Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Rechnergestütztes Bewertungstool zum Nachweis der Lebensdauerverlängerung von mit dem Hochfrequenz-Hämmerverfahren (HFMI) behandelten Schweißverbindungen aus hochfesten Stählen

Zur Erhöhung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen sind in den letzten Jahrzehnten verschiedene mechanische und thermische Schweißnahtnachbehandlungsverfahren entwickelt worden. In diesem Zusammenhang stellt das Hämmern (HFMI-Verfahren) zur Verbesserung der Eigenschaften von Schweißverbindungen eine Methode mit langer Tradition dar, die ursprünglich als Werkzeug zur Verminderung der Schweißeigenspannungen und Verzugserscheinungen gedacht war. Die Effektivität dieses Verfahrens zur Steigerung der Schwingfestigkeit von Schweißnähten ist seit langem bekannt und inzwischen durch zahlreiche experimentelle Untersuchungen belegt. Das HFMI-Verfahren wird bisher im Einzelfall nach Reparaturmaßnahmen eingesetzt, ein breiter Einsatz steht jedoch aus, da zwar grobe Abschätzungen zum Lebensdauergewinn vorliegen, heute jedoch weder eine detaillierte Bewertung noch eine Optimierung des Prozesses möglich ist. Hauptziel dieses Projektes ist demnach die Entwicklung eines rechnergestützten Bewertungstools zur Quantifizierung und Optimierung der Lebensdauerverlängerung nachbehandelter Schweißverbindungen. Das zu entwickelnde Tool erlaubt Betrieben der HFMI-Technologien (vorwiegend KMU) eine werkstoff-, und beanspruchungskonforme Parametereinstellung für den zuverlässigen Einsatz. Durch eine Quantifizierung der Lebensdauerverlängerung können Firmen des Maschinen und Anlagenbaus diese erprobte Technologie zuverlässiger und wirtschaftlicher nutzen.

Als Ergebnis sollen dem industriellen Anwender somit Methodiken und Werkzeuge zur verbesserten Bewertung und Einordnung des HFMI Nachbehandlungsverfahrens im Hinblick auf dessen Einfluss auf das Festigkeitsverhalten an die Hand gegeben werden. Damit sollen die Prognoseverfahren verbessert und dadurch der Werkstoffeinsatz (Ressourcenausnutzung) sowie die Produktionskosten optimiert werden.

Ergebniszusammenfassung:

Durch die Kleinbauteilversuche konnte der effektive Nutzen des Verfahrens zur Schwingfestigkeitssteigerung, welcher noch über den bisher veröffentlichten IIW- bzw. DASt-Richtlinien liegt, nachgewiesen werden. Ebenfalls wurde eine vergleichbare Schwingfestigkeitssteigerung für größere, geschweißte Bauteile (Großprüfkörper) unter deutlich höheren, erwartbaren Eigenspannungszuständen nachgewiesen. Die erzielten Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Anwendbarkeit des HFH-Verfahrens auch für komplexe Schweißbauteile bzw. Schweißbaugruppen zur Lebensdauersteigerung und damit zur Ressourcenschonung gegeben ist. Ebenfalls ermöglicht die Berechnung der Höhe und Stabilität der eingebrachten Druckeigenspannungen mit entsprechender FE-Software die Möglichkeit die HFH-Behandlung bereits in der Konstruktionsphase von geschweißten Bauteilen und Baugruppen zu berücksichtigen. Auf Basis des hier vorgestellten Berechnungskonzeptes, welches eine Erweiterung des Berechnungskonzeptes der FKM-Richtlinie „Nichtlinear“ darstellt, kann zudem bereits in der Produktentstehungsphase die Anrisslebensdauer von HFH-behandelten Schweißverbindungen abgeschätzt werden. Auf diese Weise ist es möglich, z.B. durch Blechdickenreduzierung, entsprechende Ressourcen einzusparen.

Die Einbeziehung des Eigenspannungszustandes in die Berechnungsmethode zur Prognose der Anrisslebensdauer nach dem örtlichen Konzept bzw. nach FKM-Richtlinie „Nichtlinear“ zeigt deutlich, dass für diesen Fall der HFH-behandelten Quersteife eine erheblich bessere Übereinstimmung mit experimentellen Werten erzielt werden kann. Die Übertragung dieser Berechnungsmethodik (Eigenspannungseinfluss) auch auf nicht-geschweißte Bauteile im Rahmen einer Überarbeitung der FKM-Richtlinie "Nichtlinear" ist prinzipiell möglich und erlaubt es speziell den Einfluss von oberflächennahen Druckeigenspannung nach der mechanischen Oberflächenbehandlung (z.B. Kugelstrahlen) für entsprechend behandelte Bauteile zu berücksichtigen.