Spannungsarm Schwingen von Metall und Konstruktion : FORMULA 62
 | |
Methode der resonanten Vibrationen, um die Restspannungen in der geschweißten oder bearbeiteten Konstruktionen zu reduzieren.
DIE VIBRATIONEN IHRER ZUKUNFT ! |
Das Vibrationsverfahren zur Entspannung mit FORMULA 62 bietet eine Reihe von Vorzugen gegenuber dem alteren thermischen Verfahren:
- Die Gerate sind kompakt und tragbar und konnen problemlos uberall in der Werkhalle direkt am Werkstuck eingesetzt werden.
- Die Anschaffungskosten ebenso wie die Betriebs- und Wartungskosten sind gering.
- Die Durchfuhrungszeit ist kurz; sie reicht von 15 bis zu 30 Minuten, je nach Gewicht und Konfiguration des Teils oder der Konstruktion.
- Die Verwendung ist einfach, und die Ausbildung des Bedieners ist unproblematisch.
- Es konnen die verschiedensten Materialien verwendet werden:
- Teile, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen (nicht hitzebehandlungsfahig)
- Nicht hitzebehandlungsfahige Legierungen
- Materialien mit glatter Oberflache (geschliffen, poliert usw.)
- Es gibt keine nachteiligen Wirkungen auf das Werkstuck und seine Materialien:
- Keine Veranderung der mechanischen Eigenschaften
- Keine strukturellen oder chemischen Veranderungen der metallurgischen Eigenschaften
- Keine Veranderung der Harte
- Oberflache bleibt sauber und frei Verfarbungen, Schlacke und Ablagerungen
- Toleranzen konnen in einem Bereich gehalten werden, der bei der thermischen Entspannung unmoglich oder nicht praktikabel ist.
- Das Verfahren kann wahrend der Fertigung eingesetzt werden:
- Wahrend und nach dem Schweisen
- Zwischen den einzelnen Schritten der spanenden Bearbeitung
DEFINITION DES BEGRIFFS EIGENSPANNUNG
|
| |
Eines der größten Probleme in der metallverarbeitenden
Industrie ist der Aufbau von Spannungen, der zu Verformungen
und zum Verlust der Dimensionsstabilität führen kann. Wo
immer mit Metall gearbeitet wird – bei Stahlproduzenten,
Maschinenbauern oder Herstellern von Gußformen –, können
Probleme beim Einhalten der Meßtoleranzen des Werkstücks
auftreten.
Der technischen Definition zufolge ist Eigenspannung jede
Spannung in einem elastischen Körper, der frei von äußerlich
einwirkenden Kräften, Einschränkungen oder
Temperaturgradienten (Temperaturveränderungen) ist. Eine
häufige Ursache für das Auftreten von Eigenspannungen sind
Unverträglichkeiten zwischen angrenzenden Metallregionen,
die sich in benachbarten Regionen als Verformung auswirken
können. |
Spannungen verformen Metall, wenn sie einander nicht
aufheben. Starke Spannungen auf einer Seite eines Metallstücks
verursachen Bewegung oder Verformung. Wenn die Spannung
im gesamten Metallstück überall die gleiche ist, bewirken aber
auch starke Spannungen keine Bewegung. Je ausgeprägter das
Spannungsungleichgewicht, desto größer ist auch die
Bewegung. Wenn das Ungleichgewicht ein gewisses Ausmaß
überschreitet, werden die Metallkörner permanent deformiert,
und es ist nicht mehr möglich, das Werkstück durch
Spannungsabbau wieder in seine Ausgangsform zu bringen.
Die Eigenspannung hat zwei Komponenten: Zug und Druck.
Die Gesetze der Physik und Mathematik fordern ein
Gleichgewicht zwischen dem Betrag des Drucks und dem
Betrag des Zugs. Leider ist in der Metallverarbeitung dieses
Gleichgewicht nicht immer einheitlich vorhanden.
In der Metallverarbeitung ist eine der Zielvorgaben,
Komponenten oder Strukturen aus Metall herzustellen, deren
Eigenspannung gering ist. Aus diesem Grund werden gezielte
Maßnahmen zur Entspannung, d.h. zur Verringerung der
Eigenspannung, erforderlich, um Schäden am Metall zu
verhindern.
