Wie lässt sich die Restspannung einer Rollenkette nach dem Schweißen reduzieren?
Beim Herstellungsprozess von Rollenketten ist das Schweißen ein Schlüsselschritt. Nach dem Schweißen treten jedoch häufig Restspannungen in der Rollenkette auf. Werden keine wirksamen Maßnahmen zur Reduzierung dieser Spannungen ergriffen, hat dies zahlreiche negative Auswirkungen auf die Qualität und Leistungsfähigkeit der Kette.RollenketteDies kann beispielsweise die Dauerfestigkeit verringern, zu Verformungen und sogar Brüchen führen und somit die normale Funktion und Lebensdauer von Rollenketten in verschiedenen Maschinen beeinträchtigen. Daher ist es von großer Bedeutung, die Methoden zur Reduzierung von Eigenspannungen beim Schweißen von Rollenketten eingehend zu untersuchen und zu beherrschen.
1. Ursachen von Eigenspannungen
Beim Schweißen der Rollenkette kommt es im Schweißbereich zu ungleichmäßiger Erwärmung und Abkühlung. Während des Schweißens steigt die Temperatur der Schweißnaht und ihrer Umgebung rapide an, wodurch sich das Metall ausdehnt. Beim anschließenden Abkühlen wird die Kontraktion des Metalls in diesen Bereichen durch das umgebende, nicht erwärmte Metall behindert, was zu Schweißeigenspannungen führt.
Die Zwangsbedingungen beim Schweißen beeinflussen auch die Größe und Verteilung der Eigenspannungen. Ist die Rollenkette beim Schweißen stark eingespannt, d. h. ist der Grad der fixierten oder eingeschränkten Verformung groß, so erhöhen sich die durch die eingeschränkte Schrumpfung bedingten Eigenspannungen während des Abkühlprozesses nach dem Schweißen entsprechend.
Die Eigenschaften des Metallwerkstoffs selbst dürfen nicht außer Acht gelassen werden. Unterschiedliche Werkstoffe weisen unterschiedliche thermophysikalische und mechanische Eigenschaften auf, was zu unterschiedlicher Wärmeausdehnung, -kontraktion und Streckgrenze beim Schweißen führt und somit die Entstehung von Eigenspannungen beeinflusst. Beispielsweise besitzen einige hochfeste legierte Stähle eine hohe Streckgrenze und neigen daher dazu, beim Schweißen hohe Eigenspannungen zu erzeugen.
2. Verfahren zur Reduzierung von Eigenspannungen beim Schweißen von Rollenketten
(I) Optimierung des Schweißprozesses
Die Schweißreihenfolge sollte sinnvoll gestaltet werden: Beim Schweißen von Rollenketten sollten Schweißnähte mit hoher Schwindung zuerst und solche mit geringer Schwindung später ausgeführt werden. Dadurch kann die Schweißnaht während des Schweißvorgangs freier schwinden, wodurch die durch die eingeschränkte Schwindung verursachten Eigenspannungen reduziert werden. Beispielsweise wird beim Schweißen der inneren und äußeren Kettenlaschen einer Rollenkette die innere Kettenlasche zuerst geschweißt und die äußere Kettenlasche erst nach dem Abkühlen. So wird die Schweißnaht der inneren Kettenlasche beim Schwinden nicht zu stark durch die äußere Kettenlasche behindert.
Verwenden Sie geeignete Schweißverfahren und -parameter: Unterschiedliche Schweißverfahren erzeugen unterschiedliche Eigenspannungen in Rollenketten. Beispielsweise kann das Schutzgasschweißen die Wärmeeinflusszone im Vergleich zu einigen traditionellen Schweißverfahren aufgrund der konzentrierten Lichtbogenwärme und des hohen thermischen Wirkungsgrades verringern und somit die Eigenspannungen reduzieren. Gleichzeitig ist die sinnvolle Wahl von Parametern wie Schweißstrom, Spannung und Schweißgeschwindigkeit entscheidend. Ein zu hoher Schweißstrom führt zu übermäßigem Einbrand und übermäßiger Wärmeeinbringung, was zu einer Überhitzung der Schweißnaht und erhöhten Eigenspannungen führt. Geeignete Schweißparameter hingegen stabilisieren den Schweißprozess, reduzieren Schweißfehler und senken somit die Eigenspannungen.
