Quelltext der Seite High Frequency Impact Treatment

{{Redundanztext|3=Pneumatic Impact Treatment|4=High Frequency Impact Treatment|5=Maschinelles Oberflächenhämmern|12=f|2=Februar 2017|1=[[Benutzer:Krizu|Krizu]] ([[Benutzer Diskussion:Krizu|Diskussion]]) 15:07, 7. Feb. 2017 (CET)}}

Das {{lang|en|'''High Frequency Impact Treatment'''}}, abgekürzt als '''HiFIT-Verfahren''' und im Deutschen '''Hochfrequentes Hämmerverfahren''' bzw. '''Hochfrequenzhämmern''' genannt, ist eine Methode zur Steigerung der Ermüdungsfestigkeit von metallischen Werkstücken. Das häufigste Anwendungsgebiet ist die Nachbehandlung [[Schweißen|geschweißter]] [[Stahl]]konstruktionen am [[Schweißnaht]]übergang. Das Prinzip ist mit dem [[Kugelstrahlverfestigen]] vergleichbar.

Die Funktionsweise des eingesetzten Hammerwerkzeugs ähnelt der des zum Entrosten und Endzundern eingesetzten [[Nadelentroster|Nadelhammers]].

== Nachbehandlung von Schweißnähten ==
[[Datei:Example HiFIT-treated assembly.jpg|mini|Beispiel einer mit HiFIT nachbehandelten Schweißkonstruktion]]

Die Betriebsfestigkeit und Lebensdauer dynamisch belasteter, geschweißter Stahlkonstruktionen wird in vielen Fällen durch die Schweißnähte, insbesondere die Schweißnahtübergänge zum Grundwerkstoff, bestimmt. Durch die gezielte Nachbehandlung der Übergänge durch [[Schleifen (Fertigungsverfahren)|Schleifen]], [[Strahltechnik|Strahlen]], Hämmern etc. kann die Lebensdauer bei vielen Konstruktionen erheblich gesteigert werden. Hämmerverfahren haben sich dabei als besonders effiziente Nachbehandlungsmethoden erwiesen und wurden im Rahmen des Verbundprojektes REFRESH<ref name="REFRESH" /> ausführlich untersucht und weiterentwickelt. Das HiFIT-Verfahren ist ein solches Hämmerverfahren, das universell einsetzbar ist, nur einen geringen gerätetechnischen Aufwand erfordert und dennoch eine hohe Reproduzierbarkeit und die Möglichkeit zur Qualitätsüberwachung bietet.

Im Forschungsprojekt „REFRESH - Lebensdauerverlängerung bestehender und neuer geschweißter Stahlkonstruktionen“ (P702)<ref name="REFRESH">{{Literatur |Autor=Gregor Nüsse |Titel=REFRESH - Lebensdauerverlängerung bestehender und neuer geschweißter Stahlkonstruktionen |Verlag=Verl. und Vertriebsges. |Ort=Düsseldorf |Datum=2011 |ISBN=978-3-942541-03-9}}</ref> von 2006–2009 konnte in zahlreichen Versuchsreihen eine 80- bis 100-prozentige Steigerung der Schweißnahtermüdungsfestigkeit und eine 5- bis 15-fache Erhöhung der Schweißnahtlebensdauer nachgewiesen werden. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes konnte die positive Wirkung der Nachbehandlung auf die Lebensdauer von Schweißkonstruktionen nachgewiesen werden.

An der Universität Duisburg Essen konnte bei Versuchen<ref name="Berg">{{Literatur |Autor=Jörn Berg |Titel=Einsatz von Hochfrequenzhämmerverfahren zur Steigerung der Ermüdungsfestigkeit von geschweißten Stahlkonstruktionen |Datum=2009 |Kommentar=Master-Thesis, Universität Duisburg-Essen, 2009 |Online=[http://www.uni-due.de/stahlbau/Lehre/Abschlussarbeiten/M.Sc.%20-%20Berg,%20J.%20-%20Zusammenfassung.pdf Abstrakt] |Format=PDF |KBytes=70}}</ref> eine Verdoppelung der Ermüdungsfestigkeit und eine Erhöhung der Lebensdauer um den Faktor 10 gegenüber dem unbehandelten Ausgangszustand ermittelt werden.

An der finnischen Universität in Aalto erforscht ein Team um Prof. Gary B. Marquis seit Jahren den Nutzen des hochfrequenten Hämmerns. Im "International Journal of Fatigue" veröffentlichte er 2012 einen Bericht<ref name="Yildirim">{{Literatur |Autor=Halid Can Yildirim, Gary B. Marquis |Titel=Fatigue strength improvement factors for high strength steel welded joints treated by high frequency mechanical impact |Sammelwerk=International Journal of Fatigue |Band=44 |Datum=2012-11 |Seiten=168–176 |DOI=10.1016/j.ijfatigue.2012.05.002}}</ref> mit Vorschlägen für SN-Kurven, die konservativ in Bezug auf die verfügbaren Ergebnisse aus 228 Versuchen sind.