Eine einfache Erklärung liefert der Vergleich mit dem
menschlichen Körper während sportlicher Aktivitäten. Wenn
man Tennis spielt und dabei einen starken Krampf hat oder
einen Beinmuskel zerrt, kann man dies mit der Eigenspannung
vergleichen. Wenn man dann weiterspielt und sich nicht darum
kümmert, die.
Eigenspannung (Krampf oder Zerrung) zu verringern, kann der
Muskel ernsten und möglicherweise dauerhaften Schaden
nehmen. Wenn man dagegen den Muskel massiert und ihm
etwas Entspannung gönnt, kann man danach vielleicht wieder
spielen und das Spiel zu Ende bringen. Dies ist ein Beispiel für
ein Entspannungsprogramm.
Eigenspannungen entstehen in vielen Metallteilen während der
Herstellung – in Gußstücken durch die
Kontraktionskräfte im Gußmetall während der Erhärtung,
beim Schmieden durch die elastischen Eigenschaften des
Metalls, bei der spanabhebenden Metallbearbeitung durch die
Abscherkräfte, die eine Verformung bewirken, und beim
Schweißen – bei dem sich durch die Expansion und
Kontraktion des Metalls besonders starke Eigenspannungen
bilden – durch die Temperaturveänderungen.
Die Eigenspannung ist schwierig zu berechnen und zu
messen, aber wenn man sich nicht darum kümmert, macht sie
sich im Lauf der Zeit auf vielerlei Art unerwünscht
bemerkbar: oft werden Teile vorzeitig geschwächt oder
entwickeln Risse und Verformungen oder wellen sich, und
wichtige Schweißnähte werden geschädigt. Hierdurch
verringert sich die Lebensdauer ansonsten tadellos
hergestellter Teile. Bei den heute geforderten geringen
Toleranzen ist es zunehmend wichtig, für Entspannung zu
sorgen, und dadurch Dimensionsstabilität zu erzielen und
Verformungen zu vermeiden. | |
|
BEHANDLUNG VON EIGENSPANNUNGEN
|
| |
Um die Kristallgitterstruktur des Metalls zu behandeln, muß
dem Metall Energie zugeführt werden, damit sich die Atome
so bewegen können, daß sich diese Spannungen reduzieren.
Ein bekanntes Entspannungsverfahren ist das thermische; es
ist jedoch nicht das einzige Verfahren, mit dem sich
Spannungen reduzieren lassen.
Beim thermischen Verfahren sorgen höhere Temperaturen für
eine geringere Eigenspannung. Diese Art der Entspannung ist
zwar durchaus wirksam, hat jedoch verschiedene Nachteile
und Einschränkungen. Die Kosten sind hoch, das Verfahren
ist zeitraubend und verschlechtert oft die
Materialeigenschaften, weil z.B. die falschen Parameter für
das Erhitzen, Halten und schließlich Abkühlen gewählt
werden. Außerdem ist dieses Verfahren auf homogene
Werkstücke beschränkt. Darüber hinaus kommen auf den
Hersteller zusätzliche, indirekte Kosten zu, wenn vor Ort kein
geeigneter Ofen vorhanden ist, so daß Transport- und andere
Abwicklungskosten sowie ein zusätzlicher Zeitverlust
entstehen.
|
Vielfach wurde außerdem von seiten der metallverarbeitenden
Industrie der Wunsch geäußert, eine Möglichkeit an die Hand
zu bekommen, Spannungen nach Bedarf schon während der
Herstellung zu reduzieren. Das thermische
Entspannungsverfahren ist hierfür viel zu teuer und logistisch
meist nicht vertretbar.
Werkstücke können auch entspannt werden, indem man sie
im Freien altern läßt. Hier wird die zur Neuausrichtung der
Kristallgitterstruktur erforderliche Energie durch kleine
natürliche Bewegungen des Bodens und normale
Temperaturschwankungen erreicht. Dieser Prozeß ist jedoch
nicht steuerbar, und es ist schwierig auszumachen, ab wann
die Spannungen so weit abgebaut sind, daß eine
zufriedenstellende Weiterbearbeitung möglich ist. Bei diesem
Alterungsverfahren wird außerdem die Spannung in
wärmeren Breiten stärker abgebaut als in kälteren. Und wer
will schon ein Jahr oder länger auf den Spannungsabbau
warten?