Kontrolle der Zwischenlagentemperatur: Beim mehrlagigen Schweißen von Rollenketten ist die Kontrolle der Zwischenlagentemperatur eine wirksame Maßnahme zur Reduzierung von Eigenspannungen. Eine geeignete Zwischenlagentemperatur gewährleistet eine gute Plastizität des Schweißguts und der Wärmeeinflusszone während des Schweißprozesses, was die Schrumpfung der Schweißnaht und den Spannungsabbau begünstigt. Die Zwischenlagentemperatur sollte im Allgemeinen anhand der Materialeigenschaften der Rollenkette und der Anforderungen des Schweißprozesses bestimmt werden. Während des Schweißprozesses muss die Temperatur gemessen und geregelt werden, um sicherzustellen, dass die Zwischenlagentemperatur im zulässigen Bereich liegt.
(II) Geeignete Vorwärm- und Nachwärmmaßnahmen beim Schweißen ergreifen
Vorwärmen: Durch das Vorwärmen der Schweißnaht vor dem Schweißen der Rollenkette lassen sich Schweißeigenspannungen effektiv reduzieren. Das Vorwärmen verringert die Temperaturdifferenz an der Schweißnaht und sorgt für eine gleichmäßigere Temperaturverteilung während des Schweißvorgangs. Dadurch werden thermische Spannungen, die durch Temperaturgradienten entstehen, reduziert. Zusätzlich erhöht das Vorwärmen die Ausgangstemperatur der Schweißnaht, verringert die Temperaturdifferenz zwischen Schweißgut und Grundwerkstoff, verbessert die Schweißnahtqualität, reduziert die Entstehung von Schweißfehlern und senkt somit die Eigenspannungen. Die Bestimmung der Vorwärmtemperatur sollte auf der Grundlage der Zusammensetzung, Dicke, des Schweißverfahrens und der Umgebungstemperatur des Rollenkettenmaterials erfolgen.
Nachwärmebehandlung: Die Nachwärmebehandlung nach dem Schweißen, d. h. die Enthydrierungsbehandlung, ist ein wichtiges Mittel zur Reduzierung von Eigenspannungen beim Schweißen von Rollenketten. Dabei wird das Schweißgut unmittelbar nach dem Schweißen auf ca. 250–350 °C erhitzt, auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt und nach einer Haltezeit langsam weiter abgekühlt. Die Nachwärmebehandlung beschleunigt die Diffusion und den Austritt von Wasserstoffatomen aus der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone, reduziert den Wasserstoffgehalt im Schweißgut und damit die Gefahr von wasserstoffinduzierter Spannungsrisskorrosion. Gleichzeitig trägt sie zum Abbau von Schweißeigenspannungen bei. Die Nachwärmebehandlung ist besonders wichtig beim Schweißen bestimmter hochfester Stähle und dickwandiger Rollenketten.
(III) Wärmebehandlung nach dem Schweißen durchführen
Hochtemperatur-Ganzvergütung: Die gesamte Rollenkette wird in einen Heizofen gegeben und langsam auf ca. 600–700 °C erhitzt. Nach einer bestimmten Warmzeit wird sie im Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt. Diese Hochtemperatur-Ganzvergütung beseitigt effektiv die Eigenspannungen in der Rollenkette; üblicherweise lassen sich 80–90 % der Eigenspannungen eliminieren. Temperatur und Dauer der Hochtemperatur-Ganzvergütung müssen präzise an Faktoren wie Material, Größe und Leistungsanforderungen der Rollenkette angepasst werden, um den gewünschten Effekt und die Qualität der Wärmebehandlung zu gewährleisten. Allerdings erfordert die Hochtemperatur-Ganzvergütung größere Wärmebehandlungsanlagen und ist mit relativ hohen Behandlungskosten verbunden. Für Rollenketten mit strengen Anforderungen an die Eigenspannung ist sie jedoch die ideale Methode zur Beseitigung von Eigenspannungen.