== Technik ==
[[Datei:hifit-hammer.jpg|mini|HiFIT-Hammer]]

Der HiFIT-Hammer arbeitet mit einem gehärteten Pin an einer gerundeten Spitze in einem Durchmesser von 3&nbsp;mm. Dieser Pin wird mit einer einstellbaren Intensität und einer Frequenz von 150…300&nbsp;Hz auf den Übergangsbereich von der Schweißnaht zum Grundwerkstoff gehämmert. Es entstehen lokale Umformungen in Form einer Nachbehandlungsspur.

Die lokale Verformung des Materials durch das Hämmern bewirkt:
# eine Reduzierung der [[Kerbwirkung]] durch Umformung bzw. Ausrundung des Nahtübergangs und Entfernen von Schweißnahtfehlern.
# eine Verfestigung der Randschicht zur Erhöhung des Widerstandes gegen Rissbildung und Rissausbreitung.
# das Einbringen von Druckeigenspannungen zur Erhöhung des Widerstandes gegen [[Rissbildung]] und [[Rissausbreitung]] durch Überlagerung der [[Kerbspannung]]en mit Druckeigenspannungen.

== Varianten ==

Um schwer zugängliche Stellen zu erreichen, sowie zur Ausrundung von Bauteil-Innenkanten ohne Schweißungen, gibt es zahlreiche Varianten von Spezialpins in verschiedenen Durchmessern und Längen. Zur Behandlung von speziellen Materialien werden Pin-Varianten aus unterschiedlichen Werkstoffen bereitgestellt.

=== Ultrasonic Impact Treatment (UIT) ===

Im Gegensatz zum HiFIT-Verfahren werden die Stahlstifte beim UIT durch einen magnetostriktiven Ultraschallkonverter angeregt. Das Gerät ist etwas länger als das beim HiFit-Verfahren genutzte Preßluftwerkzeug. Statt nur einem Stift hämmern bei diesem Verfahren drei oder vier Stifte mit einer Frequenz von 200 Hz. Der Spitzendurchmesser der Stifte beträgt 3 bis 5 mm.

== Verfahrensschritte ==

Das HiFIT-Verfahren kann sowohl an bestehenden als auch an neuen Stahlkonstruktionen angewandt werden.
Für eine gezielte Bearbeitung ist jedoch die Sichtbarkeit und Zugänglichkeit des Schweißnahtüberganges in den zu behandelnden Bereichen erforderlich. An Probeblechen oder in unbeanspruchten Bereichen des Grundmaterials wird die erforderliche Schlagintensität anhand der Spurtiefe ermittelt. Bestehende Konstruktionen müssen in der Regel vorab am Schweißnahtübergang eine [[Oberflächenvorbehandlung]] erhalten. Die Teile müssen frei von losem Rost und alten Farben sein. Gegebenenfalls ist vorheriges [[Sandstrahlen]] erforderlich. Für neue Konstruktionen ist keine besondere Vorbereitung erforderlich.

Das HiFIT-Gerät wird per Hand auf den zu behandelnden Schweißnahtübergang aufgesetzt und während der Behandlung an diesem entlanggeführt. Das Gerät arbeitet dabei mit einer Druckluftversorgung von 6–8&nbsp;bar. Durch lokale Umformungen wird der Schweißnahtübergang plastisch verformt (ausgerundet) und verfestigt. Die Tiefe der Nachbehandlungsspur sollte zwischen 0,2 und 0,35&nbsp;mm betragen. Die Einbrandkerbe am Schweißnahtübergang ist nach der Behandlung nicht mehr zu erkennen.

Durch Sichtkontrolle kann der behandelte Bereich untersucht werden. Die Behandlungsspur wird mit einer speziellen Schablone geprüft. Eine digitale Anzeige des Arbeitsdrucks ermöglicht dem Anwender jederzeit die Kontrolle.

== Wirtschaftliche Bedeutung ==

Das wirtschaftliche Potenzial von HiFIT-Behandlungen wird im REFRESH-Forschungsbericht<ref name="REFRESH" /> ausführlich behandelt. Im Folgenden werden die wichtigsten Punkte kurz genannt.