Beim Vibrationsverfahren wird dem Werkstück durch
Vibrationen Energie zugeführt. Für das unter Spannung
stehende atomare Kristallgitter ist es gleichgültig, ob es sich
hierbei um Wärme- oder Vibrationsenergie handelt. Die zugeführte Energie richtet das Kristallgitter neu aus, löst
Spannungen und stabilisiert das Werkstück ohne Verformung.
Dieses Verfahren ist für das Entspannen nach der spanenden
oder nichtspandenden Bearbeitung, wie Fräsen, Schleifen,
Stanzen, Räumen, Bohren, Hobeln, Schneiden, Schmieden
und Schweißen geeignet. Es ist besonders nützlich für sehr
große Werkstücke, bei denen eine thermische Entspannung zu
teuer oder gar nicht möglich wäre, und für Präzisionsteile, um
Deformationen des Metalls zu verhindern, die das Einhalten
geringer Toleranzen unmöglich machen würde. | |
|
VIBRATIONSENTSPANNUNG MIT FORMULA 62
Die Stress Relief Engineering Company entwickelte vor mehr
als 35 Jahren ein hocheffektives, nicht-thermisches
Resonanzverfahren nach dem Konzept der Entspannung durch
Vibration und hat dieses Verfahren seitdem perfektioniert.
Heute ist FORMULA 62 ein branchenweit anerkanntes
Standardverfahren, das leicht anzuwenden ist, die Einhaltung
der Maßtoleranzen verbessert und die Formfestigkeit erhöht,
ohne daß dadurch das Metall leichter ermüdet.
| |
|
Beim FORMULA-62-Verfahren wirken Vibrationen niedriger
Frequenz und hoher Amplitude für eine kurze, dem Gewicht
des Werkstücks entsprechende Zeit ein. Dieser Vorgang
verringert die Eigenspannungen in metallenen Werkstücken
und Schweißkonstruktionen, ohne sie zu deformieren oder die
Zugfestigkeit, Formfestigkeit oder Dauerfestigkeit des
Werkstück zu beeinträchtigen. Hierdurch können
Eigenspannungen auf ein wesentlich niedrigeres Niveau
gebracht und das statische Gleichgewicht wiederhergestellt
werden.
Resonanzvibrationen haben sich als der wirksamste Weg
erwiesen, Eigenspannungen durch Vibration abzubauen. Die
Resonanzfrequenz-Vibrationsmethode ergibt eine
ausgeprägtere Spannungsumverteilung als Methoden, bei
denen mit subresonanten, subharmonischen Frequenzen
gearbeitet wird. Die Niederfrequenzvibrationen sind Träger
einer hohen Amplitudenenergie, die sehr wirksam
Eigenspannungsspitzen in metallenen Werkstücken und
Schweißkonstruktionen beseitigt.
EINSATZ VON FORMULA 62
|
| |
Das FORMULA-62-System besteht aus einem Hochleistungs-
Vibrator mit variabler Geschwindigkeit, der an das Werkstück
angeklemmt wird, und einer elektronischen Konsole in einem
tragbaren Schaltschrank, der auf Rädern geschoben und
überall in der Werkhalle eingesetzt werden kann.
