29. JUNI 2016

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Jungbrunnen für Schweißnähte


Future

Wer sich aufmerksam durch die Landschaft bewegt, wird feststellen, dass neue Brücken, Krane oder Windkraftanlagen filigraner sind als ihre Vorgänger. Das erfordert besondere Sorgfalt seitens der Betreiber.

Leichtbau ist inzwischen auch für technische Bauwerke konkret geworden. Doch es gibt immer noch Probleme zu lösen. Ein besonderer Fall ist die Schweißnaht zwischen hochfesten Stählen. Aber auch Schweißverbindungen an älteren Bauwerken machen mehr Kummer, als notwendig ist. Welche Abhilfe möglich ist, zeigte das neunte Stahlsymposium ›Hochfester Stahl im Stahl- und Maschinenbau – Neues aus Forschung und Anwendung‹, das vor Kurzem im Stahl-Zentrum Düsseldorf stattfand.

Die Lebensdauer bestehender, geschweißter Stahlkonstruktionen wie an Brückenbauwerken, Windkraftanlagen oder Kranen ist oft kürzer, als sie sein müsste. Die Ursache dafür sind vor allem wechselnde Belastungen, zum Beispiel durch Zug-Überfahrten auf Eisenbahnbrücken, Windböen auf Windenergieanlagen oder auch bei Fahrten auf einer Achterbahn, die eine frühzeitige Materialermüdung zur Folge haben. Dieses weitverbreitete Phänomen tritt besonders häufig an Schweißnähten auf. Und das hat Gründe: Weil das Schweißen das am häufigsten angewendete Fügeverfahren bei Stahlkonstruktionen ist, sind auch die negativen Begleitumstände relativ häufig und deshalb unübersehbar. Trotz vieler positiver fügetechnischer Aspekte reduziert die Ausbildung von Schweißnähten die Ermüdungsfestigkeit der gefügten Bauteile stark. Stahlkonstruktionen sind deshalb insbesondere an den Schweißnähten anfällig für Risse. Die Lebensdauer dieser Anlagen wird durch die Ermüdungsfestigkeit kritischer Kerbdetails bestimmt, sodass hier eine Verbesserung in den meisten Fällen zu einer Erhöhung der Lebensdauer der Gesamtkonstruktion führt.

Der Anfang vom Ende: Feinste Risse

Zunächst bilden sich kaum sichtbare Haarrisse, die sich anschließend ausweiten und schließlich ganze Brücken zum Einsturz bringen können. Wird hier nicht gegengesteuert, steigen die Kosten für die Instandhaltung oder für die Erneuerung von Stahlkonstruktionen deshalb stetig an. Nicht nur den privaten Betreibern von Windkraftanlagen oder Kranen entstehen hohe Kosten, auch dem Steuerzahler und der deutschen Volkswirtschaft werden regelmäßig hohe Kosten zugemutet, wenn es um die Erneuerung von Brückenbauwerken geht.

Wie groß die wirtschaftliche Bedeutung dieses Vorhabens ist, zeigen folgende Zahlen: Allein bei der Deutschen Bahn besteht in den kommenden zehn Jahren ein Investitionsbedarf bis fünfeinhalb Milliarden Euro, weil dann siebzig Prozent aller Stahl- und Eisenbrücken am Ende ihrer rechnerischen Lebensdauer angelangt sind. Auch werden die ersten großen Windenergieanlagen demnächst 20 Jahre alt und müssen auf ihre Restlebensdauer hin überprüft werden, weil ansonsten die Betriebsgenehmigungen erlöschen.

Diesen Phänomenen wollten Forscher und Wissenschaftler mit dem Forschungsprojekt ›Refresh‹ (Lebensdauerverlängerung bestehender und neuer geschweißter Stahlkonstruktionen) begegnen. Das Forschungs- und Entwicklungsprogramm wurde unter anderem mit je zwei Millionen Euro durch das BMBF und die Industrie gefördert. Das Vorhaben wurde vom Institut für Bauwerkserhaltung und Tragwerk (IBT) der Universität Karlsruhe (heute Karlsruhe Institut für Technologie, kurz KIT) unter Leitung von Prof. Thomas Ummenhofer koordiniert. Insgesamt waren neun weitere deutsche und vier europäische Partner aus Industrie und Forschung in das Projekt mit eingebunden. Partner aus Industrie und Forschung waren: Die Dynatec GmbH, Braunschweig, die LKT GmbH, Aachen, die Kranbau Köthen GmbH, Köthen, die MAN B&W Diesel AG, Augsburg, die Mauer Söhne GmbH, München, die Schachtbau Nordhausen GmbH, Nordhausen, die Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine, Karlsruhe, die Deutsche Bahn AG und die Repower Systems AG, Hamburg.