Lokales Hochtemperaturanlassen: Bei großen oder komplex geformten Rollenketten, bei denen ein vollständiges Hochtemperaturanlassen schwierig ist, kann lokales Hochtemperaturanlassen eingesetzt werden. Dabei werden nur die Schweißnaht der Rollenkette und die angrenzende Umgebung erhitzt, um die dort vorhandenen Eigenspannungen abzubauen. Im Vergleich zum vollständigen Hochtemperaturanlassen stellt das lokale Verfahren geringere Anforderungen an die Ausrüstung und senkt die Prozesskosten, jedoch ist der Effekt des Eigenspannungsabbaus nicht so umfassend. Beim lokalen Hochtemperaturanlassen ist auf die Gleichmäßigkeit der Erwärmung und die Kontrolle der Erwärmungstemperatur zu achten, um neue Spannungskonzentrationen oder andere Qualitätsprobleme durch lokale Überhitzung oder ungleichmäßige Temperaturverteilung zu vermeiden.
(IV) Mechanisches Dehnungsverfahren
Das mechanische Streckverfahren besteht darin, nach dem Schweißen eine Zugkraft auf die Rollenkette auszuüben, um eine plastische Verformung zu erzielen. Dadurch werden die beim Schweißen entstandenen Druckeigenspannungen ausgeglichen und die Eigenspannungen reduziert. Im praktischen Einsatz können spezielle Streckanlagen verwendet werden, um die Zugkraft und Streckgeschwindigkeit entsprechend den Spezifikationen und Leistungsanforderungen der Rollenkette einzustellen und so eine gleichmäßige Streckung zu gewährleisten. Dieses Verfahren eignet sich gut für Rollenketten, die eine präzise Maßkontrolle und den Abbau von Eigenspannungen erfordern. Es setzt jedoch die entsprechende Streckanlage und geschultes Fachpersonal voraus und stellt bestimmte Anforderungen an Produktionsstätten und Prozessbedingungen.
(V) Temperaturdifferenz-Dehnverfahren
Das Grundprinzip des Temperaturdifferenz-Streckverfahrens besteht darin, die durch lokale Erwärmung erzeugte Temperaturdifferenz zu nutzen, um im Schweißbereich eine Zugverformung zu bewirken und so Eigenspannungen abzubauen. Konkret wird die Schweißnaht der Rollenkette beidseitig mit einem Autogenschweißbrenner erhitzt, während gleichzeitig in einem bestimmten Abstand hinter dem Brenner Wasser zur Kühlung versprüht wird. Dadurch entsteht beidseitig der Schweißnaht ein Hochtemperaturbereich, während die Temperatur im Schweißbereich selbst niedrig ist. Das Metall dehnt sich beidseitig aufgrund der Wärme aus und dehnt den kälteren Schweißbereich, wodurch ein Teil der Schweißeigenspannungen abgebaut wird. Die Ausrüstung für das Temperaturdifferenz-Streckverfahren ist relativ einfach und leicht zu bedienen. Sie lässt sich flexibel auf Baustellen oder in der Produktion einsetzen, ihre Wirksamkeit beim Abbau von Eigenspannungen hängt jedoch stark von Parametern wie Heiztemperatur, Kühlgeschwindigkeit und Sprühabstand des Wassers ab. Diese Parameter müssen daher präzise gesteuert und an die jeweiligen Bedingungen angepasst werden.
(VI) Vibrationsalterungsbehandlung
Die Vibrationsalterung nutzt die mechanische Energie von Vibrationen, um die Rollenkette in Resonanz zu versetzen. Dadurch werden die Eigenspannungen im Werkstück homogenisiert und reduziert. Die Rollenkette wird in eine spezielle Vibrationsalterungsanlage eingespannt, und Frequenz und Amplitude des Erregers werden so eingestellt, dass die Kette innerhalb einer bestimmten Zeitspanne in Resonanz gerät. Während des Resonanzprozesses gleiten und ordnen sich die Metallkörner in der Rollenkette neu an, das Mikrogefüge verbessert sich und die Eigenspannungen nehmen allmählich ab. Die Vibrationsalterung zeichnet sich durch einfache Anlagen, kurze Bearbeitungszeiten, geringe Kosten und hohe Effizienz aus und beeinträchtigt die Oberflächenqualität der Rollenkette nicht. Daher findet sie breite Anwendung in der Rollenkettenfertigung. Im Allgemeinen lassen sich durch die Vibrationsalterung etwa 30–50 % der Eigenspannungen in Rollenkettenschweißnähten eliminieren. Für Rollenkettenprodukte, die keine besonders hohen Eigenspannungen erfordern, ist die Vibrationsalterung eine wirtschaftliche und effektive Methode zur Eigenspannungsreduzierung.
