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EinleitungEine Verbesserung der Ermüdungs-

festigkeit von Schweißverbindungengewinnt in vielen Bereichen der Indu-strie zunehmend an Bedeutung, auchbei Anwendungen von höher- undhochfesten Stählen. Dies wird u. a.durch höherfrequente Hämmerverfah-ren (HFH) erreicht. Dadurch könnenSchweißkonstruktionen auch wesent-lich wirtschaftlicher hergestellt wer-den.

Mit zunehmender Festigkeit steigtauch die Schwingfestigkeit eines metal-lischen Werkstoffes – diese Aussagegilt in dieser Form nur für ideale (dasheißt polierte) Proben aus dem Grund-werkstoff. Jegliche Imperfektionen, wiezum Beispiel Geometrieänderungendurch Kerben oder Bohrungen, Ober-flächendefekte oder aber die im Stahlbaunicht zu vermeidenden Schweißungenreduzieren das Betriebsfestigkeitsverhal-ten von hochfesten Stählen auf einMaß, das im Extremfall auf der Höheder Dauerschwingfestigkeit von nor-malfesten Stählen liegen kann.

So sieht Eurocode 3-1.9 Ermüdungbis heute noch vor, dass der Betriebs-festigkeitsnachweis unabhängig vonder eingesetzten Stahlgüte ist, und diesunabhängig von der Anzahl der Zy-klen, der Art des Belastungskollektivesund dem Spannungsverhältnis.

Bereits im Rahmen eines AiF-For-schungsprojekts P 620 [1] mit dem Ti-tel „Effizienter Stahlbau aus höherfe-sten Stählen unter Ermüdungsbean-spruchung“ wurde am Institut fürKonstruktion und Entwurf der Univer-sität Stuttgart und an der Material-

forschungs- und Prüfanstalt (MFPA)der Bauhaus-Universität Weimar dieAnwendung und die Effektivität desNachbehandlungsverfahrens Esonix UIT(Ultrasonic Impact Treatment) mit dembereits bekannten Verfahren des WIG-Aufschmelzens an einem typischenKonstruktionsdetail des Stahlbaus, derQuersteife eines Biegeträgers, gegenü-bergestellt.

Bild 1 zeigt einen groben Überblickder verschiedenen Nachbehandlungs-verfahren, wobei grundsätzlich die Ein-teilung in zwei Hauptgruppen möglichist:• Verbesserung der Nahtgeometrie• Eigenspannungsabbau durch Verän-

derung des SpannungsprofilesDie neueste Generation der Schweiß-

nahtnachbehandlung wurde nun vonder Firma PITEC GmbH entwickelt,

nämlich die Pneumatic Impact Treat-ment (PIT) Technologie. Hierbei wer-den neben einer Verfestigung derOberfläche Druckeigenspannungen imoberflächennahen Bereich induziert,sowie die Kerbwirkung der Nahtüber-gänge wesentlich verbessert (sieheBild 2). Das PIT-Verfahren zeichnetsich dabei insbesondere durch einfacheBedienbarkeit und hohe Reproduzier-barkeit aus.

Die Pneumatic Impact Technology (PIT)

Die umfangreichen Erfahrungen,welche das PIT Team mit dem UITVerfahren bei diversen Forschungsvor-haben, Industrieprojekten und Refe-renzen in den letzten Jahren sammelnkonnte, trugen dazu bei, dass das PITSystem gleich mehrere Vorteile aufwei-

EFFIZIENTER STAHLBAU DURCH DIE PNEUMATIC IMPACT EFFIZIENTER STAHLBAU DURCH DIE PNEUMATIC IMPACT TECHNOLOGY (PIT) BEI PERIODISCH SCHWINGENDEN TECHNOLOGY (PIT) BEI PERIODISCH SCHWINGENDEN

SCHWEIßKONSTRUKTIONEN *)SCHWEIßKONSTRUKTIONEN *)

