Schweißverbindungen

Aus BS-Wiki: Wissen teilen
Wechseln zu: Navigation, Suche

Schweißen1.jpg

Allgemeines

Schweißverbindungen werden vielseitig eingesetzt. Anwendung primär für Stahl, aber auch für Stahlguss, bedingt für Grauguss (Reparatur-Schweißung), für Aluminium-, 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 Schweißzusatzwerkstoff. 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.

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.

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 Korrosionsschutzmaßnahmen )
  • Zeitersparnisse
  • werkstoffsparende, wirtschaftliche Leichtbauweise
  • keine Schwächung
  • größere konstruktive Gestaltungsfreiheit
  • genügt den ästhetischen Ansprüchen

( gegenüber Guss-, Niet- und Schraubverbindungen )

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.

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 in verschiedenen Branchen und Anwendungen:

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

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.

Normen für Zusatzwerkstoffe

Die Zusatzwerkstoffe 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


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).

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

Weiterführende Literaturhinweise in obigen Fachbüchern [1], [2] und [4].

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

Abgerufen von „http://bs-wiki.de/mediawiki/index.php?title=Schweißverbindungen&oldid=4054“