Die Hochfrequenz-Schlagbeanspruchung oder HiFIT-Methode ist die Behandlung von geschweißten Stahlkonstruktionen im Bereich des Schweißnahtübergangs zur Erhöhung der Dauerfestigkeit.
Merkmale
Die Dauerhaftigkeit und Lebensdauer dynamisch belasteter, geschweißter Stahlkonstruktionen wird in vielen Fällen durch die Schweißnähte, insbesondere die Schweißnahtübergänge, bestimmt. Durch gezielte Behandlung der Übergänge ( Schleifen (abrasives Schneiden) , Sandstrahlen , Hämmern usw.) lässt sich die Dauerhaftigkeit vieler Konstruktionen deutlich erhöhen. Hämmerverfahren haben sich als besonders effektive Behandlungsmethoden erwiesen und wurden im Rahmen des Gemeinschaftsprojekts REFRESH [ 1 ] eingehend untersucht und weiterentwickelt. Das HiFIT-Verfahren (Hochfrequenz-Schlagbehandlung, auch HFMI (Hochfrequenz-Mechanischer Schlag) genannt) ist ein solches Hämmerverfahren, das universell anwendbar ist, nur einfache Ausrüstung erfordert und dennoch eine hohe Reproduzierbarkeit sowie die Möglichkeit zur Qualitätskontrolle bietet.
Betrieb
Der HiFIT-Hammer arbeitet mit einem gehärteten Stift, dessen Kugel mit einem Durchmesser D von 3 mm auf dem Werkstück aufliegt. [ 2 ] Dieser Stift wird mit einstellbarer Intensität bei etwa 180–300 Hz auf den Schweißnahtübergang gehämmert. Dabei entstehen lokale mechanische Verformungen in Form einer Behandlungsspur. Der Schweißnahtübergang wird plastisch verformt. Die induzierte Druckeigenspannung verhindert Rissbildung in der Behandlungsspur und deren Ausbreitung an der Oberfläche.
Beweis
Das Internationale Institut für Schweißtechnik IIW veröffentlichte im Oktober 2016 die Richtlinie „Empfehlungen für die HFMI-Behandlung“ [ 3 ]. Darin wird ein Überblick über Hochfrequenzhämmer (HFMI) gegeben sowie Empfehlungen für die korrekte Anwendung der Methode und quantitative Messungen zur Qualitätssicherung. Die Richtlinie bildet die Grundlage für Messungen an HFMI-verbesserten Schweißverbindungen auf Basis aller bekannten Spannungsberechnungskonzepte.
In zahlreichen Versuchen an verschiedenen Instituten und Universitäten konnte eine Steigerung der Dauerfestigkeit um 80 bis 100 Prozent und eine 5- bis 15-fache Verlängerung der Schweißnahtlebensdauer nachgewiesen werden. Das umfangreichste Forschungsprojekt war von 2006 bis 2009 „REFRESH – Lebensdauerverlängerung bestehender und neuer geschweißter Stahlkonstruktionen (P702)“. In diesem Projekt wurde das HiFIT-Gerät entwickelt und für die Serienproduktion vorbereitet. Der Bericht ist als Buch bei der FOSTA (Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V.) erhältlich und kann unter der ISBN bestellt werden . 978-3-942541-03-9Das Buch enthält detaillierte wissenschaftliche Überprüfungen und Validierungen.
Schritte der HiFIT-Methode
Die HiFIT-Methode kann sowohl auf bestehende als auch auf neue Stahlkonstruktionen angewendet werden.
Vorbereitende Schritte
Für eine gezielte Behandlung müssen die Übergänge in den Schweißbereichen gut sichtbar und zugänglich sein. Bestehende Bauteile werden üblicherweise an den Übergängen für die Oberflächenbearbeitung vorbereitet . Die Teile müssen frei von losem Rost und alter Farbe sein. Gegebenenfalls ist ein vorheriges Sandstrahlen erforderlich.
Das Gerät arbeitet mit einer Druckluftversorgung von 6–8 bar.
Schritte
Das HiFIT-Gerät wird manuell an der behandelten Schweißnahtübergangsstelle und während der Behandlung entlang dieser Schweißnaht platziert.
Ergebnis
Durch lokale Umwandlungen wurde der Schweißnahtübergang plastisch verformt und erstarrte. Die Tiefe der Nachbehandlungsspur sollte zwischen 0,2 und 0,35 mm liegen. Die Hinterschneidung am Schweißnahtübergang ist nicht mehr erkennbar.
