Schweißverbindungen: Unterschied zwischen den Versionen
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Version vom 27. Februar 2006, 14:15 Uhr
Inhaltsverzeichnis
Allgemeines
Schweißverbindungen sind stoffschlüssige Verbindungen sie werden vielseitig eingesetzt und haben eine lange geschichtliche Entwicklung hinter sich ( siehe: Geschichtliche Entwicklung der Schweißtechnik). Anwendung primär für Stahl( siehe:Herstellung von Stahl), aber auch für Stahlguss, bedingt für Grauguss (Reparatur-Schweißung), Aluminium-, Titan-, Kupfer-, Magnesium-Legierungen, für Nickel, Zink, Blei und thermoplastische Kunststoffe.
Im Maschinenbau wird bei kleinen Stückzahlen, im Leichtbau und bei kurzen Lieferzeiten geschweißt.
Für die drei Hauptanwendungsgebiete
- Stahlbau (Brücken, Krane)
- Druckbehälterbau
- allgemeiner Maschinenbau
wurden für die Berechnung, Herstellung und Prüfung unterschiedliche nationale und internationale Richtlinien, Normen und Vorschriften erstellt.
Bei der schweißgerechten Konstruktion sind daher die allgemeinen Richtlinien für die Gestaltung und Berechnung, im speziellen aber die unterschiedlichen Normen und Vorschriften einzuhalten.
Schweißen vs. Löten
Schweißen
Unter Schweißen versteht man gemäß DIN 1910-1 (DIN 1910-1 wurde in weiten Teilen durch DIN ISO 857-1 ersetzt) das unlösbare Verbinden von Bauteilen unter Anwendung von Wärme und/oder Druck / ohne oder mit der Verwendung von Schweißzusätzen. Besonders häufig sind Schmelzschweißverfahren zweier meist metallischer Materialien. Die Verbindung erfolgt je nach Schweißverfahren in einer Schweißnaht oder einem Schweißpunkt. Die zum Schweißen notwendige Energie wird von außen zugeführt. Es kann durch Schweißhilfsstoffe, z.B. Schutzgase, Schweißpulver oder Pasten, ermöglicht oder erleichtert werden.
Kehlnaht
Die Schweißteile liegen in zwei Ebenen, welche einen Winkel von etwa 90° bilden. Die Kehlnaht bedarf meistens keiner besonderen Vorbereitung und ist daher einfach und wirtschaftlich herzustellen. Besonders bei dynamischer Belastung ist die Kehlnaht bedeutend ungünstiger als die Stumpfnaht.
Punktschweißverbindung
Beim Punktschweißen werden die aufeinandergepressten, flächigen, Teile meist linsenförmig geschweißt. Wegen der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wird die Punktschweißverbindung trotz der geringen Belastbarkeit in vielen Bereichen angewendet: Einzelfertigung, Serienfertigung, Fahrzeugbau, Stahlbau.
Vorteile
- Gewichtsersparnisse durch wesentlich geringere Wanddicken und kleinere Bauteilquerschnitte
- größere Formsteifigkeit
- größere Schwingungsdämpfung
- glattere Wandungen ( erleichtern Reinigung und den Oberflächenschutz )
- Zeitersparnisse
- werkstoffsparende, wirtschaftliche Leichtbauweise
- keine Schwächung
- größere konstruktive Gestaltungsfreiheit
- genügt den ästhetischen Ansprüchen
( gegenüber Gussverbindungen, Nietverbindungen und Schraubenverbindungen )
Nachteile
1. Begleiterscheinungen Beim Schweißen wird das Bauteil örtlich auf Schmelztemperatur erwärmt. In der Umgebung des Schmelzbades entstehen unerwünschte Gefügeveränderungen. Beim Abkühlen entstehen Schrumpfungen; werden diese behindert, entstehen Schrumpf-(Eigen-)Spannungen.
