Die Ultraschall-Impulsbehandlung ( UIT ) ist ein metallurgisches Verfahren, ähnlich der Kaltverfestigung , bei dem Ultraschallenergie auf ein Metallobjekt einwirkt. Dieses Verfahren gehört zu den Hochfrequenz-Impulsbehandlungsverfahren (HFMI). Andere Abkürzungen sind ebenfalls gleichbedeutend: Ultraschall-Nadelstrahlen ( UNP) und Ultraschallstrahlen (UP). Die Ultraschall-Impulsbehandlung kann zu kontrollierten Druckeigenspannungen , Kornfeinung und Korngrößenreduktion führen. Die Dauerfestigkeit bei niedrigen und hohen Zyklenzahlen wird verbessert und kann nachweislich bis zu zehnmal höher sein als bei unbehandelten Proben.

Theorie

Bei der Ultraschall-Intensivierung (UIT) werden Ultraschallwellen mithilfe eines elektromechanischen Ultraschallwandlers erzeugt und auf ein Werkstück gerichtet. Ein akustisch abgestimmter Resonatorstab wird durch Anregung mit einem magnetostriktiven oder piezoelektrischen Ultraschallwandler in Schwingung versetzt . Die Energie dieser hochfrequenten Impulse wird über speziell entwickelte Stahlstifte auf die zu bearbeitende Oberfläche übertragen . Diese Übertragungsstifte können sich axial zwischen dem Resonator und der zu bearbeitenden Oberfläche bewegen.

Beim Kontakt des Werkzeugs, bestehend aus Ultraschallwandler, Stiften und weiteren Komponenten, mit dem Werkstück entsteht eine akustische Kopplung, die zu harmonischer Resonanz führt . Diese harmonische Resonanz erfolgt bei einer präzise kalibrierten Frequenz , auf die Metalle sehr positiv reagieren. Dies führt zu Druckeigenspannungen, Spannungsabbau und einer Verbesserung der Kornstruktur.

Je nach gewünschtem Behandlungseffekt wird eine Kombination aus verschiedenen Frequenzen und Auslenkungsamplituden angewendet. Abhängig vom verwendeten Gerät und dem Originalgerätehersteller liegen diese Frequenzen zwischen 15 und 55  kHz [ 1 ] , wobei die Auslenkungsamplitude des Resonanzkörpers zwischen 20 und 80 μm (0,00079 und 0,00315 Zoll) liegt.

Anwendung

UIT ist hochgradig steuerbar. Durch den Einsatz einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) oder eines digitalen Ultraschallgenerators lassen sich Frequenz und Amplitude von UIT einfach einstellen und konstant halten, wodurch die Abhängigkeit vom Bediener deutlich reduziert wird. UIT kann auch mechanisch gesteuert werden, was die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse bei wiederholten Anwendungen gewährleistet. Beispiele für die mechanische Steuerung von UIT sind:

Bei diesen kontrollierten Anwendungen lässt sich die Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks sehr gut kontrollieren.

Für viele Anwendungen ist die manuelle Bearbeitung von UIT am effektivsten. Die hohe Mobilität des UIT-Systems ermöglicht den Einsatz auch an schwer zugänglichen und abgelegenen Orten. Die Flexibilität, die durch verschiedene Werkzeugkonfigurationen (z. B. Winkelstrahlkopf) erreicht wird, gewährleistet den Zugang zu sehr beengten Stellen.

Die Wirksamkeit von UIT wurde unter anderem an folgenden Metallen veranschaulicht:

Geschichte

UIT wurde ursprünglich 1972 entwickelt und seitdem von einem Team russischer Wissenschaftler unter der Leitung von Dr. Efim Statnikov perfektioniert . Ursprünglich zur Verbesserung der Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit von Schiffs- und U-Boot-Strukturen entwickelt und eingesetzt, findet UIT heute Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, im Bergbau, bei Offshore-Bohrungen, im Schiffbau, im Infrastrukturbereich, in der Automobilindustrie, der Energieerzeugung und weiteren Branchen. [ 2 ] Verschiedene industrielle Lösungen existieren heutzutage und werden von einer begrenzten Anzahl von Erstausrüstern weltweit vermarktet.

Praktische Anwendungen

UIT ermöglicht die Verlängerung der Lebensdauer von Stahlbrücken. [ 3 ] Diese Technik wird in zahlreichen US-Bundesstaaten sowie in anderen Ländern eingesetzt. Das Ergebnis ist eine erhebliche Reduzierung der Infrastrukturkosten. UIT ist für diese Anwendung von AASHTO zertifiziert .

Der Einsatz von UIT bei Schürfkübelbaggern und anderen schweren Geräten im Bergbau hat zu einer Produktionssteigerung und einer Verringerung der Ausfallzeiten und Wartungskosten geführt.

