Experimentelle Untersuchungen zum standardisierten Flammrichten hochfester Baustähle mittels Wärmestrichfigur

Vogelsang, Jörg GND

Das Flammrichten von Stählen gehört seit vielen Jahrzehnten zur Endbearbeitung von Bauteilen, um entstandenen Verzug, der z.B. nach dem Verschweißen von Einzelbauteilen zu Teilbaugruppen oder Baugruppen entsteht, zu eliminieren. Ohne Flammrichten, das in vielen metallverarbeitenden Betrieben, wie z.B. im Stahlbau, Waggonbau und Maschinenbau eingesetzt wird, wäre eine wirtschaftliche Fertigung von Bauteilen nicht möglich. In vielen Fällen ist das Flammrichten das letzte und einzige Verfahren, um große Bauteile wieder in die geforderte Form zu bringen, da z.B. ein mechanisches Richten aufgrund der Bauteilgröße oder der Bauteilform überhaupt nicht möglich ist. Aufgrund des vom Markt geforderten Leichtbaus wurden viele Varianten von hochfesten Baustählen entwickelt, um Produkte mit geringeren Blechdicken und damit geringeren Gewichten zu produzieren. Neben den herkömmlichen unlegierten Baustählen sind im Laufe der letzten Jahrzehnte eine Vielzahl neuer Werkstoffe im Segment der Baustähle entstanden, die deutlich höhere Festigkeiten bei gleichzeitig akzeptablen Dehnungswerten und guten Zähigkeiten als die klassischen unlegierten Baustähle aufweisen. Die in diesem Zusammenhang entwickelten hochfesten vergüteten Baustähle haben eine gute Schweißeignung, sind aber aufgrund ihrer Herstellungstechnologie deutlich empfindlicher gegenüber der Einbringung von Prozesswärme, die beim Schweißen oder beim Flammrichten entsteht. Die derzeit verfügbaren Vorschriften und Regelungen des Flammrichtprozesses beschränken nur die Maximaltemperaturen beim Flammrichtvorgang. Gerade diese Temperaturen sind schwer zu messen und damit schwierig einzuhalten. Die eingebrachte Prozesswärme, die vor allen Dingen beim Flammrichten von hochfesten Baustählen von großer Bedeutung ist, wird durch diese Vorschriften nur ungenügend beschrieben. Der Flammrichter, der nur Glühfarben beobachten kann, sollte eine Vorschrift erhalten, die ihm eine Sicherheit des Flammrichtvorganges bei den verschiedenen hochfesten Baustählen gibt. Diese vorliegende wissenschaftliche Arbeit soll diese Wissenslücke durch eine Vorschrift schließen, in dem ein Konzept erprobt wurde, welches bei der Flammrichtfigur „Wärmestrich“ einen Zusammenhang zwischen der Breite des Wärmestriches (Flammrichtspurbreite) in Abhängigkeit zur Werkstückdicke bei einem rein manuell durchgeführten Flammrichtvorgang mit visueller Temperaturkontrolle anhand der Glühfarben durch den Flammrichter hergestellt hat. Anhand von Reihenuntersuchungen an verschieden dicken Proben der Werkstoffe S355J2+N (Referenzwerkstoff), S460NL, S700MC, S960QL und S1100QL wurde dieses Konzept erprobt. Die Ergebnisse dieser Arbeit haben gezeigt, dass alle untersuchten Werkstoffe bis zu einer Flammrichtspurbreite, die der zweifachen Blechdicke entsprach, bei den vorgegebenen Blechdicken mit diesem Konzept sicher flammrichtbar waren. Die Verformung, und damit die Auslenkung der Probe, nahm mit zunehmender Flammrichtspurbreite zu. Die erzielten Verformungen waren bei dickeren Proben trotz gleichem Verhältnis der Spurbreite zur Blechdicke geringer als bei dünneren Proben. Die gemessenen Aufheiz- und Abkühlzeiten streuten innerhalb und zwischen den einzelnen Proben sehr stark, so dass über diese Parameter kaum eine Aussage möglich war, ob ein Flammrichtvorgang für die mechanischen Eigenschaften kritisch wurde. Die nach diesem Konzept entstandenen Wärmeeinflusszonen waren im Verhältnis zur Blechdicke nicht sehr tief. Dadurch waren große Teilbereiche der flammgerichteten Proben nicht wärmebeeinflusst. Die erzeugten Gefügeveränderungen in der Wärmeeinflusszone führten bei den vorgegebenen Parametern nicht zum Versagen der Werkstoffe.

Flame straightening of steels has been part of the finishing of components for many decades in order to eliminate distortion that occurs, for example, after the welding of individual components into subassemblies or assemblies. Without flame straightening, which is used in many metalworking companies, such as in steel construction, wagon construction and mechanical engineering, the economic production of components would not be possible. In many cases, flame straightening is the last and only method to bring large components back into the required shape, as e.g. mechanical straightening is not possible at all due to the component size or shape. Due to the lightweight construction demanded by the market, many variants of high-strength structural steels were developed to produce products with lower sheet thicknesses and thus lower weights. In addition to the conventional unalloyed structural steels, a large number of new materials have been developed in the structural steel segment over the past decades, which have significantly higher strengths with acceptable elongation values and good toughness than the classic unalloyed structural steels. The high-strength quenched and tempered structural steels developed in this context have good weldability, but due to their production technology, they are much more sensitive to the input of process heat generated during welding or flame straightening. The currently available rules and regulations of the flame straightening process only limit the maximum temperatures during the flame straightening process. These temperatures in particular are difficult to measure and therefore difficult to maintain. The process heat introduced, which is of great importance above all for the flame straightening of high-strength structural steels, is only insufficiently described by these regulations. The flame straightener, which can only observe annealing colours, should be provided with a regulation that gives him a safety of the flame straightening process for the different high-strength structural steels. The present scientific work is intended to close this knowledge gap by means of a regulation in which a concept was tested which, in the case of the flame straightening figure "heat screed", established a relationship between the width of the heat screed (flame straightening track width) as a function of the work piece thickness in a purely manual flame straightening process with visual temperature control by the flame straightener using the annealing colours. This concept was tested by means of serial tests on samples of different thickness of the materials S355J2+N (reference material), S460NL, S700MC, S960QL and S1100QL. The results of this work have shown that all tested materials up to a flame straightening track width corresponding to twice the sheet thickness were reliably flame straightenable with this concept for the given sheet thicknesses. The deformation, and thus the deflection of the sample, increased with increasing flame direction track width. The deformations achieved were smaller for thicker specimens than for thinner specimens despite the same ratio of track width to plate thickness. The measured heating and cooling times scattered very strongly within and between the individual samples, so that hardly any statement could be made about these parameters as to whether a flame straightening process became critical for the mechanical properties. The heat-affected zones created according to this concept were not very deep in relation to the sheet thickness. This meant that large parts of the flame-directed samples were not affected by heat. The generated structural changes in the heat-affected zone did not lead to failure of the materials with the specified parameters.

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Vogelsang, Jörg: Experimentelle Untersuchungen zum standardisierten Flammrichten hochfester Baustähle mittels Wärmestrichfigur. Clausthal-Zellerfeld 2020. TU Clausthal.

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