Klausur So Se17 - SS 17 Fügetechnik I (1.Hälfte) PDF

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SS 17 Fügetechnik I (1.Hälfte)...

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Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik Pontstraße 49 52062 Aachen Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. U. Reisgen

Fachprüfung

Fügetechnik I – Grundlagen

Sommersemester 2017

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Erste Hälfte (Aufgabe 1 bis 3 ) 1 1.1

Werkstoffkundliche Grundlagen und Gestaltung von Schweißverbindungen [30 Punkte] In der nachfolgenden Tabelle sind verschiedene Fügeverfahren sowie mögliche Anwendungsfelder aufgeführt. Bitte markieren Sie in den jeweiligen Kästchen, welche Fügeaufgaben mit welchen Verfahren erfüllt werden können! [2,5 Punkte] Lichtbogenschweißen Kleben

Nieten

Montage einer Autoscheibe Längsnaht einer Pipeline Metall-KunststoffVerbindung Aufbringen Verkleidungsblech auf Metallrahmen 1 mm Stahlbleche im Stumpfstoß 1.2

Die Abbildung unten zeigt zwei additiv gefertigte Wandstrukturen. Beide Bauteile wurden mit der gleichen Lagenzahl und gleichen Schweißparametern gefertigt, lediglich die Dicke der Substratplatte variiert (a: 1 mm, b: 10 mm). Welches der beiden Bauteile (a oder b) wird die höheren Eigenspannungen aufweisen? Begründen Sie Ihre Auswahl! [1,5 Punkte]

Auswahl: ___________________________ Begründung: ______________________________________________________________ _________________________________________________________________________

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Erste Hälfte (Aufgabe 1 bis 3 ) Die Wärmeeinflusszone (WEZ) lässt sich gemäß der dargestellten Abbildung in mehrere Gefügezonen unterteilen.

a)

Benennen Sie diese in der Abbildung gezeigten Zonen 1-6! [3 Punkte] 1 2 3 4 5 6

b) Welche der genannten Zonen der WEZ wird als besonders kritisch eingestuft? [1 Punkt] _____________________________________________________________________

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Erste Hälfte (Aufgabe 1 bis 3 ) c)

Zeichnen Sie in die beiden nachfolgenden Diagramme qualitativ die Verläufe der Festigkeit und der Zähigkeit in Abhängigkeit der Härte ein und begründen Sie darunter mit einem Stichpunkt ihre Auswahl aus Aufgabenteil b)! [3 Punkte]

__________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ 1.3

Im Rahmen einer Versuchsreihe führen sie eine MSG-Schweißung mit definierten Einstellungen und Randbedingungen auf einem Stahlblech aus. Auf diese Weise erzielen Sie ein definiertes Schweißresultat. Beantworten Sie darauf aufbauend die nachfolgenden Fragen! (Hinweis: Die Fragen sind jeweils separat zu betrachten!) a) Was wäre bezüglich der Streckenenergie zu erwarten, wenn die Schweißgeschwindigkeit halbiert wird? Belegen Sie Ihre Antwort zusätzlich anhand eines formelmäßigen Zusammenhangs! [2 Punkte] _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ b) In der Schweißtechnik existiert eine charakteristische und einfach zu messende Größe zur Beschreibung der relevanten Abkühlkurve von unlegierten Stählen, die Phasenumwandlungen zeigen. Wie heißt diese Größe und wie würde sie sich verändern, wenn das zu schweißende Blech vorgewärmt wird? [2 Punkte] _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ c) Wie verändert sich die eingebrachte Streckenenergie, wenn das zu schweißende Blech bei sonst unveränderten Parametern auf einen wassergekühlten Kupferblock gespannt wird? [1 Punkt] _______________________________________________________________________ Seite 4 von 31

Erste Hälfte (Aufgabe 1 bis 3 ) d) Welchen Einfluss kann die Einspannung des Bleches während des Schweißens auf dem wassergekühlten Kupferblock in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften der WEZ haben? [1 Punkt] _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ e) Was müsste hinsichtlich der Schweißparametrierung beachtet werden, wenn alternativ ein Grundwerkstoff mit höherer Wärmeleitfähigkeit zum Einsatz käme? [1 Punkt] _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 1.4

Sie führen mehrere Schweißungen am Stahl S355 durch und messen dabei, dass die Abkühlzeit von AC3 (856°C) auf 700°C etwa 20 s beträgt. Bestimmen Sie anhand des kontinuierlichen Schweiß-ZTU-Schaubildes die zu erwartende prozentuale Gefügezusammensetzung der WEZ sowie die zugehörige Härte bei Raumtemperatur! [3 Punkte]