Bild 1: Versch. Nachbehandlungsverfahren

Bild 2: Kombination der Einflüsse*) Peter Gerster, IWE – Pitec GmbH –p.gerster@pitec-gmbh.com

AbstractNach dem heutigen Stand der Nor-

mung ist die Schwing- bzw. Ermü-dungsfestigkeit von Stählen bei ge-schweißten Konstruktionen unabhängigvon der Streckgrenze. Dies ist als einerder Hauptgründe für den noch immerverzögerten Einsatz von höherfestenStählen in Konstruktionen unter peri-odisch schwingender Beanspruchunganzusehen. Durch den Einsatz vonSchweißnahtnachbehandlungsverfahrenbesteht die Möglichkeit die Ermüdungs-festigkeit insbesondere von höherfestenStählen zu erhöhen. Im Stahlbau beste-hen jedoch bis heute keine normativenRegelungen, um die positiven Effekte ei-ner Schweißnahtnach-behandlung zuberücksichtigen.

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sen kann. Diverse vergleichende Un-tersuchungen verschiedener Institutezeigen immer wieder die mind. gleichguten Ergebnisse wie UIT, bei deutlichgeringerem gerätetechnischem Auf-wand. Neben der deutlich kompakterenund damit auch günstigeren Bauweisekonnten auch noch weitere Vorteilerealisiert werden. Die PIT-Technologieist weltweit zum Patent angemeldetworden.

Wirkungsweise von PITPIT ist ein höherfrequentes Hämmer-

verfahren, das zur Ertüchtigung vonSchweißnähten entwickelt wurde. So-wohl die Frequenz, als auch dieSchlagkraft können unabhängig von-einander geregelt werden. Nur da-durch ist es möglich, den verschiede-nen Anforderungen der unterschied-lichen Materialien gerecht zu werden[2].

Die mechanischen Impulse werdendurch gehärtete Bolzen, welche in derGeometrie auf die jeweilige Anwen-dung angepasst sind, auf eine zu be-handelnde Oberfläche übertragen. Die-ser Prozess verbindet mehrere Ansätzebisher bekannter Nachbehandlungs-verfahren in einem Arbeitsgang. PITverbessert sowohl das Spannungsprofilals auch die Geometrie des Schweiß-nahtüberganges. Der Fluidic Muscle(Fa. Festo) arbeitet hierbei in einem op-timalen Frequenzbereich und über-zeugt durch hohe Dynamik und gerin-ge Masse. Dieser Antrieb arbeitet sehrzuverlässig und verschleißarm.

Um die Vibrationen durch dashöherfrequente Hämmern für den Be-diener möglichst gering zu halten, ar-beitet das System gegen ein weiteresFedersystem, so dass das Handgerätvon der Schlagkraft vollkommen ent-koppelt ist. Ergebnisse über die Prü-fung der sicherheitstechnischen Anfor-derung „Schutz gegen schädlicheSchwingungen”durch das Institut fürArbeitsschutz der Deutschen Gesetz-lichen Unfallversicherung (BGIA) be-stätigen einen sehr geringen Wert vonca. 5 m/sec!.

Ein weiterer Vorteil ist, dass mandurch die Feder immer die gleiche An-presskraft des Systems und somit einegute Reproduzierbarkeit auch durchunterschiedliche Bediener gegeben ist.Aufgrund dieser Entkoppelung istauch der Einsatz des Gerätes mit demRoboter problemlos möglich.

Die Vorschubgeschwindigkeit beiStahl beträgt ca. 20 – 30 cm/min.

