P 777 - Thermisches Fügen von dünnwandigen Strukturbauteilen mit niedrig schmelzenden Zusatzwerkstoffen

P 778 - Bemessung von ermüdungsbeanspruchten Bauteilen aus hoch- und ultrahochfesten Feinkornbaustählen im Kran- und Anlagenbau Da die Leistungsfähigkeit und die Wirtschaftlichkeit im Kran- und Mobilkranbau durch die Anwendung hochfester Stähle erheblich gesteigert werden kann, hat sich das Praktikergespräch Kranbau in den vergangenen Jahren mit der systematischen Untersuchung der Ermüdungsfestigkeit von typischen Kerbdetails aus hochfesten Stählen befasst. Innerhalb des hier vorgestellten Forschungsvorhabens wurden die bisherigen Untersuchungen ausgeweitet und ergänzt, sowie der theoretische Hintergrund anhand verschiedener Richtlinien zur Ermüdungsbemessung aufgearbeitet. Teil I des vorliegenden Berichtes befasst sich mit den Grundlagen der Nachweisführung bei ermüdungsbeanspruchten Stahlbauteilen, insbesondere von kranbauspezifischen Kerbdetails. Hierzu existieren umfangreiche Normen (z.B. Eurocode 3, DIN 15018-1, DIN EN 13001-3-1) und Regelwerke (IIW-Dokument und FKMRichtlinie), die auf einheitlichen mechanischen Grundlagen beruhen. Bei der praktischen Umsetzung sind jedoch teilweise grundlegende Unterschiede zwischen den verschiedenen Dokumenten hinsichtlich Methodik, Zeitaufwand und der erzielten Ergebnisse bei einem durchgeführten Ermüdungsnachweis festzustellen. Des Weiteren werden diegrundlegenden Charakteristika sowie die Vorgehensweise beim Ermüdungsnachweis erläutert und miteinander verglichen sowie die maßgeblichen Unterschiede hinsichtlich der Nachweisführung und der grundlegenden Annahmen herausgearbeitet. In Teil II werden die Ergebnisse umfangreicher Versuche zum Ermüdungsverhalten von verschiedenen im Kranbau üblicherweise eingesetzten Kerbdetails vorgestellt. Das Detail „aufgeschweißte Teller“ sowie die „aufgeschweißte Schienenklemme unter Druckbeanspruchung“ werden erstmalig untersucht. Für die bekannten und katalogisierten Details „aufgeschweißte Längssteife“ und „Stumpfnaht“ wird der Kurzzeitfestigkeitsbereich zwischen 10.000 und 40.000 Lastspielen untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Werkstoffen S690QL, S960QL und S1100QL. Zusätzlich wird der thermomechanisch gewalzte Stahl DOMEX960 und der ultrahochfeste Stahl S1300QL in die Untersuchungen mit ein-bezogen. Zudem werden in Teil II des vorliegenden Berichtes die Grundlagen aus Teil I anhand numerischer Berechnungen ausgewählter Details verifiziert. Damit erfolgt eine genauere und realistischere Bewertung von im Kranbau typischen Kerbdetails aus hoch- und ultrahochfesten Stählen, was zu einem wirtschaftlicheren Einsatz dieser Stähle bei gleichzeitiger Erhöhung der Leistungsfähigkeiten der Krane bei gleichem Gewicht führt. Teil III des Berichts zeigt, wie durch Messungen während des Betriebs auf der Baustelle an mehreren Turmdrehkranen realistische Beanspruchungskollektive ermittelt werden. Beim Betriebsfestigkeitsnachweis wie auch beim statischen Festigkeitsnachweis von Turmdrehkranen ist es wichtig, die Höhe der Belastungen so festzulegen, dass sie sichere Ergebnisse liefern und trotzdem der Realität entsprechen. Sie sollten dabei also nur geringfügig größer sein als die tatsächlich auftretenden Belastungen, um keine unwirtschaftlichen Produkte zu entwickeln, die im internationalen Wettbewerb nicht bestehen können. Daher sind bei der Bemessung genaue Kenntnisse der Einsatzbedingungen und des Betriebsverhaltens der Krane von großer Bedeutung. Die aufgezeichneten Nutzlast- und Lastmomentenkollektive geben dabei einen Einblick in die Beanspruchungssituation auf heutigen Baustellen. Die Auswertung der Messreihen ermöglicht einen ersten Vergleich mit der normativen Einstufung dieser Krane nach nationalen und internationalen Regelwerken, die in Teil I vorgestellt wurden. Dieses Vorhaben rundet damit die bisherigen Forschungsarbeiten ab und stellt damit eine