SB_19537NLP

2021
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Festwalzen zur Schwingfestigkeitserhöhung
bzw.
Lebensdauerverlängerung
zyklisch beanspruchter
Schweißkonstruktionen
aus Stahl und Aluminiumlegierungen

Festwalzen zur
Schwingfestigkeitserhöhung
bzw. Lebensdauerverlängerung
zyklisch beanspruchter
Schweißkonstruktionen aus
Stahl und
Aluminiumlegierungen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 19.537 N
DVS-Nr.: 09.073
Fraunhofer-Gesellschaft e.V.
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik
IWM
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.537 / DVS-Nr.: 09.073 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF
im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
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unter: http://dnb.dnb.de
© 2021 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 483
Bestell-Nr.: 170593
ISBN: 978-3-96870-483-8
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Inhaltsverzeichnis
Seite V
Inhaltsverzeichnis
Förderhinweis ............................................................................................................................................................................ I
Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeiten ............................................................................ II
Verwendung von Zuwendungen ...................................................................................................................................... III
Zusammenfassung des Projektverlaufs ........................................................................................................................ IV
Inhaltsverzeichnis .................................................................................................................................................................... V
Abbildungsverzeichnis ........................................................................................................................................................ VI
Tabellenverzeichnis ................................................................................................................................................................ X
1 Einleitung............................................................................................................................................................................ 1
2 Kenntnisstand ................................................................................................................................................................... 3
3 Beschaffung und Charakterisierung der Grundwerkstoffe (AP1) .............................................................. 5
4 Praxisnahes Schweißen der Flach- und Rundproben (AP2)......................................................................... 7
5 Kontrollierte mechanische Oberflächenbehandlung mit Festwalzen (AP3)....................................... 10
5.1 Festwalzparameterstudie............................................................................................................................. 10
5.2 Festwalzen der Rundschweißproben ...................................................................................................... 15
5.3 Festwalzen der Flachschweißproben ...................................................................................................... 18
6 Charakterisierung des erzielten Oberflächenzustands (AP4) ................................................................... 19
6.1 Rundschweißproben ...................................................................................................................................... 19
6.1.1 Oberflächentopografie ...................................................................................................................... 19
6.1.2 Gefüge und Härte ................................................................................................................................. 19
6.1.3 Eigenspannungszustand ................................................................................................................... 21
6.2 Flachschweißproben ...................................................................................................................................... 23
6.2.1 Oberflächentopografie ...................................................................................................................... 23
6.2.2 Gefüge und Härte ................................................................................................................................. 24
6.2.3 Eigenspannungszustand ................................................................................................................... 26
7 Wöhlerversuche und Bewertung der Ergebnisse mit Festigkeitskonzepten (AP5)......................... 30
7.1 Versuchsdurchführung .................................................................................................................................. 30
7.1.1 Rundschweißproben .......................................................................................................................... 30
7.1.2 Flachschweißproben .......................................................................................................................... 31
7.2 Versuchsauswertung ...................................................................................................................................... 32
7.2.1 Nennspannungskonzept ................................................................................................................... 32
7.2.2 Strukturspannungskonzept ............................................................................................................ 36
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Seite VI
Inhaltsverzeichnis
7.2.3 Kerbspannungskonzept .................................................................................................................... 38
8 Untersuchung der Eigenspannungsstabilität unter quasi-statischer Beanspruchung (AP6) ...... 40
