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EP2304059A1 - Method for the aftertreatment of a welded connection - Google Patents

Method for the aftertreatment of a welded connection

Info

Publication number
EP2304059A1
EP2304059A1 EP09765444A EP09765444A EP2304059A1 EP 2304059 A1 EP2304059 A1 EP 2304059A1 EP 09765444 A EP09765444 A EP 09765444A EP 09765444 A EP09765444 A EP 09765444A EP 2304059 A1 EP2304059 A1 EP 2304059A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
region
stresses
residual
energy input
weld
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09765444A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Imke Weich
Thomas Ummenhofer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Braunschweig
Original Assignee
Technische Universitaet Braunschweig
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Braunschweig filed Critical Technische Universitaet Braunschweig
Publication of EP2304059A1 publication Critical patent/EP2304059A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D10/00—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D10/00—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation
    • C21D10/005—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation by laser shock processing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
    • C21D7/06—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface by shot-peening or the like
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2221/00—Treating localised areas of an article

Definitions

  • the invention relates to a method for the after-treatment of highly stressed areas of a metal construction, in particular for components, in which by a plasticization and / or a local energy input compressive and / or tensile residual stresses in a region of a weld, a weld seam transition or in a critical notch area are introduced.
  • the hammering methods used to treat the weld for example according to the principle of the High Frequency Impact Treatment (HiFIT) and the Ultrasonic Impact Treatment (UIT) 1, are effective methods for increasing the fatigue strength.
  • HiFIT High Frequency Impact Treatment
  • UAT Ultrasonic Impact Treatment
  • X-ray residual stress measurements of the near-surface residual stresses show that hammering methods produce locally high residual stresses up to the level of the yield strength of the base material.
  • the fatigue strength can therefore be significantly increased.
  • it is an only locally effective method, so that fractures in not directly treated area can not be excluded by the past for example, from the changing stresses or existing residual stresses. Additional areal compaction can also support the positive effect.
  • DE 38 04 568 C1 relates to the shot peening of a weld seam area, DE 101 35 611 A1 to the use of abrasive blasting abrasives, for example a sandblast blower, and DE 39 17 380 A1 to the introduction of residual compressive stresses by means of liquid or solid substances.
  • the invention is based on the object to improve the post-treatment of the welded joint in such a second step that the fatigue strength of the structural elements so joined is substantially improved.
  • compressive residual stresses should also be generated in the regions adjacent to the treated zone.
  • a method for the aftertreatment of welds and other critical notch details of metal structures in which, following a first method step, the local introduction of inherent chip strength close to the surface is provided. ments, for example by hammering, in a second step into larger areas which enclose or adjoin the treated area, residual compressive stresses are introduced into the near-surface boundary layer area so that no residual tensile stresses occur in the boundary layer. It has unexpectedly been apparent to those skilled in the art that by reducing the high residual compressive stresses locally produced in the first step to a lower level in the second step, the fatigue strength could nevertheless be significantly increased compared to the sole treatment of the first step.
  • the generation of residual compressive stresses could be done for example by a partial thermal energy input by means of laser.
  • a mechanical generation of residual compressive stresses in particular by blasting, takes place so as to realize a method that is easy to carry out in practice, for example on the construction site.
  • surface-layer consolidations generated additionally support the positive effect of the processes.
  • a further promising modification namely when the energy input by radiation, in particular solid-state beams, is suitable.
  • a surface treatment can be effected by introducing the mechanical energy, which ensures residual compressive stresses in the entire area near the surface.
  • the blasting process can also be carried out by means of liquid media or frozen liquids, whereby the blasting by means of granules or spherical solids, in particular the shot peening already known from mechanical engineering, proves to be expedient on account of the reproducible results.
  • the plastic deformation by hammering in particular pin hammering
  • the plastic deformation by hammering in particular pin hammering
  • hammering is first carried out with a pin hammer frequency between 10 Hz and 300 Hz, in particular between 150 Hz and 250 Hz.