Aus diesen Vorgängen können die Anforderungen an den Bauteil- und Zusatz-Werkstoff abgeleitet werden: kleine Gefüge- und Festigkeits-Veränderungen beim Umschmelzen, große plastische Verformbarkeit.
2. Werkstoffveränderungen Bei der Erwärmung von Stahl entstehen Gefügeumwandlungen, die sich Negativ auf die Struktur des Materials auswirkt. Bei einer schnellen Abkühlung entstehen Härtespitzen. Bei Temperaturen über 950°C entsteht ein grobes Gefüge, nach Abkühlung somit ein grobes oder Gefüge mit erhöhter Sprödbruchgefahr. Grobkorngefüge kann durch nachträgliches Normalglühen wieder beseitigt werden. Wirtschaftlicher ist die Verwendung feinkornbildender Legierungselemente (Al, V, Ti, Ta).
Die verbleibenden Eigenspannungen führen meistens zu einem Verzug des Schweißteils.
Ein Abbau der Eigenspannungen kann durch Spannungsarmglühen erfolgen. Das Spannungsarmglühen von Stahl erfolgt bei 450 - 650°C wodurch die Fließgrenze auf sinkt. Dabei werden bei Stahl gleichzeitig auch Härtespitzen abgebaut.
Schweißverfahren
Eine allgemeine Übersicht über Schweißverfahren mit den zugehörigen Begriffen enthält DIN 1910. Die Auswahl des Schweißverfahrens hat bereits im Entwicklungsstadium zu erfolgen, wobei technische und wirtschaftliche Gesichtspunkte berücksichtigt werden müssen. Mitentscheidend sind dabei die Güteanforderungen, der Werkstoff, die Bauteil-Größe bzw. -Dicke und die Betriebseinrichtungen.
Wirtschaftliche Bedeutung haben heute in verschiedenen Branchen und Anwendungen:
- Lichtbogenhandschweißen
- Schutzgasschweißen(MIG, MAG, WIG)
- Unterpulverschweißen
- Gasschmelzschweißen
- Elektrisches Widerstands-Schweißen = Press-Schweißen
- (Stumpf-, Punkt-, Rollennaht-Schweißung)
- Kunststoffschweißen
Auswahl des Schweißverfahrens
Folgende Kriterien müssen bei der Auswahl des Schweißverfahrens in Betracht gezogen werden:
- Wirtschaftlichkeit (eng verknüpft mit der Automatisierbarkeit)
- Schweißposition (manche Verfahren nur für Wannenposition)
- Qualität (Durchschweißung, Dichtheit), eng verknüpft mit der Festigkeitsanforderung
- Festigkeitsanforderung
Grundsätze
Beim Entwurf einer Schweißkonstruktion sind folgende Fragen zu beantworten:
- Welche Aufgabe soll die Konstruktion erfüllen?
- Welche Belastungen treten auf?
- Welche Werkstoffe kommen in Frage?
- Welches Schweißverfahren kann angewendet werden?
- Welche Qualität muss gefordert werden?
Gestaltungseinflüsse
Folgende Faktoren beeinflussen die Gestaltung von Schweißkonstruktionen:
- Art der Belastung: ruhend, schwingend, schwellend, wechselnd
- Art der Beanspruchungen: Zug, Druck, Biegung, Torsion
- Äußere Einflüsse: Temperatur, Korrosion, Verschleiss
- Art des Schweißverfahrens: Hand, Automat
Fertigungsgerechtes Planen
- So wenig wie möglich schweißen (Walz- und Abkantprofile anwenden).
- Einfache Nahtformen (Kehlnähte) anstreben.
- Auf gute Zugänglichkeit achten.
- Schweiß-Nähte nicht in Passflächen legen (keine Nachbearbeitung).
- Hochleistungs-Schweißverfahren wenn immer möglich anwenden.
- Toleranzen nicht enger als erforderlich wählen und ausreichend Bearbeitungszugaben vorsehen.