8.1 Rundschweißproben ...................................................................................................................................... 40
8.2 Flachschweißproben ...................................................................................................................................... 41
9 Untersuchung der Eigenspannungsstabilität unter zyklischer Beanspruchung (AP7) .................. 45
9.1 Rundschweißproben ...................................................................................................................................... 45
9.2 Flachschweißproben ...................................................................................................................................... 47
10 Bauteilversuche (AP8) ............................................................................................................................................... 49
10.1 Werkstoff und Bauteilgeometrie ............................................................................................................... 49
10.2 Oberflächenzustand ........................................................................................................................................ 50
10.3 Schwingfestigkeitsversuche ........................................................................................................................ 53
10.3.1 Durchführung ................................................................................................................................... 53
10.3.2 Auswertung ....................................................................................................................................... 53
11 Ableitung von Vorgaben und Empfehlungen für die Erarbeitung einer Richtlinie (AP9) ............. 56
12 Zusammenfassung und Ausblick ........................................................................................................................... 58
13 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU .................... 61
13.1 Wissenschaftlich-technischer Nutzen ..................................................................................................... 61
13.2 Wirtschaftlicher Nutzen ................................................................................................................................ 61
13.3 Innovativer Beitrag ......................................................................................................................................... 61
13.4 Industrielle Anwendungsmöglichkeiten ................................................................................................ 61
14 Ergebnistransfer in die Wirtschaft ........................................................................................................................ 62
14.1 Maßnahmen während der Projektlaufzeit ............................................................................................ 62
14.2 Maßnahmen nach Projektende .................................................................................................................. 63
14.3 Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten
Transferkonzepts ............................................................................................................................................. 63
15 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten mit dem Projektantrag ........................................... 64
16 Literaturverzeichnis .................................................................................................................................................... 66
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Einleitung Seite 1 von 70
1 Einleitung
Schweißverbindungen weisen allgemein eine wesentlich niedrigere Schwingfestigkeit im Vergleich
zum jeweiligen Grundwerkstoff auf [1]–[4]. Ursache hierfür ist u.a. die durch die Schweißnahtgeometrie
bedingte Kerbwirkung. Darüber hinaus reduzieren aber auch der sich in der Schweißnahtzone
ändernde Werkstoff- bzw. Gefügezustand (metallurgische Kerbwirkung) und vorliegende Zugeigenspannungen
am anrisskritischen Ort die Schwingbeanspruchbarkeit von Schweißverbindungen.
In den letzten Jahrzehnten erfolgte die Entwicklung eine Vielzahl von mechanischen und thermischen
Schweißnahtnachbehandlungsverfahren zur Reduktion der Kerbwirkung in Schweißverbindungen
aus Stahl und Aluminium. Bei diesen Verfahren wird entweder das Schweißnahtprofil zur Reduzierung
der Kerbspannungen verbessert, das Schweißeigenspannungsfeld vorteilhaft modifiziert oder
eine Verfestigung der Randschicht durchgeführt [5]. Vor allem Verfahren der mechanischen Oberflächenbehandlung
haben sich mit Erfolg als robuste Prozesse der Nahtnachbehandlungen bewährt wie
z.B. Hämmerverfahren oder das Kugelstrahlen.
In den letzten Jahren hat das Hämmern mit hoher Frequenz (High Frequency Mechanical Impact bzw.
HFMI-Verfahren) große praktische Bedeutung erlangt. Dabei schlägt ein gehärteter zylindrischer Stift
mit runder Spitze mit hoher Geschwindigkeit bzw. Frequenz (> 90Hz) auf das Werkstück ein,
wodurch die Nahtkerbe geometrisch verändert und die Oberfläche verfestigt wird sowie hohe
Druckeigenspannungen induziert und Randschichtverfestigungen erreicht werden. Die Wirksamkeit
des hochfrequenten Hämmerns zur Steigerung der Lebensdauer bzw. Ermüdungsfestigkeit von
Schweißverbindungen und deren Anwendbarkeit ist inzwischen durch zahlreiche Untersuchungen
belegt worden (u.a. in [6]–[12]). Das gilt auch für die Reproduzierbarkeit dieser Nachbehandlungen
und wird u.a. durch die Aufnahme dieser Nachbehandlungsverfahren in die international anerkannten
IIW-Empfehlungen zur ermüdungsfesten Auslegung von Schweißverbindungen [1] und durch die
Herausgabe der speziellen IIW-Richtlinie zum Einsatz von Nachbehandlungsverfahren für die
Schwingfestigkeitserhöhung von Schweißkonstruktionen belegt [13]. Die Schwingfestigkeitserhöhung
durch Beschleifen von Nahtübergängen ist Bestandteil von Eurocode 3 und 9 [4], [14] sowie
der FKM-Richtlinie [3].