  • the pin hammer frequency between 10 Hz and 300 Hz, in particular between 150 Hz and 250 Hz.
  • the desired residual compressive stresses are introduced in the deformation region.
  • the entire weld area and possibly adjacent areas are radiated surface, with near-surface particular even compressive residual stresses are generated. The residual compressive stresses previously limited to the deformation area are thereby extended to the adjacent edge area and beyond.
  • the residual compressive stresses introduced in the second method step can correspond in their amount to the compressive residual stresses generated in the first method step or can also have a smaller amount.
  • the method steps are preferably carried out in a short time sequence, however, the second method step for the aftertreatment of already existing metal construction can also be carried out with considerable time interval, for example even after several years of use.
  • a particular advantage of the aftertreatment is also achieved by applying a corrosion protection, in particular a corrosion protection layer, following both process steps, since the two process steps represent an optimal preparation for the subsequent application of the corrosion protection.
  • the two process steps also optimally offer the possibility of applying other coatings.
  • Fig. 1 is a side view of a welded connection having metal construction; 2 shows an enlarged view of the metal construction shown in FIG. 1 with a graphic representation of the residual stresses.

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Abstract

The invention relates to a method for the aftertreatment of a welded connection of a metal construction, especially for buildings, for which internal pressure stresses were introduced into the region of a welded seam or of other notch areas by a deformation.  In order to introduce internal pressure stresses also into the region adjoining the region of the local internal pressure stresses, the welded seam is shotblasted flat in a second step of the method.  The internal pressure stresses, which arise in the first step of the method, are reduced when necessary by the additional input of energy. However, internal pressure stresses arise in the region near the surface, so that the fatigue strength of the construction elements, so joined, is improved significantly.

Description

Verfahren zur Nachbehandlung einer Schweißverbindung Process for the aftertreatment of a welded joint
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbehandlung hochbeanspruchter Bereiche einer Metallkonstruktion, insbesondere für Bauteile, bei dem durch eine Plastifizierung und/oder einen lokalen Energieeintrag Druck- und/oder Zugeigenspannungen in einen Bereich einer Schweißnaht, eines Schweißnahtübergangs oder in einen kritischer Kerbbereich eingebracht werden.The invention relates to a method for the after-treatment of highly stressed areas of a metal construction, in particular for components, in which by a plasticization and / or a local energy input compressive and / or tensile residual stresses in a region of a weld, a weld seam transition or in a critical notch area are introduced.
Schweißverbindungen bei derartigen Metall-, insbesondere Stahlkonstruktionen, beispielsweise Brücken, Kränen und Maschinenbauteilen, aber auch Bauwerke und Anlagen, wie beispielsweise Windenergieanlagen, werden häufig durch dynamische oder wechselnde Be- lastungen beansprucht. Dabei wird die Lebensdauer dieser Metallkonstruktionen vorrangig durch die Ermüdungsfestigkeit bestimmt, sodass eine Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit in den meisten Fällen zu einer Erhöhung der Lebensdauer der Gesamtkonstruktion führt bzw. eine Reduzierung der Wanddicken ermöglicht.Welded joints in such metal, in particular steel structures, for example bridges, cranes and machine components, but also structures and facilities, such as wind turbines, are often claimed by dynamic or changing loads. The service life of these metal structures is determined primarily by the fatigue strength, so that an improvement in the fatigue strength in most cases leads to an increase in the life of the overall construction or allows a reduction in wall thicknesses.
Durch die in der Praxis bei Metallkonstruktionen eingesetzten Schweißverbindungen wird jedoch die Ermüdungsfestigkeit der so gefügten Konstruktionselemente wesentlich vermindert.However, the welded joints used in practice in metal constructions substantially reduce the fatigue strength of the structural members so joined.