Ebenfalls an das Werkstück angeklemmt wird ein
Beschleunigungsmesser, der die Vibrationen mißt und die
Meßsignale über ein Kabel an die Elektronik der Konsole
übermittelt. Hierdurch wird die Eigenresonanz des
Werkstücks ermittelt und auf dem Bedienfeld auf einer
Meßskala angezeigt. Auf einem Kurvenschreiber kann eine
Kurve ausgegeben werden, die die vorgenommenen
Justierungen bei der Ermittlung des Resonanzpunkts
dokumentiert. |
Diese Eigenresonanz kann ermittelt werden, indem man die
Geschwindigkeit des Vibrators so lange verändert, bis die
gewünschte Amplitude erreicht ist. Die durchschnittliche Zeit
bis zum Erreichen der Resonanzfrequenz beträgt zwei
Minuten. Nach Erreichen dieser Frequenz wird das Werkstück
über eine bestimmten Zeitspanne, deren Dauer sich nach dem
Gewicht des Werkstücks richtet, zum Vibrieren gebracht. Die
Behandlungszeit kann je nach der Größe des Werkstücks von
zehn Minuten bis zu einer Stunde oder mehr reichen. Bei sehr
großen oder sehr langen Objekten oder bei offenen
Rahmenkonstruktionen kann es erforderlich sein, FORMULA
62 an mehreren Stellen anzubringen, was einen längeren
Zeitraum in Anspruch nimmt. Die Werkstücke können ohne
weiteres auch längere Zeit vibrieren, ohne daß es zu Schäden
durch Ermüdungserscheinungen oder verringerte
Zugfestigkeit kommt.
FORMULA 62 kann aber auch im Automatikmodus betrieben
werden. Hierbei läuft die Vibratoreinheit 15 Minuten lang in
drei verschiedenen Zyklen zu je 5 Minuten, wobei die
Frequenzen einstellbar sind. Dies ist ausreichend für das
Stabilisieren von Werkstücken von bis zu 10 Tonnen. Für
Werkstücke über 10 Tonnen kann man 2 aufeinanderfolgende
Laufzeiten von 15 Minuten ansetzen.
Es gibt zwei einfache Regeln, die bei allen Anwendungen zu
beachten sind:
- Das Werkstück muß so weit wie möglich
isoliert werden, damit es frei vibrieren
kann.
- Die Vibratoreinheit muß direkt mit dem
Werkstück verbunden sein, damit die
Vibrationsenergie in vollem Umfang auf
das Werkstück übertragen wird.
Das FORMULA-62-Verfahren kann auf zahlreiche Eisenund
Nichteisenmetalle angewendet werden – darunter
Kohlenstoffstahl, Edelstahl, Aluminium, Gußeisen, Mangan –
und auf eine große Vielfalt von Formen. In der Größe reichen
die Möglichkeiten von kleinen Gußstücken, Wellen und
Zahnrädern bis hin zu sehr großen geschweißten und
maschinell bearbeiteten Konstruktionen, die für das
thermische Verfahren zu groß sind.
Für kleinere Komponenten, Präzisionsteile und Gußstücke
oder Schweißobjekte mit ungewöhnlichen Formen gibt es von
SRE einen speziellen Vibrationstisch namens Loadmaster
2000. Er hat eine einstellbare Luftfederung und ist dadurch
hervorragend isoliert. Der Vibrationstisch kann mit jeder
werkstattüblichen Druckluftquelle betrieben werden. Mit ihm
können Gußformen, Prägestempel und kleine
Präzisionswerkstücke entspannt und auch zahlreiche kleine
Teile auf einmal bearbeitet werden.
BESCHRÄNKUNGEN VON FORMULA 62
|
| |
Wie bei jedem Verfahren in der Metallbearbeitung gibt es
auch bei der Vibrationsentspannung mit FORMULA 62
Einschränkungen. FORMULA 62 ist nicht so wirksam bei
kaltgewalzten, extrudierten, kaltverfestigten, kaltgezogenen
oder ausscheidungsgehärteten Materialien. Große Mengen
sehr kleiner Werkstücke sind vielleicht einfacher gemeinsam
thermisch zu entspannen, sofern das thermische Verfahren
selbst die Werkstücke nicht beschädigen würde. Der
Vibrationsvorgang dient ausschließlich dem Abbau von
Eigenspannungen in Metallen. Er bewirkt kein Vergüten,
Normalglühen oder Temperieren und ersetzt auch keine
andere Art der Hitzebehandlung (auch nicht die
Hitzebehandlung nach dem Schweißen). Durch das
Vibrationsverfahren verändern sich die mechanischen und
metallurgischen Eigenschaften des Materials nicht.
