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SB_18985NLP

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2018<br />

Abschlussbericht<br />

DVS-Forschung<br />

Qualifizierung des<br />

Reinigungsstrahlens als<br />

Nachbehandlungsverfahren<br />

zur Schwingfestigkeitsverbesserung<br />

von<br />

Schweißverbindungen


Inhaltsverzeichnis<br />

Inhalt<br />

Förderhinweis ........................................................................................................................... 2<br />

Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ..................................................... 0<br />

Angaben über gewerbliche Schutzrechte ................................................................................. 1<br />

1 Einleitung .......................................................................................................................... 6<br />

1.1 Problemstellung ............................................................................................................. 6<br />

1.2 Zielsetzung .................................................................................................................... 7<br />

2 Stand der Technik ............................................................................................................. 8<br />

3 Vorgehensweise und Versuchsplanung ............................................................................ 8<br />

3.1 Vorgehensweise ............................................................................................................ 8<br />

3.2 Verwendete Werkstoffe ............................................................................................... 10<br />

3.3 Durchgeführte Untersuchungen .................................................................................. 11<br />

4 Untersuchungsergebnisse .............................................................................................. 21<br />

4.1 Metallographische Untersuchung, Härtemessung ....................................................... 21<br />

4.2 Ermittlung der Proben- und Schweißnahtgeometrie .................................................... 31<br />

4.3 Rauheitsmessung ........................................................................................................ 33<br />

4.4 Ergebnisse der Eigenspannungsanalysen .................................................................. 35<br />

4.4.1 S355J2+N ............................................................................................................ 35<br />

4.4.2 S960QL ................................................................................................................ 43<br />

4.4.3 EN AW 6082 T6 ................................................................................................... 48<br />

5. Untersuchungen zur Eigenspannungsstabilität ............................................................... 53<br />

5.1 Eigenspannungsabbau infolge zügiger Beanspruchung ..................................... 53<br />

5.1.1 Proben aus S355J2+N ......................................................................................... 53<br />

5.1.2 Proben aus EN AW 6082 T6 ............................................................................... 58<br />

5.2 Eigenspannungsabbau infolge zyklischer Beanspruchung.................................. 61<br />

5.2.1 Proben aus S355J2+N............................................................................................... 61<br />

5.2.2 Proben aus EN AW 6082 T6 ............................................................................... 65<br />

5.3.2 Zyklischer Eigenspannungsabbau, Eigenspannungstiefenverlauf (Bohrloch), EN<br />

AW 6082 T6 ........................................................................................................................ 67<br />

6. Schwingfestigkeitsuntersuchungen ................................................................................. 69<br />

6.1 Schwingfestigkeitsergebnisse an Proben aus S355J2+N ................................... 69<br />

6.2 Schwingfestigkeitsergebnisse an Proben aus S960QL ....................................... 74<br />

6.3 Schwingfestigkeitsergebnisse an Proben aus EN AW 6082 T6 .......................... 76<br />

7 Zusammenfassung .......................................................................................................... 80<br />

8 Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der erzielten<br />

Ergebnisse insbesondere für KMU sowie ihres innovativen Beitrags und ihrer industriellen<br />

Anwendungsmöglichkeit ......................................................................................................... 82


Inhaltsverzeichnis<br />

9 Ergebnistransfer in die Wirtschaft ................................................................................... 83<br />

9.1 Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierte<br />

Transferkonzeptes .................................................................................................................. 85<br />

10 Schlussbemerkung ...................................................................................................... 85<br />

11 Literaturverzeichnis: .................................................................................................... 86


Seite 6 des Schlussberichts zu IGF‐Vorhaben 18.985 N<br />

1 Einleitung<br />

Schweißverbindungen weisen ohne weitere Bearbeitung der Schweißnaht erhebliche<br />

Schwingfestigkeitseinbußen gegenüber dem ungestörten Grundwerkstoff auf. Die Absenkung<br />

der ertragbaren Nennspannung der Verbindung unter Beanspruchung lässt sich auf<br />

Schweißnahtkerb, also auf die dort vorhandene Spannungskonzentrationen zurückführen.<br />

Da es bisher nicht gelungen ist, durch den Schweißprozess selbst diese Kerbwirkung weitgehend<br />

zu vermeiden, muss i.d.R. auf verschiedene Schweißnahtnachbehandlungsverfahren<br />

zurückgegriffen werden, wenn eine merkliche Erhöhung der Schwingfestigkeit angestrebt<br />

wird. Mechanische Oberflächenbehandlungen, wie das in der Automobilindustrie und anderen<br />

Wirtschaftsbereichen bewährte Kugelstrahlen, haben sich in der Schweißtechnik bisher<br />

nicht durchgesetzt, weil der damit verbundene zusätzliche Arbeits- und Kostenaufwand gescheut<br />

wird. Hingegen ist das vom Ablauf und vom Aufwand dem Kugelstrahlen artverwandte<br />

Reinigungsstrahlen ein in der Industrie eingeführtes Verfahren zum Abtrag werkstofffremder<br />