Eine Möglichkeit, diesen nachteiligen Effekt bei wechselnd beanspruchten Metallkonstruktio- nen zu reduzieren, bieten Verfahren zur Nachbehandlung der Schweißnaht. Es ist bereits bekannt, durch ein Überschleifen oder Ausschleifen eine Verbesserung der Nahtgeometrie zu erzeugen und dadurch die kritischen Kerbspannungen zu reduzieren. Dabei wird davon ausgegangen, dass Risse, beispielsweise durch Ermüdung, nicht in einer Schicht von Druckeigenspannung entstehen. Alternativ können so genannte mechanische Verfahren, wie beispielsweise Hämmerverfahren, eingesetzt werden. Diese erzeugen randschichtnahe Druckeigenspannungen und Aufhärtungen.One way of reducing this disadvantageous effect on metal structures subjected to alternating stress is provided by methods for aftertreatment of the weld seam. It is already known to produce an improvement of the seam geometry by a grinding or grinding and thereby to reduce the critical notch stresses. It is assumed that cracks, for example due to fatigue, do not arise in a layer of compressive residual stress. Alternatively, so-called mechanical methods, such as, for example, a hammer method, can be used. These generate near-surface residual compressive stresses and hardening.
Durch das Einbringen von Druckeigenspannungen wird die Rissfortschrittsgeschwindigkeit reduziert. Randschichtverfestigungen führen zu einer Verzögerung der Rissbildung. Beide Effekte erhöhen die Ermüdungsfestigkeit. Durch plastische Verformungen können insbesondere Hämmerverfahren zusätzlich zu einer Ausrundung des Nahtübergangs führen und damit die Beanspruchungen aus geometrischer Kerbwirkung reduzieren.The introduction of compressive residual stresses reduces the crack propagation speed. Surface hardening leads to a delay of cracking. Both effects increase the fatigue strength. By means of plastic deformations, in particular, hammering methods can additionally lead to a rounding of the seam transition and thus reduce the stresses from the geometric notch effect.
Die DE 39 08 653 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von geschweißten hochfesten Stählen, bei dem die Schweißnahtübergänge mit örtlicher Energiezufuhr und mit einer aus einem vorgegebenen Bereich ausgewählten Streckenenergie nachbehandelt werden. Demnach ist es so, dass der Schweißnahtübergang zum Grund- Werkstoff der kritische Bereich und dominierende Ausgangspunkt für Ermüdungsbrüche von Schweißnähten ist und an dieser Stelle auch die Maßnahmen zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit anzusetzen sind. Durch eine WIG-Nachbehandlung der Schweißnahtübergänge kann jedoch die Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindungen erhöht werden. Die nachzubehandelnden Schweißnähte werden auf eine Temperatur oberhalb Raumtemperatur vorgewärmt, wodurch eine wesentliche Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit der geschweißten hochfesten Stähle bis zur Festigkeit des nicht geschweißten Grundwerkstoffs erreicht werden soll. Es ist möglich, die zum Aufschmelzen der kritischen Schweißnahtübergänge notwendige örtliche Energiezufuhr durch Inertgas-Lichtbogenschweißen mit Wolframelektroden (WIG-Schweißen) oder durch Laserstrahlen einzubringen.DE 39 08 653 A1 describes a method for improving the fatigue strength of welded high-strength steels, in which the weld seam transitions are aftertreated with local energy supply and with a path energy selected from a predetermined range. Accordingly, the weld seam transition to the base material is the critical area and the dominant starting point for fatigue fractures of welds, and the measures for improving the fatigue strength must also be applied here. However, TIG after-treatment of weld junctions can increase the fatigue strength of welded joints. The post-welds are preheated to a temperature above room temperature, thereby achieving a substantial increase in the fatigue strength of the welded high strength steels to the strength of the unwelded base material. It is possible to introduce the necessary for the melting of the critical weld seams local energy supply by inert gas arc welding with tungsten electrodes (TIG welding) or by laser beams.