_____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ Seite 5 von 31

Erste Hälfte (Aufgabe 1 bis 3 ) 1.5

Für die Zwischenspeicherung von Wasser ist ein Drucktank auszulegen. Der Tank wird aus vier Mantelelementen sowie zwei Bodenelementen gefertigt. Für Lagerung und Transport wird auf die Oberseite eine Kranöse angebracht sowie ein Rahmen mit Standfüßen auf der Unterseite. Die Wandstärke beträgt durchgängig 4 mm. Die schweißtechnische Fertigung erfolgt mit dem MSG-Verfahren unter Nutzung einer Badabstützung. Naht a

Naht b

Naht c

a) Geben Sie eine sinnvolle Schweißfolge für die Nähte a bis c an! [2 Punkte] ________________________________________________________________________ b) Für Hochdruckanwendungen soll die Wandstärke erhöht werden. Wie könnte die Nahtvorbereitung für eine Wandstärke von 20 mm aussehen? Zeichnen Sie zwei mögliche Varianten in die unteren Kästchen und benennen Sie die relevanten Geometrieparameter! [3 Punkte]

20 mm

20 mm

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Erste Hälfte (Aufgabe 1 bis 3 ) c) Der Tank soll im Bereich der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden. Hierbei ist eine regelmäßige Reinigung mit Säuren und Laugen erforderlich. Was sind sinnvolle Anforderungen, die bei der Werkstoffauswahl berücksichtigt werden müssen? Nennen Sie zwei Anforderungen! [2 Punkte] ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ d) Die Kranöse auf der Oberseite des Druckbehälters soll mit zwei Versteifungsrippen versehen werden. Was ist hier bei der Gestaltung der Rippe sowie der Schweißnähte zu beachten? Zeichen Sie einen Lösungsvorschlag in das untere Kästchen! [2 Punkte]

Vorderansicht

Seitenansicht Rippe 1

Lösungsvorschlag

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Rippe 2

Erste Hälfte (Aufgabe 1 bis 3 ) 2

Lichtbogenhandschweißen und MSG-Schweißen [30 Punkte]

2.1

Erklären Sie stichpunktartig: Was ist ein Lichtbogen? Welche Voraussetzungen/Komponenten sind für die Bildung eines Lichtbogens notwendig? [3 Punkte]

2.2

Zeichnen Sie die Quellenkennlinie zum Lichtbogenhandschweißen in folgendes Spannungs-Strom-Diagramm ein, beschriften Sie sie und tragen sie zwei Lichtbogenkennlinien für unterschiedliche Lichtbogenlängen ein. Beschriften Sie sie mit “Lichtbogenkennlinie kurzer Lichtbogen” und “Lichtbogenkennlinie langer Lichtbogen”. Zeichnen Sie die Arbeitspunkte A1 (kurzer Lichtbogen) und A2 (langer Lichtbogen) in das Diagramm ein. [4 Punkte]

U [V]

I [A]

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Erste Hälfte (Aufgabe 1 bis 3 ) 2.3

1

Skizzieren Sie das Verfahrensprinzip des Lichtbogenhandschweißens und benennen Sie die Einzelheiten der Stabelektrode und der so erzeugten Verbindung zwischen zwei Blechen! Der Tropfenübergang braucht nicht dargestellt zu werden. [8 Punkte] Grundwerkstoff

2 3 4

Stabelektrode

5 6 7 8

Tropfenübergang

9 10

flüssige Schlacke

11 12

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Erste Hälfte (Aufgabe 1 bis 3 ) 2.4

Welcher Umhüllungstyp bildet kaum Schlacke? Kann dieser in geschlossenen Räumen eingesetzt werden? Begründen Sie! [1 Punkt]

2.5

Was ist der praktische Nutzen der verwendeten Kennlinie beim Lichtbogenhandschweißen? [1 Punkt]

2.6

Wie ist die bevorzugte Kennlinienart beim MSG-Schweißen? Welcher praktische Nutzen ergibt sich hier daraus? [1 Punkt]

2.7

Nennen Sie stichwortartig 3 Vorteile und 3 Nachteile des MSG-Schweißens gegenüber dem Lichtbogenhandschweißen. [3 Punkte]

