Allgemeines und Zeitlicher Ablauf des Schweißkurses

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1 Sommersemester 2015

2 Allgemeines und Zeitlicher Ablauf des Schweißkurses Zeit Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag 07. Sept. 08. Sept. 09. Sept. 10. Sept. 11. Sept. 9:00 12:00 Theoretische Grundlagen S104, FAN B Theoretische Grundlagen S104, FAN B Praktikum MW : Gr : Gr. 4-6 Praktikum HWK : Gr : Gr Uhr Prüfung H30 FANB 13:00 ~ 16:00 Theoretische Grundlagen S104, FAN B Lasersicherheitsunte rweisung (Theoretische Grundlagen ) S104, FAN B Praktikum MW : Gr : Gr Praktikum HWK : Gr : Gr MW: Metallische Werkstoffe (Laserhalle) HWK: Handwerkskammer Praktikum aufgrund der zahlreichen Anmeldungen geändert Geeignete Kleidung: - lange Hose - feste, geschlossene Schuhe Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 2

3 Themen der Vorlesung Einleitung Anwendungen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 3

4 Einleitung Wo wird geschweißt? Wirtschaftliches Umfeld Verbände und Normen Historische Entwicklung des Metallschweißens Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 Definition des Schweißens und Prozessbegriffe Wirkprinzipien beim Schweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 4

5 Einteilung Schweißeignung von Stählen Schmelzschweißeignung Pressschweißeignung Schweißsicherheit Schweißmöglichkeit Vorbereiten Schweißen Nachbereiten Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 5

6 Schmelzschweißverfahren Gasschmelzschweißen Lichtbogenschweißen Strahlschweißen weitere Pressschweißverfahren Widerstandsschweißen Reibschweißen weitere Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 6

7 Wo wird geschweißt? Wirtschaftliches Umfeld Maschinenbau, Straßen- und Schienenfahrzeugbau Stahlbau, Brückenbau, Hochbau, Wasserbau, Behälter-, Apparate- und Rohrleitungsbau Schiffbau und Off-Shore-Technik Elektrotechnik und Elektronik sonstige Fertigungsbereiche Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 7

8 Wo wird geschweißt? Wirtschaftliches Umfeld Beschäftigte in der Anwendung der Fügetechnik Herstellung Schweißgeräte Schweißer Beschäftigte der Schweißtechnik Schweißaufsicht Schweißinspektoren Schweißkonstrukteure Forschungspersonal 700 Schweißlehrer 900 ZFP Personal Planungsingenieure 500 Roboter-Bediener Beschäftigte der Fügetechnik Gesamt Die insgesamt Beschäftigten erwirtschaften eine Gesamtwertschöpfung der Fügetechnik (=Wertschöpfung durch Herstellung von Fügetechnik plus Wertschöpfung durch Anwendung der Fügetechnik) von 22,8 Milliarden Euro. Quelle: DVS, Studie 2013 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 8

9 Verbände und Normen Verbände DVS: GSI: EWF: IIW: Deutscher Verband für Schweißen und verwandte e.v. ( Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh ( European Welding Federation ( International Institute of Welding ( Normung In der Bundesrepublik werden die schweißtechnischen Normen im Fachnormenausschuss Schweißtechnik (kurz NAS) erarbeitet. Vom DIN (Deutsches Institut für Normung e.v.) werden die Normen ständig den neuesten internationalen Entwicklungen angepasst. Wichtige Technische Normen sind EN- und ISO-Normen (national) ASTM, GOST, (international) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 9

10 Literatur - Quellen Fahrenwald, Schuler - Praxiswissen Schweißtechnik Matthes, Schneider - Schweißtechnik Dilthey - Schweißtechnische Fertigungsverfahren (1+2) Behnisch - Kompendium Schweißtechnik (1-4) DVS Fachbücher (unterschiedliche Themen zu schweißtechnischen Aspekten; Praxisnahe Informationen oft von den Geräteherstellern, Gaslieferanten oder Hersteller der Zusatzwerkstoffe (Einstellparameter, Zusatzwerkstoffe, etc.) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 10

