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 !

• 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
  
  

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.

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 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.

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

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.

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.

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.

• 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

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Wer benutzt FORMULA 62? Siehe Beispiele von Benutzerunternehmen

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