Aus dem Maschinenbau ist auch bereits das Kugelstrahlen bekannt. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2007 026 540 A1 eine Oberflächenbehandlung eines Stahlwerkstoffs mittels Kugelstrahlen, bei der eine plastische Verformung der Oberfläche des behandelten Werkstoffs durch das Auftreffen der Kugeln und in Folge davon Eigenspannungen erzeugt werden. Beim Kugelstrahlen tritt der Aspekt der Einbringung von Druckeigenspannungen in den Vordergrund, um auf diese Weise die Dauerfestigkeit des Werkstoffs zu steigern. Dabei kommt es zu einer Verfestigung und einer elastischen-plastischen Verformung im Bereich der Oberfläche, was Druckeigenspannungen auf dem Werkstück zur Folge hat.From mechanical engineering also shot peening is already known. For example, DE 10 2007 026 540 A1 describes a surface treatment of a steel material by means of shot peening, in which a plastic deformation of the surface of the treated material is produced by the impact of the balls and, as a consequence thereof, residual stresses. In the case of shot peening, the aspect of introducing compressive residual stresses comes to the fore, in order to increase the fatigue strength of the material in this way. This results in a solidification and an elastic-plastic deformation in the region of the surface, which has compressive stresses on the workpiece result.
Ferner ist es auch bereits bekannt, CO2-Laserstrahlung zur Induzierung von Eigenspannung zu nutzen. Hierdurch wird die Bauteilfestigkeit gegenüber konventionellen Verfahren gesteigert. Die zur Nachbehandlung der Schweißnaht bestimmten Hämmerverfahren, beispielsweise nach dem Prinzip des High Frequency Impact Treatment (HiFIT) und des Ultrasonic Impact Treatment (UIT)1 stellen effektive Methoden zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit dar.Furthermore, it is already known to use CO 2 laser radiation to induce residual stress. As a result, the component strength is increased compared to conventional methods. The hammering methods used to treat the weld, for example according to the principle of the High Frequency Impact Treatment (HiFIT) and the Ultrasonic Impact Treatment (UIT) 1, are effective methods for increasing the fatigue strength.
Bei der Anwendung wirken gehärtete Stahlstifte auf den Schweißnahtübergangsbereich ein, sodass mit jedem Schlag kleine plastische Eindrücke entstehen. Durch die Plastizierungen wird die Kerbschärfe des Nahtübergangs reduziert und der Werkstoffwiderstand erhöht.When used hardened steel pins act on the weld seam transition area, so that with each blow small plastic impressions. The plasticization reduces the notch sharpness of the seam transition and increases the material resistance.
Röntgenographische Eigenspannungsmessungen der oberflächennahen Eigenspannungen zeigen, dass Hämmerverfahren lokal hohe Eigenspannungen bis in die Höhe der Streckgrenze des Grundwerkstoffs erzeugen.X-ray residual stress measurements of the near-surface residual stresses show that hammering methods produce locally high residual stresses up to the level of the yield strength of the base material.
Durch die Nachbehandlung mit Hämmerverfahren kann die Ermüdungsfestigkeit daher deut- lieh gesteigert werden. Jedoch handelt es sich um ein nur lokal wirksames Verfahren, sodass Brüche im nicht direkt behandelten Bereich durch die sich beispielsweise aus den wechselnden Beanspruchungen überlagernden oder vorhandenen Zugeigenspannungen nicht ausgeschlossen werden können. Zusätzliche flächige Randschichtverfestigungen können zudem die positive Wirkung unterstützen.As a result of the aftertreatment with a hammer method, the fatigue strength can therefore be significantly increased. However, it is an only locally effective method, so that fractures in not directly treated area can not be excluded by the past for example, from the changing stresses or existing residual stresses. Additional areal compaction can also support the positive effect.
