Zusammenfassung FERT Fuegen Lernzettel WS19-20 PDF

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Zusammenfassung zum lernen für die KLAUSUR basierend auf ALTKLAUSUREN, MITSCHRIFTEN und dem Vorlesungsskipt (WS19/20)!...

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FERT – FUEGEN - Lernzettel für die Klausur WS19/20 - von Tom Go (Basierend auf Mitschriften, dem Vorlesungs-Skript und Fragen aus Altklausuren)

Kap. 1: Fügen durch Schweißen - Allgemeine Einführung Fügeverfahren: Man kann Fügen durch… Urformen, Umformen, Schweißen, Löten & Kleben. Verbindungssystematiken: Stoff-, Form- und Kraftschlüssige Verbindungen + Mischformen. Definition von Schweißen: Schweißen ist das Vereinigen von Werkstoffen in der Schweißzone unter Anwendung von Wärme und/oder Kraft ohne oder mit Schweißzusatz. Einteilung der Schweißverfahren: Art des Energieträgers, Zweck des Schweißens, Art des Grundwerkstoffs, Ablauf des Schweißens, Art der Fertigung, Unterschied „Löten“ & „Schweißen“: Schweißen → Oberflächen werden zusammengeschmolzen. Löten → Bindung durch wechselseitige Diffusion in der Oberfläche (nicht verschmolzen!). Schmelz- und Pressverbindungsschweißen: Schmelzschweißen: Aufschmelzen ist die entscheidende Größe. z.B. Laserstrahl, Unterpulver, Lichtbogenhand, Elektronenstrahl. Pressschweißen: Kraft ist die entscheidende Größe. z.B. Reib, Punkt, Lichtbogenbolzen, Diffusions, Kaltpress, Buckel. Verschiedene Schweißverfahren: Begriffe verschiedener Schweißverfahren: Lichtbogenschweißen (L) - Drahtelektrode - Rutilumhüllung - Ablenkendes Magnetfeld - Kontaktzündung - Ankleben der Elektrode - Pluspolschweißen

Reibschweißen (R) - Stauchdruck/weg - Schmelzenfreie Fügezone - Bremszeit

Punktschweißen (S) - Widerstandserwärmung - Schweißlinse

- Hochfrequenz-Zündung - Zusatzwerkstoff

Was beeinflusse ich evtl. beim Schweißen? Festigkeit, Steifigkeit, Formbeständigkeit, Verschleißverhalten, Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Knicksicherheit …

Vor- und Nachteile vom Schweißen: Vorteile:

Nachteile:

- hohe Festigkeit, - temperaturbeständig, - günstiger Kraftfluss, - oft geringer Fertigungsaufwand,

- hohe Wärmeeinbringung, - Gefügeänderung, - Eigenspannungen, - Abhängigkeit von Werkstoffpaarung,

Schweißbarkeit: Es müssen folgende Komponenten aufeinander abgestimmt sein, damit ein Bauteil als schweißbar gilt: - Werkstoff, Verfahren & Konstruktion. - Schweißeignung, -möglichkeit & -sicherheit.

Kap. 2: Einführung in die Schmelzschweißverfahren Arten von Schmelzschweißverfahren: Lichtbogenhandschweißen, Schutzgasschweißen: - MIG, MAG, Fülldrahtschweißen, Gasschweißen, - WIG, Plasmaschweißen, Unterpulverschweißen, (MetallSchutzGasschweißen, WolframSchutzGasschweißen) Laserstrahlschweißen, Schutzgasschweißen: MIG/MAG- und WIG Schweißen: ②→

①↓

①: WIG

→

○ nicht abschmelzende Wolframelektrode. ○ Zündung von Lichtbogen über Hochfrequenzzündung (HF-Zü.) ○ Nur Stromstärke einstellen (Schweißspannung ergibt sich).

②: MIG/MAG

→

• „selbstverzehrende“, abschmelzende Metallelektrode aus Zusatzwerkstoff (Massivdraht, Fülldraht). • Kühlung ab ca. 250A (Luft oder Wasserkühlung). • Abbrennleistung im Lichtbogen + Drahtzufuhrgeschwindigkeit müssen zueinander passen!

MIG/MAG: • Abschmelzende Elektrode ist gleichzeitig Zusatzwerkstoff (Massiv oder Fülldraht). • Gleichstrom → Elektrode am + Pol. • Einstellgrößen: Spannung & Drahtzufuhrgeschwindigkeit VD (wobei VD ~ Stromstärke). Abschmelzleistung im Lichtbogen muss auf VD abgestimmt sein.