2.1 AusrüstungBild 3 zeigt die erforder-

liche Ausrüstung bei einerPIT Behandlung – 1 Steuer-gerät und 1 Handgerät. DieFrequenz kann praktischvon 0 – 200 Hz eingestelltwerden und die Druckluftund somit die Schlagkraftkann stufenlos eingestelltwerden. Im Gegensatz zuanderen Verfahren, funktio-niert das Gerät bereits bei ei-nem Luftdruck von 4 – 5 barund hat somit auch einensehr geringen Luftver-brauch (ca. 150 – 170 l/min.).Außerdem wird die Abluftnach vorne zum Bolzen ab-geführt. Dies hat den Vor-teil, dass: a Lackpartikel oder Metallspänchenund sonstige Verunreinigungen wegge-blasen werden und nicht ungewollt insMaterial eingedrückt werdenb die ausströmende Luft den oder dieBolzen kühlt, und somit keine weitere Kühlung für den Bolzen erforderlich ist,dadurch wird die Standzeit deutlich er-

höht Im Bild 4 ist ersicht-

lich, dass die PIT Be-handlung hier sogarnoch ca. 5% bessere Er-gebnisse zeigt als dieUIT Behandlung. BeideVerfahren weisen einesignifikante Erhöhungder Ermüdungsfestig-keit auf. Während beider nur geschweißtenProbe bei einer Last-spielzahl von 2 Mio.eine Ermüdungsfestig-keit von ca. 60 MPa, beiUIT behandelten Pro-ben 108 MPa und die

PIT behandelten Proben bei 122 MPa.Diese Geräte werden von der Firma PITEC GmbH gebaut, weiterentwickeltund vertrieben.

Eine Weiterentwicklung des Steuer-gerätes mit einer SPS-Steuerung (Sie-

mens) ermöglicht eine elegante Ein-gabe der Behandlungsparameter fürdie verschiedenen Werkstoffe undSchweißnahtarten über ein Touch-screen-Display. Dadurch ist es auchmöglich, die Behandlungsdaten übereinen längeren Zeitraum aufzuzeich-nen. Dieses Steuergerät wurde auchauf der Fachmesse in Wien vorgestellt.

Die kompakte transportable Anlageermöglicht auch eine problemlose PIT-Behandlung auf Baustellen. Ebensokann die Anlage auch sehr leicht imProduktionsprozess integriert werden,zum Beispiel Einsatz durch einen Ro-boter bei großen Stückzahlen (sieheBild 5). Auch hierzu laufen einige Pro-jekte.

Das PIT-Verfahren wird angewendetum folgendes zu erreichen:• Erhöhung der Lebensdauer• Reduzierung und Kontrolle desSchweißverzuges• Erhöhung der Oberflächenhärte

Bild 4: Wöhlerlinienvergleich UIT– PIT

Bild 6: Eigenspannungen in Längsrichtung der SchweißnahtWerkstoff S700 MC

Bild 3: PIT Ausrüstung

Bild 5: PIT am Roboter

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• Materialeinsparung bis ca. 40%• Steigerung der Anlagen- bzw Bau-

werksverfügbarkeit durch:x Plastische Verformung der Ober-

flächex Veränderung des Spannungsprofiles

- Einbringen von Druckspannungen bis zu einer Tiefe von 2 – 3 mm – ab-hängig von den Materialeigenschaften- Reduzierung von Zugeigenspan-nungen - Erhöhung der mechanisch-techno-logischen Eigenschaften- Verbesserung der Eigenschaften der

Oberfläche und dicht unter der Ober-flächeFür die jeweiligen Einsatzgebiete

und den entsprechenden Behandlungs-zweck können verschiedene Bolzenfor-men oder auch mehrere Bolzen einge-

setzt werden. Auch Außenradien kön-nen mit einem speziell angepasstenkonkaven Bolzen behandelt werden.Anstelle Rollieren werden Übergängean hochbeanspruchte Achsen und Wellenmit sehr gutem Erfolg PIT behandelt.

3 Forschungsergebnisse3.1 Simulation der Eigenspannungen

Bei dem österreichischen For-schungsvorhaben JOIN A 11 [3] wur-den neben den Schwingfestigkeitsun-tersuchungen an der SZA unter ande-rem umfangreiche Eigenspannungs-

messungen vom IWS an der TU Grazdurchgeführt, sowie durch Simulationauch berechnet.