Ferner betrifft die DE 38 04 568 C1 das Kugelstrahlen eines Schweißnahtbereichs, die DE 101 35 611 A1 die Verwendung von abrasiven Strahlmitteln, beispielsweise eines Sandstrahlgebläses, und die DE 39 17 380 A1 das Einbringen von Druckeigenspannungen mittels flüssiger oder fester Stoffe.Furthermore, DE 38 04 568 C1 relates to the shot peening of a weld seam area, DE 101 35 611 A1 to the use of abrasive blasting abrasives, for example a sandblast blower, and DE 39 17 380 A1 to the introduction of residual compressive stresses by means of liquid or solid substances.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Nachbehandlung der Schweißverbindung derart in einem zweiten Schritt zu verbessern, dass die Ermüdungsfestigkeit der so gefügten Konstruktionselemente wesentlich verbessert wird. Insbesondere sollen in den an die behandelte Zone angrenzenden Bereichen ebenso Druckeigenspannungen erzeugt werden.The invention is based on the object to improve the post-treatment of the welded joint in such a second step that the fatigue strength of the structural elements so joined is substantially improved. In particular, compressive residual stresses should also be generated in the regions adjacent to the treated zone.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.This object is achieved by a method according to the features of claim 1. The further embodiment of the invention can be found in the dependent claims.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur Nachbehandlung von Schweißnähten und anderen kritischen Kerbdetails von Metallkonstruktionen vorgesehen, bei dem im Anschluss an einen ersten Verfahrensschritt, dem lokalen Einbringen von randschichtnahen Eigenspan- nungen, beispielsweise durch Hämmern, in einem zweiten Schritt in größere Bereiche, die den behandelten Bereich einschließen bzw. an diesen angrenzen, Druckeigenspannungen in den oberflächennahen Randschichtbereich eingebracht werden, sodass in der Randschicht keine Zugeigenspannungen mehr auftreten. Für den Fachmann hat es sich in unerwarteter Weise gezeigt, dass durch den im zweiten Schritt erfolgenden Abbau der im ersten Schritt lokal erzeugten hohen Druckeigenspannungen auf ein niedrigeres Niveau dennoch die Ermüdungsfestigkeit maßgebend im Vergleich zu der alleinigen Behandlung des ersten Schrittes gesteigert werden konnte.According to the invention, therefore, a method for the aftertreatment of welds and other critical notch details of metal structures is provided in which, following a first method step, the local introduction of inherent chip strength close to the surface is provided. ments, for example by hammering, in a second step into larger areas which enclose or adjoin the treated area, residual compressive stresses are introduced into the near-surface boundary layer area so that no residual tensile stresses occur in the boundary layer. It has unexpectedly been apparent to those skilled in the art that by reducing the high residual compressive stresses locally produced in the first step to a lower level in the second step, the fatigue strength could nevertheless be significantly increased compared to the sole treatment of the first step.
Die Erzeugung von Druckeigenspannungen könnte beispielsweise durch einen partiellen thermischen Energieeintrag mittels Laser erfolgen. Besonders Erfolg versprechend ist es hingegen, wenn zumindest in dem zweiten Behandlungsschritt ein mechanisches Erzeugen von Druckeigenspannungen, insbesondere durch Strahlen, erfolgt, um so ein in der Praxis beispielsweise auch auf der Baustelle einfach durchführbares Verfahren zu realisieren. Zu- sätzlich erzeugte Randschichtverfestigungen unterstützen zudem die positive Wirkung der Verfahren.The generation of residual compressive stresses could be done for example by a partial thermal energy input by means of laser. On the other hand, it is particularly promising if, at least in the second treatment step, a mechanical generation of residual compressive stresses, in particular by blasting, takes place so as to realize a method that is easy to carry out in practice, for example on the construction site. In addition, surface-layer consolidations generated additionally support the positive effect of the processes.
Hierzu eignet sich eine weitere Erfolg versprechende Abwandlung, nämlich wenn der Energieeintrag durch Strahlen, insbesondere Festkörperstrahlen, erfolgt. Auf diese Weise kann in dem gesamten Bereich, also in dem im ersten Verfahrensschritt erzeugten Verformungsbereich sowie in dem sich daran anschließenden Randbereich eine flächige Behandlung durch Einbringen der mechanischen Energie erfolgen, durch die in dem gesamten oberflächennahen Bereich Druckeigenspannungen sichergestellt werden.For this purpose, a further promising modification, namely when the energy input by radiation, in particular solid-state beams, is suitable. In this way, in the entire area, that is to say in the deformation area produced in the first method step and in the adjoining edge area, a surface treatment can be effected by introducing the mechanical energy, which ensures residual compressive stresses in the entire area near the surface.