2.8

Nennen Sie 4 Schutzgasbestandteile zum MSG-Schweißen von Stahlwerkstoffen. [2 Punkte]

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Erste Hälfte (Aufgabe 1 bis 3 ) 2.9

Beschreiben Sie stichwortartig den Kurzlichtbogen, gehen Sie dabei auch auf den Strom und Spannungsverlauf in der Lichtbogenphase, der Kurzschlussphase und der Wiederzündphase ein! [7 Punkte]

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Erste Hälfte (Aufgabe 1 bis 3 ) 3

Strahlschweißen I [30 Punkte]

3.1

Sowohl beim Laserstrahlschweißen als auch beim Elektronenstrahlschweißen unterscheidet man zwischen zwei grundlegenden Verfahrensprinzipien bzw. Wärmetransportmechanismen. Welche zwei Verfahrensprinzipien bzw. Wärmetransportmechanismen sind Ihnen bekannt? [2 Punkte]

3.2

Welche physikalische Größe separiert die beiden Verfahrensprinzipien voneinander? (Bezeichnung, Zahlenwert für Stahlwerkstoff, Einheit) [3 Punkte]

3.3

Beim Strahlschweißen ist eine Nahtvorbereitung von hoher Qualität unerlässlich. Insbesondere muss bei den üblichen Strahldurchmessern von etwa 0,5 mm besonderes Augenmerk auf Fügespalte gelegt werden. Untenstehend sehen Sie die Draufsicht auf je zweier Fügepartner (technischer Nullspalt – 0,2 mm Spalt – 0,6 mm Spalt) sowie den angedeuteten Schweißstrahl. Vervollständigen Sie den zugehörigen, jeweils untenstehenden Querschliff (natürlich an einer bereits geschweißten Stelle) und zeichnen Sie die sich ausformende Schweißnaht ein. [3 Punkte]

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Erste Hälfte (Aufgabe 1 bis 3 ) 3.4

Nennen Sie drei typische Fehler welche bei der Schweißnahtvorbereitung für Strahlschweißverfahren gemacht werden können. [3 Punkte]

3.5

Beschriften Sie die schematische Darstellung zur Erzeugung des Elektronenstrahls. [4 Punkte]

3.6

Das Elektronenstrahlschweißen ist ein Verfahren welches in der Regel im Vakuum stattfindet. Welche Vorteile ergeben sich daraus in Bezug auf das zu verschweißende Werkstoffspektrum? [1 Punkt]

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Erste Hälfte (Aufgabe 1 bis 3 ) 3.7

Das Elektronenstrahlschweißen lässt sich nach drei Varianten in Bezug auf das Vakuum unterscheiden – Hochvakuum, Feinvakuum und Atmosphäre. Je nach Variante kommt es zur Aufweitung des Elektronenstrahls. Füllen Sie die untenstehende Tabelle aus und nutzen Sie dabei die Antwortmöglichkeiten „hohe Strahlaufweitung“, „mittlere Strahlaufweitung“ und „geringe Strahlaufweitung“. [3 Punkte]

Hochvakuum Feinvakuum Atmosphäre 3.8

Benennnen Sie die drei typischen Eigenschaften von Laserlicht. [3 Punkte]

3.9

Welche drei Arten von Laserstrahlquellen kennen Sie? Geben Sie zusätzlich die zugehörige Wellenlänge bzw. Wellenlängenbereiche an. [3 Punkte]

3.10 Welche Laserstrahlquellen sind für das Schweißen mit einem Roboterarm bevorzugt geeignet? Begründen Sie Ihre Antwort und gehen Sie dabei auf die Variante zur Führung des Laserlichtes ein.[2 Punkte]

3.11 Für welche Anwendungsbereiche (z.B. Werkstoffe oder Arbeitsumfeld) ist das Laserstrahlschweißen nicht geeignet? Nennen Sie zwei Beispiele. [1 Punkt]

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Erste Hälfte (Aufgabe 1 bis 3 ) Beim Laserstrahlschweißen in der Fertigung spielt der Strahlenschutz eine maßgebliche Rolle. Festkörper- und Diodenlaser lassen sich nur durch geeignete Laserschutzfenster und lichtdichte Wände abschirmen. Für CO2-Laser gestaltet sich der Strahlenschutz einfacher. 3.12 Wodurch lässt sich die rückgestreute Strahlung eines CO2-Lasers noch abschirmen? Begründen Sie außerdem Ihre Antwort. [2 Punkte]