sinnvolle und notwendige Ergänzung der zurückliegenden Forschungsprojekte dar. Das Forschungsvorhaben wurde an der Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine, Karlsruher Institute für Technologie, dem Lehrstuhl für Stahl- und Leichtmetallbau, RWTH Aachen, und dem Labor für Stahl- und Leichtmetallbau, Hochschule München, mit fachlicher Begleitung und mit finanzieller Förderung durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, aus Mitteln der Stiftung Stahlanwendungsforschung, Essen, durchgeführt. Autoren: T. Ummenhofer, S. Herfon, J. Hrabowski, M, Feldmann, B. Eichler, Ö. Bucak, J. Lorenz, B. Boos, C. Elwan, J. Stötzel Veröffentlichung: 2013

P 779 - Sandwichbauweise mit Energie-Akkumulation, Energieverteilung und Dämmung Durch die Aufklebung von Trapezblechen auf die metallische Deckschicht von industriell gefertigten Sandwichelementen mit Polyurethan-Hartschaumkern, entsteht ein Solarkollektor, mit dem Energie an Fassaden und Dachflächen in Form von erwärmter Luft durch Sonneneinstrahlung gewonnen werden kann. Diese Sandwichbauweise mit Energie-Akkumulation, Energieverteilung und Dämmung lässt sich abkürzend mit „SEA“ bezeichnen. Vor diesem Hintergrund war im vorliegenden Forschungsprojekt die Zielstellung, mit Hilfe des beschriebenen SEA-Kollektors die praktisch gewinnbaren Energiemengen für ein ganzes Jahr zu ermitteln. Dazu wurde eine Messzelle gebaut, in die 2,0 - 4,7 m lange SEA-Kollektoren an der Südfassade und auf dem Dach integriert wurden. In der Messzelle befand sich für jeden SEA-Kollektor ein Luftsammler mit angeschlossenem Gebläse, welches einen Luftvolumenstrom von 10 bis 170 m³/h erzeugen konnte. Die Messzelle war unverschattet der Sonnenstrahlung und den natürlichen Wetterbedingungen für ein Jahr ausgesetzt. Die Messungen erbrachten grundlegende Zusammenhänge über die Betriebsparameter des SEAKollektors. Die anfänglich prognostizierten Energiegewinne konnten deutlich übertroffen werden. So wiesen die SEA-Kollektoren Energieerträge von ca. 160 kWh/(m² a) auf. Aus den Messwerten wurde die Wirkungsgradkennlinie für den SEAKollektor bestimmt, um für beliebige  Standorte und Ausrichtungen den im Mittel zu erwartenden Energieertrag berechnen zu können. Bei einer typischen Industriehalle reduziert die direkte Nutzung der erwärmten Luft als Frischluft den Energieverlust um 15%; alternativ oder auch zusätzlich ist eine indirekte Nutzung möglich. Es zeigte sich außerdem, dass der bereits gute Energieertrag des Kollektors durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Luft nochmals deutlich verbessert werden kann. Der SEA-Kollektor kombiniert eine einfache, kostengünstige Bauweise mit Standardsandwichelementen und Trapezprofilen. Es bietet sich eine Nutzung für große Wand- und Dachflächen in Industriehallen an. Damit werden Grundlagen zu einem neuen Stahlleichtbauprinzip für die Sandwichbauweise geschaffen und ein Beitrag zur Erhöhung der Energieeffizienz von industriellen Gebäuden in unterschiedlichen klimatischen Regionen geleistet. Das Forschungsvorhaben wurde vom Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V., München und von Engineering R. Koschade, Deggendorf mit fachlicherBegleitung und mit finanzieller Förderung durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, aus Mitteln der Stiftung Stahlanwendungsforschung, Essen, durchgeführt. Autoren: J. Cammerer, M.H. Spitzner, S. Wagener, W. Brunner, R. Koschade, D. Greiner, M. Koschade Veröffentlichung: 2014