11 Entwicklung der Metallschweißprozesse Altertum Industriezeitalter Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 11

12 Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 Fertigungstechnik Hauptgruppe 1 Urformen Hauptgruppe 2 Umformen Hauptgruppe 3 Trennen Hauptgruppe 4 Fügen Hauptgruppe 5 Beschichten Hauptgruppe 6 Stoffeigenschaftändern Beispiele für schweißtechnische Gießschmelzschweißen Kaltpressschw. Flammrichten Brennschneiden Plasmaschneiden Verbindungsch. Löten Auftragsschweißen Therm. Spritzen Vorwärmen Flammspritzen Fügen durch Lichtbogenschweißen Fügen durch Stanznieten/Stanznietkleben Beschichten durch Thermisches Spritzen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 12

13 Gruppe 1.1 Urformen aus dem gasoder dampfförmigen Zustand Gruppe 2.1 Druckumformen DIN 8583 Blatt 1 bis 6 Gruppe 3.1 Zerteilen DIN 8588 Gruppe 4.1 Zusammensetzen DIN 8593, Teil 1 Gruppe 5.1 Beschichten aus dem gasoder dampfförmigen Zustand Gruppe 6.1 Stoffeigenschaftändern durch Umlagern von Stoffteilchen Gruppe 1.2 Urformen aus dem flüssigen, breiigen oder pastenförmigen Zustand Gruppe 2.2 Zugdruckumformen DIN 8584 Blatt 1 bis 6 Gruppe 3.2 Spanen mit geometrisch bestimmt Schneide DIN 8589 Blatt 1 und 2 Gruppe 4.2 Füllen DIN 8593, Teil 2 Gruppe 5.2 Beschichten aus dem flüssigen, breiigen oder pastenförmigen Zustand Gruppe 6.2 Stoffeigenschaftändern durch Aussondern von Stoffteilchen Gruppe 1.3 Urformen aus dem ionisierten Zustand durch elektrolytisches Abscheiden Gruppe 2.3 Zugumformen DIN 8585 Blatt 1 bis 4 Gruppe 3.3 Spanen mit geometrisch unbestimmt Schneide DIN 8589 Blatt 1 Gruppe 4.3 An- und Einpressen DIN 8593, Teil 3 Gruppe 5.3 Beschichten aus dem ionisierten Zustand durch elektrolytisch oder chemisch Abschichtung Gruppe 6.3 Stoffeigenschaftändern durch Einbringen von Stoffteilchen Gruppe 1.4 Urformen aus dem festen (körnigen oder pulverigen Zustand) Gruppe 2.4 Biegeumformen DIN 8586 Gruppe 3.4 Abtragen DIN 8590 Gruppe 4.4 Fügen durch Urformen DIN 8593, Teil 4 Gruppe 5.4 Beschichten aus dem festen (körnigen oder pulverigen) Zustand Gruppe 2.5 Schubumformen DIN 8587 Gruppe 3.5 Zerlegen Gruppe 4.5 Fügen durch Umformen DIN 8593, Teil 5 Gruppe 3.6 Reinigen Gruppe 4.6 Fügen durch Schweißen DIN 8593, Teil 6 Gruppe 3.7 Evakuieren Gruppe 4.7 Fügen durch Löten DIN 8593, Teil 7 Gruppe 4.8 Kleben DIN 8593, Teil 8 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 13