Im Bild 6 sind die vorhandenen ho-hen Zugeigenspannungen (blaue Kurve)

nach dem Schweißen dargestellt. DieWerte liegen im Bereich der Zugfestig-keit des Grundwerkstoffes. Die Simula-tion des Eigenspannungsverlaufesnach der PIT-Behandlung (rote Kurve)zeigt, dass durch diese BehandlungDruckeigenspannungen ebenfalls inder Höhe der Festigkeit des Grund-werkstoffes im oberflächennahen Be-reich eingebracht werden. Deutlich istauch die Tiefenwirkung der Druck-eigenspannungen (bis ca. 2,3 mm) zuerkennen. Im Bild 7 sieht man sehrschön die Verteilung der Eigenspan-nungen vor und nach der PIT-Behand-lung.

Auch die Messergebnisse der Druck-eigenspannungen mit der klassischenBohrlochmethode (bis ca. 1 mm Tiefe)stimmen speziell bei dem Experiment 2sehr gut mit der Simulation überein.

3.2 Ergebnisse Montanuniversität Leoben

Um die sehr guten Ergebnisse zu be-stätigen, wurden auch an der Monta-nuniversität Leoben [4] Eigenspan-nungsuntersuchungen sowie Schwing-versuche durchgeführt und zwar dies-mal an dem höchstfesten Feinkornbau-stahl S960 (Blechdicke 5 mm). Im tech-nischen Anwendungsbereich von hoch-festen Stählen finden meist dünnwan-dige Strukturen mit hoher SteifigkeitVerwendung. Da die Schweißverbin-dungen z.B. Kastenprofilen alsKehlnähte ausgeführt sind, wurde einT-Stoß mit einem nicht tragenden Stegals Probengeometrie ausgewählt.

Um eine konstante Qualität derSchweißnähte sicherzustellen, wurdendie Probenserien in Mehrfach-Schweißungen hergestellt. Die Rand-zonen mit einem instabilen Schweiß-prozess durch den Spalt zwischen deneinzelnen Proben wurden an-schließend abgetrennt [5]. Die Typ-KTemperaturmessungen dienen der Er-mittlung der t8/5-Zeit, welche für denhochfesten Stahl mit 12 s anzugeben ist(Bild 8a). Nach der Probenschweißungwurde eine Serie mit der PneumaticImpact Technology (PIT) am Nahtüber-gang nachbehandelt. Die impulsartigeBewegung (f = 90 Hz) der gehärtetenStahlbolzen (Spitzenradius R = 2mm)rundet die Kerbe am Nahtübergang ausund erzeugt gleichzeitig Druckeigen-spannungen bei einer Vorschubge-schwindigkeit von etwa v = 20 bis 30cm/min (Bild 8b).

Die Versuche zur Ermittlung derSchwingfestigkeit wurden an einerhydraulischen Prüfmaschine bei einemSpannungsverhältnis von R = 0,1durchgeführt (Bild 9a). Begleitendwurden die Dehnungen an der Ober-fläche am Nahtübergang mittels Dehn-messstreifen (DMS) gemessen (Bild 9b). Dies dient zur Erfassung des techni-schen Anrisses, der bei einem Abfallvon 5% der lokalen Dehnungsamplitude

Bild 8: Probenherstellung Bild 9: Ermittlung der Schwingfestigkeit

Bild 10: Verlauf der Eigenspannungen über a die Tiefe z und b an der Oberfläche in Lastrichtung

a) ohne PIT-Behandlung b) mit PIT-BehandlungBild 7: Verteilung der Eigenspannungen im Nahtübergang Werkstoff S700 MC

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bewertet wird [6]. Der Ort der Rissinitiierung er-folgt bei den unbehandelten Proben mittig amNahtübergang (Bild 9c). Bei den mit PIT nachbe-handelten Proben verlagerte sich der Bruchaus-gang von der Naht in die WEZ des Grundmateri-als.

