Schweißverbindungen

Schweißen ist ein Vereinigen metallischer oder nicht metallischer Werkstoffe
in weichteigigem oder schmelzflüssigen Zustand mit oder ohne Zusatz von
artgleichem Werkstoff (Zusatzwerkstoff) mit oder ohne Anwendung von Druck.

Im Stahl- bzw. Maschinenbau ist Schweißen (Fügen) das wichtigste Verfahren
zum Herstellen unlösbarer Verbindungen.

Wegen der hohen Güteanforderungen an Schweißkonstruktionen
müssen die Fertigungsbetriebe eine entsprechende Eignung
(Eignungsnachweis, Verfahrensprüfung) vorweisen.

Funktion und Wirkung

Wirkprinzip und Anwendung

Beim Verbindungsschweißen werden die Teile am Schweißstoß durch Schweißnähte
unlösbar zu einem Schweißteil zusammengefügt. Durch Schweißen von
Schweißteilen entstehen Schweißgruppen. Das fertige Bauteil kann aus einer oder mehreren
Schweißgruppen bestehen.
Im Maschinenbau unterscheidet man zwischen Verbindungsschweißen und dem Auftragsschweißen.

Als feste stoffschlüssige Verbindungen sind Schweißverbindungen besonders geeignet:

• zum Übertragen von Kräften, Biege- und Torsionsmomenten,
• zum kostengünstigen Verbinden von Einzelstücken bis zu größten Abmessungen und bei Kleinserien,
• zum Einsatz bei höheren Betriebstemperaturen,
• als instandhaltungsfreundliche Konstruktionen,
• für dichte Fügestellen.

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Vorteile von Schweißverbindungen

allgemein

• Ermöglicht werkstoffsparende, wirtschaftliche Leichtbauweise.

gegenüber Nietverbindungen und Schraubenverbindungen:

• Gewichtsersparnis durch Wegfall der Überlappung Laschen und Niet- bzw.Schraubenköpfe.
• Glatte Wände genügen ästhetischen Ansprüchen und erleichtern Reinigung und Korrossionsschutzmaßnahmen.
• Keine Schwächung der Stäbe und Bleche durch Niet – oder Schraublöcher.

gegenüber Gusskonstruktionen:

• Große konstruktive Gestaltungsfreiheit.
• Gewichtsersparnis durch wesentlich geringere Wanddicken und kleinere Bauteilquerschnitte (Leichtbau).
• Entbehrliches Gießmodell führt zu geringeren Kosten (bei kleinen Stückzahlen).

Nachteile:

• Da der Schweißvorgang naturgemäß zu Schrumpfungen, hohen inneren Spannungen und Gefügeveränderungen im Nahtbereich führt, kann oft nur mit beträchtlichen Aufwand der Gefahr des Sprödbruchneigung und der Rissbildung begegnet werden, was mit hohen Anforderungen an die Qualifikation des Schweißpersonals verbunden ist.
• Das Richten verworfener Schweißteile durch die Wärmeausdehnung ist zeit und kostenaufwendig.
• Schweißen auf Baustellen im Stahlbau häufig schwieriger und teurer als Nieten oder Schrauben.
• auf artgleiche Werkstoffe angewiesen
  

Frage:1 Welche Temperaturen in Grad Celsius werden beim Schweißen benötigt? Lösung 1

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Schweißverfahren

Waren es zu Beginn des letzten Jahrhunderts noch ca. 10 Schweißverfahren in der Schweißtechnik, so werden heute über hundert Schweißverfahren angewandt, von denen jedoch nur sieben Verfahrensgruppen für ca. 95 % aller Schweißteile zum Einsatz kommen. Diese wären MSG, Laser, Lichtbogen-Hand, Unter-Pulver sowie Gasschmelzschweißen.
Schweißverfahren unterscheiden sich u.a. auch in der Form der Energieabgabe.

Auswirkung des Schweißverfahren

Schweißeigenspannungen und Schweißverzug enstehen durch ungleichmäßige Erwärmung und plastische Formänderungen. Die durch den Schweißvorgang verursachten, örtlich konzentrierten thermischen Formänderungen werden durch angrenzende kalte Querschnittsteile sowohl beim Erwärmen als auch beim Abkühlen behindert, was zu plastischen Verformungen führt. In der erwärmten Zone entstehen durch Dehnbehinderungen Druckspannungen, die sich beim Abkühlen in Zugspannungen umkehren.
Bezogen auf die Schweißnaht lassen sich am Schweißteil folgende Bewegungsrichtungen der Schrumpfung unterscheiden:

• Längsschrumpfung
• Querschrumpfung
• Dickenschrumpfung (ohne größere Bedeutung)
• Winkelschrumpfung
  

Eine Behinderung des Schweißverzuges kann durch steife Einspannung erfolgen, dies hat aber höhere Schweißeigenspannung zur Folge.

Maßnahmen zur Verringerung der Schweißeigenspannung sind

Einsatz von Werkstoffen mit:

• geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten,
• kleinem Streckgrenzenverhältnis,
• geringer Festigkeit,
• mit großem Formänderungsvermögen.