Temperatur- bzw. Stromdichteverteilung

① Energiequelle ② Steuereinheit ③ Drahtvorschubgerät Schlauchpaket ⑤ Schutzgasversorung ⑥ Kühlgerät

④ Schweißbrenner und

WIG: • Wolframelektrode • Elektrode ist meist am – Pol. • Stromstärke ist abhängig von Werkstoff & Elektrodendurchmesser. Wechselstrom: Al- und Mg-Werkstoffe. Gleichstrom: Un-, Niedrig- oder Hochlegierten Stählen & NE-Werkstoffen. Zusatzwerkstoffe beim Lichtbogenschmelzschweißen: 1. Umhüllte Stabelektroden: Schützt Schweißbad und Naht, stabilisiert Lichtbogen. Hat Einfluss auf Eigenschaften von Schweißgut (Legieren). Typen: R-Rutil, A-Sauer, B -Basisch, C-Zellulose, 2. Massivdraht / Blankdraht 3. Fülldrahtelektroden Lichtbogen: Ist ionisiertes Gas (Plasma), entstanden durch elek. Gasentladung. Um die Ionisierung / Ionendichte zu verbessern → C zuführen (bis 16%).

Polung beim Lichtbogenschmelzschweißen: Wenn + oder – Polung jeweils Nachteile mit sich bringt (z.B. Schweißfehler oder Elektrode wird zu warm) wird Wechselstrom verwendet. Standardpolung:

Pluspolung:

Wechselstrom:

Blaswirkung: Ablenkung des Magnetfeldes vom Lichtbogen sowie Ablenkung des Lichtbogens durch fremde Magnetfelder. Der Effekt tritt nur bei Gleichstrombetrieb auf! Maßnahmen: - Elektrode neigen, - Stromanschluss umlegen, - zusätzliche Stahlmassen

Plasmaschweißen: Abwandlung vom WIG-Schweißen. Arten: Plasmastrahlschweißen, Plasmalichtbogenschweißen & Kombination aus Beidem. Vorteile (gegenüber WIG/MIG/MAG): - höhere Lichtbogentoleranz, - höhere Energiekonzentration als bei WIG, - man kann schmaler und tiefer schweißen, - geringerer Wärmeverbrauch, → weniger Eigenspannungen im Werkstück. Plasma-Stichloch-Schweißen: Vorteil: - sehr tiefe Einschweißtiefe (bis 15mm) möglich, - Kunststoffe schweißbar, Nachteile:

- große Schweißgerät-Baubreite, - Nicht alles Schweißbar, - Hohe Anschaffungskosten, - zwei Gaskreisläufe (Plasmagas, Schutzgas), - zwei Stromkreise,

Unterpulverschweißen (UP): • Der Lichtbogen brennt in einer Kaverne unter Pulver und unter Luftabschluss. • Pulver verfügbar in sauer, basisch oder rutil. • Hoher thermischer Wirkungsgrad, Abschmelzleistung und Wirtschaftlichkeit. • Durch Pluspolschweißen → wenig Energie für Drahtabschmelzung. → hohe Temperatur an Drahtspitze. Anwendung: Bei langen Nähten mit ebener Position. Bei großen Rohren (Schweißkanten vorgebogen wegen Verzug). Vorteile:

Mehrere Schweißstäbe gleichzeitig abbrennbar. Guter Schutz der Schweißnaht. Hohe Schweißgüte.

Elektronenstrahlschweißen (EB): • Nur bei elek. Leitfähigen Werkstoffen möglich. • Beschleunigungsspannung von 60-200 kV bei 7-8 mA Stromstärke. • Elektronenstrahlkanone erzeugt einen fokussierten Elektronenstrahl. • Steuerspule fokussiert den Strahl (Elek.mag.Linsen) → Fokus Ø < 1mm! • Leistungsdichte bis 107 W/cm2! • Im Vakuum auf Drehtisch in Vakuumkammer durchgeführt (1*10-4mbar). → zu hoher Druck = Elektronenstrahl streut immer mehr. → Gasatome lenken den Strahl ab und Strahl divergiert → mangelnde Einschw.tiefe. • schmale, tiefe Nähte schweißbar → Tiefschweißeffekt bis zu 40:1 (Tiefe:Breite). Einfluss des Arbeitskammerdruckes auf die Leistungsdichte des Strahls:       

Vergleich UP zu EB: UB - 30 kg Schweißgut nötig - >100 Schweißlagen - 216.000kJ Wärmebedarf

1.Decklage ------2.Fülllage ------------3. Wurzellage -----------

EB - 0kg Schweißgut - Viele Lagen schweißbar - 6.000kJ Wärmebedarf

Tiefschweißeffekt:

1. Auf Stumpfstoß (Spalt muss = Null sein!) 2. Elektronenn werden durch elek.mag.Feld abgebremmst (An Oberfläche) 3. sehr schnell wird sehr viel Energie nachgeschoben und in Wärme abgleitet. → Dampfkanal entsteht durch mehr Energiezufuhr als Abfuhr. 4. Prinzip Plasmaschweißen → flüssiges Schweißgut strömt um Loch und verschmilzt hinter dem Loch. LASER-Strahlschweißen: LASER (deutsch): Lichtverstärkung durch angeregtes Aussenden von Strahlung. • Lasertypen: Festkörper-, Gas-, Dioden- (Halbleiter), Faser- & Scheibenlaser. • Laserlicht: Wellenlängen 100nm (bei Excimerlaser) bis 10μm (bei CO2-Laser). → sichtbares Licht: ca. 0,4 - 0,7μm Wellenlänge. • Tiefschweißeffekt: Bis zu 1013 w/cm2 bei Festkörper- und Scheibenlaser. • Problem: Reflexion nimmt mit steigender λ zu! ≈ 500W bei Stahl → schlechterer Wirkungsgrad → für 1mm Schweißtiefe wird benötigt: ≈ 1100W bei Alu ≈ 9000W bei Cu • Dampfkanal entsteht, wenn mehr Energie (Wärme) zugeführt wird als abgeführt. → Metall wird zu Dampf (Metalldampf + Plasma) → Laserlicht strahlt auf Dampfkanal wird teilweise vom Metalldampf absorbiert. → Metalldampfdichte wird zu hoch, sodass Laserlicht nicht durchkommt. Vor- und Nachteil gegenüber EB: Vorteil: Kein Vakuum nötig. Nachteil: Der Wirkungsgrad ist ca. 5% geringer als beim EB. Staubschutz für Spiegel und Schutz für Rohr mit Laserstrahl nötig. Vor- und Nachteil von LASER & EB: Vorteil: Gute Positionierung und Steuerung der Zeit und Impulse. Nachteil: Toleranzen der Bauteile müssen sehr genau sein. Laserlicht vs. Glühlampe: - kohärent (in Phase) - kleine Divergenz (parallel) - monochromatisch (gleiche λ)

- nicht kohärent - große Divergenz - nicht monochromatisch

Grundarten des Laserschweißens:

Zusammenhänge bei verschiedenen Parametern: Unter Vakuum oder geringerem Umgebungsdruck lässt sich die Einschweißtiefe erhöhen!

Kritisches Intensitätsniveau: → Dampfkapillare (Mehrfachreflextion) entsteht. → Absorption steigt sprunghaft an.

Laserstrahl-MSG-Hybridschweißen: Ist eine Kombination aus Laserstrahl- und Metall-Schutzgas-Schweißen. Grund: Laser für die Tiefenwirkung und MSG für die Abschmelzleistung.

Kap. 3: Einführung in die Pressschweißverfahren Arten: Lichtbogenbolzenschweißen: Reibschweißen: Widerstandspressschweißen:

durch elek. Gasentladung durch Bewegung durch elek. Strom

Kaltpressschweißen: Es werden durch Kraft zwei Bauteile gefügt (z.B. Alu + Kupfer). → neu entstehende Oberflächen verbinden sich unter hohem Druck (Kohäsion). → Umso mehr frische Oberfläche, desto besser ist die Verbindung. Vorteil: Nicht zu verschmelzende Werkstoffe können miteinander verbunden werden. (Die Werkstoffe müssen jedoch verformbar sein!) Widerstandpressschweißen: Unterteilt in: Punkt- und Rollennahtschweißen. Die Elektroden sind wassergekühlt. Die Widerstände hierbei sind Stoff- und Kontaktwiderstand. D

Punktschweißen: Überwachungsgrößen sind: Schweißstrom & -spannung. Schweißleistung & -energie. Elektroden-Nachsetzbewegung. Verlauf des elek. Widerstandes zu Beginn einer Punktschweißung:

Buckelschweißen = Variante des Punktschweißens → verwendet z.B. um Muttern aufzuschweißen

Punktschweißen: Zeitlicher Verlauf von Pressdruck und Schweißstrom während einer Punktschweißung: Warum verschmelzen die Elektroden nicht mit den Blechen? 1. Kühlung der Elektroden 2. Die Bleche sind im Kontakt mit den Elektroden (Außenflächen) kühler. Darum ist der Haupt-schweißpunkt genau in der Mitte im Blech-Blech Kontaktpunkt. Die Haupt-Erwärmungszone ist genau im Kontaktwiderstand der beiden Bleche.

