Zusammenfassung Schweißtechnik PDF

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Dies ist eine Zusammenfassung des Kurses Schweißtechnik des 5. Semesters (Wintersemester) des Bachelorstudienganges Maschinenbau....

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Zusammenfassung Wahlpflichtmodul schWei schWeißtechnik Inhaltsverzeichnis 1. Einführung in die Schweißtechnik 1.1 Das Schweißen 1.2 Die Schweißbarkeit 2. Schweißen von Eisengusswerkstoffen 2.1 Einteilung der Eisengusswerkstoffe 2.2 Schweißen von Eisengusswerkstoffen 2.3 Der Eisengusswerkstoff Stahlguss 2.4 Der Eisengusswerkstoff Temperguss 2.5 Der Eisengusswerkstoff Gusseisen 2.6 Der Eisengusswerkstoff Sonderguss 3. Schweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen 3.1 Einteilung und Eigenschaften 3.2 Aushärtbare Aluminiumwerkstoffe 3.3 Nicht aushärtbare Aluminiumwerkstoffe 3.4 Beachtung der Oxidschicht bei Aluminiumwerkstoffen 3.5 Bezeichnungssystem und Schweißunregelmäßigkeiten 4. Widerstandspressschweißverfahren 4.1 Das Buckelschweißen 4.2 Das Rollennahtschweißen

Seite 3 Seite 3 Seite 5 Seite 7 Seite 7 Seite 9 Seite 11 Seite 12 Seite 13 Seite 13 Seite 15 Seite 15 Seite 16 Seite 17 Seite 17 Seite 18 Seite 20 Seite 20 Seite 21

4.3 Das Pressstumpfschweißen 4.4 Das Abbrennstumpfschweißen 4.5 Das Kondensatorentladungsschweißen 5. Kaltpressschweißen und Explosionsschweißen 5.1 Das Kaltpressschweißen 5.2 Das Explosionsschweißen 6. Weich- und Hartlöten 6.1 Allgemeines zum Löten 6.2 Der Benetzungsvorgang 7. Produktionstechnik und Automatisierung 7.1 Fertigungsorganisation 7.2 Mechanisierungsgrade der Schweißausführung 7.3 Nahtvorbereitungen 7.4 Exkurs: Sensoren 7.5 Kostendiagramm 8. Qualitätssicherung nach technischen Merkblättern 8.1 Übersicht der Schweißnahtfehler 8.2 Entstehung und Vermeidung von Heißrissen

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1. Einführung in die Schweißtechnik 1.1 Das Schweißen

Bewertungsgruppen: Gr. Anforderungen B

hoch

C

mittel

D

niedrig

Bedeutung  hohe Belastungen  keine Unregelmäßigkeiten  hoher Kosten in Fertigung/Prüfung  mittlere Belastungen  einige Unregelmäßigkeiten  mittlerer Kosten in Fertigung/Prüfung  niedrige Belastungen (meist überdimensioniert)  nur Sichtprüfungen (alle „inneren“ Fehler möglich)  geringe Kosten für Fertigung/Prüfung

Zulässigkeit Unregelmäßigkeiten

Das Schweißen ist ein Vorgang, der Metalle unter Aufwand von Wärme und/oder Druck derart verbindet, dass sich ein kontinuierlicher innerer Aufbau des verbundenen Metalls bzw. der verbundenen Metalle ergibt! Es kann Schweißzusatz, dessen Schmelztemperatur von gleicher Größenordnung ist wie die der verbundenen Werkstoffe, zugeführt werden. Das Ergebnis ist die Schweißnaht.

Fertigungsaufwand/Güte

Definition:

Nahtarten und deren Anwendungen: Nahtart Symbol Anwendung  Schweißbadsicherung  Nahtvorbereitung Bördelnaht  Toleranzausgleich (Dehnung)  Arbeiten ohne Zusatzwerkstoff  kraftflussgerechte Gestaltung  Toleranzproblematik I-Naht  kaum noch in Anwendung  Vorbeugung von Verzug  Erzeugung einer schönen Naht 1 V-Naht  dicke Nähte  ohne Nahtvorbereitung HV-Naht  Schwarz-Weiß-Schweißverb. 2  Sicherstellung der Aufmischung  Beseitigung Kerbwirkung Gegenlage Wurzel  Toleranzprobleme, Kehlnaht Winkelverzug  Ausschweißen eines Loches Lochnaht  Karosseriebau  kaum Kerbwirkung Punktnaht  Punktschweißungen  Laserstrahlschweißen Liniennaht  Folienschweißen  dicke Bleche Steilflankenn. Hinweis: Bei zusammengesetzten Nähten (X-Naht, K-Naht, etc.) hat man in der Regel weniger Verzug!

