Leseprobe_300327

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.
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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!
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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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