Konstruktive Maßnahmen

• Nahtanhäufung und Nahtkreuzungen vermeiden
• Abkanten statt Schweißen

Fertigungstechnische Maßnahmen

• Spannungsarmglühen (alle Spannungen die oberhalb der Warmstreckgrenze liegen, werden durch plastisches Fließen abgebaut)
  
• Kaltverformen durch gezieltes Plastifizieren der Eigenspannung,
• Verminderung des Wärmeeintrages,
• schrumpfgerechte Schweißfolge,
• schrittweises Schweißen, (Pilgerschweißen)
• Vibrationsentspannen,
• Oberflächenverformung (Erzeugung von Druckeigenspannung, die den Zugeigenspannungen entgegenwirken, z.B. Kugelstrahlen, Abhämmern)

Frage:2 Was sind die wichtigstenen Vorteile von Schweißverbindungen gegenüber den Niet- oder Schraubverbindungen? Lösung 2

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Stoß- und Nahtarten

Die verschiedenen Stoßarten. Quelle http://www.tedata.com/1123.0.html / tedata.com

Der Schweißstoß

ist der Bereich, in dem die Bauteile durch Schweißen miteineinander
vereinigt werden. Nach der konstruktiven Anordnung lassen sich
die Stoßarten, wie hier im Bild gezeigt, unterscheiden.

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Die Schweißnaht

Die Schweißnaht vereinigt die Bauteile am Schweißstoß. Die Nahtart hängt im wesentlichen von der Stoßart, der Nahtvorbereitung (Fugenform), dem Werkstoff und dem Schweißverfahren ab.
Die Naht muß am Schweißstoß durch den Spalt bzw. der Fuge so vorbereitet werden, dass ein Aufschmelzen der Kanten, ein Durchschweißen der Wurzel
sowie ein vollkommendes Füllen des Nahtquerschnittes gewährleistet ist.

Die gängigsten Nahtarten

Bezeichnung	V-Naht	I-Naht	Y-Naht	U-Naht	doppel V-Naht	Bördel-Naht	Kehl-Naht	doppel Kehl-Naht
Darstellung
Sinnbild

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sämtliche Nahtarten

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mehrlagiger Schweißnahtaufbau

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Bindefehler

Typische Bindefehler beim Schweißen

Fehler	Darstellung
Lagebindefehler
Wurzelbindefehler
Flankenbindefehler
ungenügende Durchschweißung
nicht durchgeschweißte Wurzel	Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes: Datei fehlt Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes: Datei fehlt

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Arbeitspositionen

Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes: Datei fehlt

Schweißpositionen

Die Arbeitspositionen nach DIN EN ISO 6947 und DIN 1912-2 werden durch die Lage der Schweißnaht
im Raum und die Arbeitsrichtung bestimmmt. Sie können mit Hilfe eines Neigungswinkel und eines Drehwinkels genau beschrieben werden.
Die für die Schweißpraxis wesentlichen Hauptpositionen sind in der nebenstehenden Grafik "Schweißpositionen" aufgeführt.
Wenn irgend möglich, sollte die PA-Position (Wannenlage) eingesetzt werden.

Mit ihr ergeben sich folgende Vorteile:

• hohe Abschmelzleistung

• geringe Fehlerhäufigkeit

• gute Nahtausbildung

• ergonomisch günstig

• geringe Schadstoffemissionen

Frage:3 Was sind die "großen" Nachteile beim Schweißen und wie entstehen sie? Lösung 3

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Schweißgerechtes Gestalten

Allgemeine Konstruktionsrichtlinien: Die nachstehend aufgeführten Richtlinien sollten bei Entwurfsarbeiten
unbedingt beachtet werden. Sie sind entsprechend den die Schweißbarkeit
bedingten Einflussgrößen Werkstoff, Konstruktion, und Fertigung geordnet.

Werkstoffgerecht:

• Schweißneigung der Grund- und Zusatzwerkstoffe beachten
• Bei komplizierten Bauteilen mit Schweißnahtanhäufung nur fließfähige Baustähle verwenden (Feinkornstähle)
• Hochfeste, teure Stähle bringen bei starker Kerbwirkung im Bereich der Wechselfestigkeit kaum Vorteile
• In Hohlkehlen von Walzprofilen aus unberuhigt vergossenen Stählen und in kaltverformten Bereichen von Bauteilen Schweißnähte vermeiden.

