Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Qualifizierung numerischer Simulationen für die Charakterisierung und Bewertung des Randschichtzustandes freier thermischer Schnittflächen (QuaSiTherm)

Bei der Auslegung von Stahltragwerken nach DIN EN 1090 ist die Messung der Härte Bestandteil der normgerechten Bauteilprüfung. Dabei wird bei der Erzeugung von thermischen Schnittflächen an höher- und hochfesten Stählen ein oberer Härtegrenzwert vorgeschrieben, der bei ermüdungsbeanspruchten und kaltrissempfindlichen freien Schnittflächen einzuhalten ist. Die allgemeine Verfahrensprüfung für die Hersteller den Härtewert zu überprüfen ist jedoch bei der Vorbereitung der Schnittflächen sehr unpräzise. Durch die großen messtechnischen Herausforderungen resultiert der Wunsch nach neuen Methoden, um die Qualitätsmerkmale der Randschicht an thermischen Schnittflächen nach der DIN EN 1090 zu bestimmen und nachzuweisen.

Das vorrangige Ziel des Vorhabens ist mithilfe der numerischen Simulation Modelle sowie Ersatzwärmequellen zu definieren, um den Schneidprozess abzubilden und die charakteristischen Kenngrößen des Randschichtzustandes, d. h. Härte und Eigenspannungen, zu berechnen. Dazu erfolgt eine systematische Bestimmung des Randschichtzustands, dessen Kennwerte im Anschluss mit den Ergebnissen der numerischen Simulation verglichen werden. Über Schwingfestigkeitsversuche werden unter Berücksichtigung verschiedener Schnittkantenzustände sowie Nachbehandlungsverfahren und unter Einbeziehung unterschiedlicher Materialien die jeweiligen Zusammenhänge erarbeitet. Dabei soll explizit der Einfluss einzelner Merkmale separat voneinander untersucht werden. Die Empfehlungen bezüglich der numerischen Simulation des Schneidprozesses sind direkt überall dort anwendbar, wo bereits Schweißstruktursimulationen durchgeführt werden. Durch die angestrebten Empfehlungen zur angemessenen Berücksichtigung des Randschichtzustands von thermischen Schnittflächen bei der Festigkeitsbewertung von Bauteilen wird gerade für KMU eine Entscheidungsgrundlage geschaffen, anhand derer die konstruktive Auslegung wirtschaftlicher gestaltet werden kann.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsprojekts "Qualifizierung numerischer Simulationen für die Charakterisierung und Bewertung des Randschichtzustandes freier thermischer Schnittkanten" wurden thermische Schneidversuche durchgeführt, die charakteristischen Qualitätsmerkmale experimentell bestimmt und mit den Ergebnissen aus den numerischen Untersuchungen verglichen. Dazu wurde der Laserstrahlbrennschneidprozess ausgewählt und Versuche an einem Baustahl S355NC sowie einem hochfesten Stahl S1100M durchgeführt.

Es ist zu sehen, dass der Härtegrenzwert der DIN EN 1090 beim S1100M deutlich überschritten wird und die Maximalhärte von etwa 570 HV1 nicht unmittelbar an der Schnittkante liegt. Sie fällt bis zur Oberfläche auf etwa 480 HV1 bis 520 HV1 ab. Ein abnehmender Kohlenstoffgehalt an der Schnittkante könnte ein Grund dafür sein. Im Vergleich zu den numerischen Untersuchungen können folgende Punkte festgestellt werden:

- Die Dimensionen der Wärmeeinflusszone lassen sich über die numerischen Berechnungen ermitteln und sind in guter Übereinstimmung mit den Schliffbildern

- Der Phasenanteile bei den geringen Abkühlgeschwindigkeiten schließen auf eine vollständige Umwandlung in Martensit an der Randschicht

- Die maximale Härte der WEZ stimmt mit den experimentellen Ergebnissen überein

- Die Härteverteilung über der Tiefe im Zusammenhang mit der WEZ sind in guter Übereinstimmung

- Abweichungen hinsichtlich der Breite der WEZ sind sehr gering

Die Ergebnisse zeigen, dass durch die numerische Simulation der Schneidprozess abgebildet werden kann und sich der Randschichtzustand im Anschluss an den Schneidprozess bewerten lässt. Das Gefüge, die Maximaltemperaturen sowie die Härteverteilung kann bestimmt werden und bietet somit eine Möglichkeit Zeit und Kosten bei der Qualitätsermittlung von thermischen Schnittkanten einzusparen. Der Aufwand zur Erstellung der numerischen Modelle muss hier in Relation gestellt werden und die Methode muss in der Qualitätsprüfung Akzeptanz finden.