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(1)
Schematischer Verlauf der Streckgrenze des Stahls bei Temperaturerhöhung und Darstellung von Spannungsanteilen, die zu Verzug führen können.
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(2)
Stückverzinktes Stahlblechchassis des BMW Z1
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(3)
Beispiel für das Mehrfachtauchen von großen Stahlkonstruktionen (siehe Text)
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Arbeitsblätter Feuerverzinken
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2.8
Vermeiden von Verzug
1. Ursachen
Verantwortlich für einen unter Umständen auftretenden Verzug beim Feuerverzinken ist der Abbau von Eigenspannungen als Folge der Erwärmung der Stahlteile im Zinkbad, das eine Temperatur von ca. 450 °C hat. Bei dieser verringert sich die Streckgrenze des Stahls gegenüber den Werten bei Raumtemperatur um etwa die Hälfte.
Bei sehr hohen Eigenspannungen in einer Stahlkonstruktion kann es dann unter Umständen dazu kommen, daß vorhandene Spannungsspitzen sich durch plastische Formänderung abbauen. Liegen nämlich die Eigenspannungen einer Konstruktion erheblich oberhalb der während des Feuerverzinkens vorübergehend verringerten Streckgrenze des Stahls, so kann der Stahl diese Eigenspannungen nicht mehr aufnehmen. Die Spannungen werden als plastische Formänderung abgebaut - es entsteht Verzug (Abb. 1).
Eigenspannungen sind in jeder Stahlkonstruktion mehr oder weniger ausgeprägt vorhanden und im Regelfall beim Feuerverzinken völlig unproblematisch. Eigenspannungen, die zum Beispiel in Form von Walz-, Verformungs- oder Schweißspannungen in einer Konstruktion vorhanden sein können, stehen normalerweise untereinander im Gleichgewicht und geben zu einer Verformung zunächst keinen Anlaß. Durch das Einbringen der Wärme beim Feuerverzinken kann dieser Zustand jedoch gestört werden und dann können Verformungen die Folge sein. Das Ausmaß möglicher Verformungen ist unter anderem abhängig von
- der Größe der vorhandenen Eigenspannungen
- ihrer Verteilung und Wirkrichtung innerhalb der Konstruktion
- der Steifigkeit der Konstruktion
- der Art und Dicke des verwendeten Werkstoffes
2. Gegenmaßnahmen
Dem Verzug von Stahlkonstruktionen beim Feuerverzinken kann man durch konstruktive Maßnahmen begegnen. Hierbei geht man von Überlegungen aus, mit denen auch in der Schweißtechnik fertigungsbedingte Eigenspannungen niedrig gehalten werden.
Grundsätzlich läßt sich ohnehin feststellen, daß Eigenspannungen als Folge des Schweißens die größte Rolle beim Entstehen von Verzug spielen. Man sollte sich also von vornherein bemühen, die Spannungen in einer Stahlkonstruktion möglichst niedrig zu halten und Spannungsspitzen zu vermeiden, damit der Stahl trotz vorübergehend nachlassender Festigkeit während des Verzinkungsvorganges in der Lage ist, die inneren Spannungen vollständig aufzunehmen, ohne zu plastifizieren. Die Aufstellung eines Schweißfolgeplans kann hierbei eine Hilfe sein (siehe auch Arbeitsblatt 2.9).
Symmetrische Profilquerschnitte, symmetrische Anordnung der Schweißnähte und keine größere Dimensionierung der Schweißnähte als notwendig sind die wesentlichen Maßnahmen zur Reduzierung der Verzuggefahr.
Bei Blechkonstruktionen ist darauf zu achten, daß die Ausdehnung der Blechteile, die als Folge der Erwärmung auf die Temperatur der Zinkschmelze stattfindet, nicht behindert wird. Gleichzeitig muß durch konstruktive Maßnahmen dafür gesorgt werden, daß glatte Blechflächen versteift werden (zum Beispiel durch Sicken oder Abkantungen), um so der Bildung von Beulen oder Verwerfungen entgegenzuwirken (siehe auch Arbeitsblatt 2.6).
