Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Festwalzen zur Schwingfestigkeitserhöhung bzw. Lebensdauerverlängerung zyklisch beanspruchter Schweißkonstruktionen aus Stahl und Aluminiumlegierungen

Trotz allgemein gesicherter Kenntnisse über die Vorteile des Festwalzens als etablierte mechanische Oberflächenbehandlungstechnologie in Bezug auf die Erhöhung der Schwingfestigkeit von Bauteilen ist festzustellen, dass bis heute für Schweißverbindungen vernachlässigbare Untersuchungen zur Auswirkung des Festwalzens auf die Schwingfestigkeit vorliegen. Die Verbesserung der Lebensdauer von geschweißten Konstruktionen ist jedoch für die industrielle Anwendung von großem Interesse, da beim Festwalzen nicht nur Druckeigenspannungen und Verfestigung induziert werden, sondern auch die Geometrie und die Kerbwirkung einer Schweißverbindung erheblich verbessert werden kann. In diesem Vorhaben sollen daher die Möglichkeiten und die Grenzen der Schwingfestigkeitssteigerung geschweißter Bauteile und Komponenten mittels Festwalzens untersucht werden.

Festwalzen ist eine kontinuierliche plastische Deformation oberflächennaher Werkstoffbereiche durch ein- oder mehrfaches Überrollen mit Walzen vorgegebener Geometrie unter einer konstanten definierten Anpresskraft. Die elastisch-plastische Verformung führt zur Verfestigung der Oberflächenschicht und der Entstehung von Randdruckeigenspannungen mit großer Einwirktiefe in dem festgewalzten Werkstoff. Durch das Festwalzen wird die Oberfläche zudem geglättet und im Fall einer Kerbe auch abgerundet. Diese vier schwingfestigkeitssteigernden Effekte machen in Kombination das Festwalzen zu einer effizienten mechanischen Oberflächenbehandlung.

Ziel der Untersuchungen ist es, das Schwingfestigkeitsverhalten von geschweißten und anschließend festgewalzten Proben aus hochfesten Stählen und Aluminiumlegierungen unter Berücksichtigung aller maßgebenden Einflüsse einschließlich der Stabilität der Druckeigenspannungen umfassend zu analysieren, um damit das Potential dieses Verfahrens zur Nachbehandlung von Schweißverbindungen nachzuweisen und die Vorteile dieses Verfahrens in Form von Merkblättern und höheren Festigkeitsklassen den KMU anzubieten.

Ergebniszusammenfassung:

An runden und flachen Schweißproben aus den Werkstoffen EN AW 5083, S355J2+N und S690QL konnte durch die Schweißnahtnachbehandlung durch das hydrostatische Festwalzen sowie durch die Behandlung mit einem Diamantglättwerkzeug eine deutliche Steigerung der Schwingfestigkeit der Verbindung statistisch quantifiziert werden. Die Schwingfestigkeitsbewertung der Naht erfolgte dabei mit den Nenn-, Struktur- und Kerbspannungskonzept. Die jeweilig ermittelten Schwingfestigkeitsklassen können direkt zur Auslegung von festgewalzten und geglätteten Schweißverbindungen verwendet werden.

Ebenfalls wurde im Rahmen einer Parameterstudie werkstoffabhängige Prozessparameter für die Behandlung der jeweiligen Werkstoffe durch Festwalzen und Glätten ermittelt. Dabei wurde jeweils der beste Parametersatz abhängig von der Oberflächenrauheit und Eigenspannungszustand für die Nahtnachbehandlung ausgewählt. Die dokumentierten Parametersätze können dabei direkt in der industriellen Praxis für die Oberflächenbehandlung der erwähnten Werkstoffe verwendet werden.

Ebenfalls wurde der oberflächennahe Eigenspannungszustand, auf welchen der Schwingfestigkeitsgewinn der Verfahren, zumindest teilweise zurückzuführen ist, ausführlich im Grundzustand, sowie unter statischer und zyklischer Belastung quantifiziert. Dabei wurde festgestellt, dass die prozessinduzierten, oberflächennahen Druckeigenspannungen bis zu einer gewissen Belastung weitestgehend erhalten bleiben. Die ermittelten Lastgrenzen sind dabei für statische und zyklische Belastung dokumentiert und zeigen innerhalb welcher Zug- und Druckbelastungen der Eigenspannungszustand erhalten bleibt. Entsprechend können diese als Grenzwerte für die Auslegung nachbehandelter Schweißverbindungen verwendet werden.