Alternativ kann das Strahlverfahren auch mittels flüssiger Medien oder gefrorener Flüssigkeiten erfolgen, wobei sich aufgrund der hierbei reproduzierbaren Ergebnisse das Strahlen mittels Granulat oder kugelförmigen Festkörpern, insbesondere also das aus dem Maschinenbau bereits grundsätzlich bekannte Kugelstrahlen als zweckdienlich erweist.Alternatively, the blasting process can also be carried out by means of liquid media or frozen liquids, whereby the blasting by means of granules or spherical solids, in particular the shot peening already known from mechanical engineering, proves to be expedient on account of the reproducible results.
Besonders praxisgerecht ist es dabei, wenn im ersten Verfahrensschritt im Verformungsbereich die plastische Verformung durch Hämmern, insbesondere Pinhämmern, eingebracht wird. Hierbei wird in dem durch den Schweißnahtübergang bestimmten Randbereich zunächst das Hämmern mit einer Pinhämmerfrequenz zwischen 10 Hz und 300 Hz, insbesondere zwischen 150 Hz und 250 Hz durchgeführt. Durch das gezielte Hämmern speziell der Nahtübergänge der Schweißnaht wird dieser Bereich plastisch verformt, wobei die Kerbwirkung durch eine Ausrundung verringert wird. Zugleich werden in dem Verformungsbereich die gewünschten Druckeigenspannungen eingebracht. In dem anschließenden zweiten Verfahrenschritt werden der gesamte Schweißnahtbereich und gegebenenfalls angrenzende Bereiche flächig gestrahlt, wobei oberflächennah insbesondere gleichmäßige Druckeigenspannungen erzeugt werden. Die zuvor auf den Verfor- mungsbereich beschränkten Druckeigenspannungen werden dadurch auf den angrenzenden Randbereich und darüber hinaus erstreckt.It is particularly practical in this case if, in the first method step, the plastic deformation by hammering, in particular pin hammering, is introduced in the deformation area. Here, in the edge region determined by the weld seam transition, hammering is first carried out with a pin hammer frequency between 10 Hz and 300 Hz, in particular between 150 Hz and 250 Hz. By targeted hammering specifically the seam transitions of the weld this area is plastically deformed, the notch effect is reduced by a rounding. At the same time the desired residual compressive stresses are introduced in the deformation region. In the subsequent second process step, the entire weld area and possibly adjacent areas are radiated surface, with near-surface particular even compressive residual stresses are generated. The residual compressive stresses previously limited to the deformation area are thereby extended to the adjacent edge area and beyond.
Die im zweiten Verfahrensschritt eingebrachten Druckeigenspannungen können dabei ihrem Betrag nach mit dem im ersten Verfahrensschritt erzeugten Druckeigenspannungen überein- stimmen oder auch einen geringeren Betrag aufweisen.The residual compressive stresses introduced in the second method step can correspond in their amount to the compressive residual stresses generated in the first method step or can also have a smaller amount.
Grundsätzlich werden dabei die Verfahrensschritte bevorzugt in kurzer zeitlicher Abfolge durchgeführt, jedoch kann der zweite Verfahrensschritt zur Nachbehandlung bereits bestehender Metallkonstruktion auch mit erheblichem zeitlichen Abstand, beispielsweise auch nach mehrjährigem Einsatz, durchgeführt werden.In principle, the method steps are preferably carried out in a short time sequence, however, the second method step for the aftertreatment of already existing metal construction can also be carried out with considerable time interval, for example even after several years of use.