ENDE ERSTE HÄLFTE-

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Zweite Hälfte (Aufgabe 4 bis 7 ) 4

Lichtbogenschweißen III [15 Punkte]

Zu den „klassischen“ Lichtbogenverfahren zählen das Metall-Schutzgasschweißen (MSG), das Wolfram-Inertgasschweißen (WIG), das Plasmaschweißen, das Lichtbogenhandschweißen und das Unterpulver-Schweißen (UP). 4.1

Zeichnen Sie das Verfahrensprinzip des Wolfram-Inertgasschweißens mit Einbringung von Zusatzwerkstoff und benennen Sie alle notwendigen Komponenten in der aufgeführten Tabelle. [5 Punkte]

1

7

2

8

3

9

4

10

5

11

Schweißenergiequelle

6

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Zweite Hälfte (Aufgabe 4 bis 7 ) Mit der Weiterentwicklung von Schweißenergiequellen, und der damit verbundenen Nutzung der Digitaltechnik in der Steuerung dieser Anlagen, sind in den letzten Jahren viele neue Verfahrensvarianten des MSG-Schweißens entstanden. 4.2

Was versteht man unter geregelten Kurzlichtbogenverfahren? Markieren Sie in der Tabelle, ob die Aussagen richtig oder falsch sind. [2 Punkte]

Aussage

Richtig

Falsch

Der Werkstoffübergang erfolgt nahezu stromlos Gezündet wird der Lichtbogen durch eine Hochfrequenzzündung, Haupteinsatzgebiet ist das Plattieren und Panzern Nur möglich durch die Erkennung des Kurzschlusses und Stromregelung 4.3

Nennen Sie zwei Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Kurzlichtbogenverfahren. [1 Punkt]

Für eine schweißtechnische Applikation sollen in ihrem Unternehmen die beiden Lichtbogenschweißverfahren MSG und UP miteinander verglichen werden. Bei diesem Vergleich kommt es zu einer Reihe von verschiedenen verfahrensspezifischen Merkmalen. 4.4

Ordnen Sie den aufgelisteten Verfahrensmerkmalen jeweils eindeutig einen Schweißprozess (MSG oder UP) zu. [2 Punkte]

spritzerfrei geringe Blechdicken verschweißbar hohe Abschmelzleistung manuell anwendbar

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Zweite Hälfte (Aufgabe 4 bis 7 ) 4.5

Auf einem unlegierten Stahlblech wurde mit Hilfe des Unterpulverschweißens eine Blindraupe aufgebracht. Bestimmen Sie anhand der gegebenen Randbedingungen den Mn-Gehalt des Schweißgutes. [5 Punkte] Randbedingungen: Us: 35 V Schweißdraht: S3 (1,5 %) ; Mn-Gehalt Grundwerkstoff = 0,5 %

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Is: 700 A Schweißpulver: LW280 Aufmischungsgrad = 50%

Zweite Hälfte (Aufgabe 4 bis 7 ) 5

Strahlschweißen II [15 Punkte]

Sie sind als Fertigungsingenieur im Bereich Schweißtechnik in einem Aluminium verarbeitendem Betrieb tätig. Aktuell werden bei ihnen Bleche von 2 bis 6 mm Stärke geschweißt. Ihnen steht eine Elektronenstrahlschweißanlage an Atmosphäre zur Verfügung. Aufgrund einer schlechten Auftragslage entscheidet sich ihr Unternehmen das Produktportfolio zu vergrößern und zukünftig auch Blechstärken zwischen 20 und 40 mm zu fügen. Es obliegt Ihnen, ein geeignetes Fügeverfahren auszuwählen. 5.1 Wie sähe der Nahtaufbau für 20-40 mm dicke Bleche für das MSG-Schweißen aus? (Stichwörtliche Antwort oder Skizze) [1 Punkt]

5.2 Wie sähe ein Nahtaufbau für ein Strahlschweißverfahren aus? (Benennung des Verfahrens und zugehörige Nahtvorbereitung - Stichwörtliche Antwort oder kurze Skizze) [1 Punkt]

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Zweite Hälfte (Aufgabe 4 bis 7 ) 5.3 Welche drei Nachteile gegenüber den Strahlverfahren ergeben sich bei Wahl eines Lichtbogenverfahrens? [3 Punkte]

