Diskussion:Schweißverbindungen

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Schweißen1.jpg

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, 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 HauptanwendungsgebieteA

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 (Außnahme: Aluminothermisches Schweißen). Das Schweißverfahren kann durch Schweißhilfsstoffe, z.B. Schutzgase, Schweißpulver oder Pasten ermöglicht oder erleichtert werden.

Kehlnaht

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.

Stumpfnaht

Bei der Stumpfnaht liegen die Schweißteile in einer Ebene und bilden eine Fuge.

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.

punktschweißen2.gif

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. Dabei werden bei Stahl gleichzeitig auch Härtespitzen abgebaut.

Siehe auch: Wärmebehandlung von Stahl

Lötverbindungen

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 folgende Verfahren:

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).
  • Wenn immer möglich, Hochleistungs-Schweißverfahren 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

Physikalische Eigenschaften

Die physikalischen Eigenschaften

sind verantwortlich für die

Hinweise zur Schweißbarkeit der Werkstoffe siehe DIN 8528 T1.

Wärmebehandlung von Stahl

Schweißzusätze

Grundsätzlich gilt die Forderung „Artgleich“ zu schweißen. Die chemische Zusammensetzung des Schweißzusatzwerkstoffes weicht jedoch von der des Grundwerkstoffes ab, besonders wenn diese höher legiert sind, um den Abbrand von Legierungs-Elementen zu kompensieren (zwischen Grundwerkstoff und Schweißgut).

Wichtig ist die Beachtung der Rissgefahr beim Schweißen:

Es ist ein Schweißzusatz zu verwenden, der der Rissgefahr beim Schrumpfen entgegenwirkt. Dies passiert durch die Zugabe von so genannten Keimbildnern (z.B.: Ti, Cr, Mn). Die Gefahr der Rissbildung ist besonders bei aushärtbaren Legierungen der Fall, weil diese wenig Korngrenzen – Eutektikum haben. Der Nachteil kann durch den Zusatz höher legierter Schweißzusätze ausgeglichen werden, die nicht aushärtbar sind.

Normung

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".


Unbenannt.JPG

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).
  • Wenn immer möglich, Hochleistungs-Schweißverfahren anwenden.
  • Toleranzen nicht enger als erforderlich wählen und ausreichend Bearbeitungszugaben vorsehen.
  • Auf gute Prüfmöglichkeit achten (Stumpfnaht).

Siehe auch: Prüfen von Schweißverbindungen

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.

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.

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


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

--Anthony

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