14 Systematik der Hauptgruppe 4 Fügen nach DIN 8593 HG 4 Fügen.. Gr. 4.4 Fügen durch Urformen Gr. 4.5 Fügen durch Umformen Gr. 4.6 Fügen durch Schweißen Gr. 4.7 Fügen durch Löten Gr. 4.8 Fügen durch Kleben UG Ausgießen UG Fügen durch Umformen drahtförmiger Körper UG Pressverbindungs- Schweißen DIN ISO UG Verbindungs- Weichlöten UG Kleben im engeren Sinne UG Umgießen,Einbetten Eingalvanisieren UG Fügen durch Umformen nichtdrahtf. Körper UG Schmelzverbindungs- Schweißen DIN ISO UG Verbindungs- Hartlöten. UG Vergießen, Eingießen unter Entstehung eines Formschlusses UG Fügen durch Umformen von Hilfsfügeteilen UG Verbindungshochtemperaturlöten UG Einschmelzen UG Umpressen Aufvulkanisieren HG: Hauptgruppe Gr. : Gruppe UG: Untergruppe Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 14

15 Definition des Schweißens und Prozessbegriffe Schweißen ist Fügen durch Stoffverbinden Schweißhilfsstoffe (Schutzgase, Schweißpulver, Pasten) ermöglichen oder erleichtern. Schweißzone Werkstück A Werkstück B Vereinigen mit/ohne Schweißzusatz Zusatz von Wärme und/oder Kraft. Definition des Begriffes Schweißen nach DIN 1910 Schweißen ist das Vereinigen von Werkstoffen in der Schweißzone unter Anwendung von Wärme und / oder Kraft ohne oder mit Schweißzusatz. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 15

16 Einteilung der Schweißprozesse (DIN 1910) Einteilung der Schweißprozesse nach Art des Energieeintrags nach der Art des Grundwerkstoffes nach dem Ziel des Schweißens nach dem Ablauf des Schweißens nach der Art der Fertigung z.b. Gas, Strom z.b. Metalle, Kunststoffe, Glas (Holz) z.b. Verbindungsschweißen Auftragsschweißen z.b. Schmelzschweißen Pressschweißen z.b. Handschweißen, Automatenschweißen Formen der Wärmeerzeugung Wärmeenergie chem. Reaktion Elektrizität Reibung Strahlen/Wellen Metallthermische Reaktion Gasflamme Verbrennung Elektrischer Lichtbogen Elektrischer Widerstand Induktion Schallwellen Lichtstrahlen Elektronenstrahlen Ionenstrahlen Atomstrahlen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 16

17 Verbindungsschweißen / Auftragsschweißen Verbindungsschweißen Verbinden ist eine Vereinigen von zwei oder mehreren Teilen eines artgleichen oder unterschiedlicher Werkstoffe zu einer Einheit. Sie ist im Allgemeinen eine unlösbare Verbindung. Auftragsschweißen Panzerung Verwendung eines besonders verschleißfesten Auftragswerkstoff, z.b. für Baggerschaufeln Plattierung (Schweißplattieren) Verwendung eines vorzugsweise chemisch beständigen Auftragswerkstoff Pufferschichten (Puffern) Verwendung eines Auftragswerkstoffes mit solchen Eigenschaften, dass zwischen nicht artgleichen Werkstoffen eine beanspruchungsgerechte Bindung erzielt werden kann, z.b. für Auftragsschweißungen auf rissanfälligen Stählen. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 17

18 Wirkprinzipien beim Schweißen Schweißverfahrensgruppe Schmelzschweißverfahren Pressschweißverfahren Energieform: Wärme Druck oder Wärme und Druck Stoffschluss durch:.schmelzfluss der Fügeteile und des Zusatzwerkstoffs.Plastifizierung und örtliches Verformen der Fügeteile F D F D Bereich der Schmelzzone Bereich der Plastifizierung nach Matthes, Schneider Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 18

19 Pressschweißen Pressschweißen Kaltpressschweißen Reibschweißen Feuerschweißen Gaspressschweißen Widerstandsschweißen Pressstumpfschweißen Abbrennstumpfschweißen Punktschweißen Buckelschweißen Rollennahtschweißen Folienstumpfschw. Lichtbogenpressschweißen Lichtbogenbolzenschweißen Magnetisches Lichtbogenschw. Diffusionsschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 19