Daß bei sorgfältiger Vorplanung selbst ein Feuerverzinken von komplizierten, dünnwandigen Blechkonstruktionen ohne nennenswerten Verzug möglich ist, zeigt sich in der Automobiltechnik, in der in einigen Fällen stückverzinkte Blechkonstruktionen als Chassis eingesetzt werden (siehe Abb. 2).
3. Mehrfachtauchungen
Große Stahlkonstruktionen lassen sich wegen ihrer Abmessungen mitunter nicht in einem Arbeitsgang in den zur Verfügung stehenden Verzinkungsbädern feuerverzinken. In solchen Fällen kann durch schrittweises Mehrfachtauchen erreicht werden, daß auch Stahlteile mit Übergröße feuerverzinkt werden, hierbei sind jedoch zusätzliche Aspekte im Hinblick auf die Vermeidung von Verzug zu berücksichtigen.
Das Mehrfachtauchen von vollwandigen, schlanken Walzprofilen für Stützen und Träger ist im allgemeinen unproblematisch, da diese anders als zum Beispiel mit Stegsteifen versehene Blechträger keine Kerben aufweisen. Zudem sind die Unterschiede, die sich durch eine unterschiedliche Erwärmung zwischen der Ober- und Unterseite eines Profils ergeben, relativ unbedeutend.
Bei größeren Konstruktionen erhöht sich jedoch infolge der ungleichmäßigen Erwärmung des Bauteils die Gefahr des Verzuges und gegebenenfalls auch der Rißbildung. Neben einer über alle Details des Verzinkungsvorganges sorgfältigen Abstimmung zwischen Stahlbau- und Feuerverzinkungsunternehmen ist grundsätzlich folgendes zu beachten:
Beim Mehrfachtauchen von Großkonstruktionen handelt es sich vorrangig um ein Verformungsproblem (als Folge der Wärmedehnung) und weniger um ein Spannungsproblem (als Folge der schweißtechnischen Fertigung), da örtlich auftretende Spannungen, die die Fließgrenze des Stahls überschreiten, ebenso wie beim Schweißen durch lokale Plastifizierung abgebaut werden.
Starker Verzug und gegebenenfalls dadurch initiierte Risse lassen sich vermeiden, wenn Möglichkeiten geschaffen werden, damit die beim Mehrfachtauchen auftretenden unterschiedlich großen Längenausdehnungen einzelner Bauelemente auf einem möglichst langen Weg aufgenommen werden. Die dann noch auftretenden Längenausdehnungen bewegen sich nur im elastischen Bereich, d.h. nach dem Feuerverzinken nimmt das abgekühlte Stahlteil seine ursprüngliche Form wieder an.
Zur Erläuterung sind in Abbildung 3 einige Beispiele dieses Sachverhaltes angegeben, die nachstehend erklärt werden:
Reihe 1: Die Differenz A l der Längenänderung zwischen Ober- und Untergurt ist in Spalte l wesentlich kleiner als In Spalte 2 und führt bei gleichen Steifigkeitsverhältnissen deshalb zu entsprechend niedrigeren Beanspruchungen als Folge der kleineren in das Zinkbad eingetauchten Gurtlängen.
Reihe 2: Die Differenz AI der Längenänderung zwischen Ober- und Untergurt bewirkt in Spalte 1 wegen der größeren Trägerhöhe und der weniger steifen Konstruktion wesentlich geringere Beanspruchungen als in Spalte 2.
Reihe 3: Die in Spalte 1 und 2 nahezu gleiche Differenz A l der Dehnungen zwischen Ober- und Untergurt führt wegen der Scheibenwirkung des unteren Bereiches der Konstruktion in Spalte 2 (zusätzlich eingeschweißter Gurt in Verbandmitte) zu einer wesentlich höheren Beanspruchung als in Spalte 1 ohne diesen Zusatzstab. Der Ausgleich der Längenänderung kann hier über die gesamte Höhe des Bauteils erfolgen.
Grundsätzlich lassen sich Schäden an Konstruktionen in Form von Verzug und Rißbildung durch eine vorausschauende Planung, die die Temperatur- und Ausdehnungsverhältnisse während des Verzinkungsvorganges berücksichtigt, vermeiden.
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