Makrospannungen wirken über grössere Bereiche, oft über das ganze Bauteil. Sie entstehen zum Beispiel durch Biegen, Schweissen, Zerspanen oder ungleichmässiges Abkühlen und lassen sich mit üblichen Messmethoden wie Röntgen oder mechanischen Prüfungen erfassen. Beispiel: Ein gebogener Stab steht über seine ganze Länge unter Spannung.

Mikrospannungen wirken nur innerhalb einzelner Körner oder im Kristallgitter. Sie entstehen durch ungleichmässige plastische Verformung, Korngrenzen, Ausscheidungen oder Gitterfehler wie Versetzungen. Messen kann man sie nur mit speziellen Verfahren, etwa lokaler Röntgenbeugung oder Elektronenmikroskopie. Beispiel: Beim Abkühlen eines Gussteils schrumpfen die Körner unterschiedlich, an den Korngrenzen entstehen Mikrospannungen.

Beide Arten beeinflussen Festigkeit, Härte und Bruchverhalten.

In der Werkstofftechnik unterscheidet man drei Arten:

Die Spannungen I. Art gleichen sich über das Bauteil aus: An manchen Stellen herrscht Druck, an anderen Zug. Sie sind es, die beim späteren Bearbeiten zu Verzug führen. Alle drei Arten können gleichzeitig vorkommen und sich gegenseitig beeinflussen.

Makrospannungen (I. Art) lassen sich mit Vibration wirksam abbauen. Die mechanischen Schwingungen bewirken kleine plastische Verformungen und verteilen die Spannungen im ganzen Bauteil neu, vor allem dort, wo das Material schon nahe an seiner Fliessgrenze ist. Das betrifft Spannungen aus Schweissen, Zerspanen oder Kaltumformen.

Mikrospannungen (II. und III. Art) gelten in der Literatur als kaum beeinflussbar, weil die Schwingungen auf dieser kleinen Ebene zu schwach sind. Dafür braucht es meist eine Wärmebehandlung.

Ja, das ist möglich. Es hängt von mehreren Faktoren ab:

• Geometrie und Werkstoff: Dünnwandige oder filigrane Bauteile reagieren empfindlicher, die Schwingung verteilt sich gleichmässiger. Werkstoffe mit hoher Plastizität können sich auch im Kleinen umlagern.
• Frequenz und Amplitude: Höhere Frequenzen wirken eher auf Mikrospannungen, tiefere Frequenzen mit grosser Amplitude eher auf Makrospannungen.
• Werkstoffzustand: Viele Gitterfehler oder Versetzungen machen ein Bauteil empfindlicher auf Schwingungen.
• Resonanz: Im Resonanzbereich werden die Schwingungen verstärkt, die Entspannung wird wirksamer.

Das Vibrieren wirkt vor allem auf die Makro-Eigenspannungen, die über das Bauteil verteilt sind. Die Anordnung der Atome selbst wird nicht direkt verändert. Mikro-Eigenspannungen hängen eng mit der Gitterstruktur zusammen und brauchen meist tiefere Eingriffe wie Wärmebehandlung oder plastische Verformung.

Gummi dämpft. Je mehr Gummi, desto mehr Schwingungsenergie wird geschluckt. Zu viel Dämpfung kann die Übertragung ins Bauteil schwächen, zu wenig kann zu übermässigen Schwingungen führen. Weichere Unterlagen senken die Resonanzfrequenz des Systems, härtere erhöhen sie. Ungleichmässige Unterlagen können zu ungleichmässiger Entspannung führen. Die richtige Menge und Härte hängt von Masse, Form und Empfindlichkeit des Bauteils ab.

Das ist eine wichtige Beobachtung. Wird das Bauteil an vielen Stellen auf Gummi gelagert, «schwimmt» es und kann gleichmässiger angeregt werden. Liegt viel Last auf wenigen Punkten mit wenig Gummi, verteilen sich die Schwingungen schlechter und einige Bereiche werden kaum erreicht.

Tiefe Drehzahl: grössere Amplituden, gut für Makrospannungen und für Bauteile mit tiefer Resonanzfrequenz, z. B. schwere, dicke Teile.

Hohe Drehzahl: kürzere, schnellere Schwingungen, eher für Mikrospannungen und für Bauteile mit höherer Resonanzfrequenz. Zu hohe Frequenzen wirken aber eher oberflächennah.

In der Literatur wird oft empfohlen, nahe der Resonanzfrequenz zu arbeiten. Die WIAP macht das bewusst nicht, siehe Anmerkung.