20 Schmelzschweißen Schmelzschweißen Gießschmelzschweißen Gießschweißen Aluminotherm. Schweißen Gasschweißen (Autogen) Widerstandsschmelzschweißen Elektroschlackeschweißen Lichtbogenschweißen Metall-Lichtbogen Unterpulverschweißen Schutgasschweißen Wolfram-Schutzgasschweißen Handschweißen Metallschutzgas Schutzgasengspalt Wolfram-Inertgasschw. Schwerkraftschweißen Inertgas Elektrogas Plasmaschw. Unterschienenschweißen Aktivgas Plasma-Metall Wolfram-Wasserstoffschw. Mit Fülldraht Schweißen Strahlschweißen Lichtstrahlschweißen Laserstrahlschweißen Elektronenstrahlschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 20

21 Mechanisierungsgrade nach DIN ISO Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 21

22 Grundlagen Systeme Schweißen in Konkurrenz zu anderen Fertigungsprozessen Vorteile des s Nachteile des s Vorteile des Schweißens Gießen Gestaltungsfreiheit Massenfertigung oft billiger Modelle und Werkzeuge erforderlich Gewichtseinsparung bis zu 50% höhere Robustheit Verbundkonstruktionen Spritzguß Platten, Folien (Kunststoff) Leichte Teile Verbundkonstr. möglich farbige Ausführungen Geringere Festigkeit, geringere Steifigkeit, geringere Temperaturbeständigkeit Herstellen von Rohrleitungen Folien versiegeln Schmieden Günstiger Faserverlauf, beste Zähigkeit, unempfindlich gegen Schlag Aufbaumöglichkeit begrenzt, Werkzeuge/Gesenke notwendig Kürzere Lieferzeiten, Werkstoffauswahl größer Nieten Keine Wärmebeeinflussung, keine Eigenspannungen gewisse Nachgiebigkeit Oft dekorativ Gewicht deutlich höher Korrosionsanfällig Günstigerer Kraftfluss Weniger Einzelteile Löten Niedrige Arbeitstemperatur Unterschiedliche Werkstoffe fügbar Geringer Lotverbrauch Mechanisierbar Teilweise geringe Festigkeit Korrosion Risiko durch diverse Elemente Keine Flussmittel erforderlich Gleicher Werkstoff als Zusatz Stumpfstoß möglich Kleben Arbeiten bei Raum-Temperatur Leichte Bauweise Gute Festigkeitswerte Untersch. Werkstoffe fügbar, isolierend Überlappungslänge erheblich große Alterungsgefahr Vorbereitung aufwendig Einsatztemperatur begrenzt Prozesssicherheit größer Stumpfstoß möglich Günstigerer Kraftfluss Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 22

23 Einteilung Werkstoff des Bauteils Schweißmöglichkeit Konstruktion Abschätzung über werden in folgende Stufen vorgenommen: Gut geeignet bedingt geeignet - ungeeignet Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 23

24 Einflussgrößen auf die Schweißeignung des Bauteils Schweißeignung (Werkstoffbedingte Schweißeignung) Schweißsicherheit (Konstruktivbedingte Schweißsicherheit) Schweißmöglichkeit (Fertigungsbedingte Schweißmöglichkeit) Chemische Zusammensetzung Metallurgische Zusammensetzung Physikalische Eigenschaften Vorbereitung zum Schweißen Ausführung des Schweißens Nachbehandlung z.b. Härteneigung Alterungsneigung Sprödbruchneigung Heißrissneigung Schmelzbadverhalten z.b. Seigerungen Einschlüsse Korngröße Gefüge Anisotropie z.b. Ausdehnungsverhalten Wärmeleitfähigkeit Schmelzpunkt Festigkeit/Zähigkeit z.b. Auswahl der Schweißverf., von Zusätzen und Hilfsstoffen Stoßart Fugenform Vorwärmung Maßnahmen bei ungünstigen Witterungsverhältnissen z.b. Wärmeführung Wärmeeinbringung Schweißfolge z.b. Wärmebehandlung Schleifen Beizen Richten Konstruktive Gestaltung Beanspruchungszustand z.b. Kraftfluss im Bauteil Anordnung der Schweißnähte Werkstückdicke Kerbwirkung Steifigkeitsuntersuchungen z.b. Art und Größe der Spannungen Räumlichkeitsgrad der Sp. Beanspruchungsgeschw. Temperatur Korrosion Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 24