Grundsätzlich ist zur Notwendigkeit der Nachbehandlung von Schweißnähten festzustellen, dass einerseits
Schweißverbindungen häufig nur in bestimmten Bereichen entlang der Naht hochbeansprucht
sind. Andererseits erlauben die konstruktiven Randbedingungen (u.a. eingeschränkter Bauraum
z.B. im Fahrzeugbau) eine Verlagerung der Schweißnähte in geringer beanspruchte Konstruktionsbereiche
nur mit sehr hohem Aufwand bzw. Kosten oder dies ist sogar komplett ausgeschlossen.
Das betrifft u.a. geschweißte Konstruktionen des Maschinenbaus und Fahrzeugbaus, wo aus funktionellen
Gründen Schweißverbindungen in hochbeanspruchten Bereichen nicht vermieden werden
können, wie z.B. der Anschluss von Antriebs- und Bremssystemen an Fahrgestellrahmen. Durch die
effektive Nachbehandlung von Schweißnähten lassen sich in solchen Fällen nicht nur konstruktive
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Einleitung
Schwierigkeiten von Neukonstruktionen lösen, sondern es wird darüber hinaus auch eine wirtschaftliche
Herstellung ermöglicht.
Neben dem o.g. Nachbehandlungsverfahren gibt es mit dem Festwalzen ein weiteres, bereits industriell
etabliertes, Verfahren zur effektiven mechanischen Oberflächenbehandlung. Die Anwendung auf
Schweißverbindungen wurde allerdings bisher nicht hinreichend verfolgt. Unter Festwalzen versteht
man eine kontinuierlich erzwungene plastische Deformation oberflächennaher Werkstoffbereiche
durch ein- oder mehrfaches Überrollen mit Profilrollen oder Walzen vorgegebener Geometrie unter
einer konstanten definierten Anpresskraft [15]. Die plastische Verformung führt zur Verfestigung der
Oberflächenschicht und der Entstehung von randnahen Druckeigenspannungen mit großer Einwirktiefe
im festgewalzten Werkstoff. Durch das Festwalzen wird die Oberfläche zudem geglättet und im
Fall einer Kerbe auch abgerundet. Ebenso erfolgt eine Verfestigung bzw. Härtesteigerung der plastisch
deformierten Randschicht. Diese schwingfestigkeitssteigernden Effekte in Kombination machen
das Festwalzen zu einer effizienten mechanischen Oberflächenbehandlung.
Das Festwalzen ist ein spanloses Verfahren, dessen Kinematik analog zur Dreh- bzw. Fräsbearbeitung
ist. Je nach Anwendungsfall kann dieses Verfahren im Vorschub, im Einstich oder ähnlich einer 3D-
Fräsoperation durchgeführt werden. Mit den Entwicklungen der heutigen Werkzeugtechnologie ist
der Einsatz dieses Verfahrens nicht mehr auf rotationssymmetrische Bauteile beschränkt. Die Möglichkeit
zur Bearbeitung von Freiformflächen durch den Einsatz hydrostatisch gelagerter und allseitig
frei beweglicher Kugelwerkzeuge bietet das Potential, die Anwendungsgebiete dieses Verfahrens zu
erweitern und dessen Einsatz auf alle ermüdungsgefährdeten und gekerbten Komponenten zu ermöglichen.
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens soll die Schwingfestigkeitssteigerung durch das Festwalzen
an Schweißverbindungen an herkömmlichen Baustählen und Al-Legierungen quantifiziert werden.
Ebenso quantifiziert werden soll dabei der Randschichtzustand nach der mechanischen Oberflächenbehandlung
und der entsprechende Einfluss der Prozessparameter der Festwalzbehandlung.