P 774 -Ermittlung der Einsatzpotenziale und -grenzen des adiabatischen Trennens für Schneid- und Lochoperationen Das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden (HGSS), dessen industrielles Anwendungsspektrum sich derzeit vorwiegend auf das Trennen von Stangenmaterial beschränkt, soll in Zukunft auch für den Bereich der Blechbearbeitung nutzbar gemacht werden. Ausgangspunkt des Forschungsvorhabens waren die bekannten Vorteile des HGSS gegenüber konventionellen Schneidprozessen. Die Anwendung von hohen Schnittgeschwindigkeiten ermöglicht eine deutliche Verbesserung des Schneidergebnisses: - hohe Maßhaltigkeit und geringe Bauteildeformation, - gratarme, ebene Trennfläche mit überwiegendem Bruchzonenanteil (mit besonders feinkörniger Oberfläche), - Verringerung der Verformungszone, gleichmäßigere Härteverteilung, - Werkstoffeinsparung durch geringe Stegbreiten, - schmiermittelfreier Schneidprozess sowie - Einsparung von Nacharbeitsschritten. Die Zielstellung des Forschungsvorhabens bestand darin, basierend auf einer wissenschaftlichen Analyse des Verfahrens, die Einsatzfelder des HGSS auf das Schneiden und Lochen von Rohren und flächigen Bauteilen unterschiedlicher Festigkeit und Blechdicke zu erweitern. Nach Konzeptionierung, Konstruktion, Herstellung, Erprobung und Optimierung geeigneter Versuchseinrichtungen erfolgten diesbezüglich umfangreiche experimentelle Untersuchungen, bei denen der Werkstück-Werkstoff, die Blechdicke, der Schneidspalt, die Schneidgeschwindigkeit und die Stempelkontur variiert wurden.  Anschließend wurden die erzielten Schnittergebnisse in Abhängigkeit der Einfluss nehmenden Schneidparameter analysiert, d. h., die Trennflächenqualität an den erzeugten Schnittteilen untersucht. Nachfolgend werden die wesentlichen Ergebnisse auszugsweise wiedergegeben. Wie beim NGSS ist auch beim HGSS die Werkzeugauslegung (Schneidspalt und Schneidkantengeometrie) entscheidend für das Schneidergebnis. Für eine hohe Schnittflächenqualität haben sich kleine bezogene Schneidspalte bis u/s = 2…3 % sowie ein vollkantiger Schnitt als optimal erwiesen. Bei den Stempelausführungen Schräg- und Hohlschliff traten sowohl Deformationen an den Schnittteilen als auch deutliche Abweichungen von der Rechtwinkligkeit auf. Während das NGSS meist auf einen hohen Glattschnittanteilabzielt, ist beim HGSS das Gegenteil der Fall. Die HGSS-Trennflächen bestehen überwiegend aus Bruchfläche, die eine wesentlich feinkörnigere Oberfläche aufweist als konventionell erzeugte Bruchflächen. Der nichtrostende Stahl X5CrNi18-10 zeigte beispielsweise eine besonders feinkörnige Bruchfläche, was sich in einer überwiegend geringeren Rauheit der Bruchfläche im Vergleich zur  Glattschnittfläche äußerte. Anhand der Kanteneinzugshöhen zeigte sich deutlich die Einflussnahme von Werkstück-Werkstoff und bezogenem Schneidspalt, innerhalb der jeweiligen Blechwerkstoffvariante verhielt sich dieser  Trennflächenanteil insgesamt bei gleichem Schneidspalt annähernd konstant. Die mittels HGSS erzeugten Trennflächen wiesen nur geringen bzw. keinen Schnittgrat auf. Zum Teil konnte tendenziell eine Reduzierung des Schnittgrats mit Verringerung des bezogenen Schneidspaltes festgestellt werden. Die Stahlsorte X5CrNi18-10 zeichnete sich auch durch nahezu rechtwinklige Trennflächen aus, die maximal ein Grad von der Idealkontur abwichen. Art und Umfang der schneidprozessbedingten Verfestigung des schnittnahen Randbereichs, insbesondere die Breite dieser beeinflussten Randzone, lässt sich anhand der Mikrohärtekartographie mit höherer Genauigkeit bestimmen als anhand der  Gefügeaufnahmen. Dabei wurden in Abhängigkeit vom Versuchswerkstoff vergleichbare Randverfestigungstiefen an den Flachproben und an den Rohrabschnitten ermittelt. Bei den Versuchen zum HGSS von Rohren mit Innendorn traten die maximalen Form- und Lageabweichungen in Schnittrichtung auf. Abschließend erfolgte ein qualitativer Vergleich des NGSS und HGSS hinsichtlich der erzielbaren Schnittqualität. Das IGF-Vorhaben 15319 BG der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. wurde an den Fraunhofer- Instituten für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz und für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart durchgeführt und über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen  Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Autoren: R. Neugebauer, P. Weigel, E. Westkämper, A. Verl, F. Eicher, R. Salomon Veröffentlichung: 2010