25 Einflussgrößen auf die Schweißeignung Schmelzen, Gießen, Walzen, Glühen, Oberflächenbehandeln chemische physikalische Gefüge- Oberflächen- Stähle Nicht-Eisen-Metalle Aufhärten Heißrisse Deckschichten Lunker Korrosionsbeständigkeit Leitfähigkeit für Strom und Wärme Spezifische Wärmekapazität Schmelztemperatur Umwandlungswärme Übergangswiderstand Zugfestigkeit Steckgrenze Dehnung Eigenschaften Gefügeart Korngröße Kornstreckung Kornorientierung Seigerungsverhalten Aufhärten Umwandlung Einschlüsse Glanz Reflexion Rautiefe Beschichtung Verunreinigung Anlegierungsneigung Absorptionsvermögen Verarbeitungseigenschaft: Schweißeignung Schweißprozess Gebrauchseigenschaften der Schweißverbindung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 25

26 Schweißeignung von Stählen In Abhängigkeit vom Grad der Erwärmung an der Fügestelle, schmelzflüssig oder teigiger Zustand, ist zwischen Schmelzschweißeignung und Pressschweißeignung zu unterscheiden Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 26

27 Schweißeignung von Stählen Zur qualitativen Abschätzung der Schmelzschweißeignung haben sich drei Methoden bewährt: 1. Abschätzung der Schweißeignung von unlegierten Stählen a) gut geeignet wenn C < 0,22% b) bedingt geeignet, wenn 0,22% < C < 0,4% (TVW > 100 C) 2. Abschätzung der Schweißeignung von niedrig legierten Stählen a) gut geeignet bei Kohlenstoffäquivalent C ä < 0,4% beträgt b) Liegen die Werte von C ä > 0,4% so ist entweder vorzuwärmen oder der Wärmeeintrag (Streckenenergie) ist zu erhöhen (Detaillierte Aussagen zur Schweißeignung von niedrig legierten Stählen sind mit Hilfe von Schweiß-ZTU-Diagrammen möglich.) C ä = C + Mn 6 Kohlenstoffäquivalent: + Cr+Mo+V 5 + Ni+Cu+Si 15 % 3. Abschätzung der Schweißeignung von hochlegierten Stählen mit dem Chrom-Nickel-Äquivalent Schäfflerdiagramm Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 27

28 Schweiß-ZTU-Diagramm und seine Anwendungsmöglichkeiten ZTU-Diagramm: - Zeit - Temperatur - Umwandlungsschaubild Matthes, Schneider Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 28

29 Schweiß-ZTU-Diagramm und Beispiele Kontinuierliches ZTU-Schaubild Isothermes ZTU-Schaubild Beides Unlegierter- Stahl mit C=0,45% Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 29

30 Schweißen - Stahl Die schematische Darstellung der temperatur- und zeitabhängigen Umwandlungsbereiche A B (A) Langsame Abkühlen: Perlit (B) Abkühlen auf Perlit (1) Abschrecken auf Martensit (2) Zwischenstufenvergüten (3) Abkühlen auf Bainit (4) Perlitbereich (5) Bainitbereich Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 30

31 Schweißeignung von Stählen - Allgemeine Baustähle Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 31

32 Schweißeignung von Stählen Die Schweißeignung von hochlegierten Stählen kann mit dem Cr-Ni-Äquivalent ausreichend abgeschätzt werden Das Schaeffler-Diagramm ermöglicht die Bestimmung der Grundwerkstoffe, des Schweißzusatzes und der Lage des Schweißgutes. Entscheidend für die Schweißeignung ist die Lage des Schweißgutes. fronius Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 32