Prozesssicherheit
Die behandelten Bereiche werden visuell geprüft. Die Behandlungstiefe kann mit einem speziellen Messgerät kontrolliert werden. Eine digitale Anzeige des Betriebsdrucks ermöglicht dem Anwender die Steuerung des gesamten Prozesses.
Ökonomische Bedeutung von HiFIT
Lebenslange Verlängerung
Bei Anwendung auf bestehende Konstruktionen lässt sich deren Lebensdauer erheblich verlängern. Sind keine makroskopisch sichtbaren Risse vorhanden, eignet sich HiFIT hervorragend zur Sanierung. Durch die rechtzeitige Sanierung bestehender Bauwerke ergibt sich praktisch kein Unterschied zur Lebensdauer neu behandelter Schweißnähte. Dies ermöglicht die Nutzung bestehender Konstruktionen weit über die geplante Lebensdauer hinaus. Das HiFIT-Verfahren wird beispielsweise bei Autobahnbrücken mit Stahlhohlkastenprofilen sehr effizient eingesetzt, um die Lebensdauer flexibel zu verlängern. Die Sanierungskosten sind im Vergleich zu konventionellen Methoden gering. In der Nutzfahrzeugindustrie und anderen Branchen werden hochbeanspruchte Schweißnähte an bestehenden und neuen Konstruktionen mit HiFIT behandelt, um die Lebensdauer erfolgreich zu verlängern.
Erhöhung des übertragbaren Lastniveaus
Bei Neubauten und einigen bestehenden Bauwerken kann die Belastbarkeit behandelter Schweißnähte erhöht werden. Bei gleicher Lebensdauer der Konstruktionen können Schweißnähte die 1,6-fache Last übertragen. Dies führt beispielsweise bei Kranen zu einer deutlich höheren Hubkraft. Die Effizienz von Kranen steigt mit jedem Hub.
Leicht
Durch die Berücksichtigung des HiFIT-Verfahrens während der Entwicklung lässt sich die Konstruktion bei gleicher Belastung und Lebensdauer gezielt schlanker gestalten. Umfangreiche experimentelle Untersuchungen an Konstruktionsdetails und FEM-gestützte Entwurfsmethoden haben die hohe Effizienz mit konventionellen Stählen wie S235 und S355J2 sowie Feinkornstählen wie S460N und S690QL und sogar höherfesten Stählen gezeigt. Die erzielbare Materialeinsparung macht den Einsatz von HiFIT in den meisten Anwendungsbereichen bereits wirtschaftlich rentabel. Hinzu kommt der zusätzliche Vorteil des geringeren Gewichts, der beispielsweise die Erhöhung der Nutzlast in Fahrzeugen ermöglicht.
Siehe auch
- Schweißen
- Ultraschall-Schlagbehandlung
- Kugelstrahlen
- Autofrettage , das Druckeigenspannungen in Druckbehältern erzeugt.
Veröffentlichungen
- Das Buch REFRESH – Lebensdauerverlängerung bestehender und neuer geschweißter Stahlkonstruktionen kann unter der ISBN- Nummer bestellt werden. 978-3-942541-03-9bei FOSTA – Forschungsvereinigung für Stahlanwendung in Deutschland, Düsseldorf.
- Stahlbau September 2009, 78 Jahre, ISSN 0038-9145 A6449
- IIW-Empfehlungen zur HFMI-Behandlung zur Verbesserung der Dauerfestigkeit von Schweißverbindungen. Autoren: Gary B. Marquis, Zuheir Barsoum, https://www.springer.com/de/book/9789811025037
- DASt-Empfehlung - 026 Schweißnahtbewertung für ermüdungsbeanspruchte Konstruktionen unter Verwendung von Hochfrequenz-Schlaghämmern, Stahlbau Verlags- und Service GmbH, https://shop.deutscherstahlbau.de/de/dast-richtlinie-026
Referenzen
- ^ Webseite des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) – Projekt REFRESH
- ^ Th Nitschke-Pagel, Klaus Dilger, H.Eslami, I.Weich, T.Ummenhofer. „Eigenspannungen und oberflächennaher Materialzustand von geschweißten hochfesten Stählen nach verschiedenen mechanischen Nachbehandlungen“ [1] [2] . 2008.
- ^ IIW-Empfehlungen zur HFMI-Behandlung zur Verbesserung der Dauerfestigkeit von Schweißverbindungen . IIW-Sammlung. springer.com. 2016. doi : 10.1007/978-981-10-2504-4 . ISBN 978-981-10-2503-7Abgerufen am 27. Oktober 2022 .