P 773 - Vollstanznietkleben von Stahlwerkstoffen mit Zugfestigkeiten von 800 MPa bis 1600 MPa Das Vollstanznietkleben stellt eine Verfahrenskombination dar, die sich unter anderem in Hinsicht auf das Fügen von hochfesten Werkstoffen durch besonderes Potential von einer Vielzahl alternativer Fügetechniken abhebt. Mit dem Ziel, ein wirtschaftliches Verfahren zum Fügen von Feinblechhalbzeugen aus unterschiedlich beschichteten, hochfesten Stahlwerkstoffen mit Zugfestigkeiten von 800 MPa bis 1600 MPa für die praktische Anwendung zu qualifizieren, wurden im  Rahmen dieses Forschungsvorhabens Untersuchungen zu den elementaren Verfahren Vollstanznieten und Kleben sowie zur kombinierten Anwendung dieser Fügetechniken durchgeführt. Aus den erlangten Erkenntnissen wurden Ansätze zur  Verfahrensoptimierung abgeleitet, deren Auswirkungen auf die Verbindungsausbildung und das Tragverhalten der Verbindungen im Rahmen der Projektbearbeitung durch Versuche überprüft und zur Weiterentwicklung des Verfahrens genutzt wurden. Im vorliegenden Bericht wird durch eine Darstellung der verfahrensspezifischen Eigenschaften von elementaren klebtechnischen und mechanischen Fügeverfahren die Ausgangssituation beschrieben und das besondere Potential sowie der Entwicklungsbedarf der hybriden Vollstanznietklebtechnik zum Fügen von hoch- bis höchstfesten Stahlwerkstoffen hervorgehoben. Durch die Ermittlung der Einsatzgrenzen beim elementaren Vollstanznieten wird daraufhin eine  Erkenntnisgrundlage gebildet, die die Leistungsfähigkeit des betrachteten Verfahrens abbildet und gleichzeitig den Ansatzpunkt und die Referenz für Untersuchungs- und Optimierungsmaßnahmen darstellt. Um geeignete Ansätze zur Erweiterung des möglichen Anwendungsspektrums herauszuarbeiten, wurden unterschiedliche Wirkzusammenhänge untersucht. Betrachtet wurden in diesem Zusammenhang zum Beispiel die Einflüsse von modifizierten Nietgeometrien auf die Fügekräfte beim elementaren Vollstanznieten. Durch Untersuchungen zum Einfluss der Nietkopfendlage auf das Trag- und Versagensverhalten von Vollstanznietverbindungen hochfester Stahlbleche wurden wesentliche Erkenntnisse  gewonnen, die zu Optimierungen geführt haben, durch die das Tragverhalten der Verbindungen verbessert wurde. Zu den Inhalten zählen auch der Nachweis der Verbindungsschädigung durch wasserstoffbeladene Fügeteile sowie Stichuntersuchungen zum Vollstanznieten 3-lagiger Mischbauverbindungen mit hochfesten Stahlblechen. Hier wurde gezeigt, wie sich durch die Wahl der optimalen Fügerichtung deutliche Steigerungen der Verbindungsfestigkeit erzielen ließen. Bei der Betrachtung elementar geklebter unterschiedlich beschichteter Fügeteile aus 22MnB5 zeigten sich unterschiedliche Versagensmechanismen. Mittels Untersuchungen zur Verfahrensverträglichkeit beim Vollstanznietkleben wurde das Optimierungspotential beim Vollstanznietkleben höchstfester Stahlwerkstoffe aufgezeigt. Auf Basis der so gewonnenen Erkenntnisse schlossen sich weitere Arbeitsschritte zur Verfahrensoptimierung an. Dabei wurden durch Versuche mit geometrisch variierten Stanznietwerkzeugen, modifizierten Klebstoffen und einem abgewandelten Stanznietverfahren verschiedene Ansätze zur Optimierung der Vollstanznietklebtechnik verfolgt und Verbesserungen in der Verbindungsausbildung erzielt. Die Leistungsfähigkeit der optimierten Fügetechnik wird anschließend in Form von Untersuchungen zum Tragverhalten elementar- sowie hybridgefügter Verbindungen unter statischer und dynamischer Krafteinleitung, sowie zum Verhalten unterschiedlich beschichteter Probekörper unter korrosiver Beanspruchung dargestellt. Aus den erlangten Erkenntnissen werden abschließend Empfehlungen zur konstruktiven und fertigungstechnischen Handhabung des Verfahrens hergeleitet. Autoren: O. Hahn, C. Schübeler Veröffentlichung: 2010