K09: WSG 5 - Schweißen

Schweißen:

Vereinigen von Werkstoffen in der Schweißzone unter der Anwendung von Wärme und/oder Kraft ohne oder mit Schweißzusatz.

• Gewichtsersparnis bei gleicher Steifigkeit und Festigkeit

• Leichtbauweise möglich

• Geringere Nachbearbeitung

• Einsparung der Modellkosten und geringere Fertigungszeit

• Kürzere Fertigungszeiten als bei Gusskonstruktionen

• Schweißverzug

• Schrumpfspannungen

• Beeinträchtigung der Werkstoffe

• Geringere Dämpfungseigenschaften für mechanische und akustische Schwingung

• Bei Serienfertigung: Höhere Fertigungskosten als beim Gießen

• Plattenbauweise

• Zellenbauweise

• Gitterbauweise

• Kastenbauweise

Verbinden von wenigen dicken Platten mit wenigen, kräftigen, meist mehrlagigen Schweißnähten

z.B. Vorrichtungen

Verbinden einer Vielzahl an dünnen Blechen zu steifen, verrippten Hohlkörpern mittels Kehl-, Eck- und Stumpfnähten

z.B. Getriebegehäuse, Maschinenständer

Fachwerkbauweise mit Halbzeugen als Ausgangsmaterial

z.B. Baukrane, Freileitungsmasten, Geländer

Hohlbauweise, bei der Bleche, U-Profile oder abgedeckte Bleche mit Längskehl- oder Längsstumpfnähten zusammengeschweißt werden

z.B. geschlossene Träger und Säulen

Die beste Schweißkonstruktion ist die, an der am wenigsten geschweißt wird … bzw. überhaupt nicht geschweißt wird…

Negative Auswirkungen der “Schwachstelle Schweißnaht” sind nur zu vermeiden durch Abstimmung von:

• Werkstoff

• Konstruktion

• Schweißverfahren und Durchführung der Schweißarbeiten

• Schweißeignung

• Schweißsicherheit

• Schweißmöglichkeit

• Chemische Zusammensetzung

  • Sprödbruchneigung

  • Alterungsneigung

  • Härteneigung

  • Warmrissneigung

  • Schmelzbadverhalten

• Metallurgische Eigenschaften

  • Gefügebildung

  • Einschlüsse

  • Korngröße

  • Anisotropie

• Physikalische Eigenschaften

  • Schmelzpunkt

  • Ausdehnungsverhalten

  • Wärmeleitfähigkeit

  • Festigkeit und Zähigkeit

Unlegierte Baustähle:

Kohlenstoffäquivalent für legierte Stähle:

• Konstruktive Gestaltung

  • Anordnung der Schweißnähte

  • Kraftfluss

  • Werkstückdicke

  • Kerbwirkung

  • Steifigkeitsunterschied

• Beanspruchungszustand

  • Art und Größe der Spannungen

  • Temperatur

  • Korrosion

Die Kerbwirkung wird beeinflusst…

Lassen sich Kerben nicht vermeiden => zusätzliche Entlastungskerben

Einfachen Kraftfluss und somit eine gleichmäßige Spannungsverteilung anstreben

-> Stumpfnähte gegenüber Kehlnähte bevorzugen, wenn die Anordnung der Bauteile es zulässt

Bei Biegebeanspruchung Nahtwurzel nie in den Zugbereich legen!

Zugbeanspruchung senkrecht zur Walzrichtung vermeiden!

In Passflächen dürfen keine Schweißnähte gelegt werden!

-> Andernfalls kommt es zu einer Schwächung des Nahtquerschnitts in Folge der Nachbearbeitung

Übergang vom offenem zum geschlossenen Querschnitt muss gleichmäßig und auf große Trägerlänge verteilt erfolgen!

-> Sprunghafte Steifigkeitsänderungen führen zu Spannungsspitzen

Vorteil: Verbindung dynamisch sicher

Nachteil: Sprödbruchgefahr an Nahtkreuzung

Vorteil: Keine Nahtkreuzung

Nachteil: Dynamisch nicht so gut wie Nr. 1

Vorteil: Keine Nahtkreuzung

Nachteil: Fehlende Umschweißung der Stirnkante des Knotenblecht bringt Dauerbruchgefahr bei dynamischer Belastung

Bei Biegeträgern mit hohen dünnen Stegen besteht in der Druckzone die Gefahr, dass der Steg seitlich ausweicht - Der Steg beult aus.

Lösungsmöglichkeiten:

• Querversteifungen

  Bei großen Querkräften im Bereich großer Krafteinbringungen (z.B. Auflager, Einzellasten)

• Längsversteifungen

  In der Druckzone im Bereich großer Biegemomente

Der Grundwerkstoff wird durch den Temperaturgradienten in der Wärmeeinflusszone unterschiedlich beeinflusst.