Ziel des Projekts ›Fügen im Produktlebenszyklus‹ war die Entwicklung eines ganzheitlichen Verfahrens zur Lebensdauerverlängerung neuer und bestehender geschweißter Stahlkonstruktionen. Ein Schwerpunkt waren optimierte Schweißnahtnachbehandlungsverfahren hinsichtlich ihrer ermüdungsfestigkeitssteigernden Wirkung und ihrer Anwendbarkeit am Bauwerk. Durch die Entwicklung eines Qualitätssicherungssystems konnte eine Reproduzierbarkeit der positiven Einwirkungen sichergestellt werden. Weiterentwickelte Berechnungsmethoden sollten zudem eine Berücksichtigung lebensdauerverlängernder Verfahren für Bauteile unterschiedlichster Ausbildung ermöglichen. Eine abschließend erarbeitete Verfahrensanweisung bildete die Grundlage für die Einführung der Methoden in die bestehenden Regelwerke.

Spezialbehandlung für Schweißnähte

Eine Möglichkeit, die Lebensdauer wechselnd beanspruchter Konstruktionen zu verlängern, bieten neue Verfahren zur Schweißnahtnachbehandlung. Diese Verfahren werden heute bereits vereinzelt im Maschinenbau mit guten Ergebnissen angewendet. Voraussetzung für eine breite Einführung dieser lebensdauerverlängernden Maßnahmen ist aber ein ganzheitliches Konzept. Dies bedeutet, dass neben der reinen Anwendung auch Verfahren zur Berechnung und Quantifizierung der erzielbaren Effekte sowie entsprechende Qualitätssicherungssysteme bereitgestellt werden. Ein solches ganzheitliches Konzept sollte den Lebenszyklus von der Fertigung über die Nutzung und die Instandsetzung abbilden können.

Einsatzmöglichkeiten, Auswirkungen sowie Grenzen der Verfahren müssen auf der Basis umfassender statistisch abgesicherter Untersuchungen als Stand der Technik anerkannt sein und Bestandteil entsprechender Regelwerke sein. In diesem Zusammenhang ist es eine große Herausforderung, die Schweißnähte an bereits bestehenden Bauwerken zu behandeln. Es ist leicht einzusehen, dass es schwierig ist, solche Arbeiten zum Beispiel an einer bestehenden Windkraftanlage in schwindelnder Höhe durchzuführen. Deswegen ist eine mobile und leicht handhabbare Methode erforderlich. Innerhalb von ›Refresh‹ wurden daher Verfahren untersucht, die am bestehenden Bauwerk optimal eingesetzt werden können. Das von der Braunschweiger Dynatec GmbH entwickelte hochfrequente Hämmerverfahren ›HiFIT‹ (High Frequency Impact Treatment), inzwischen im Vertriebsprogramm der Pfeifer GmbH, Memmingen, bietet hier vielversprechende Ansätze. Das gilt auch für das Ultrasonic Impact Treatment (UIT) des niederländischen Anbieters Rusch.

Hochfrequenzhämmerverfahren

Fest steht: Die Hochfrequenzhämmerverfahren stellen effektive Methoden zur Steigerung der Ermüdungsfestigkeit dar. Das HiFIT- und das UIT-Verfahren wurden im Rahmen des Refresh-Projektes gründlich analysiert und auch in ihrer Wirksamkeit optimiert. Bei der konkreten Anwendung hämmern gehärtete Stahlstifte, sogenannte Pins, mit Frequenzen zwischen 150 und 200 Hz auf den Schweißnahtübergangsbereich, sodass mit jedem Schlag kleine plastische Eindrücke entstehen. Durch die Plastifizierungen werden die Kerbschärfe des Nahtübergangs reduziert und der Werkstoffwiderstand erhöht. Beim HiFIT-Verfahren handelt es sich um ein druckluftbetriebenes rund 15 cm großes Handgerät. Als Hammerkopf dient ein einzelner Pin, dessen Durchmesser entsprechend der Anwendung 3 bis 4 mm beträgt.

Im Unterschied zum HiFIT-Verfahren erfolgt beim UIT die Anregung der Pins durch einen magnetostriktiven Ultraschallkonverter. Das Gerät ist etwa 40 cm lang und hat 5 cm Durchmesser. Es werden je nach Anwendung drei bis vier mit einer Frequenz von 200 Hz simultan hämmernde Pins mit Durchmessern von 3 bis 5 mm eingesetzt.