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Wurzel mit WIG, Zwischenlagen mit basischer Elektrode, Decklage mit saurer Elektrode Schweißen hochlegierter Stähle

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Stoßarten und deren Anwendung:

Visualisierung der Stoßarten

Schweißpositionen:

Visualisierung der verschiedenen Schweißpositionen

Sonderschweißpositionen für geneigte Rohre

Schaubild für Schweißpositionen

Anforderungsgerechte Gestaltung: • Harmonisierung der Querschnittsübergänge  Einbringen von Deformationselementen • Reduktion/Symmetrie der Schweißnähte  „Die beste Schweißnaht ist keine Schweißnaht!“ • Nahtart/Wärmeführung  Bleche anfasen für Oxid-Ausschwemmung und Wurzeldurchhang • Oberflächengerechte Gestaltung  Ermöglichung der Zinkentgasung 3 • Prüfgerechte Gestaltung  Ermöglichung der Durchstrahlungsprüfung • Automatisierungsgerechte Gestaltung  Ermöglichung der Zugänglichkeit 3

Zink wird bereits bei ca. 900°C zu Gas. Bei dieser Temperatur ist Stahl jedoch noch nicht aufgeschmolzen.

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Maßnahmen zur Sicherung der Schweißnahtgüte: • Beachtung von Anforderungen, Bewertungsgruppen, Toleranzen, Bemessungen, Werkstoffe • Regelmäßige Überprüfung der Nähte, technische/personelle Ausstattung des Betriebs • richtige Fertigung (siehe Fakten zur anforderungsgerechten Gestaltung, Nahtarten, etc.)

1.2 Die Schweißbarkeit Definition:

Gemäß DIN 8528 hängt die Schweißbarkeit von drei Einflussgrößen ab. Zu diesen zählen der Werkstoff, welcher die Schweißeignung bestimmt, die Konstruktion, die sich auf die Schweißsicherheit auswirkt und die Fertigung, welche die Schweißmöglichkeit beeinflusst. Eine allgemeine Gewährleistung der Schweißbarkeit kann es nicht geben, da neben den Werkstoffeigenschaften auch die Fertigungsbedingungen (ebenfalls Witterungseinflüsse bei Baustellenarbeiten) und die Gestaltung der Konstruktion zu berücksichtigen sind.

Einfluss auf die Schweißbarkeit nach DIN

Einflussgrößen auf die Schweißbarkeit: Schweißeignung  Chem. Zusammensetzung   Härterissneigung  Schmelzbadverhalten  Metallurg. Zusammensetzung  Seigerungen (Entmischung)  Einschlüsse (Poren, Lunker)  Art des Gefüges4  5  Anisotropie des Werkstoffs  Physikalische Eigenschaften  Ausdehnungsverhalten  Wärmeleitfähigkeit  Festigkeit und Zähigkeit

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Beurteilung der Schweißeignung hochlegierter Stähle mittels des Schaeffler-Diagramms

Schweißsicherheit Konstruktive Gestaltung  Kraftfluss  Kerbwirkung  Anordnung der Nähte  Werkstückdicke  Steifigkeitssprünge Beanspruchungszustand  Art/Größe Spannung  Beanspruchungsgeschwindigkeit  Temperatureinfküsse  Korrosion







Schweißmöglichkeit Vorbereitungen  Auswahl Verfahren  Nahtart, Stoßart Ausführung  Wärmeführung  Schweißposition Nachbehandlung  Wärmebehandlung  Schleifen, Beizen

Gefüge = Struktur + Fehlordnungen (Fehler 0. – 3. Ordnung) Richtungsabhängigkeit der Werkstoffeigenschaften (z.B. Elastizitätsmodul)

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Heißrisse sind eine der häufigsten Probleme, die beim Abkühlen der Schweißnaht auftreten können. Man kann sie durch schnelles Abkühlen oder durch die Verwendung von ferritischen Stählen (geringe Wärmeausdehnung) verhindern.