UIT wird in einer Reihe von Branchen bei Antriebswellen und Kurbelwellen eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass UIT die Lebensdauer der Welle um mehr als das Dreifache erhöht. [ 3 ]

Die US-Marine verwendet UIT zur Behandlung von Rissen in bestimmten Aluminiumdecks. Ohne UIT führten Rissreparaturen fast sofort zu erneuten Rissen. Mit UIT halten die Reparaturen nachweislich über acht Monate ohne Risse.

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ „Werkzeuge des Handwerks“ . Appliedultrasonics.com. Archiviert vom Original am 31.05.2008 . Abgerufen am 24.02.2012 .
  2. ^ „Ultraschallstrahlen | Verbesserung der Metallleistung“ . Applied Ultrasonics. Archiviert vom Original am 07.03.2012 . Abgerufen am 24.02.2012 .
  3. ^ a b „Ultraschallstrahlen | Verbesserung der Metallleistung“ . Applied Ultrasonics. Archiviert vom Original am 15.03.2012 . Abgerufen am 24.02.2012 .

Weiterführende Literatur

  • Haagensen, PJ, Schweißnahtverbesserungsmethoden – Anwendungen und Implementierungen in Entwurfsnormen, eingeladener Beitrag auf der Konferenz über die Ermüdung von Schweißkonstruktionen, Senlis, Paris, Frankreich, 12.–14. Juni 1996.
  • Prokopenko, GI, TA Lyatun, Untersuchung der Oberflächenhärtungsbedingungen mittels Ultraschall, in: Physik und Chemie der Materialverarbeitung, Nr. 3, S. 91, 1977.
  • Blaha, F., B. Langenecker. „Dehnung von Zink-Kristallen unter Ultraschalleinwirkung“, Zeitschrift die Naturwissenschaften, 20, 556, 1955.
  • Konovalov, EG, VM Drozdov, MD Tyavlovski, Dynamic Strength of Metals (auf Russisch), Nauka i Tekhnika, Minsk, 1969.
  • Kazantsev, VF, Grundlagen der Physik der Ultraschallwirkung auf die Festkörperbearbeitung (in Russisch). Dissertation, AKIN, Moskau, 1980, S. 12–44.
  • Statnikov, ES, Entwicklung und Untersuchung von Ultraschall-Spezialgeräten, Dissertation, Akademiker NN Andreyev Akustisches Institut, Akademie der Wissenschaften der UdSSR, 1982.
  • Severdenko, VP, EG Konovalov, E.Sh. Statnikov et al., Untersuchung der mechanischen Eigenschaften neuer Materialien unter Ultraschallschwingungen, Bericht Nr. 21-971, FTI Acad. Nauk der BSSR, Minsk (1966).
  • Statnikov, E.Sh., Aktivierung des Deformationsprozesses unter Ultraschalleinwirkung, Wissenschaftlich-Technische Konferenz „XXX Lomonosov Readings“, Sevmashvtuz, Severodvinsk (2001).

IIW-PUBLIKATIONEN:

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  • Verbesserung der Dauerfestigkeit von Schweißverbindungen (in hochfesten Stählen und Aluminiumlegierungen) durch Ultraschallhämmern. 48. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts. IIW Doc. XIII-1594-95, Stockholm, 1995. JJ Janosch, H. Koneczny, S. Debiez, ES Statnikov, VI Tryufyakov, PP Mikheev.
  • Ultraschall-Impulsbehandlung von Schweißverbindungen. 48. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts. IIW-Dokument XIII-1609-95, Stockholm, 1995. VI Trufyakov, PP Mikheev, Yu. Kudryavtzev, ES Statnikov.
  • Spezifikation zur Verbesserung der Schweißnahtübergänge mittels Ultraschall-Impaktbehandlung. 49. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts. IIW-Dokument XIII-1617-96, Budapest, 1996. ES Statnikov, VI Trufyakov, PP Mikheev, Yu. Kudryavtzev.
  • Ultraschall-Impaktbehandlung (UIT) von Schweißverbindungen. 49. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts, Budapest, 1996., ES Statnikov.
  • Anwendungen der Ultraschall-Impulsbehandlung (UIT) bei der Herstellung von Schweißverbindungen. 50. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts. IIW-Dokument XIII-1667-97, San Francisco, 1997. ES Statnikov.
  • Vergleich der Effizienz und Verarbeitbarkeit von Nachverformungsverfahren zur Erhöhung der Dauerfestigkeit von Schweißverbindungen. 50. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts. IIW-Dokument XIII-1668-97, San Francisco, 1997. ES Statnikov.
  • Die Effizienz der Ultraschall-Impulsbehandlung (UIT) zur Verbesserung der Dauerfestigkeit von Schweißverbindungen. 51. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts. IIW-Dokument XIII-1745-98, Hamburg, 1998. VI Troufyakov, ES Statnikov, PP Mikheev, AZ Kuzmenko.
  • Einführende Ermüdungsversuche an Schweißverbindungen aus hochfestem Stahl und Aluminium, die mit verschiedenen Verfahren, einschließlich Ultraschall-Impaktbehandlung (UIT), behandelt wurden. 51. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts. IIW-Dokument XIII-1748-98, Hamburg, 1998. PJ Haagensen, ES Statnikov, L. Lopez-Martinez.
  • Reparatur von Ermüdungsrissen. Arbeitsgruppe 5. 51. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts. IIW-Dokument XIII-WG5-18-98, Hamburg, 1998. ES Statnikov, L. Kelner, J. Baker, H. Croft, VI Dvoretsky, VO Muktepavel.
  • Leitfaden zur Anwendung der Ultraschall-Impulsbehandlung zur Verbesserung der Dauerfestigkeit von Schweißkonstruktionen. 52. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts. IIW-Dokument XIII-1757-99, Lissabon, 1999. ES Statnikov.
  • Vergleich der Ultraschall-Impaktbehandlung (UIT) mit anderen Verfahren zur Verbesserung der Ermüdungslebensdauer. 53. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts. IIW-Dok. XIII-1817-00, Florenz, 2000. ES Statnikov, VO Muktepavel, A. Blomqvist.
  • Instandsetzung ermüdungsgeschweißter Konstruktionen – Fallstudie. Arbeitsgruppe 5. 54. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts. IIW-Dokument XIII-WG5-1873-01, Slowenien, 2001. ES Statnikov, L. Tehini.
  • Verbesserung der Dauerfestigkeit von Brückenträgern durch Ultraschall-Impaktbehandlung (UIT). 55. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts. IIW Doc. XIII-1916-02, Kopenhagen, 2002. JW Fisher, ES Statnikov, L. Tehini.
  • Vergleich der Verbesserung der Korrosionsermüdungsfestigkeit von schweißreparaturbehandelten Schiffspropellern aus Kupferbronze der Güteklasse 3 durch Ultraschall-Impaktbehandlung (UIT) oder Wärmebehandlung. 56. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts (IIW). Dok. XIII-1964-03, Bukarest, 2003. ES Statnikov, VO Muktepavel, VN Vityazev, VI Trufyakov, VS Kovalchuk, P. Haagensen.
  • Der Einfluss der Ultraschall-Impaktbehandlung auf das Ermüdungsverhalten von Schweißverbindungen in hochfestem Stahl. 56. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts, IIW-Dok. XIII-1976-03, Bukarest, 2003. André Galtier, ES Statnikov.
  • Verbesserung der Dauerfestigkeit einer Längsverbindung durch Ultraschall-Impaktbehandlung. 56. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts (IIW). Dok. XIII-1990-03, Bukarest, 2003. Veli-Matti Lihavainen, Gary Marquis, E. S. Statnikov.
  • Physik und Mechanismus der Ultraschall-Impulsbehandlung. 57. Jahrestagung des Internationalen Instituts für Schweißen. IIW Doc. XIII-2004-04, Osaka, 2004, ES Statnikov.
  • Vergleich der Effizienz von 27-, 36- und 44-kHz-UIT-Werkzeugen. 57. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts. IIW-Dokument XIII-2005, Osaka, 2004. ES Statnikov, VN Vityazev, OV Korolkov.
  • Verbesserung der Qualität und Zuverlässigkeit von Bauwerken mittels UIT Esonix. 58. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts. IIW Doc. XIII-2049-05, Prag, 2005. ES Statnikov.
  • Ultraschall-Impulsbehandlung versus Ultraschall-Kugelstrahlen. 58. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts. IIW-Dokument XIII-2050-05. Prag, 2005. ES Statnikov.
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  • UIT-Anwendung zur Winkelverzerrungskompensation in geschweißten T-Verbindungen. 59. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts. IIW-Dokument XIII-2107-06, Quebec, 2006. ES Statnikov, VY Korostel, W. Fricke.
  • Zur Identifizierung in der UIT-Vorbereitung für vergleichende Prüfungen und Feldanwendungen. 60. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts. IIW-Dok. XIII-2180-07, Dubrovnik, 2007. ES Statnikov, VY Korostel, AD Manelik.
  • Einsatz von Ultraschall zur Beschleunigung von Ermüdungsprüfungen bei der Bewertung der Wirksamkeit von UIT. 60. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts. IIW-Dokument XIII-2182-07, Dubrovnik, 2007. ES Statnikov, VY Korostel.
  • Anwendung der UIT zur Winkelverzerrungskompensation in geschweißten T-Verbindungen. 60. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts. IIW-Dokument X-1603-07, Dubrovnik, 2007. ES Statnikov, Wolfgang Fricke.
  • Die Erfindung der Ultraschall-Impulstechnologie und ihre Auswirkungen auf die Industrie. 63. Jahrestagung des Internationalen Schweißinstituts, IIW Doc. XIII-2320-10, Istanbul, 2010. L. Kelner, D. Sharman.