Schichten z.B. als Vorbereitung für Lackierarbeiten. Obwohl hierbei der Reinigungseffekt<br />

im Vordergrund steht, so ist doch weitläufig bekannt, dass das Reinigungsstrahlen oft auch<br />

Schwingfestigkeitsverbesserungen nach sich zieht. Diese werden bei der Bemessung allerdings<br />

bislang nicht berücksichtigt, weil die entsprechenden qualitätssichernden Maßnahmen<br />

nicht bekannt sind. Bisher gibt es keine, für die industrielle Praxis anerkannten Anforderungen<br />

an das Reinigungsstrahlen, mit denen eine höhere Schwingfestigkeit sichergestellt werden<br />

kann. Der wünschenswerte Schritt, die günstige Wirkung des Reinigungsstrahlens bemessungsrelevant<br />

einsetzen zu können, besteht also darin, dessen Wirksamkeit quantitativ<br />

und systematisch nachzuweisen und die Qualitätssicherungsmaßnahmen, die von anderen<br />

mechanischen Nachbehandlungen bekannt sind, auf diese Behandlung anwendbar machen<br />

zu können. Damit wird eine Schwingfestigkeitserhöhung von Schweißverbindungen ermöglicht,<br />

die nur einen verhältnismäßig geringen Mehraufwand in der schweißtechnischen Fertigung<br />

erfordert.<br />

1.1 Problemstellung<br />

Versuche, durch schweißtechnische Optimierung Schwingfestigkeitsverbesserungen zu erzielen,<br />

haben in der Vergangenheit häufig zum verstärkten Einsatz des WIG-Verfahrens geführt.<br />

Hierbei können bereits beim Schweißen durch die entkoppelte Zufuhr der Schweißwärme<br />

und der Zusatzwerkstoffe sehr flache, kerbarme Nahtprofile erzielt werden. Der hohen<br />

Nahtgüte stehen aber eine stärkere thermische Belastung des Bauteils sowie eine mangelnde<br />

Wirtschaftlichkeit des Verfahrens gegenüber. Das ebenso mögliche zusatzwerkstofflose<br />

Wiederaufschmelzen der Nahtränder führt zum gleichen Erfolg [z.B. Gur68, Kad75,<br />

Min81, Hee86, Mar96], jedoch verbunden mit den zuvor genannten Einschränkungen. Dennoch<br />

können mit dem Wiederaufschmelzen, das auch mittels Plasmabrenner, Laser oder<br />

Elektronenstrahl möglich ist, gute Schwingfestigkeitssteigerungen bei Stählen erzielt werden.<br />

Bei Aluminiumwerkstoffen im verfestigten Zustand ist der Erfolg der Methoden eher mäßig,<br />

weil die starke thermische Belastung der Verbindungen das Auflösen von Ausscheidungen in<br />

der WEZ bewirkt, die einen Großteil des Erfolges durch Festigkeitsverlust wieder zunichtemachen.<br />

Der durch die Verringerung der Kerbwirkung theoretisch erreichbare Schwingfestigkeitsgewinn<br />

wird dann weitgehend kompensiert, in dem der Bruchausgang in die Entfestigungszone<br />

verschoben wird und auf einem niedrigeren Nennspannungsniveau als erwartet


Seite 7 des Schlussberichts zu IGF‐Vorhaben 18.985 N<br />

beobachtet werden kann. [Hic73, Zin90] Wenig verlässlich ist häufig auch das Spannungsarmglühen,<br />

das auf die Beseitigung ungünstiger Zugeigenspannungen abzielt. Ursache dafür<br />

ist, dass das tatsächliche Ausmaß der Eigenspannungsverringerung im Vergleich zum Ausgangszustand<br />

in den meisten Fällen unbekannt bleibt. Bei ausscheidungsgehärteten Aluminiumwerkstoffen<br />

kommt das Spannungsarmglühen aufgrund der hierbei wirksamen Verfestigungsmechanismen<br />

ohnehin nicht in Betracht.<br />

1.2 Zielsetzung<br />

Mit dem Ziel die Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen durch eine nachträgliche einfache<br />

mechanische Bearbeitung zu steigern, wurden in der Vergangenheit unterschiedlichste<br />

Maßnahmen entwickelt und erprobt. Mechanische Nachbehandlungsverfahren wie Strahloder<br />

Hämmerverfahren haben sich bisher bei Stahl- und Aluminiumschweißverbindungen als<br />

sehr wirkungsvolle Methoden erwiesen. Vorrangiges Ziel der mechanischen Nachbehandlungsverfahren<br />

ist das Erzeugen hoher Druckeigenspannungen mit größtmöglicher Wirktiefe<br />

sowie die mit der Kaltverformung einhergehende Werkstoffverfestigung [Woh00], um so den<br />

Ermüdungsrissbildungs- und –ausbreitungswiderstand zu beeinflussen und dadurch eine<br />

Schwingfestigkeitssteigerung oder Lebensdauerverlängerung zu erreichen, d.h. die lokale<br />