=== Lebensdauerverlängerung ===

Bei Anwendung an bestehenden Bauwerken kann die Lebensdauer deutlich verlängert werden. Sofern keine makroskopisch erkennbaren Risse vorhanden sind, ist HiFIT ein sehr gut geeignetes Sanierungswerkzeug.
Bei rechtzeitiger Sanierung bestehender Konstruktionen besteht nahezu kein Unterschied zur Lebensdauer neuer behandelter Schweißnähte. Hieraus ergibt sich das Potenzial, bestehende Konstruktionen weit über die bisherige Lebensdauer hinaus zu nutzen.
Angewandt wird das HiFIT-Verfahren sehr effizient z.&nbsp;B. bei [[Autobahn]]-[[Brücke]]n in Stahl-Hohlkasten-Profilbauweise bei laufendem Betrieb. Die Kosten für die Sanierung sind im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren gering. Im Nutzfahrzeugbau und anderen Branchen werden hochbelastete Schweißnähte an bestehenden und neuen Konstruktionen zur Steigerung der Lebensdauer erfolgreich behandelt.

=== Erhöhung des übertragbaren Lastniveaus ===

Bei Neukonstruktionen und bei einigen bestehenden Konstruktionen kann bei gleicher Lebensdauer das Lastniveau für die behandelten Schweißnähte erhöht werden. Bei gleicher Lebensdauer sind etwa die 1,6-fachen Lasten über die Schweißnaht übertragbar. Dies hat z.&nbsp;B. im Kranbau den äußerst positiven Effekt, dass größere Hublasten bewegt werden können.

=== Leichtbau ===

Bei Berücksichtigung des HiFIT-Verfahrens während der Entwicklung kann die Konstruktion, bei gleichem Lastniveau und gleicher Lebensdauer, gezielt verschlankt werden. Umfangreiche experimentelle Untersuchungen an Kerbdetails und FEM-gestützte Bemessungsverfahren zeigen die hohe Effizienz bei herkömmlichem S235, S355J2 und Feinkornstählen wie S460N, S690QL und noch höherfesten Stählen. Die erzielbaren Materialeinsparungen machen die Anwendung des HiFIT-Verfahrens in den meisten Anwendungen bereits wirtschaftlich sinnvoll. Bedenkt man zusätzlich noch den aus der Anwendung erzielten Gewichtsvorteil, erhöht sich z.&nbsp;B. die erreichbare Nutzlast im Fahrzeugbau.

== Richtlinien ==

Das Internationale Institut für Schweißtechnik (IIW) veröffentlichte im Oktober 2016 die Richtlinie ''„IIW Recommendations for the HFMI Treatment“''. Es wird ein Überblick über verschiedene Methoden des höherfrequenten Hämmerns (HFMI) gegeben. Darüber hinaus werden Empfehlungen zur korrekten Anwendung des Verfahrens und zu quantitativen Messungen zur Qualitätssicherung beschrieben. Die Richtlinie stellt Bemessungsgrundlagen von HFMI-verbesserten Schweißverbindungen, auf der Basis von Nennspannungs-, Strukturspannungs- und Kerbspannungskonzepten vor.

== Siehe auch ==
* [[Kugelstrahlen]]
* [[Autofrettage]]
* [[Richten (Fertigungsverfahren)]]
* [[Kaltumformung]]
* [[Pneumatic Impact Treatment]]

== Literatur ==
* FOSTA Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (Hrsg.): ''REFRESH – Lebensdauerverlängerung bestehender und neuer geschweißter Stahlkonstruktionen''. Ausgabe 2011, ISBN 978-3-942541-03-9 ([http://stahl.vaka.kit.edu/276.php Webseite des Projekts REFRESH auf den Seiten des Karlsruher Institut für Technologie]).
* ''Stahlbau''. 78. Jahrgang, September 2009, {{ISSN|0038-9145}}, A6449.
* IIW Recommendations for the HFMI Treatment For Improving the Fatigue Strength of Welded Joints. Autoren: Gary B. Marquis, Zuheir Barsoum, http://www.springer.com/de/book/9789811025037
* DASt-Richtlinie – 026 Ermüdungsbemessung bei Anwendung höherfrequenter Hämmerverfahren, Stahlbau Verlags- und Service GmbH, https://shop.deutscherstahlbau.de/de/dast-richtlinie-026
* André Dürr: Dissertation ''Zur Ermüdungsfestigkeit von Schweißkonstruktionen aus höherfesten Baustählen bei Anwendung von UIT-Nachbehandlung'' ([https://elib.uni-stuttgart.de/bitstream/11682/282/1/Montage_Duerr.pdf PDF-Date], 39 MB), Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, [[Universität Stuttgart]], 2007

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Schweißen]]
[[Kategorie:Druckluftwerkzeug]]
[[Kategorie:Stahlverarbeitung]]
[[Kategorie:Stoffeigenschaften änderndes Fertigungsverfahren]]
[[Kategorie:Oberflächentechnik]]
[[Kategorie:Metallverarbeitung]]
[[Kategorie:Umformendes Fertigungsverfahren]]
[[Kategorie:Hammer]]
[[Kategorie:Krantechnik]]