus resultiert nun die Definition einer 'Hyperplastizitätszone'

(HPZ), innerhalb derer man die Streckgrenze

schon reduziert, den Elastizitätsmodul aber

noch so hoch wie möglich vorfindet.

Bild 8: Die 'Hyperplastizitätszone' (HPZ)

Bild 9: Träger richten (oder überhöhen): So bitte nicht!

In der rot markierten Zone soll eine Stauchung stattfinden.

In der Abbildung mit dem Ziel einen Verzug zu

beseitigen, alternativ auch zum Erzielen einer Überhöhung.

Was ist zu tun? Fragen wir zunächst die einfache

Frage: Was ist auf keinen Fall zu tun? Antwort: Versuchen

Sie bitte nicht, den Keil in seiner Gesamtheit,

also das Dreieck im Steg und den Streifen im Gurt,

auf einmal gleichmäßig auf Temperatur zu bringen.

Es gibt ja schöne Hochglanzbilder, bei denen der

komplette Keil ROT glüht. Ende vom Lied ist, dass der

Werker mit dem Richteffekt völlig unzufrieden ist und

den ‚Autogen-Notausgang‘ wählt. Die Flamme nochmal

stärker stellen, länger draufhalten bis zur Gelbglut

– das hat zwar nichts mehr mit Richten zu tun, aber

so bekommt jeder das gewünschte Deformationsergebnis

hin. Nur, nach dem Material darf man dabei

nicht mehr fragen…

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