Zusätzlich zu den experimentellen Versuchenund Analysen wurden Eigenspannungsmessungenan den Proben im ungeprüften Zustand durchge-führt. Der Verlauf der Eigenspannungen !E überdie Tiefe z zeigt eine Tiefenwirkung der Druck-eigenspannungen in Querrichtung x bis zu 1,3 mm und in Längsrichtung y bis 2,1 mm (Bild10a). Die Messungen an der Oberfläche in Last-richtung (x-Achse) zeigen eine deutliche Reduk-tion der Schweißeigenspannungen durch dieÜberlagerung der mittels der PIT eingebrachtenDruckspannungen (Bild 10b). Dies bewirkt imhochbeanspruchten Nahtübergangsbereich einenachhaltige Erhöhung der Schwingfestigkeit derSchweißverbindung.

Basierend auf den Ergebnissen der Schwing-festigkeitsuntersuchungen wurden als Wöhler-

linien die geprüfte Nennspan-nungs-Schwingbreite !! überder Anzahl der Lastwechsel Naufgetragen (Bild 11). Die zu-gehörige FAT-Klasse ergibtsich bei einer Schwingspiel-zahl von N = 2 X 106 und einerÜberlebenswahrscheinlichkeitvon Pü = 97,7%. Die IIW-Richtlinie [7] definiert für dieseProbengeometrie und Bean-spruchungsart den Kerbfallmit einer FAT-Klasse von 80N/mm! ohne Nachbehand-lung. Die unbehandelte Pro-benserie weist bereits eineFAT-Klasse von 172 N/mm!auf, bedingt durch die Ver-wendung hochfester Werk-stoffe (entgegen der Aussage

im Eurocode 3-1.9). Durch die Nachbehandlungder Schweißnaht mittels PIT ergibt sich nochmalseine Steigerung auf eine FAT-Klasse von 220 N/mm!.In Bezug auf die Lebensdauer des untersuchtenhochfesten T-Stoßes, ergibt sich somit eine her-ausragende Steigerung um den Faktor 2,5 ge-genüber dem unbehandelten Zustand.

Die PIT-Nachbehandlung kompensiert außer-dem schrumpfungsbedingte Mittelspannungs-einflüsse im behandelten Bereich. Die PIT-An-wendung zeichnet sich durch eine einfacheHandhabung sowie hohe Reproduzierbarkeitaus und ist somit besonders für die Schweißunghochfester Nähte im industriellen Einsatz zuempfehlen.

3.3 Ergebnisse Universität StuttgartUnter Federführung des Instituts für Konstruk-

tion und Entwurf der Universität Stuttgart zu-sammen mit verschiedenen Stahlherstellern undStahlbaufirmen wurden in dem Forschungsvor-haben „P 620“ die Stähle S355, S460 und S690 mitder UIT-Nachbehandlung untersucht. In Anleh-nung an diese Untersuchungen wurden nun ander Universität Stuttgart weitergehende Untersu-chungen mit der PIT Technologie an Kreuz- undStumpfstößen an den Werkstoffen S355 und S690durchgeführt. Die Schweißarbeiten wurden amLabor für Schweißtechnik an der HochschuleUlm mit Schweißautomaten ausgeführt. Die Er-gebnisse der Schwingfestigkeitsuntersuchungenzeigen die Bilder 12 und 13.

Auch hier zeigte es sich, wie bereits damals beiden UIT behandelten Proben, dass die Ermü-dungsfestigkeit bei 2 Millionen Lastwechselnpraktisch verdoppelt werden kann und die Nei-gung der Wöhlerlinie deutlicher flacher verläuft.Auch die Eigenspannungsmessungen zeigen,dass diese mit der UIT Behandlung vergleichbarsind. Bei dem Werkstoff S690 treten die Brüchevorwiegend im Grundwerkstoff auf.

Dieser Artikel wurde beim Kongress JOIN-EX2010 als Vortrag

gebracht. Der ungekürzte Artikel kann

dem Tagungsband des Kongresses entnommen werden.

Bild 11: Ergebnisse der Schwingfestigkeitsuntersuchungen

Bild 12: Kreuzprobe S355

Bild 13: Kreuzprobe S690

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