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Kenntnisstand Seite 3 von 70
2 Kenntnisstand
Im Vergleich zu den etablierten Nachbehandlungsverfahren wie z.B. das Beschleifen, Hochfrequenzhämmern
und Kugelstrahlen bzw. Verfestigungsstrahlen, die in den letzten fünfzig Jahren gezielt für
die Schweißverbindungen eingesetzt worden sind, hat das Festwalzen in der Schweißtechnik keine
entsprechende Beachtung bzw. Berücksichtigung gefunden. Dabei wurde dieser Prozess bereits erfolgreich
im Maschinen- und Anlagenbau seit über Jahrzehnten eingesetzt. Die ersten Untersuchungen,
die auf den erfolgreichen Einsatz des Festwalzens zur Schwingfestigkeitssteigerung von metallischen
Komponenten hingewiesen haben, gehen auf die Arbeit von Föppl [16] zurück. Weitere ausführliche
Untersuchungen zum Festwalzen sind durch Thum [17] an Schrauben durchgeführt worden,
die aufgrund der günstigen Versuchsergebnisse nachfolgend auch auf andere Versuchskörper
angewandt wurden. Auch Horger [18] schreibt in einer Literaturstudie über die bis dahin durchgeführten
Untersuchungen an festgewalzten Proben und Bauteilen von Heydekampf [19], Isemer [20],
Reichel [21] und Dinner u.a. [22] sowie über die Wirkung des Festwalzens auf Leichtbaukonzepte zur
Herstellung von Schrauben, Kolbenstangen, Kurbelwellen und Achsen im Maschinen- und Fahrzeugbau.
Nach diesen Grunduntersuchungen, die die Vorteile des Festwalzens zur Steigerung der Schwingfestigkeit
nachgewiesen haben, ist dieses Verfahren seit Jahrzehnten häufig der letzte Bestandteil der
Prozesskette in der Herstellung von zyklisch beanspruchten und vor allem axialsymmetrischen metallischen
Komponenten geworden. Haibach [21] wählte 1982 für die 8. Sitzung des DVM Arbeitskreises
Betriebsfestigkeit das Thema „Festwalzen und Glattwalzen zur Festigkeitssteigerung von Bauteilen“
und fasst die 19 Sitzungsbeiträge in einem DVM-Bericht zusammen. In diesem Bericht werden
neben den Grunduntersuchungen an Proben, die Wirksamkeit des Festwalzens als mechanische
Oberflächenbehandlung an Kurbelwellen, gegossenen Bauteilen, Fahrgestell- und Antriebskomponente,
Achsschenkeln, Rädern sowie an Kugelzapfen vorgestellt.
Hinsichtlich der Einteilung der Verfahren der mechanischen Oberflächenbehandlung (MOB) nach
Schulze [23] ist das Verfahren Festwalzen, ebenso wie das Diamantglätten, dem Glätten bzw. Polieren
(engl. Burnishing) zuzuordnen. Diese MOB-Verfahren zeichnen sich durch eine geführte Werkzeugbahn
und kontinuierlichen Kontakt mit dem Werkstück aus bei denen hohe Oberflächengüten erreicht
werden können.
Insgesamt liegen inzwischen zahlreiche Veröffentlichungen über Untersuchungsergebnisse zum
Festwalzen mit dem Ziel der Ermüdungsfestigkeitssteigerung vor, wobei sich diese nahezu ausschließlich
auf ungeschweißten Konstruktionsbereiche beziehen [24]–[26]. Durch die Festwalzbehandlung
von 5000er, 6000er und 7000er Al-Legierungen [27]–[30], niedriglegierte Baustähle [31],
[32], austenitischen Stählen [33] oder Ti-Legierungen [34], [35] konnte eine deutliche Schwingfestigkeitssteigerung,
auch teilweise bei hohen Temperaturen, quantifiziert werden.
Diese Untersuchungsergebnisse haben nicht nur die Wirksamkeit einschließlich der Reproduzierbarkeit
des Festwalzens zur Schwingfestigkeitserhöhung bestätigt sondern auch dazu geführt, dass das
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