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Technologiewechsel beim „Spannungsarmglühen“  - Umstellung auf Vibrationsentspannen

 

Die Fortschritte bei grünem Stahl und die damit einhergehende CO2-Einsparung haben auch uns zu einem Technologiewechsel veranlasst. Anlässlich der anstehenden großen Revision unseres Ofens in Nördlingen haben wir beschlossen, diesen Ofen zum Jahresende stillzulegen. Ersetzt wird er durch eines der leistungsstärksten Vibrationsentspannungsgeräte neuster Generation.

 

Die durchschnittliche CO2-Einsparung mit diesem Verfahren ist immens: Eine durchschnittliche Spannungsarmglühung emittiert ca. 6,6t CO2, das Vibrationsentspannen hingegen nur ca. 0,003 t CO2. Auch der Energieverbrauch ist erheblich geringer: ca. 32 400 kWh beim Spannungsarmglühung stehen nur ca. 8 kWh beim Vibrationsentspannen gegenüber. Hieraus ergibt sich trotz des höheren Personalaufwands auch ein deutlicher Kostenvorteil beim Vibrationsentspannen. Zudem tritt keine Verzunderung an dem Bauteil auf und auch Verzüge treten, wenn überhaupt, seltener auf. Im Normalfall kann deshalb auch Richten entfallen. Vibrationsentspannen ist ebenso bei beschichteten Bauteilen möglich als auch beim Zwischenentspannen von Bauteilen, die bereits teilweise mechanisch bearbeitet wurden. Der Zeitaufwand für das Vibrationsentspannen ist deutlich geringer als für eine Ofenfahrt. Während für eine Ofenfahrt in der Regel 72 Stunden benötigt werden, dauert das Vibrationsentspannen bei großen Bauteilen nur ca. acht Stunden. Das Gerät ist mobil, sodass wir auch vor Ort beim Kunden Vibrationsentspannen durchführen können. Dies bieten wir auch als Lohndienstleistung an. Somit kann ein teurer Transport von Großbauteilen entfallen.

 

Das Gerät besteht aus einem Unwuchtmotor, einem Steuergerät, Schwingungsaufnehmern, einem Modalhammer und Befestigungsmaterial. Der Vorgang des Vibrationsentspannens läuft größtenteils automatisch ab: Zunächst  erfolgt die Grundeinstellung der Unwucht am Unwuchtmotor auf dem Bauteil. Mit den Schwingungsaufnehmern wird hier die Beschleunigung gemessen und überwacht, da diese in einer bestimmten Range liegen muss. Unwucht und Drehzahl werden dafür jeweils entsprechend angepasst. Das Entspannen erfolgt in fünf Zyklen. Bei jedem Zyklus werden mit dem Modalhammer die Eigenfrequenzen des Bauteils ermittelt. Beim anschließenden Vibrieren werden diese Frequenzen übersprungen. Die Entspannung erfolgt mittels gezielter Lasteinwirkung durch die Unwucht. Dabei überlagern sich die vorhandenen Eigenspannungen mit den Spannungen, die durch die Vibration erzeugt werden. Im Bereich von hohen Eigenspannungen übersteigt die Gesamtspannung den elastischen Bereich, sodass eine plastische Deformation erfolgt. Dies geschieht immer lokal und nur in den Bereichen mit hohem Eigenspannungsanteil. Anhand des Frequenzbandes wird der jeweilige Entspannungszustand des Bauteils ermittelt. Nach Abschluss der fünf Zyklen erfolgt eine Endmessung. Alle Frequenzen werden in einem Protokoll festgehalten und der Entspannungszustand wird in einem Balkendiagramm abgebildet. Bei größeren Bauteilen muss diese Prozedur an mehreren Stellen des Bauteils durchgeführt werden, um die Entspannung des gesamten Bauteils zu gewährleisten.

 

Wirkungsprinzip Vibrationsentspannen

Eigenspannungen entstehen bei der Herstellung, Verarbeitung und Verformung von metallischen Werkstoffen. Diese können im Bauteil unterschiedlich stark ausgeprägt sein. Bei der Weiterverarbeitung können dann durch ungleichmäßige Ausprägung und Verteilung der Spannungen Verformungen am Bauteil entstehen. Dies ist meist an mechanisch bearbeiten Bauteilen zu sehen. Zusammen mit der Betriebslast kann ein hoher Eigenspannungsanteil sogar zum Versagen des Bauteils führen. Hier setzt das Prinzip des Vibrationsentspannens an: Durch gezielt eingesetzte Vibrationen werden die  Eigenspannungen verringert: Die durch die Unwucht erzeugten Beschleunigungen werden als Spannungen im Bauteil weitergeleitet. Die Entspannung erfolgt durch eine gezielte Lasteinwirkung, die durch die Unwucht nahe der Eigenfrequenzen (Resonanz) erfolgt. Da wir in der Nähe der Eigenfrequenz arbeiten, steigen die durch die Unwucht erzeugten Spannungen langsam an. Die Eigenspannungen im Bauteil addieren sich mit den zusätzlich eingebrachten Spannungen durch das Vibrieren. Wenn die dadurch entstehende Gesamtspannung den elastischen Bereich des Materials übersteigt, erfolgt hier lokal eine plastische Deformation. Je höher die Eigenspannungen sind, desto früher erfolgt dies. Angrenzende Zonen mit geringerer oder gar keiner Eigenspannung haben eine andere Eigenfrequenz und verbleiben daher im elastischen Bereich. Dies lässt sich mit einer Klaviersaite vergleichen: Die Vorspannung einer Klaviersaite ist bei diesem Vergleich unsere Eigenspannung und der Ton, der beim Anschlagen entsteht, ist die dazugehörige Frequenz. Je nach Vorspannung ändert sich die Frequenz. Durch die lokale Deformation wird gewährleistet, dass das Bauteil formstabil bleibt.

 

Das Verfahren ist ab einem Bauteilgewicht von 100 kg einsetzbar. Da es partiell durchgeführt wird, gibt es nach oben theoretisch keine Grenze. Der Hersteller nennt jedoch als maximalen Wert 200 t.

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