Ein besonderer Vorteil der Nachbehandlung wird auch dadurch erreicht, dass im Anschluss an beide Verfahrensschritte ein Korrosionsschutz, insbesondere eine Korrosionsschutzschicht aufgebracht wird, weil die beiden Verfahrensschritte eine optimale Untergrundvorbe- reitung für das anschließende Aufbringen des Korrosionsschutzes darstellen. Selbstverständlich bieten die beiden Verfahrensschritte in optimaler Weise auch die Möglichkeit zum Anbringen anderer Beschichtungen.A particular advantage of the aftertreatment is also achieved by applying a corrosion protection, in particular a corrosion protection layer, following both process steps, since the two process steps represent an optimal preparation for the subsequent application of the corrosion protection. Of course, the two process steps also optimally offer the possibility of applying other coatings.
Die durch die Erfindung erreichbare Steigerung der Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbin- düng von Metallkonstruktionen kann für alle geschweißten, schwingend oder ermüdend beanspruchten Konstruktionen in vorteilhafter Weise genutzt werden. Dabei kann es sich sowohl aus dem Anlagenbau, dem Maschinenbau, dem Flugzeugbau, dem Schiffbau, dem Kranbau oder dem Fahrzeugbau wie auch um Metallkonstruktionen aus dem Bauwesen handeln. Eine entsprechende Nachbehandlung von Lötverbindungen ist dabei ebenfalls denk- bar.The achievable by the invention increase the fatigue strength of Schweißverbin- fertil of metal structures can be used for all welded, vibrating or tiring claimed constructions in an advantageous manner. It can be either from plant construction, mechanical engineering, aircraft construction, shipbuilding, crane construction or vehicle construction as well as metal structures from the construction industry. A corresponding aftertreatment of solder joints is also conceivable.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt inThe invention allows for various embodiments. To further clarify its basic principle, one of them is shown in the drawing and will be described below. This shows in
Fig. 1 eine Seitenansicht einer eine Schweißverbindung aufweisenden Metallkonstruktion; Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der in Figur 1 gezeigten Metallkonstruktion mit einer graphischen Darstellung der Eigenspannungen.Fig. 1 is a side view of a welded connection having metal construction; 2 shows an enlarged view of the metal construction shown in FIG. 1 with a graphic representation of the residual stresses.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Figuren 1 und 2 näher dargestellt, welche eine mit einer Schweißverbindung 1 ausgestattete Metallkonstruktion 2 sowie eine vergrößerte Detaildarstellung zeigen. Bei dem Verfahren zur Nachbehandlung der Schweißverbindung 1 der insbesondere für Bauwerke bestimmten Metallkonstruktion 2 werden zunächst in einem ersten Verfahrensschritt durch eine gezielte plastische Verformung 3 durch Hämmern Druckeigenspannungen 4 in einem Verformungsbereich 5 der Schweißnaht 6 eingebracht. In einem den Verformungsbereich 5 sowie einen angrenzenden Randbereich 7 einschließenden Bereich erfolgt in einem zweiten Verfahrensschritt ein weiterer flächiger Energieeintrag durch Strahlen, insbesondere Kugelstrahlen. Auf diese Weise wird der zunächst nach dem ersten Verfahrensschritt eingebrachte, in der Figur 2 gestrichelt dargestellte oberflächennahe Eigenspannungsverlauf 8, 8', 8", welcher in dem Verformungsbereich 5 Druckeigenspannun- gen 4 und möglicherweise in dem Randbereich 7 Zugeigenspannungen 9 aufweist, umgewandelt. Insbesondere werden also die Zugeigenspannungen 9 in dem Randbereich 7 in Druckeigenspannungen 4 entsprechend dem geänderten Eigenspannungsverlauf 10, 10' umgewandelt. Die im ersten Verfahrensschritt durch die plastische Verformung 3 in den Verformungsbereich 5 eingebrachten, erwünschten Druckeigenspannungen 4 werden dabei ihrem Betrage nach vermindert. The inventive method is shown in more detail with reference to Figures 1 and 2, which show a equipped with a welded joint 1 metal structure 2 and an enlarged detail. In the method for the aftertreatment of the welded joint 1 of the metal construction 2, which is intended in particular for structures, first compressive stresses 4 are introduced into a deformation region 5 of the weld seam 6 by a selective plastic deformation 3 by hammering. In a region enclosing the deformation region 5 as well as an adjoining edge region 7, in a second process step, a further planar energy input by radiation, in particular shot peening, takes place. In this way, the near-surface residual stress profile 8, 8 ', 8 ", which is shown in dashed lines in FIG. 2 and which has tensile residual stresses 9 in the deformation region 5, and tensile stresses 9 in the edge region 7, are converted Thus, the inherent tensile stresses 9 in the edge region 7 are converted into compressive residual stresses 4 in accordance with the changed residual stress curve 10, 10 'The desired residual compressive stresses 4 introduced into the deformation region 5 by the plastic deformation 3 in the first process step are thereby reduced in magnitude.