Temperaturgradient und Maximaltemperatur sind abhängig von:

• Leistungsdichte des Verfahrens

• Schweißgeschwindigkeit

• Physikalische Eigenschaften des Werkstoffs

• Besonderheit des Eigenspannungszustandes: Im Bauteil herrscht ein Spannungs- und Momentengleichgewicht

• Störung dieses Gleichgewichts (z.B. durch spanende Bearbeitung) führt zu einem Verzug des Bauteils in Richtung der resultierenden Spannung

• Bei eingespannten Schweißverbindungen (z.B. Rippen) entstehen zusätzlich Reaktionsspannungen

=> Keine Schweißkonstruktion kann verzugs- und eigenspannungsfrei gefertigt werden

• vor allem bei dünnwandigen Konstruktionen kommt es zu Verzug als Folge der Schrumpfungen

• Mithilfe einer festen Einspannung und geeigneter Schweißfolge kann dem Verzug entgegengewirkt werden

• Vorbereitung zum Schweißen

  • Vorwärmen

  • Fugenformen

  • Schweißverfahren

  • Art des Zusatzwerkstoffs

  • Stoßarten

• Ausführung der Schweißarbeiten

  • Wärmeführung

  • Wärmeeinbringung

  • Schweißfolge

• Nachbehandlung

  • Wärmebehandlung

  • Schleifen

• Zuschneiden der Einzelteile

• Formen der Grundteile

• Herstellen der Schweißkanten

• Beim Aufschweißen von Blechen sind Entlüftungsbohrungen vorzusehen

• Der Anschluss mit Kehlnähten ist oftmals günstiger, da Kosten für die Nahtvorbereitung entfallen.

  ABER: Kehlnähte lenken den Kraftfluss um!

• Abflachungen und Überstände vorsehen, um unkontrollierte Anschmelzungen zu vermeiden

• -> Zweckmäßig für den Überstand f ist das zweifache der Nahtdicke

• Vermeiden von Nahtanhäufungen und Kreuzungen

• Zugänglichkeit der Schweißnähte sicherstellen

  Das dargestellte Auge muss ringsum geschweißt werden können

• Überdeckungen vorsehen, da diese eine Anlagefläche bieten und das Fügen von Teilen erleichtern

  -> Zweckmäßig sind 30% der Fläche für die Überdeckung und 70% für die Kehlnaht

• Bei Ringen, Buchsen, Scheiben, Wellen etc. muss ein Mindestluftspalt L = 0,5mm eingehalten werden

  (Zudem erleichtert die Absätze bei Einzelfertigung die Fügeoperation)

Ziele des Schweißfolgeplans:

• Gewährleistung der Zugänglichkeit zum Schweißen und Prüfen

• Möglichst viele Nähte in einer Aufspannung schweißen

• Verzug und Eigenspannungen minimieren

• Wannen- und Horizontalpositionen ermöglichen

Die Zugänglichkeit (und damit die Schweißposition) hat wesentlichen Einfluss auf die Schweißzeiten und damit die Fertigungskosten.

1. Wärmebehandlung vor dem Schweißen:

   Vorwärmen bei:

   • Tiefen Umgebungstemperaturen

   • Großen Werkstückdicken

   • Empfindlichen Werkstoffen

   • Werkstoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit

   • Werkstoffen mit Aufhärtungsgefahr im Nahtbereich und Porenanfälligkeit

2. Wärmebehandlung nach dem Schweißen:

   Ziel: Abbau von Eigenspannungen und ggf. Gefügeveränderungen

   • Spannungsarmglühen

   • Normalglühen

   • Hämmern

   • Flammentspannen

• Wiederstandspressschweißen

  • Punktschweißen

  • Rollennahtschweißen

  • Buckelschweißen

  • Pressstumpfschweißen

  • Abbrennstrumpfschweißen

• Widerstandsschmelzschweißen

  • Elektroschlackeschweißen

• Beanspruchung: Schälen vermeiden -> Scherung anstreben

  (Zudem: Eine Torsionsbeanspruchung von Einzelpunkten ist unbedingt zu vermeiden)

• Wenige, große Schweißpunkte vorsehen

  (keine ausreichende Festigkeit durch viele kleine Punkte)

• Auf gute Zugänglichkeit für die Elektroden achten!

• Große und möglichst ebene, parallele Anlageflächen für die Elektroden vorsehen

Vorteil Prozess:

• Kleiner Strahldurchmesser

• Hohe Schweißgeschwindigkeit

• Berührungsloses Werkzeug

• Schweißen unter Atmosphäre möglich

• Hohe Leistungsdichte

Vorteil Werkstück:

• Minimale thermische Belastung

• Geringer Verzug

• Schweißen fertig bearbeiteter Teile möglich

• Schweißen an schwer zugänglichen Stellen

• Unterschiedliche Werkstoffe schweißbar

Nachteil Prozess:

• Hohe Reflexion an Metallen

• Begrenzte Einschweißtiefe (>= 25mm)

• Hohe Investitionskosten

Nachteil Werkstück:

• Aufwendige Nahtvorbereitung

• Exakte Positionierung nötig

• Aufhärtungsgefahr

• Rissgefahr

• Al, Cu schwer schweißbar

• Technischen Nullspalt durch geeignete Nahtvorbereitung sicherstellen

• Kann das Bauteil am Nahtanfang und -ende nicht bearbeitet werden um den Endkrater zu entfernen, sind Anlauf- und Auslaufstücke zu verwenden