Maßgebende Zeit für die Bildung von Heißrissen

Allgemeine Einschätzung und Einteilung der Schweißeignung: Gruppe Bedeutung Werkstoffe  unlegierte, unbeschichtete Bleche ohne besondere Gr. 1  mikrolegierte, kaltgewalzte Bleche Maßnahmen geeignet  Dual-, TRIP-, Complexphasenstähle  kaltgewalzte Stahlbleche mit guter Schweißeignung, nach besonderen Gr. 2 aber mit metallischer Beschichtung, die weniger gut Maßnahmen6 geeignet schweißgeeignet sind  Stähle mit höherem Kohlenstoff- und Mangangehalt Gr. 3 nur bedingt geeignet7  Stahlbleche mit schweißfähigen Lackierungen  kunststoffbeschichtete und lackierte Bleche  sorbitische Federstähle Gr. 4 nicht geeignet  Stähle mit emaillierter Oberfläche

Notize Notizen n zu die diesem sem Kapitel: ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

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z.B. Vor- und Nachwärmen neigen in der Regel zur Versprödung

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2. Schweißen von Gusswerkstoffen 2.1 Einteilung der Gusswerkstoffe Definition:

Gusseisen ist ein Eisenwerkstoff mit einem Kohlenstoffgehalt von über 2%. Dies unterscheidet den Werkstoff vom Stahl. Es weist eine sehr gute Gießbarkeit auf, lässt sich aber nicht durch Schmieden bearbeiten, da es hart und spröde ist. Die Zerspanbarkeit von Gusseisen hängt von der genauen Sorte ab, es weist aber immer bessere Dämpfungswerte auf als Stahl.

Allgemeine Einteilung:

allgemeine Einteilung der Eisengusswerkstoffe

Einteilung nach Art der Erstarrung: • Abhängigkeit von Abkühlgeschwindigkeit und chemischer Zusammensetzung (C und Si) • typische Legierungselemente: Silicium, Mangan, Chrom, Nickel • Unterteilung in graues Gusseisen und weißes Gusseisen • graues Gusseisen: Kohlenstoff in Form von Graphit (schwarzes/stabiles System Fe-C) • weißes Gusseisen: Kohlenstoff in Form von Zementit (weißes/metastabiles System Fe-Fe 3 C) 7

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (--- weißes System, - - - schwarzes System)

Veränderung des Diagramms bei Zugabe von Silicium (2.4%)

Gusseisen-Diagramm mit Gusseisengefüge

Einteilung nach dem Zähigkeitsverhalten: duktiles Verhalten  Stahlguss (weiß)  Gusseisen mit Kugelgraphit (schwarz)  Gusseisen mit Vermiculargraphit (schwarz)  weißer Temperguss (weiß)

sprödes Verhalten  Grauguss (schwarz)  schwarzer Temperguss (schwarz)  Hartguss (weiß)  Gusseisen mit Lamellengraphit (schwarz)

Einteilung der Eisengusswerkstoffe nach dem Zähigkeitsverhalten

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2.2 Schweißen von Eisengusswerkstoffen Einflüsse auf die Schweißeignung: • Kohlenstoffgehalt und Gehalt der Legierungselemente wie Phosphor und Schwefel • Duktilitätsverhalten und Bruchdehnungsverhalten (nicht so gut) • •

Rissbildungsneigung durch Schweißeigenspannungen (hoch) Schmelztemperatur des Gusswerkstoffes (gering) und Schmelzbadverhalten (dünnflüssig)

Arbeitstechniken für das Schweißen:

Arbeitstechniken zum Schweißen von Gusseisen

• • • • • • •

Schweißen mit artgleichem Zusatzwerkstoff = Heiß- bzw. Warmschweißen Schweißen mit artfremden Zusatzwerkstoff = Kaltschweißen artähnliche Zusatzwerkstoffe = Stahlwerkstoffe artfremde Zusatzwerkstoffe = hoch-nickelhaltige Werkstoffe artgleiche Schweißung bei „großen Schweißungen“ im Bereich Produktion und Reparatur artfremde Schweißung bei „kleinen Schweißungen“ im Bereich Konstruktion und Reparatur Aufheizbarkeit des Bauteils beachten! (große Bauteile nicht immer leicht aufwärmbar)