Das hängt von Grösse und Form des Bauteils, der Art der Spannungen, Frequenz und Amplitude sowie vom Werkstoff ab. In der Literatur werden für kleine und mittlere Bauteile oft 30 Minuten bis 1 Stunde genannt, für grosse Bauteile 2 bis 4 Stunden oder mehr. Am besten beginnt man kürzer, misst, und verlängert bei Bedarf.

Ja, das ist sinnvoll. Hohe Exzenterstufe bei tiefer Drehzahl gibt grosse Amplituden für die Makrospannungen. Danach eine tiefere Exzenterstufe bei höherer Drehzahl: kleinere Amplituden mit höherer Frequenz, die eher auf feinere Spannungen wirken. So werden zuerst die grossen und danach die feineren Spannungen abgebaut.

Ja. Vibriert man in mehreren Richtungen, werden im Bauteil unterschiedliche Bereiche angeregt. Das ist besonders bei komplexen Geometrien und ungleichmässiger Spannungsverteilung ein Vorteil. Mehr dazu: Warum mehrere Richtungen?

Zuerst vibriert der Automat mit hoher Exzenterstufe im unteren Drehzahlbereich (bis etwa 4000 U/min) in den Richtungen 0°, 45°, 90° und 135°. Danach wird die Exzenterstufe auf eine kleinere Kraft gestellt und die Drehzahl um etwa 30 % erhöht (etwa 4200 bis 6000 U/min). Jetzt vibriert er in den Richtungen 157,5°, 112,5°, 67,5° und 22,5°. So werden verschiedene Bereiche des Bauteils erreicht, zuerst eher die Makro-, dann eher die feineren Spannungen.

Sehr wichtig. Ein schlecht befestigter Erreger stört den Prozess und verfälscht die Aufzeichnung. Zwei Schraubzwingen mit nur zwei Kontaktpunkten genügen nicht.

1.4301 wird bei 1200 bis 900 °C geschmiedet oder gewalzt und an Luft abgekühlt. Er lässt sich nicht härten und nicht weichglühen. Auch Spannungsarmglühen wird nicht empfohlen.

Titan ist fest, korrosionsbeständig und leicht, neigt aber bei Wärme- und Zerspanungsprozessen zu Eigenspannungen. Titan dämpft innere Schwingungen relativ wenig, leitet sie also gut weiter. Das macht es geeignet für Vibrationsentspannen. Ausserdem vermeidet man so das Oxidationsrisiko, das beim Wärmebehandeln von Titan besteht. Aus Luftfahrt und Medizintechnik gibt es Berichte zum Vibrationsentspannen von Titan.

Nicht ganz. Duplexstahl besteht aus Austenit und Ferrit und kann lösungsgeglüht werden, bei etwa 1020 bis 1100 °C mit raschem Abkühlen in Wasser. Wird zu lange oder bei zu tiefer Temperatur geglüht, kann sich die spröde Sigma-Phase bilden, was Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit verschlechtert. Das Glühen ist also möglich, aber heikel.

Ja. Beim Kaltziehen verformt sich das Material plastisch, es entstehen grosse innere Spannungen. Vibrationsentspannen kann diese abbauen, ohne das Gefüge zu verändern wie bei einer Wärmebehandlung. Das verbessert die Masshaltigkeit beim späteren Bearbeiten. Bei extrem hohen Spannungen reicht Vibration allein eventuell nicht.

Nach dem Giessen kühlen die Bereiche einer Bremsscheibe unterschiedlich schnell ab. Es entstehen Makro-Eigenspannungen, die beim Bearbeiten zu Verzug führen. Lagerung (künstliches Altern) baut sie langsam ab. Vibrieren baut die gleichen Spannungen ab, aber viel schneller.

RAEX AR 400 ist ein verschleissfester Stahl mit rund 400 HBW Nennhärte, ähnlich wie Hardox 400. Aus der Herstellung bleiben innere Spannungen im Material. Beim Zerspanen werden Bereiche weggenommen, das Gleichgewicht der Spannungen ändert sich und das Teil verzieht sich. Werden die Spannungen vorher durch Vibrieren abgebaut, bleibt das Teil beim Bearbeiten stabil. Das ist ein gutes Ergebnis.

Beim Flammrichten werden die grossen Verformungen beseitigt, im Material bleiben aber innere Spannungen. Wird nachher bearbeitet, lösen sie sich und das Rohr verzieht sich. Das Vibrieren baut diese Restspannungen vorher ab und verteilt die inneren Kräfte gleichmässiger.