Dauerfestigkeit der Verbindungen zu erhöhen.<br />

Der wesentliche Nutzen der angestrebten Forschungsergebnisse wird in erster Linie darin<br />

bestehen, dass die selbstverständlich hohen Fertigungsqualitäten in Verbindung mit dem<br />

festigkeitssteigenden Nutzen des flächendeckend eingesetzten Reinigungsstrahlen regelwerkskonform<br />

in höhere zulässige Lastannahmen für schwingbeanspruchte Konstruktionen<br />

münden. Dies wird sich in größeren Gewichtseinsparungen, höherer Energieeffizienz und<br />

damit in einem nachhaltigen Wettbewerbsvorteil niederschlagen.<br />

Die Qualifizierung des Reinigungsstrahlens sowie dessen Integration in bestehende Regelwerke<br />

bedeuten eine unmittelbare Steigerung der Wirtschaftlichkeit der schweißtechnischen<br />

Fertigung ohne nennenswerten Anstieg der Kosten. Es entsteht ein deutliches Einsparpotential,<br />

da neben Materialeinsparungen andere Nachbehandlungsverfahren, die mit Mehraufwand<br />

verbunden sind, wie das Schleifen, reduziert werden können. Dies geht darüber hinaus<br />

einher mit einer Senkung der Energiekosten.<br />

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sollen durch entsprechende Erweiterungen von<br />

Regelwerken und Empfehlungen unmittelbar in die industrielle Anwendung einfließen.


Seite 8 des Schlussberichts zu IGF‐Vorhaben 18.985 N<br />

2 Stand der Technik<br />

3 Vorgehensweise und Versuchsplanung<br />

3.1 Vorgehensweise<br />

Im geplanten Vorhaben sollte das Reinigungsstrahlen als schwingfestigkeitssteigerndes<br />

Nachbehandlungsverfahren am Beispiel normalfester Stahl- und Aluminiumwerkstoffe qualifiziert<br />

werden. Das Reinigungsstrahlen birgt aufgrund der erreichbaren Oberflächenverfestigungen<br />

und durch das Einbringen von Druckeigenspannungen prinzipiell das gleiche Potenzial<br />

zur Erhöhung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen wie das Kugelstrahlen.<br />

Regelwerke erlauben die Berücksichtigung bei der Auslegung bisher deshalb nicht, weil belastbare<br />

Qualitätskriterien fehlen, die die Zuordnung einer solchen Behandlung zu einer diskreten<br />

Schwingfestigkeitssteigerung möglich machen. Durch eine systematische Untersuchung<br />

sollen Kriterien herausgearbeitet werden, die es ermöglichen, einen ohnehin in der<br />

Anwendung befindlichen, ungeregelten Prozess in einen geregelten zu überführen und damit<br />

eine bemessungsrelevante Nutzung zu ermöglichen.<br />

Röntgenographische Beugungsexperimente zur Bestimmung des Eigenspannungszustands<br />

sind komplex und zeitaufwendig, zu mal für die Bestimmung des Tiefenverlaufs der Eigenspannungen<br />

wiederholende Messungen mit zwischenzeitlichem schichtweisen Abtrag des<br />

Werkstoffs notwendig sind. Diese Methode ist vor allem für die grundlegende Qualifizierung<br />

des Strahlprozesses von erheblicher Bedeutung. Ein Einsatz unter praktischen Bedingungen<br />

zur fortlaufenden Qualitätskontrolle erscheint daher zweifelhaft. Geeigneter für eine praktische<br />

Anwendung ist die Charakterisierung des Verfestigungszustands bspw. mittels ortsaufgelöster<br />

Härtemessungen. Härtemessungen sind zwar meist nicht zerstörungsfrei, als Prüfverfahren<br />

zur Charakterisierung von Werkstoffzuständen aber industriell eingeführt und somit<br />

etabliert.<br />

Die Untersuchungen sollen zeigen, ob es möglich ist den Oberflächenverfestigungszustand<br />

mit Hilfe fein aufgelöster Härtemessungen zu erfassen. So soll eine Korrelation zwischen<br />

messbaren Härteveränderungen aufgrund der Nachbehandlung und der erreichten Schwingfestigkeitserhöhung<br />

erreicht werden. Hierbei ist insbesondere die Frage zu klären, welche<br />

Genauigkeit bzw. Auflösung bei der Härtebestimmung notwendig ist, um verlässliche Aussagen<br />

über die Schwingfestigkeit der Schweißverbindung treffen zu können. Dies umschließt<br />

sowohl analytische Untersuchungen der Schweißungen im unbehandelten als auch reinigungsgestrahlten<br />

Zustand sowie umfangreiche Schwingfestigkeitsversuche. Gerade im Hinblick<br />

auf die industrielle Anwendbarkeit sollen verschiedene Strahlmittel und Verfahrensparameter<br />

untersucht und gegenübergestellt werden.<br />

Folgende Fragen sind zu beantworten:<br />

Welche Rolle spielen die durch das Reinigungsstrahlen erzielbaren Oberflächenverfestigungen<br />

im Hinblick auf die Erhöhung der Schwingfestigkeit der Verbindung?<br />

Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Verfestigung und der resultierenden<br />

Schwingfestigkeit?

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