Schweißzusätze für das Schweißen:

artgleiche Zusatzwerkstoffe

artfremde Zusatzwerkstoffe

Auszüge aus der Norm zum Schweißen von Gusseisenwerkstoffen:

Schweißen von Gusseisen mit artfremden Zusatzwerkstoffen (Auszug aus DIN 1011-8:2005-02)

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Schweißen von Gusseisen mit arteigenen oder artähnlichen Zusatzwerkstoffen (Auszug aus DIN 1011-8:2005-02)

Schweißnahtgefüge in Abhängigkeit von der Schweißung:

Gefüge und Härteverlauf in der Wärmeeinflusszone bei artgleicher Schweißung

Gefüge und Härteverlauf in der Wärmeeinflusszone bei artfremder Schweißung

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2.3 Der Eisengusswerkstoff Stahlguss Definition:

Stahlguss ist ein Eisengusswerkstoff mit maximal 2% Kohlenstoff, wobei dieser nicht als Graphit, sondern als Zementit vorliegt. Da er kein Graphit enthält, weist er einen metallischen Glanz auf und erstarrt metastabil (weißes System). Er besitzt ein grobkörniges, stängelartiges Widmannstätten-Gefüge mit einer verminderten Zähigkeit.

Schweißeignung von Stahlguss: • Beurteilung der Schweißeignung über das Kohlenstoffäquivalent • •

Vorwärmen ab 0.15 % Kohlenstoff zur Verminderung von Härterissen aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeit von Stahlguss  je höher %C desto höher Vorwärmtemperatur Martensitbildung aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeit  Aufhärtung in der WEZ 8

ZTU-Schaubild des Stahls C35E

Gründe für Schweißungen: Fertigungsschweißen  Entfernen von Fertigungsfehlern (Lunker, Risse, Oberflächenfehler)  Schaffen der äußeren und inneren Beschaffenheit  Herstellung eines artgleichen Schweißguts durch Wahl der richtigen Zusatz-werkstoffe und Schweiß-bedingungen 8

Instandsetzungsschweißen Konstruktionsschweißen  Beseitigung von Betriebs-  großes Bauteil = viele kleine schäden durch mechaEinzelteile, die durch nische und korrosive Schweißverbindungen verBeanspruchungen bunden sind  Ausarbeitung fehlerhafter  Festlegung des FertigungsStellen und Kontrolle auf ablaufs im Voraus bringt weitere Fehler viele Vorteile mit sich*  Zusatzwerkstoffe, Vor- und Nachwärmen beachten

Grenze in der WEZ liegt bei 300-400 HV!

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*Vorteile eines Fertigungsablauf-Plans: • Verbundkonstruktion mit hoher Sicherheit, bestehend aus verschiedenen Einzelteilen wie Gussteilen, Schmiedeteilen, verschiedenen Walzprofilen, Blechen und Rohren • größere Bauteile fertigungstechnisch einfacher, prüftechnisch besser  Ausschuss ↓ • Lage de Schweißnähte lässt sich günstig wählen zur Verringerung von Verzug, Spannungen • Angießen der Nahtformen möglich  schnellere, leichtere Herstellung (wirtschaftlich besser)

2.4 Der Eisengusswerkstoff Temperguss Allgemeines zum Temperguss: • Werkstoff mit 2.1 – 3.4 % Kohlenstoff und Legierungsanteilen Mangan und Silicium • Erstarrung nach dem metastabilen System (weißes System) • ledeburitische Erstarrung (rein weiß)  Ledeburit = Zementit + Austenit • im Erscheinungsbild vergleichbar mit Perlit = Ferrit + Austenit • ledeburitischer Guss wird auch als Temperrohguss bezeichnet • Austenit weist höheres Lösungsvermögen (viele Zwischengitterplätze) für bestimmte Legierungselemente auf, aber eine geringe Diffusionsgeschwindigkeit (hohe Packungsdichte) •

