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Organisationseinheit der BAM
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Die Ausführung von Abdichtungssystemen insbesondere an Ingenieurbauwerken der Verkehrsinfrastruktur greift in die unmittelbare Verfügbarkeit/Nutzbarkeit des Bauwerks ein und erfolgt deshalb i.a.R. unter höchstem Zeitdruck. Neuere materialtechnische Entwicklungen im Bereich der Flüssigkunststoff-Systeme erlauben kürzere Ausführungszeiten in einem erweiterten Einsatzspektrum. Zur Sicherstellung anforderungsgerechter Gebrauchseigenschaften des gesamten Brückenabdichtungssystems gibt die vorliegende Veröffentlichung Hinweise für die einzuhaltenden Baugrundsätze, bautechnologische Besonderheiten und Erfordernisse im Umgang mit Polymethylmethacrylat (PMMA) sowie qualitätssichernde Maßnahmen.
Schweißzugeigenspannungen in Strahlschweißnähten auf Höhe der lokalen Werkstoffstreckgrenze können die Bauteileigenschaften sowie deren Lebensdauer beeinflussen. Die Nutzung der Schweißquelle für eine nachträgliche Behandlung der geschweißten Bauteile bietet eine kostengünstige und flexible Methode zur Reduzierung dieser Spannungen. Dabei wird durch einen oszillierenden defokussierten Elektronen- bzw. Laserstrahl der Werkstoff beidseitig der Schweißnaht auf mehrere hundert Grad Celsius erwärmt, um dort zusätzliche Zugspannungsbereiche hervorzurufen. Die so erzeugten Längszugspannungszonen führen zu einer mechanischen Entlastung der Schweißnaht. Experimentelle Messungen zeigen, dass die Längseigenspannungen in der Schweißnaht mit diesem Verfahren um bis zu 70% reduziert werden können. Hierbei wurde neben der experimentellen Untersuchung dieses Verfahrens an Linearnähten an 5 mm dicken Blechen des Werkstoffs S355J2+N auch eine umfassende Analyse der Einflüsse der Verfahrensparameter auf die Spannungsreduktion mittels FEMSimulation durchgeführt. Anhand der Ergebnisse wird der Entlastungsmechanismus diskutiert. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Residual tensile welding stresses in beam welds at the level of the local yield strength of the material may influence the properties of components as well as their service lives. The utilisation of the welding source for the subsequent treatment of the welded components offers a cost-favourable and flexible method of reducing these stresses. In this respect, an oscillating defocused electron or laser beam serves to heat the material on both sides of the weld up to several hundred degrees Celsius in order to induce additional tensile stress regions there. The longitudinal tensile stress zones produced in this way lead to the mechanical relief of the weld. Experimental measurements show that the longitudinal residual stresses in the weld can be reduced by up to 70% with this process. In this case, not only was the experimental investigation into this process conducted on linear welds on 5 mm thick sheets made of the S355J2+N material but a comprehensive analysis of the influences of the process parameters on the stress reduction was also made by means of FEM simulation. The relief mechanism is discussed on the basis of the results.
Schweißzugeigenspannungen in Strahlschweißnähten auf Höhe der lokalen Werkstoffstreckgrenze können die Bauteileigenschaften sowie deren Lebensdauer negativ beeinflussen. Die Nutzung der Schweißquelle für eine nachträgliche Behandlung der geschweißten Bauteile bietet eine kostengünstige und flexible Methode zur Reduzierung dieser Spannungen. Dabei wird durch einen oszillierenden defokussierten Elektronen- bzw. Laserstrahl, der Werkstoff beidseitig der Schweißnaht auf mehrere hundert Grad Celsius erwärmt, um dort zusätzliche Zugspannungsbereiche hervorzurufen. Die so erzeugten Längszugspannungszonen führen zu einer mechanischen Entlastung der Schweißnaht. Experimentelle Messungen der Längseigenspannungen an linearen Elektronen- und Laserstrahlschweißnähten im ersten Teil des Beitrags zeigten, dass die Spannungen mit diesem Verfahren um bis zu 70% reduziert werden können. In weiteren experimentellen Untersuchungen wird dieses Verfahren für kompliziertere Schweißnahtgeometrien getestet. An axialen sowie radialen Rundnähten an ferritischen Werkstoffen konnten ebenfalls hohe Spannungsreduktionen von über 50% erzielt werden. Zudem wurde dieses Verfahren mit einer für das Schweißen üblichen Laserstrahlschweißoptik ohne Scan-Funktion geprüft. Hierbei zeigte das Wärmebehandeln in zwei Arbeitsschritten noch größere Spannungsreduktionen im Vergleich zur Anwendung einer Laserstrahlscanneroptik zur quasisimultanen Wärmebehandlung auf beiden Seiten der Schweißnaht. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Residual tensile welding stresses in beam welds at the level of the local yield strength of the material may influence the properties of components as well as their service lives. The utilisation of the welding source for the subsequent treatment of the welded components offers a cost-favourable and flexible method of reducing these stresses. In this respect, an oscillating defocused electron or laser beam serves to heat the material on both sides of the weld up to several hundred degrees Celsius in order to induce additional tensile stress regions there. The longitudinal tensile stress zones produced in this way lead to the mechanical relief of the weld. Experimental measurements of the longitudinal residual stresses on linear electron and laser beam welds in the first part of the article showed that the stresses can be reduced by up to 70% with this process. In further experimental investigations, this process is tested for more complicated weld geometries. It was also possible to achieve great reductions in the stresses (over 50%) on both axial and radial circular welds on ferritic materials. Moreover, this process was tested with laser beam welding optics which are customary for welding and do not perform a scanning function. In this respect, the heat treatment in two work steps showed even greater reductions in the stresses in comparison with the application of laser beam scanner optics for quasi-simultaneous heat treatment on both sides of the weld.