Schließlich kann FORMULA 62 keine Verformung, Wellung oder Verziehung verhindern oder beseitigen, die auf
Hitzeeinwirkung zurückzuführen ist, glättet also keine
verformten, gewellten oder verzogenen Materialien und
richtet sie nicht aus. |
Einer der wichtigeren Nutzeffekte der Verwendung von
FORMULA 62 ist dessen Fähigkeit, zu jedem beliebigen
Zeitpunkt innerhalb des Fertigungsprozesses für eine
Entspannung zu sorgen, z.B. nach dem Schrappen, Bohren
und Schleifen.
Bei Schweißkonstruktionen kann der Spannungsabbau noch
während des Schweißens stattfinden, was sehr günstig ist, da
der Aufbau von Eigenspannungen verhindert wird, durch die
es zur Rißbildung in Schweißnähten oder zur Verformung von
Metallabschnitten kommen könnte. FORMULA 62 ist
vollständig kompatibel zum Metall-Lichtbogenschweißen mit
umhüllter Elektrode, zum MIG-Lichtbogenschweißen und
zum WIG-Schweißen. Bei anderen Schweißverfahren können
ganz erhebliche logistische Probleme auftreten.
Da beim Schweißen Temperaturänderungen innerhalb relativ
kurzer Zeit auftreten, ist die Eigenspannung im Werkstück
dynamisch aktiver, was eine Entspannung während des
Schweißens oder unmittelbar im Anschluß daran erforderlich
machen kann. Da Zugeigenspannungen größeren Ausmaßes
die Zeitschwingfestigkeit geschweißter Werkstücke
verringern können, kann FORMULA 62 gut eingesetzt
werden, um die Spannung in diesen Werkstücken abzubauen.
ENTSPANNUNG ERKENNEN
Es erhebt sich oft die grundsätzliche Frage, wie man feststellt,
ob und inwieweit Spannungen reduziert wurden. Die
Beurteilung von Eigenspannungsfeldern nach thermischer
oder Vibratorbehandlung ist ebenso schwierig wie teuer.
Eine der besten Methoden zum Messen der Eigenspannung ist
die Röntgendiffraktionsmethode, die aber normalerweise der
Verwendung im Labor vorbehalten ist, weil für genaue
Messungen umfangreiche Justierungen erforderlich sind. | |
|
Eigenspannungsfelder sind komplex und umfassen einen
größeren Bereich. Innerhalb des Beobachtungsbereichs gibt es
sowohl Zug- als auch Druckeigenspannungen
unterschiedlicher Größenordnung. Der
Spannungsabbauvorgang bewirkt eine Neuverteilung dieser
Spannungsebenen, um die Spannungsenergie in der Region
auszugleichen und wieder ein Gleichgewicht zwischen Zugund
Druckzonen herzustellen.
Daher ist es nicht möglich, nur einen Punkt eines Werkstücks
anzumessen, einen Wert zu ermitteln und dann zu erklären,
daß das Werkstück entspannt ist. Es wäre eine umfangreiche
Kartographierung eines Feldes und eine statistische
Mittelwertbildung erforderlich, um eindeutige Ergebnisse zu
erzielen. Daher werden bei Werkstücken, bei denen eine
Entspannung vorgenommen wurde, weder bei thermischer
Behandlung noch bei Vibration, weder vor noch nach der
Behandlung Einzelpunkt- oder andere Messungen
vorgenommen.
Es gibt schlichtweg keinen einfachen und kostengünstigen
Weg, Spannungen nach der Behandlung, gleich welcher Art,
zu messen. Im besten Fall kann man so vorgehen, daß man
die vorgeschriebene Vorgehensweise genau befolgt, also
Anzahl Grad pro Stunde pro Zentimeter Stärke (wie beim
thermischen Verfahren) oder Anzahl Minuten der Vibration je
nach Gewicht des Werkstücks (wie beim
Vibrationsverfahren). Bei präziser Durchführung der
einzelnen Schritte wird man bei beiden Verfahren ein
zufriedenstellendes Ergebnis erhalten.
Da die Dimensionsstabilität normalerweise der entscheidende
Akzeptanzfaktor ist, geht man davon aus, daß Werkstücke,
die nach der Behandlung dimensionsstabil bleiben, als
ausreichend entspannt gelten können.