5.4 Die Wahl ist auf ein Strahlverfahren gefallen. Die Unternehmensführung möchte in einer Präsentation des neuen Prozesses die Wirkung der unterschiedlichen Parameteränderungen auf die Nahtgeometrie übersichtlich darstellen. Bitte vervollständigen Sie die folgende Tabelle (Pfeil aufwärts: nimmt zu; Pfeil abwärts: nimmt ab): [3 Punkte] Parameteränderung

Veränderung der:

von

auf

Nahttiefe

10

0

Schweißgeschwindigkeit [mm/s]

20

10

Pendelung einer Strahlfigur Ax/y [mm]

3

0,2

Parameter

Fokuslage [mm]

Begründung

Nahtbreite

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Zweite Hälfte (Aufgabe 4 bis 7 )

Schweißpunkt

Im Waggonbau wird die unten aufgeführte Aluminiumdachkonstruktion Widerstandspunktgeschweißt (Skizze links). Eine Neugestaltung des unteren Blechs aufgrund einer Funktionserweiterung sehen Sie in der rechten Skizze. alte Konstruktion neue Konstruktion

Funktionsblech (unteres Blech)

Schweißpunkt

Dachprofil

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Zweite Hälfte (Aufgabe 4 bis 7 ) 5.5

Kann der bisherige Fügeprozess weiter genutzt werden? Wenn nein, wieso? [2 Punkte]

5.6

Welche Variante eines Strahlschweißverfahrens eignet sich zur Umsetzung dieser neuen Aufgabe? Beachte: Zur Reduktion des Verzugs sind Nähte über die gesamte Überlapplänge zu vermeiden. [1 Punkt]

5.7

Für weitere Nähte am Wagenkasten steht Ihnen ein Laser mit folgenden Eigenschaften zur Verfügung:    

Laserleistung (PL) = 8 kW Strahlparameterprodukt (SPP) = q = 10 mm·mrad Rohstrahldurchmesser (D) = 25 mm Die Schwellintensität für Aluminium beträgt 3 MW/cm²

Sie haben die Auswahl zwischen zwei Linsen mit verschiedenen Fokussierlängen: Einmal f1 = 300 mm und einmal f2 = 600 mm. Welche Linse verwenden Sie? Begründen Sie Ihre Auswahl rechnerisch. Hinweis: d = (4*q*f) / D I = (4*P*L) / (πd²) [4 Punkte]

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Zweite Hälfte (Aufgabe 4 bis 7 ) 6

Klebtechnik [15 Punkte]

6.1

Die Klebtechnik weist im Vergleich zu anderen Fügeverfahren signifikante Vor- und Nachteile auf. Nennen Sie vier dieser Vor- und vier dieser Nachteile! [4 Punkte]

6.2

Benennen Sie drei Basisfunktionen sowie drei Zusatzfunktionen einer Klebung. [3 Punkte]

Basisfunktionen

Zusatzfunktionen

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Zweite Hälfte (Aufgabe 4 bis 7 ) 6.3

Benennen Sie zwei charakteristische Brucharten bei Klebverbindungen und skizzieren Sie diese entsprechend! Welche Bruchart ist im Allgemeinen anzustreben und warum? [5 Punkte]

6.4

Das grundsätzliche Ziel der Oberflächenbehandlung ist die Gewährleistung dauerhaft ausreichender Haftkräfte zwischen Fügeteiloberfläche und Klebschicht. Benennen Sie die 3 Stufen der Oberflächenvorbehandlung. Welche Ziele haben die einzelnen Stufen der Oberflächenvorbehandlung? [3 Punkte]

1. Stufe:

Ziel der 1. Stufe:

2. Stufe:

Ziel der 2. Stufe:

3. Stufe:

Ziel der 3. Stufe: Seite 24 von 31

Zweite Hälfte (Aufgabe 4 bis 7 ) 7

Verfahrensübergreifende Aufgabe [45 Punkte]

Sichtseite

Sichtseite

Gefertigt werden soll eine Autotür gemäß vereinfachter Skizze bestehend aus einer inneren tiefgezogenen Schale 1 (Blechdicke 1,2 mm, Tiefziehstahl) und einen äußeren Verkleidungsblech 2 (Dicke 0,8 mm, Tiefziehstahl), dieses soll zusätzlich mit einer Verstärkung zur Verbesserung des Aufprallschutzes 3 versehen werden. Am äußeren Rand wird das Verkleidungsblech um die innere Schale herum gefalzt. In der Vergangenheit wurde diese Falznaht (s. Detail, Breite 20mm) mit Hilfe von Klebstoffen abgedichtet ...