Ein zwei Meter langes, massives Teil verzieht sich beim Tiefbohren. Ursachen sind Wärme durch Reibung, die Schnittkräfte des Bohrers und Schwingungen des Werkzeugs. Danach wird es mechanisch gerichtet, und beim weiteren Bearbeiten verzieht es sich wieder. Wird es vor dem Bearbeiten vibrationsentspannt, sind die gespeicherten Spannungen abgebaut und es bleibt masshaltig.

Rundwalzen, Schweissen und Richten erzeugen grosse Spannungen. Das erste Vibrieren baut sie ab. Das Überbiegen bringt die Geometrie genauer in Form, das zweite Vibrieren baut die dadurch entstandenen Spannungen wieder ab. Am Schluss sind die inneren Spannungen weitgehend ausgeglichen, beim Abdrehen verzieht sich das Teil nicht.

Das WIAP MEMV System lässt sich an sehr unterschiedliche Bauteilgrössen anpassen. Die Schwingungen dringen auch in dicke Platten tief ein, Frequenz, Amplitude und Dauer lassen sich genau einstellen, und grosse Teile werden in relativ kurzer Zeit entspannt, ohne Wärme und ohne Verzug.

Drehen, Schleifen, Hartverchromen und Wärmebehandlung erzeugen in jedem Schritt neue Spannungen. Die Chromschicht dehnt sich anders aus als der Stahl. Das erste und zweite Vibrieren bauen die Spannungen aus der Bearbeitung und dem Verchromen ab, das dritte die verbleibenden Restspannungen. So bleibt der Rundlauf erhalten.

Nach dem Vorfräsen sind die Spannungen im Teil am grössten, durch die Schnittkräfte und die Wärme. Werden sie in diesem Zustand abgebaut, kann das Fertigfräsen das Teil nicht mehr verziehen. Darum vibriert man nach dem Vorfräsen und nicht erst nach dem Fertigfräsen.

In grossen Bauteilen sind die Makrospannungen oft tief im Material verteilt, aus ungleichmässigem Abkühlen oder Bearbeiten. Die Resonanzfrequenz massiver Teile ist tiefer, man arbeitet also eher im unteren Frequenzbereich.

Ja. Kleine Bauteile erreichen ihre Resonanzfrequenz leichter, die Spannungen lassen sich oft gleichmässiger abbauen.

Harte Schweissnähte halten besser als weiche. Weichglühen schwächt eine Schweisskonstruktion, und das wollen viele Maschinen- und Anlagenbauer nicht. Auch Kranbauer sind froh, wenn die Nähte möglichst hohe Lasten aufnehmen. Vibrationsentspannen baut Spannungen ab, ohne die Härte und Festigkeit der Naht zu verringern. Wichtig ist zu wissen, welches Verfahren wo das richtige ist.

Mit dem POLDI-System haben wir gemessen, dass Schweissnähte, die wir bei 650 °C geglüht hatten, viel weicher wurden als ungeglühte Nähte. Das zeigt, wie empfindlich der Glühprozess auf die Temperatur reagiert. Der Nachteil: Die Naht verliert auch an Haltekraft. Beim Glühen muss man also genau abwägen, wie weit man die Naht weich werden lassen darf.

POLDI (Pulse Overlap Diffractometer) ist ein Neutronen-Diffraktometer am Paul Scherrer Institut (PSI) in der Schweiz. Es misst mit gepulster Neutronenstrahlung Spannungen und Strukturen im Inneren von Bauteilen, ohne sie zu zerstören. Es wird oft für Schweissnähte, metallische Werkstoffe und komplexe Strukturen eingesetzt.

Die WIAP hat 2018 mit POLDI Vergleichstests gemacht: ein spannungsarm geglühtes Teil, ein MEMV-entspanntes Teil und ein unbehandeltes Teil. So lässt sich genau zeigen, wie das Vibrieren im Vergleich zum Glühen wirkt, und dass Vibrieren Spannungen abbauen kann, ohne die Festigkeit der Naht zu verringern.

Eine vollständige Liste gibt es nicht. Die Schweizer WIAP AG gilt als einer der Pioniere auf diesem Gebiet, mit zahlreichen Patenten, einem breiten Angebot an Vibrationsanlagen für verschiedene Bauteilgrössen und laufender Weiterentwicklung.