Eigenspannungen und sechs gängige Methoden zu deren Beseitigung

Eigenspannungen sind eine Art von inhärenter oder innerer Spannung. Bei bestimmten Bauteilen oder Normen ist eine Spannungsarmglühung erforderlich, um die tatsächlichen Nutzungsanforderungen zu erfüllen. Die wichtigsten Methoden sind folgende:

1. Hämmerverfahren

Bei diesem Verfahren werden Bereiche des Werkstücks, in denen Eigenspannungen konzentriert sind, mit einem Stahlhammer bearbeitet. Die Metalloberfläche, die die Hammerschläge aufnimmt, erfährt Druckspannungen und lokale plastische Verformung. Dadurch wird der Spitzenwert der Eigenspannung reduziert, die ursprüngliche Eigenspannungsverteilung verbessert und ausgeglichen und ein Sprödbruch verhindert. Dieses Verfahren eignet sich besonders für Schweißteile und findet breite Anwendung beim Schweißen, ist jedoch bei Stanzteilen weniger verbreitet.

2. Vibrationsalterungsverfahren

Mithilfe spezieller Geräte wird das Werkstück periodischen äußeren Kräften ausgesetzt, um Resonanz zu erzeugen. Dies führt zu einem Gleiten oder einer Verdopplung mikroskopischer Körner im Werkstück, wodurch die maximale Eigenspannung reduziert und ihre Verteilung ausgeglichen wird. Mit diesem Verfahren lassen sich innerhalb einer Stunde etwa 50 % der Eigenspannung eliminieren oder deren Spitzenwert um 50 % reduzieren. Es ist weit verbreitet, effizient und kostengünstig, kann jedoch konzentrierte Eigenspannungen im Werkstück nicht vollständig beseitigen.

3. Wärmebehandlungsalterung

Diese traditionelle Methode, auch als künstliche Alterung bekannt, beseitigt Eigenspannungen. Üblicherweise wird dabei Glühen oder Anlassen angewendet. Das Werkstück wird mithilfe einer Wärmebehandlungsanlage langsam und gleichmäßig auf etwa 600 °C erhitzt, 4–8 Stunden lang bei dieser Temperatur gehalten und anschließend allmählich auf unter 120 °C abgekühlt, bevor es entnommen und auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Diese Methode ist hochwirksam, schnell und gründlich bei der Beseitigung von Eigenspannungen.

4. Natürliches Altern

Das Werkstück wird im Freien oder in einem statischen Zustand gelagert, wodurch sich Eigenspannungen mit der Zeit abbauen können. Dieses Verfahren eignet sich nicht für die industrielle Großserienfertigung. Bei hochwertigen oder hochpräzisen Bauteilen wird jedoch üblicherweise eine Kombination aus künstlicher und natürlicher Alterung angewendet.

5. Spannungsarmglühen beim Schweißen

Beim Schweißen erhitzt sich der Schweißbereich rasch und dehnt sich aus, während die Wärmeeinflusszone (WEZ) kühler bleibt und die Ausdehnung behindert. Dadurch entstehen Druckspannungen in der Schweißnaht und Zugspannungen in der WEZ. Da sich die Schweißnaht im plastischen Zustand befindet, baut sie diese Spannungen teilweise ab. Beim Abkühlen kühlt die WEZ schneller ab und geht in einen elastischen Zustand über, während die Schweißnaht weiterhin plastisch ist. Da sich die Schweißnaht langsamer zusammenzieht als die WEZ, bleibt zwar eine Druckspannung in der Schweißnaht bestehen, die jedoch durch die Plastizität der Schweißnaht teilweise abgebaut wird.

6. Entspannungsabbau bei der Zerspanung

Nach der maschinellen Bearbeitung können durch bestimmte Nachbehandlungen die Eigenspannungen auf der bearbeiteten Oberfläche reduziert werden. Die Oberflächenverfestigung ist derzeit eine der gängigsten Methoden.

Oberflächenverfestigungsverfahren Durch gezielte Kaltverformung der Werkstückoberfläche werden Oberflächenhärte und -festigkeit erhöht sowie Druckeigenspannungen erzeugt. Gängige Verfahren sind:

• Kugelstrahlen: Der Hochgeschwindigkeitsstrahl trifft auf die Werkstückoberfläche, verursacht plastische Verformung und Materialfluss, wodurch eine gehärtete Oberflächenschicht und Druckeigenspannungen entstehen. Geeignet für unregelmäßige oder komplexe Oberflächen wie Federn oder Pleuelstangen.

• Walzenpolieren: Walzen üben gleichmäßigen Druck auf die Werkstückoberfläche aus, um diese zu verstärken und Druckeigenspannungen zu erzeugen. Das Verfahren eignet sich für regelmäßige Oberflächen wie Außenzylinder, Bohrungen oder Flächen und kann mit zusätzlichen Werkzeugen auf vorhandenen Maschinen durchgeführt werden.

• Vorspannungsbearbeitung: Vor dem Schneiden wird das Werkstück elastisch vorgespannt. Während des Schneidprozesses kommt es zu elastischer Verformung, und nach der Spannungsentlastung bildet sich eine Druckeigenspannung auf der bearbeiteten Oberfläche. Dieses Verfahren benötigt keine teure Ausrüstung, erhöht die Oberflächenhärte nicht und ist vielversprechend für zukünftige Entwicklungen.