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Ersetzt das Rütteln / Vibrieren / VSR-Verfahren das Spannungsarmglühen?

Das Rütteln / Vibrieren / VSR-Verfahren und das Spannungsarmglühen verfolgen zum Ziel des Spannungsabbaus im Material zwei völlig unterschiedliche Ansätze, deren Ergebnis qualitativ nicht vergleichbar ist.

Beim Spannungsarmglühen wird durch die Zufuhr einer Energiemenge von ca. 75 KWh je Tonne eine drastische Erhöhung des Energieniveaus des Bauteils erreicht. Über die Zunahme der Schwingungen der Metallatome äußert sich dies in einer Temperaturerhöhung, Volumenvergrößerung und damit einher gehend in einer deutlichen Absenkung der Elastizitätsgrenze (Streckgrenze). Dabei werden die, für die Eigenspannungen verantwortlichen Gitterbaufehler über Fließ- und Kriechprozesse abgebaut. Durch die langsame und damit schonende Erwärmung geschieht dieser Vorgang gleichmäßig und ungerichtet über das gesamte Bauteilvolumen. Das Material geht kontinuierlich in einen umfassenden, energie- und damit spannungsarmen Zustand über, der umso deutlicher ausfällt, je höher die eingebrachte Energiemenge (Glühtemperatur) ist und je mehr Zeit hierfür zur Verfügung steht (Glühdauer). Aus diesem Grund wird die Glühtemperatur nach der Durchwärmung des Bauteils mindestens 2 - 3 Stunden gehalten (Ausnahme: Feinkornstähle). Die geregelte und damit schonende Abkühlung im Ofen sorgt dafür, dass das Bauteil über den gesamten Querschnitt möglichst gleichmäßig abkühlt und keine neuen inneren Spannungen entstehen.

Dagegen wird das Rütteln / Vibrieren / VSR-Verfahren bei Raumtemperatur, also starrem Metallgitter, durchgeführt. Hierzu wird das Bauteil auf Kissen gelagert und an einer oder mehreren Stellen mittels eines lokal mit Zwingen aufgebrachten Vibrators in Schwingungen versetzt. Ein Beschleunigungsaufnehmer erfasst das Schwingungsverhalten des Gesamtsystems worauf die Regelung des Vibrators derart beeinflusst wird, dass sich nach einiger Zeit ein stabiles Schwingungsverhalten einstellt. Hieraus wird gefolgert, dass die Eigenspannungen im Bauteil abgebaut worden sind.
Doch was passiert eigentlich im Material? Die Ankoppelstelle des Vibrators dient als Quelle der sich im Bauteil ausbreitenden Stoßwellen, deren Frequenz im Bereich von 100 Hz - 2 kHz liegt. Dies entspricht im Stahl Wellenlängen zwischen 2 und 60 mm. Von dort ausgehend breiten sich die Wellen kreis- bzw. kugelförmig und damit gerichtet im Material aus und verlieren mit zunehmender Entfernung von der Quelle, bedingt durch die Dämpfung im Material, an Energie. Zudem wird der Energieverlust bei gleicher Entfernung von der Quelle mit steigender Frequenz größer und an Inhomogenitäten, wie Kanten, Ecken, Bohrungen und Absätzen kommt es zu kaum vorhersagbaren Interferenzen (Auslöschungen, Verstärkungen). Eine gleichmäßige, ungerichtete Behandlung über das gesamte Bauteilvolumen, wie es das Spannungsarmglühen vermag, ist somit praktisch nicht realisierbar.
Bei den verwendeten Wellenlängen ist es zudem physikalisch unmöglich, die Gitterbaufehler direkt zu beeinflussen. Lediglich größere Gefügebereiche mit einer Vielzahl von Körnern, welche Ihrerseits aus Millionen von Metallatomen bestehen, können überhaupt erfasst werden. Diese im Vergleich sehr großen Bereiche können, sofern Sie zur Ausbreitungsrichtung der mechanischen Wellen günstig liegen und deren Intensität vor Ort ausreicht, durch die mechanische Anregung so verschoben oder ausgerichtet werden, dass Sie den eingebrachten Stoßwellen möglichst wenig Widerstand bieten und auf diese Weise das Messergebnis als Momentaufnahme des Gesamtsystems günstig beeinflussen - nicht mehr und nicht weniger.
Um einen tiefgreifenden Spannungsabbau des Metallgitters zu bewirken, müsste die Frequenz etwa um den Faktor 1.000 bis 10.000 höher liegen, was wiederum dem Wellenlängenbereich der thermischen Strahlung im Temperaturbereich des Spannungsarmglühens entspräche. Die Dämpfung mechanischer Wellen wäre in diesem Frequenzbereich jedoch so hoch, dass eine Anregung dickerer Querschnitte praktisch unmöglich wäre. Um dies zu erreichen, müsste die einzubringende Energiemenge theoretisch derart erhöht werden, dass sich das Bauteil auf Temperaturen im Spannungsarmglühbereich erwärmen würde. (!)
Um beim Thema Energiemenge zu bleiben: Eine VSR-Behandlung dauert abhängig vom Bauteilgewicht zwischen 30 Minuten und 5 Stunden. Die in diesem Zeitraum in das Bauteil eingebrachte Energiemenge beträgt ca. 2 kWh je Tonne. Das sind weniger als 3 % der in ca. 15 - 20 Stunden eingebrachten Energiemenge von ca. 75 kWh je Tonne beim Spannungsarmglühen!

Das VSR-Verfahren liefert letztlich weder verlässliche Resultate, noch ist es wissenschaftlich belegt, standardisiert oder reproduzierbar. Es simuliert über eine eher zufällige mechanische Anregung eine spätere mechanische Beanspruchung, die unter Umständen ausreichend sein kann, im Ergebnis jedoch einen nach wie vor unbestimmmten Eigenspannungszustand hinterlässt. In vielen anerkannten Regelwerken wird daher das Rütteln / Vibrieren / VSR-Verfahren stark eingeschränkt bzw. meist gänzlich untersagt.

Auf die Eingangsfrage gibt es daher nur eine mögliche Antwort:

"Für den Spannungsabbau in metallischen Werkstoffen gibt es zum Spannungsarmglühen keine fundierte und sichere Alternative."


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