KLARSTELLUNG ZU DEN RICHTLINIEN FÜR THERMISCHE UND VIBRATIONSVERFAHREN ZUR ENTSPANNUNG
|
| |
Da Metalle durch hohe Temperaturen stark geschädigt werden
können, muß die Hitze kontrolliert einwirken und darf nicht
die kritische Temperatur überschreiten, bei der
Phasenumwandlungen oder andere metallurgische
Veränderungen stattfinden. Dies ist der Grund, warum es
Richtlinien gibt – man soll weit genug erhitzen, aber durch
Regelung der Einwirktemperatur Schäden vermeiden.
Unterschiedliche Materialien erfordern unterschiedliche
Temperaturen; unterschiedliche Materialstärken erfordern
unterschiedliche Haltezeiten. Das Verfahrensrezept wird also
so adaptiert, daß die Werkstücke nicht beschädigt werden. |
Da die Hitzebehandlung schwer definierbar und manchmal
tückisch sein kann, ist es nichts Ungewöhnliches, wenn
thermische Behandlungen bei der Hälfte oder drei Vierteln
der tatsächlich geforderten Temperatur durchgeführt werden,
aus Angst, daß Teile beschädigt werden könnten. Und im
typischen Fall wird die thermische Behandlung nur an einem
bestimmten Punkt des Fertigungsablaufs durchgeführt, wobei
man übersieht, daß die Spannung bereits bei der Herstellung
auftritt, lange bevor die thermische Behandlung einsetzt.
Aus diesem Grund liefern standardisierte thermische
Entspannungsbehandlungen keine Absolutwerte, an denen
andere Entspannungsverfahren gemessen werden können. Die
in Richtlinienwerken niedergelegten Beschreibungen bleiben
im Detail vage und gehen sogar so weit, für bestimmte
Materialarten und Materialqualitäten von einer thermischen
Behandlung abzuraten. Ein Beispiel: Die US-amerikanische
Richtlinie AWS D1.1 rät von einer thermischen Behandlung
von Materialien der Klassen A514, A517, A709 und Grade
100 ab. Bei anderen Reinstählen oder Stählen mit geringem
Legierungsanteil kann es zu unerwünschten Veränderungen
der Mikrostruktur kommen, was eine Verschlechterung der
mechanischen Eigenschaften, Rißbildung oder beides nach
sich zieht. Auch mögliche Verformungen, Oxidation, Verlust
der Korrosionsfestigkeit und intergranuläre Rißbildung sind
zu berücksichtigen.
In vielen Situationen kann die Entspannung nach dem
Vibrationsverfahren als wesentlich kostengünstigerer Ersatz
für das thermische Verfahren eingesetzt werden, wenn die
thermische Behandlung ansonsten nur den Zweck hätte, die
Dimensionsstabilität des Werkstücks zum Zweck des
Anpassens an andere Komponenten oder zur Wahrung der Oberflächenintegrität oder der Gebrauchseigenschaften zu
verbessern.
Weil so viele Faktoren beiteiligt sind, ist das nicht-thermische
Vibrations-Entspannungsverfahren FORMULA 62 nicht als
vollständiger Ersatz für die in den Richtlinien geforderte
thermische Entspannung gedacht. Vor der Entscheidung, ob
die Vibrationsentspannung die thermische Entspannung
ersetzen kann, sollten die folgenden Fragen bedacht werden: | |
|
- 1. Ist das thermische Verfahren unumgänglich, um
die Eigenspannung auf das niedrigstmögliche
Niveau zu reduzieren und ein homogenes
Basismetall/Schweißmetall zu produzieren?
- 2. Wurde das thermische Verfahren vielleicht
allein deswegen gewählt, weil es “schon immer”
verwendet wurde?
- 3. Oder wird keine Entspannung vorgenommen,
weil man Angst hat, möglicherweise das
Material oder seine Oberfläche zu beschädigen,
wie dies beim thermischen Verfahren der Fall
wäre?
Befragt die Vorstellungsnotiz von FORMULA 62 [pdf] :
Spannungsarm Schwingen von Metall und Konstruktion
Befragen Sie wir über Ihre Anwendung !
Wünschen Sie mehr Information über dieses Produkt, bitte, kontaktieren Sie uns
Wer benutzt FORMULA 62? Siehe Beispiele von Benutzerunternehmen
Züruk nach oben
| |