Beanspruchungsgerecht:

• Eigenart der Schweißtechnik beachten
• Einfache Bauelemente verwenden
• Sicherste Schweißverbindung: Stumpfnaht
• Ungestörte Kraftflusslinien anstreben; Kerben und Steifigkeitssprünge vermeiden
• Möglichst wenig Schweißnähte
• Lange, dünne Nähte anstreben, anstelle von kurzen, dicken Nähten.
• Wenn Nahthäufungen nicht zu vermeiden sind, Einschweißteile verwenden
• Schweißnähte in weniger beanspruchte Stellen legen
• Keine Nähte in Passflächen
• Nahtwurzel nicht in Zugzone
• Kehlnähte möglichst doppelseitig; bei dynamischer Beanspruchung als Hohlkehlnähte
• Bei Torsionsbeanspruchung möglichst geschlossene Querschnitte wählen
• Zur Biegeebene unsymmetrische Profile nur im Schubmittelpunkt belasten oder paarweise zu symmetrischen Trägerprofilen zusammensetzen

Fertigungsgerecht:

• Schweißstellen müssen zugänglich und mit dem gewählten Schweißverfahren einwandfrei ausführbar sein.
• Schweißen in Wannenposition anstreben (Schmelze in einer Wanne).
• Wirtschaftliches Schweißverfahren wählen.
• Keine zu hohen Bewertungsgruppen(DIN EN 25817) vorschreiben.
• Wärmebehandlung nur vorschreiben, wenn von der Sicherheit des Bauteils wirklich gefordert wird.
• Zerstörungsfreie Nachprüfungen müssen durchführbar sein.

Frage:4 Was ist bei der Vorbereitung einer Schweißnaht zu beachten? Lösung 4

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Berechnung geschweißter Druckbehälter nach AD 2000

Ein ausführliches Rechenbeispiel für Druckbehälter ist hier in einer PDF-Datei hinterlegt.
Step by Step werden hier die einzelnen Schritte durchgearbeitet um so zum gewünschten Erfolg zu kommen.

Bei der Herstellung von Druckbehältern müssen die Werkstoffe sorgfältig ausgewählt werden. Das AD 2000 Regelwerk liefert bestimmte Vorgaben zur Werkstoffwahl. Das 3.1B Zeugnis ist ein Beispiel dafür, was bei bestimmten Druckbehältern verlangt wird.

Berechnungsbeispiele

Beispiel der Excel-Tabelle

Aufgaben zur Berechnung von Druckbehältern sind hier zu finden. Um die sog. Leistungskontrolle zu überprüfen,
sind hier die passenden Lösungen dazu.

Eine Exceltabelle zur Berechnung von Druckbehältern kann man hier öffnen. In dieser Tabelle kann man die verschiedenen Parameter verändern um so
die passende Behälterwandung zu ermitteln.
Die iterative Vorgehensweise bei der Klöpperboden Dimensionierung wird hier erheblich vereinfacht.

Powerpointpräsentation

Hier ist noch eine Foliensammlung als PDF-Datei zu diesem Thema hinterlegt.

SchweißerChat

Fragen, Diskussionsbedarf?
Im Chatroom Schweißverbindungen sollen diverse Fragen, Anregungen, Tipps zum Thema Schweißen diskutiert werden.

Literatur

Viele dieser Berichte oder Texte sind unter anderen entstanden mit der Hilfestellung folgender Bücher:

	Roloff/Matek: Maschinenelemente, Lehrbuch und Tabellenbuch,Vieweg Verlag, 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X , € 36,90.
	Roloff/Matek Maschinenelemente Formelsammlung,Vieweg Verlag, 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4, € 20,90.
	Tabellenbuch Metall, 43. Auflage. Europa Verlag , ISBN 3-8085-1673-9, € 21,50
	Schal Fertigungstechnik 2, Verlag Handwerk und Technik , 10. Auflage, ISBN 3-582-02313-3, € 42,80.
	AD 2000 Regelwerk, Beuth Verlag, ISBN-10: 3452259684 , EUR 279,50.

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Weblinks

• Schweißverbindungen als Google-Suchbegriff
• Schweißverbindungen in der Wikipedia
• Schweißverbindungen hier in bs-wiki.de mit Google
• Schweißverbindungen als Youtube-Video
• Die Verbindungsspezialisten
• Linde Gas
• Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Nord
• ISF Aachen Pdf Datei zu Thema Schweißfehler
• TU-Berlin Gestaltung von Schweißverbindungen
• Druckgeräte-online; AD 2000
• Airliquide
• EWM-Schweißlexikon, E-Hand, MIG/MAG, WIG u. Plasmaschweißen umfassend dargestellt, PDF (104 S., 3 MB)

9977--Egmont 13:23, 28. Jun. 2008 (CEST)
11562--Egmont 20:27, 25. Aug. 2008 (CEST)
12885--Egmont 18:25, 28. Sep. 2008 (CEST)
13198--Egmont 20:46, 5. Okt. 2008 (CEST)
14411--Egmont 23:40, 5. Nov. 2008 (CET)
27827--Egmont 16:48, 13. Sep. 2009 (CEST)
43968--Egmont 21:56, 3. Mai 2010 (CEST) Egmont Jank

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Unterrichtseinheit Schweißverbindungen FSM2-2007

Media:Schweißverbindungen.ppt
Media:Aufgabe_Maßnahmen_gegen_Verzug.doc
Media:Aufgabe_Berechnung_Druckbehälter.doc
Media:Musterlösung_zur_Berechnung_eines_geschweißten_Druckbehälters_nach_AD_2000_Regelwerk.doc