- Auf gute Prüfmöglichkeit achten (Stumpfnaht).
Werkstoffwahl
Bei der Auswahl des Werkstoffes ist dessen Schweißeignung im Zusammenhang mit dem Verfahren zu überprüfen. Folgende Faktoren beeinflussen die Schweißeignung:
Chemische Zusammensetzung
Die chemische Zusammensetzung bestimmt die
- Aufhärtungsneigung
- Sprödbruchneigung
- Alterungsneigung
- Heißrissneigung
- Schmelzbadverhalten.
Metallurgische Eigenschaften
Die metallurgischen Eigenschaften sind bestimmend für die
- Gefügeausbildung
- Korngröße
- Seigerungen
- Einschlüsse
Physikalische Eigenschaften
Die physikalischen Eigenschaften
- Schmelzpunkt
- Wärmeleitfähigkeit
- E-Modul, Querkontraktionszahl
- Festigkeit
- Fliessgrenze
sind verantwortlich für die
- Eigenspannungen
- Verzug
- Schrumpfung
Hinweise zur Schweißbarkeit der Werkstoffe siehe DIN 8528 T1.
Schweißzusätze
Normung
Die Schweißzusätze sind auf den Grundwerkstoff abzustimmen. Meistens hat der Zusatzwerkstoff eine bedeutend höhere Festigkeit als der Grundwerkstoff.
Die Zusatzwerkstoffe sind in den Normen erfasst:
- Gasschweiß-Stäbe: DIN 8554
- Umhüllte Stabelektroden: DIN 1913
- Feinkornbaustähle: DIN 8529
- nichtrostende und hitzebeständige Stähle: DIN 8556
- warmfeste Stähle: DIN 8575
- Aluminium: DIN 1732
Farbkennzeichnung
Um eine Verwechslung unter Schweißstäben und – Drähten auszuschließen, ist deren Kennzeichnung erforderlich. Ausgenommen hiervon sind einige Sorten von untergeordneter Bedeutung, die in der Farbzeichnungstabelle nicht aufgeführt sind.
Auf der Spule oder an einem Stabende, an dem nicht geschweißt wird, bezeichnet eine etwa 20mm Farbmarkierung die jeweilige Hauptgruppe des Werkstoffes entsprechend dem Basismetall. Soweit erforderlich, ist zur weiteren Unterscheidung die Farbe für eine Untergruppe innerhalb der jeweiligen Legierung festgelegt. Die 5 in Betracht kommenden Hauptgruppen unterscheiden sich durch folgende Farben.
- Stahl- und Eisenlegierungen / verschiedene Hauptfarben, verschiedene Nebenfarben.
- Nickel- und Kobaltbasislegierungen / Hauptfarbe Blau und Lila, verschiedene Nebenfarben.
- Aluminium-Legierungen / Hauptfarbe Grün, verschiedene Nebenfarben.
- Magnesium-Legierungen / Hauptfarbe Gelb, verschiedene Nebenfarben.
- Titan- und Titanlegierungen / Hauptfarbe Schwarz, verschiedene Nebenfarben.
Darstellung
Die Darstellung der Schweißnähte auf Fertigungszeichnungen wird durch diverse Normen geregelt. Dabei werden Nahtform, Güte, Schweißverfahren etc. eindeutig festgelegt. Man spricht hier von "schweißgerechtem Konstruieren".
Sicherheit
- Spalten und offene Hohlräume vermeiden (Korrosionsgefahr).
- Bei Schweißteilen, welche einer Glühbehandlung unterzogen werden, sind Hohlräume unbedingt zu öffnen (Explosionsgefahr).
- Schweißnähte nicht an höchstbeanspruchte Stellen legen.
- Kraftangriffspunkt in Schwerachse des Querschnittes, um Biegung zu vermeiden.
- So wenig wie möglich schweißen (Walz- und Abkantprofile anwenden).