Anwendung der verschiedenen Arbeitstechniken für das Schweißen

Arten des Tempergusses: weißer Temperguss schwarzer Temperguss  starke Abhängigkeit der Gefügeausbidung  Abschleifen der oxiden Randschicht vor von der Wanddicke des Werkstücks Schweißen erforderlich, da sich sonst CO  bis 10 mm: weicher, unlegierter Kohlenbildet  Poren stoffstahl mit C < 0.3 %, gut schweißbar  Schweißeignung gut, aber Teil der Temper über 10 mm: Anwesenheit Temperkohle kohle im Austenit und der Schmelze geht in bewirkt Ausbildung von hartem, sprödem Lösung  nach Abkühlung in WEZ Ledeburit ledeburitisches bzw. martensitisches Gefüge  Wärmenachbehandlung erforderlich  Schweißen mit artfremden hoch-nickelhaltigem Zusatzwerkstoff

Gefüge eines schwarzen Tempergusses

Gefüge eines weißen Tempergusses

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2.5 Der Eisengusswerkstoff Gusseisen Allgemeines zum Gusseisen: • Kohlenstoffgehalt 2.5 – 4.5 % mit Lamellen- oder Kugelgraphit 9 • gezielte Zugabe von Silicium  Erstarrung nach stabilem System (schwarzes System) • Ausscheidung von Kohlenstoff als Graphit  gräuliches Schimmern des Metalls 10 • unlegiertes Gusseisen besitzt ein schlechtes Verformungsverhalten (glasähnlich) • schnelles Aufheizen und Abkühlen (ohne Vorwärmen) führt zu hartem, sprödem Gefüge 11 • Schmelzschweißverfahren zum Ausgleichen von Gießfehlern und zur Reparatur gebrochener Gussteile nur unter großen Schwierigkeiten anwendbar • Anwendung der verschiedenen Arbeitstechniken für das Schweißen Gusseisen-Kaltschweißen: • ohne Vorwärmen oder konstanten 200 – 300 °C mit Steppnaht- oder Pilgerschrittverfahren • artfremder Zusatzwerkstoff bei manuellen Techniken (Stabelektrode, MSG, WIG) • Anwendung der Mehrlagentechnik für eine geringe Streckenenergie • Spannungen werden durch Plastifizierung des zähen Werkstoffs teilweise aufgefangen • Verminderung der Rissgefahr durch zusätzliches Wärmehämmern  Entgegenwirken der Schrumpfung durch Aufbau von Druckspannungen Gusseisen-Warmschweißen: • Verwendung eines artgleichen Zusatzwerkstoffes bei Temperaturen bis 700 °C • größenmäßige Begrenzung der Schweißstelle aufgrund des dünnflüssigen Schmelzbades • langsame Abkühlung zur Verminderung von Spannungen und Grauerstarrung in WEZ und bei Verwendung einer Graugusselektrode (hochsiliciumhaltig)  je nach Dicke mehrere Stunden

2.6 Der Eisengusswerkstoff Sonderguss Allgemeines zum Sonderguss: • umfasst andere Gusswerkstoffe, die nicht ins System passen (z.B. Ni-Cr-Gusswerkstoffe) • besondere mechanische/chemische Eigenschaften (z.B. höhere Festigkeits-/Dehungswerte) Beispiele für Sondergüsse: •

Verschleißbeständiges Gusseisen: wird mit hohen Legierungsanteilen (Chrom, Nickel, Molybdän) so gegossen. Es ist widerstandsfähig gegen Abrasion (furchenden Verschleiß).

•

Säurebeständiges Gusseisen (etwa für Pumpen, Armaturen mit Chemikalienkontakt): hat einen hohen Siliziumanteil von bis zu 17 Prozent in der Legierung und einen geringen Kohlenstoffgehalt (0.6 – 0.9 %). Es ist nicht schmiedbar.

•

Schalenhartguss in Kokillen (für Walzen, Nockenwellen): Die Dauergussformen sorgen für Abschreckung in den Randbereichen, so dass hier Eisencarbid (Zementit) entsteht und der Randbereich weiß erstarrt. Zum Kern hin steigt der Graphitanteil in Richtung Grauguss. Während die Schale verschleißbeständig ist, weist der Kern eine hohe Elastizität auf.

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Bremsscheiben, Schwungmasse  Ausscheidung von Kohlenstoff  Schmiereffekt auch als „graue Erstarrung“ bezeichnet 11 Martensit im Gefüge ist hier NICHT die Ursache! 10

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Notize Notizen n zu die diesem sem Kapitel: ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ __________________________________________________________...