Randschichteffekte der Nachbehandlung

Die hochfrequenten Hämmerverfahren erzeugen Plastifizierungen am Nahtübergang. Diese führen dann zu einer Ausrundung des Nahtübergangs und damit zu einer Reduzierung der Kerbschärfe. Die Analyse des Einflusses der Pinradien hat gezeigt, dass der Nahtübergang entsprechend der Pinform umgeformt wird. Kleine Radien erzeugen tiefe Eindrücke, die mit Aufwürfen an den Rändern verbunden sind. Durch die Behandlung der Schweißnähte kann nun auch höherfester Stahl effektiv in Tragwerken mit sehr großen dynamischen Belastungen und einer hohen Anzahl von Lastwechseln eingesetzt werden.

Pin-Radien von 3 bis 4 mm erzeugen optimale Übergänge. Das HiFIT-Verfahren erzeugt eine glatte Spur. Beim UIT werden einzelne Eindrücke erzeugt, die zu oberflächennahen Abplatzungen führen. UIT ist eine ursprünglich russische und später in Amerika vorangetriebene Entwicklung, um (Zug-)Spannungen zu eliminieren und in gewünschte Druckspannungen umzuwandeln. Nach Angaben des Vertriebsunternehmens Rusch konnte gezeigt werden, dass die Ermüdungsfestigkeit von behandelten aluminothermischen Schweißnähten substanziell verbessert wird. Die Ultraschall-Behandlung verbessere, so heißt es, sowohl die Struktur der Schweißnähte als auch die des Ausgangsmaterials.

Beide Hämmerverfahren erzeugen eine deutliche Erhöhung der randschichtnahen Härte. Messungen ergaben eine Erhöhung der Vickershärte HV1 von 250 auf 350 nach einer HiFIT-Behandlung. Auch röntgenografische Eigenspannungsmessungen der oberflächennahen Eigenspannungen zeigten, dass beide Verfahren lokal hohe Eigenspannungen bis in die Höhe der Streckgrenze des Grundwerkstoffs erzeugen. Durch ergänzende Tiefenmessungen wurde der Einfluss der Behandlungsparameter, wie Betriebsdruck und Pindurchmesser, auf den Tiefenverlauf und die maximalen Werte der randschichtnahen Druckeigenspannungen analysiert. Kleinere Pindurchmesser und höhere Drücke erzeugen eine größere Tiefenwirkung, allerdings geringere oberflächennahe Druckeigenspannungen. Bei optimalen Parametern konnten für das HiFIT- und das UIT- Verfahren nahezu konstante Eigenspannungen bis zu 0,8 mm Tiefe nachgewiesen werden. Aufgrund von Grenzen der Messverfahren wurden die Messungen auf 1,2 mm Tiefe begrenzt.

Experimentelle Untersuchungen

Zur Verifizierung der Wirksamkeit der Hochfrequenzverfahren wurden umfangreiche Ermüdungsversuche durchgeführt. Gezielte Parametervariationen sollten den Einfluss von Stahlgüte, Beanspruchungsniveaus, Blechdicke, Überlasten und Probenmaßstab belegen. Zusätzlich werden umfangreiche Messungen während der Versuche durchgeführt. Diese ermöglichen Aussagen über den Einfluss der Nachbehandlungsmethoden auf das Rissbildungsverhalten. Die Ermüdungsversuche wurden mit servohydraulischen Prüfmaschinen und Resonanzprüfmaschinen durchgeführt. Die ersten Ergebnisse der Ermüdungsversuche belegten, dass die Ermüdungsfestigkeit durch die Nachbehandlung mit Hochfrequenzhämmerverfahren deutlich gesteigert werden kann. Erste Versuchsergebnisse zeigen, dass die Ermüdungsfestigkeit von Stumpfproben und Längssteifen aus S690 verdoppelt werden kann. Für die Stumpfprobe konnte für das UIT eine Steigerung auf die Kerbklasse 190, für das HiFIT-Verfahren auf Kerbklasse 210 nachgewiesen werden. Fazit: Auch wenn Bauwerke aus Stahl in die Jahre kommen, bedeutet das noch lange nicht das Ende der Lebensdauer.

Hans-Ulrich Tschätsch, Freier Fachjournalist aus Oberhausen

www.rusch.to
www.pfeifer.de

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