Warum wird Alu mit Wechselstrom geschweißt? 1. Das Material ist von einer Oxidschicht umgeben, welche erst bei ca. 2000°C schmilzt. Durch Nutzung von Wechselstrom kann die Oxidschicht auf der Blechoberfläche durchbrochen werden und das Alu gut geschweißt werden. 2. Peltier-Effekt vermeiden. Ursachen für Verlagerung der Schweißlinse:

Scherzugprüfung einer Punktschweißung: Überlastung erzeugt Riss, Riss wandert von A zu B. Dann wandert der Riss um den Punkt. Es wurde korrekt geschweißt, wenn Blech um Punkt herum ausknöpft! An Punkt A ist die Spannungskonzentration am größten.

Lichtbogenbolzenschweißen (Lichtbogenpressschweißen): Für sehr dünne Bleche. Ausführung mit Hub- oder Spitzenzündung. Beides mit Gleichstrom. Auch hier kann wieder Blaswirkung auftreten und den LiBo ablenken. Spitzenzündung: • Bolzendurchmesser: Ø2-8mm • Meist artgleicher Werkstoff. • Über Kondensatorentladung durchgeführt. Anwendung: Wegen flachem Einbrand, gut für dünne Bleche. Mikroschweißtechnik (Elektrotechnik). Spitze am Bolzen verdampft beim Aufsetzen (Ionenbrücke).

1. Aufsetzen.

2. Libo zünden

3. Eintauchen

4. Fertig

Hubzündung: • Bolzendurchmesser: Ø2-25mm • Meist artgleicher Werkstoff, vorwiegend unlegierte, austenitische Stähle. • Bolzen ist -Pol

1. Aufsetzen.

2. Abhub + Libo zünden.

3. Eintauchen.

4. Fertig

Reibschweißen: Rührreibschweißen Rotationsreibschweißen → konventionelles Reibschweißen (schnelles tBrems, dann Pressen) (runde Bauteile) → Schwungradreibschweißen (langes tBrems, gleichzeitiges Pressen) Linearreibschweißen (rechteck. Bauteile)

→ Linearreibschweißen → Orbitalreibschweißen

• Material wird während Prozess weich, aber es entsteht keine Schmelze! • Gitterstruktur der Werkstoffe verbindet sich durch Diffusion. → Aufbrechen der Gitterstruktur durch Druck und Temperatur. → Verbinden der Werkstoffe durch Stauchen.

Rührreibschweißen: • Stoffschlüssiges Festphasen-Fügeverfahren • Die Liquidustemperaturen werden hierbei nicht überschritten! • Verkleinerung des Werkzeuges (bis zu 50%) verringert Prozesskräfte. → Zugfestigkeit Rm bleibt trotzdem gleich! • Werkzeug reibt sich in Werkstoff und „verknetet“ die beiden Werkstoffe miteinander: → Pin taucht in Werkstoff ein (max. 15mm tief) und erzeugt Reibungswärme, → diese Reibungswärme plastifiziert die Fügepartner, → dynamische Verformung und Diffusion verbindet. Vorteile:

- Schmelztemperaturdifferenzen sind irrelevant (z.B. Al mit Cu), - keine große Vorbehandlung der Werkstoffe nötig, - Schweißprobleme wie Risse, Spritzer oder Poren treten nicht auf, - Konturentreue und wenig Eigenspannung, - nahezu keine Nacharbeit,

Nachteile:

- hohe Anlagenkosten, - beidseitige Zugänglichkeit (es muss gegengehalten werden), - Spaltüberbrückbarkeit < 2mm, - Oxideinschlüsse können zu Bindefehlern führen (wegen rosiger Oberfläche),

Kap. 4: Fügetechnik Löten Definition:

Schmelztemperatur von Lot ist geringer als die der Werkstücke. Werkstoffe werden benetzt, ohne geschmolzen zu werden (Diffusionszonen). Die Bindung erfolgt durch wechselseitige Diffusion.