- Einfache Nahtformen (Kehlnähte) anstreben.
- Auf gute Zugänglichkeit achten.
- Schweiß-Nähte nicht in Passflächen legen (keine Nachbearbeitung).
- Hochleistungs-Schweißverfahren wenn immer möglich anwenden.
- Toleranzen nicht enger als erforderlich wählen und ausreichend Bearbeitungszugaben vorsehen.
- Auf gute Prüfmöglichkeit achten (Stumpfnaht).
Berechnungen
Auf analytischem Wege ist es nicht möglich die genauen Maximalspannungen in einer Schweissnaht zu berechnen. Mit Hilfe der Finite Elemente Methode (FEM) ist es möglich, relativ genau die Spannungsspitzen in einer Schweissnaht zu bestimmen. Da die örtlich im Schweissgut und vor allem in der wärmebeeinflussten Zone ertragbaren Beanspruchungen nicht bekannt sind, hilft jedoch auch dies nicht viel weiter.
Die Berechnung einer Schweissnaht basiert daher immer auf der Bestimmung einer theoretischen Nennspannung in der Schweissnaht oder in der wärmebeeinflussten Zone daneben. Die ertragbare Nennspannung für statische und dynamische Lastfälle wird in Versuchen an Probekörpern mit der entsprechenden Schweissnaht-Ausführung und -Güte ermittelt. Die zulässige Nennspannung wird dem Einsatz und der Qualität entsprechend nach Erfahrung festgelegt.
Für die zwei Hauptanwendungsgebiete
- Stahlbau (Hochbau, Brücken, Krane)
- Druckbehälterbau
wurden unterschiedliche nationale und internationale Richtlinien, Normen und Vorschriften für die Gestaltung und Berechnung von verschiedenen Gremien verfasst.
In einer Schweissverbindung können Normalspannungen und Schubspannungen unterschiedlicher Orientierung auftreten: Normalspannung quer, Normalspannung längs (parallel), Schubspannung quer, Schubspannung längs. Die ertragbare Beanspruchung ist für diese Spannungskomponenten unterschiedlich, die Ermittlung einer Vergleichsspannung empfehlenswert, ihre Genauigkeit ist aber sehr mangelhaft.
Die Punktschweissverbindung sollte auf Scherung belastet werden, Kopfzug, Schälen und Torsion eines Einzelpunktes sind zu vermeiden.
Bei der statischen Scherbelastung wird die Schub-Nennspannung im Schweisspunkt gerechnet. Diese darf maximal 65% der zulässigen Normalspannung sein (im Stahlbau gemäss DIN 18800). Ausser der Scherspannung wird die Lochleibung an einem virtuellen Bolzen überprüft.
Für dynamisch beanspruchte Punktschweissverbindungen sind die Merkblätter DVS 2902 T3, DVS 2923 und DVS 2906 der DB heranzuziehen, in der Luft- und Raumfahrt ist die DIN 29878 anzuwenden.
Literaturhinweise
- Roloff/Matek: Maschinenelemente, Lehrbuch und Tabellenbuch, Vieweg Verlag 17. Aufl. 2005, ISBN 3-528-17028-X, € 34,90.
- Maschinenelemente, Band I, G. Niemann, 2. Auflage 1981, Springer-Verlag
- AD-Merkblätter, TÜV, Heymanns-Verlag und Beuth-Verlag
- Schweißtechnisches Konstruieren und Fertigen, Volkmar Schuler, Vieweg-Verlag
Links
Fragen
- 1. Wann werden im Maschinenbau Schweißverfahren eingesetzt?
- 2. Was genau ist eine Kehlnaht?
- 3. Nenne 3 Vorteile die das Schweißen hat.
- 4. Nenne 3 Nachteile die das Schweißen hat.
- 5. Nenne 3 Sicherheitskriterien auf die man beim Schweißen achten muß.
Lösungen hier: Schweißverbindungen: Antworten --Anthony