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Nachbehandlung hochbeanspruchter Bereiche einer Metallkonstruktion, insbesondere für Bauteile, bei dem durch eine Plastifizierung und/oder einen lokalen Energieeintrag Druck- und/oder Zugeigenspannungen in einen Bereich einer Schweißnaht, eines Schweißnahtübergangs oder in einen kritischer Kerbbereich eingebracht werden, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt randschichtnahe Eigenspannungen lokal eingebracht werden, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt ein Energieeintrag zum Einbringen weiterer oberflächennaher Druckeigenspannungen zumindest in den an die Schweißnaht oder den kritischen Kerbbereich angrenzenden Randbereich erfolgt, indem im Anschluss an den ersten Verfahrensschritt in dem zweiten Verfahrensschritt in größere Bereiche, die den behandelten Bereich einschließen oder an diesen angrenzen, Druckeigenspannungen in den oberflächennahen Randschichtbereich eingebracht werden, sodass in der Randschicht keine Zugeigenspannungen mehr auftreten.1. A process for the aftertreatment of highly stressed areas of a metal construction, in particular for components, in which by a plastification and / or a local energy input pressure and / or tensile residual stresses in a region of a weld, a weld seam transition or in a critical notch area are introduced, in which In a second method step, an energy input for introducing further near-surface residual compressive stresses occurs at least in the edge region adjoining the weld seam or the critical kerf region, in which larger regions, following the first method step in the second method step, which enclose or adjoin the treated area, internal compressive stresses are introduced into the near-surface boundary layer area so that no residual tensile stresses occur in the boundary layer.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die hochbeanspruchten Bereiche durch eine Schweißverbindung gebildet sind.2. The method according to claim 1, characterized in that the highly stressed areas are formed by a welded connection.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in dem den angrenzenden Randbereich einschließenden Bereich ein mechanischer Energieeintrag erfolgt.3. The method according to claims 1 or 2, characterized in that at least in the region enclosing the adjacent edge region takes place a mechanical energy input.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag durch Strahlen erfolgt.4. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the energy input is effected by blasting.
5. Verfahren nach Annspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlen mittels Granulat, kugelförmigen Festkörpern, Eis oder einer Flüssigkeit durchgeführt wird. 5. The method according to claim 4, characterized in that the blasting is carried out by means of granules, spherical solids, ice or a liquid.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Verfahrensschritt der Verformungsbereich durch Hämmern eingebracht wird.6. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that in the first method step, the deformation region is introduced by hammering.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Verfahrenschritt die gesamte Schweißnaht flächig in dem Verformungsbereich und dem Randbereich gestrahlt wird.7. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that in the second process step, the entire weld is radiated surface in the deformation region and the edge region.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte in kurzer zeitlicher Abfolge durchgeführt werden.8. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the method steps are carried out in a short time sequence.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an beide Verfahrensschritte ein Korrosionsschutz, insbesondere eine Korrosionsschutzschicht, aufgebracht wird. 9. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that following both process steps, a corrosion protection, in particular a corrosion protection layer, is applied.
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