Schweißeigenspannungen - im Besonderen infolge von Strahlschweißprozessen - annähernd der werkstoffspezifischen Streckgrenze können durch eine mögliche Spannungsrelaxation oder verstärkte Spannungsrisskorrosion lebensdauerreduzierende Konsequenzen mit sich ziehen. Aus diesem Grund wurden viele Verfahren entwickelt, welche diese Eigenspannungen reduzieren können. Jedoch sind diese Verfahren kostenintensiv oder nur für breite Schweißnähte und einfache Bauteilgeometrien anwendbar. Die in dieser Arbeit dargestellte Methode nutzt den Schweißstrahl für den Schweißprozess sowie in defokussierter Form für eine thermische Nachbehandlung des Bauteils. Hierfür läuft der defokussierte Strahl durch hochfrequente Strahlablenkung beidseitig der Schweißnaht mit einer bestimmten zeitlichen Distanz dem Schmelzbad nach und wird zum Aufheizen dieser Materialbereiche genutzt. Mit dieser Prozedur ist es möglich die Spannungen in schmalen Schweißnähten mit großen Spannungsgradienten im Vergleich zu anderen spannungsreduzierenden Verfahren ohne Kontaktflächen oder zusätzlichem Equipment effizient zu reduzieren. Abhängig von der Bauteilgeometrie und der Strahlleistung können unterschiedliche Prozessparameter für dieses Verfahren angewandt werden. Es werden die Mechanismen der Eigenspannungsreduzierung in diesem Prozess und deren Abhängigkeit von den Prozessparametern anhand von Ergebnissen aus FEM-Simulationen diskutiert. Zudem wird in einer Reihe von experimentellen Ergebnissen die Anwendbarkeit von bereits für lineare Schweißnähte ermittelte Verfahrensparameter auf axiale und radiale Rundnähte nachgewiesen. Hierbei zeigen die besten experimentellen Ergebnisse für Elektronenstrahl- sowie für Laserstrahlschweißnähte Spannungsreduktionen größer als 90 %.
The residual stresses in narrow electron or laser beam welds with high stress gradients are decreased without any contact surfaces or additional equipment by applying the welding beam after welding in a defocused mode for heating the material regions in a certain distance from the weld on both sides. In case of electron beam application, the beam is positioned and focused by the electromagnetic coil with high frequency. In case of laser beam application a laser scanner optics enables fast positioning by an optomechanic beam deflection, while defocusing of the laser beam is obtained by increasing the distance between scanner optics and workpiece. Dependent on the component geometry and on the beam power different process parameters are used. The adjustable process parameters are the radius and the power of the defocused beam and the transversal and longitudinal distances between the welding and the defocused beam. The mechanism and the influence of the process parameters are investigated by FEM-simulation and a number of experiments on a ferritic steel S355J2+N with 5 mm thickness. FEM-simulation is used to reduce the matrix of process parameters for the experiments. The best experimental result shows a stress reduction of about 70%.
Die Anforderungen der modernen Infrastruktur machen schnell ausführbare Abdichtungs- und Brückenbelagssysteme für den Bundesfernstraßenbereich erforderlich. Dazu gibt es innovative Systemansätze, in denen unter Ausnutzung neuer asphalttechnologischer Erkenntnisse und Weiterentwicklungen innovative Belagsaufbauten in Ergänzung zum bestehenden technischen Regelwerk erarbeitet werden. Diese neuartigen Asphaltmaterialien mit verbesserten Asphalt-Gebrauchseigenschaften (Standfestigkeit; Tieftemperaturverhalten) werden durch Kombination mit neuartigen Flüssigkunststoffen zur Aufnahme von schnelle wiederholten Bewegungen (Rissüberbrückungseigenschaften) nochmals verbessert. Durch das optimierte Gebrauchsverhalten und die systembedingten technologischen Verbesserungen ist es bei Einhaltung besonderer materialtechnischer Anforderungen möglich, leistungsfähige Brückenabdichtungs- und Belagssysteme in deutlich schnellerer Bauzeit instandzusetzen bzw. im Neubau auszuführen. Die vorliegende Veröffentlichung verallgemeinert u. a. wissenschaftlich-technische Erkenntnisse der BAM und Erfahrungen im Umgang mit den spezialisierten Baustoffen in eine für die Straßenbaubehörden des Bundes und der Länder praktisch umsetzbare Weise.