Weichlöten (S) Hartlöten (B) Hochtemp.löten

Tliq < 450°C 450°C < Tliq < 900°C Tliq > 900°C

Diffusionstiefe < 0,5μm Diffusionstiefe < 0,10μm Diffusionstiefe < 0,100μm

Einteilung der Lötverfahren: Löten → Auftragslöten (Beschichten) → Verbindungslöten → Spaltlöten → Fugenlöten Nach Temperatur: Zweck/Ablauf: Energieträger:

Weich-, Hart- oder Hochtemperaturlöten Spalt-, Fugen-, Auftrags- oder Diffusionslöten Salzbad-, Ultraschall-, Laserstrahl- oder Flammlöten

Lotauswahl Kriterien: z.B. Konstruktion, Einsatzbedingungen, geforderte Eigenschaften, Halbzeugform der Lots. Vorbehandlungen vor dem Löten: Entfette, Oxide abtragen (Reinigen), Beizen und Spülen Aufgaben des Flussmittels: - Oxide beseitigen und Neubildung verhindern, - Oberflächenspannungen verringern, - Benetzung gewährleisten, Lotapplikationen / Lotzuführung: Draht, Folie, Tauchbad oder Lotbeschichtung Temperatur-Zeit-Verlauf eines Lötprozesses:

Lötzeit: bis Solidustemp. unterschritten ist. Lotfehler: - Bindefehler, - Risse, - Einschlüsse, - Zu viel/wenig Lot, - Erosion, - Anschmelzungen, Wasserstoffkrankheit: Kupferoxid im Gefüge reagiert mit Wasserstoff zu Wasserdampf. → Dampfblasen im Gefüge (Sprengwirkung) → Rissbildung, Versprödung

Festigkeit von Lötverbindungen:

Gründe warum Verbindung fester sein kann als Festigkeit des Lotes? • Eindiffundierungen von Grundwerkstoff in das Lot, → legieren, Festigkeit steigern • Stützwirkung des Grundwerkstoffes, → kleine Spalte = mehr Stützleistung • behinderte Querdehnung,

Kap. 6: Fügen durch Umformen Stoffschlüssiges Fügen: Formschlüssiges Fügen:

Schweißen, Löten & Kleben. Durch Umformen

Fügen durch Umformen ohne Hilfsfügeteil: → Verpressen / Verquetschen, → Durchsetzfügen (Clinchen), Clinchen: Ein- oder Mehrstufung. → Mit2 oder ohne1 Schneidanteil. Hinterschnitt f & Halsdicke tn sind maßgeblich für Die Festigkeit der Verbindung. Bodendicke tB ~ Festigkeit. Stanznieten: Mittelbar oder unmittelbar. Mittelbar: Halbhohl- oder Vollstanznieten. Unmittelbar: Einpressmuttern, -bolzen… Zugänglichkeit mal ein- mal zweiseitig nötig. Stauchmaß tc ~ Festigkeit

Fügen durch Umformen mit Hilfsfügeteil: → Stanz-, Setz- und Hohlnieten. → meist Nietverfahren)

Festigkeitsprüfung beim Clinchen:

Mögliche Fehler beim Fügen durch Umformen:

Sonstiges Vergleich von WIG, Plasmaschweißen und MIG/MAG: WIG

Plasma

MIG/MAG

Gas

Inertgas

Polung (Elektrode)

Minuspolung

Inertgas Inert- / Aktivgas (Plasma + Schutzgas) Minuspolung Pluspolung

Energiekonz.

gering

hoch

mittel

Mit oder ohne stromlosen Stab Nichtabschmelzende Wolframelektrode

Keine, Pulver oder Draht Nichtabschmelzende Wolframelektrode

Massiv- oder Fülldraht. Abschmelzende Elektrode

Zusatzwerkstoff Elektrode Nahtbreite b bei gleicher Tiefe r

Wichtiger Unterschied vom Plasma-Schweißen gegenüber WIG? • Wolframelektrode tiefer im Brenner eingerückt (ragt nicht aus der Gasdüse). • zusätzlicher Plasmakanal (zwei Stromkreise). → höhere Schweißgeschwindigkeit → höhere Energiedichte (Lichtbogenöffnungswinkel < 6°) → größere Höhenschlagtoleranz Wie entsteht beim EB-Schweißen der Elektronenstrahl? Strahlbildung erfolgt unter Hochvakuum (< 10−4 hPa) durch ein Triodensystem, bestehend aus Kathode, Steuerelektrode und Anode. Warum schmilzt das Material, wenn die Elektronen beim Elektronenstrahlschweißen auf das Werkstück „geschossen“ werden? Kinetische Energie des sehr hoch beschleunigten Elektrons wird bei Werkstückkollision in Wärme umgewandelt → Aufschmelzen. Spalt- und Fugenlöten: Spaltlöten: Spalt < 0,5mm. Spalt wird vorzugsweise durch kapillaren Fülldruck gefüllt Paralleler Spalt. Fugenlöten: Spalt > 0,5mm. Fuge wird vorzugsweise mit Hilfe der Scherkraft gefüllt. X- oder V-Fugen. Was ist der Vorteil eines kraftbasierten Verfahrens gegenüber einem schmelzenden Verfahren? Keine flüssige Phase → unterschiedliche Werkstoffe miteinander verbindbar!...