(VII) Hämmerverfahren
Das Hämmern ist eine einfache und gängige Methode zur Reduzierung von Schweißeigenspannungen. Nach dem Schweißen der Rollenkette wird bei einer Schweißtemperatur von 100–150 °C oder über 400 °C ein kleiner Hammer verwendet, um die Schweißnaht und die angrenzenden Bereiche gleichmäßig zu klopfen. Dadurch wird eine lokale plastische Verformung des Metalls erzielt und die Eigenspannungen werden reduziert. Beim Hämmern sollte der Temperaturbereich von 200–300 °C vermieden werden, da sich das Metall in diesem Bereich in einem spröden Zustand befindet und das Hämmern leicht zu Rissen in der Schweißnaht führen kann. Zudem sollten Kraft und Frequenz des Hämmerns moderat sein und an Faktoren wie die Dicke der Rollenkette und die Größe der Schweißnaht angepasst werden, um den gewünschten Effekt und die Qualität zu gewährleisten. Das Hämmern eignet sich in der Regel für kleine, einfache Rollenkettenschweißungen. Bei großen oder komplexen Rollenkettenschweißungen kann die Wirkung des Hämmerns begrenzt sein und muss mit anderen Methoden kombiniert werden.
3. Wie man ein geeignetes Verfahren zur Reduzierung von Eigenspannungen auswählt
In der realen Produktion müssen je nach Situation und Anforderungen an die Rollenkette die Vor- und Nachteile, der Anwendungsbereich, die Kosten und weitere Faktoren verschiedener Verfahren zur Reduzierung von Eigenspannungen umfassend abgewogen werden, um ein geeignetes Verfahren auszuwählen. Beispielsweise kann für hochpräzise, hochfeste und dickwandige Rollenketten das Hochtemperatur-Härten die beste Wahl sein, während bei großen Serien und einfachen Formen die Vibrationsalterung oder das Hämmern die Produktionskosten effektiv senken und die Effizienz steigern können. Gleichzeitig müssen bei der Wahl eines Verfahrens zur Reduzierung von Eigenspannungen die Einsatzumgebung und die Betriebsbedingungen der Rollenkette berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass das gewählte Verfahren die Leistungsanforderungen und Qualitätsstandards im praktischen Einsatz erfüllt.
4. Die Rolle der Reduzierung von Eigenspannungen bei der Verbesserung der Qualität und Leistungsfähigkeit von Rollenketten
Durch die Reduzierung von Schweißeigenspannungen lässt sich die Dauerfestigkeit von Rollenketten deutlich verbessern. Wird die Zugeigenspannung in der Rollenkette verringert oder beseitigt, sinkt die tatsächliche Belastung im Betrieb entsprechend. Dadurch verringert sich das Risiko eines Bruchs durch die Entstehung und Ausbreitung von Ermüdungsrissen, und die Lebensdauer der Rollenkette verlängert sich.
Dies trägt zur Verbesserung der Dimensionsstabilität und Formgenauigkeit der Rollenkette bei. Übermäßige Eigenspannungen können während des Gebrauchs zu Verformungen der Rollenkette führen, wodurch die Passgenauigkeit mit Kettenrädern und anderen Bauteilen beeinträchtigt und somit der ordnungsgemäße Betrieb von Maschinen gestört wird. Durch die Reduzierung der Eigenspannungen behält die Rollenkette während des Gebrauchs eine gute Dimensionsstabilität und Formgenauigkeit bei, was die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Kraftübertragungssystems verbessert.
Es kann die Neigung von Rollenketten zu Spannungsrisskorrosion in korrosiven Umgebungen verringern. Restzugspannungen erhöhen die Empfindlichkeit von Rollenketten gegenüber Spannungsrisskorrosion in korrosiven Medien. Durch die Reduzierung von Restspannungen lässt sich dieses Risiko wirksam verringern, die Korrosionsbeständigkeit von Rollenketten in rauen Umgebungen verbessern und ihr Anwendungsgebiet erweitern.
Veröffentlichungsdatum: 30. Juni 2025