33 Schweißeignung von Stählen Nichtrostende Stähle (nach DIN 17440) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 33

34 Schmelzschweißeignung sdreiecke Laserstrahlschweißen Elektronenstrahlschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 34

35 Pressschweißeignung sdreiecke Punktschweißbarkeit von Stahlkombinationen Punktschweißbarkeit von NE-Metall-Kombinationen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 35

36 Schweißsicherheit Konstruktive Gestaltung Die Schweißsicherheit einer Konstruktion ist gegeben, wenn das zu fügende Bauteil auf Grund seiner konstruktiven Gestaltung unter den vorgesehenen Belastungskollektiv funktionsfähig bleibt. Die Schweißsicherheit wird beeinflusst von der konstruktiven Gestaltung und dem Beanspruchungskollektiv Kraftfluss im Bauteil Stumpfnaht (Normalgüte) Nietlaschenstoß Kraftfluss bei stoffschlüssigen Verbindungen Einfluss des Kraftflusses auf die Schwellfestigkeit (Werkstoff St38) Matthes, Schneider Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 36

37 Schweißsicherheit Konstruktive Gestaltung Die Wirkung von Kerben und Nahtüberhöhung auf die Schwellfestigkeit Schwellfestigkeit von Stumpfnähten in Abhängigkeit von Einbrandkerben a) Stumpfnaht unbearbeitet, Wurzel gegengeschweißt; Nahtübergang ohne Kerbe b) mit größerer Kerbe c) Kerben verlaufend geschliffen Schwellfestigkeit von Stumpfnähten unbearbeitet in Abhängigkeit von der Nahtüberhöhung, t=10mm Matthes, Schneider Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 37

38 Schweißsicherheit Beanspruchungszustand Unter Beanspruchungszustand (Belastungskollektiv) versteht man das Zusammenwirken aus Belastungsart Beanspruchungsgeschwindigkeit (schwellend, schlagend) Temperatur Medium Schweißsicherheit kann leichter erreicht werden bei: statischer Beanspruchung Betriebstemperatur bei ca. 20 C als Medium trockene Luft vorliegt Schweißsicherheit schwierig zu erreichen bei: dynamischen Belastungen niedrigen Betriebstemperaturen aggressive Medien Belastungsarten mit zugehörigen Spannungs-Zeit-Diagramm Matthes, Schneider Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 38

39 Schweißmöglichkeit Die Schweißmöglichkeit ist vorhanden, wenn die vorgesehenen Schweißungen unter den gewählten Fertigungsarten fachgerecht hergestellt werden können. Die Schweißmöglichkeit wird u.a. von folgenden Faktoren beeinflusst: Vorbereiten zum Schweißen (Auswahl von Stoßart, Schweißverfahren, Fugenform und Schweißzusätzen, Heften und Vorwärmen) Ausführen des Schweißens (Wärmeeinbringung, Wärmeführung, Schweißfolge) Nachbereiten/Nachbehandeln der Schweißverbindung (Wärmebehandlung, Richten, Schleifen, Beizen) Ziele bei der Ausführung von Schweißarbeiten sind: Erzielung einer hohen Nahtwertigkeit Verformungs- und spannungsarme Schweißverbindungen Geringe Bauteilendverformung Aufstellen und Anwenden von Schweißfolgeplänen Das Vorbereiten der Fügestelle ist in erster Linie abhängig von: der Stoßart der Bauteile der Bauteilform den Bauteilabmessungen dem Schweißverfahren Nahtwertigkeit = R m Verbindung R m Werkstoff möglichst 1 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 39

40 Vorbereiten Stoßarten von Bauteilen nach DIN 1912, Teil 1 Matthes, Schneider Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 40

41 Vorbereiten Typische Fugenformen für das Schmelzschweißen bei unterschiedlicher Blech- bzw. Wanddicke sowie verschiedenen Stoßarten R: Radius b: Spaltbreite c: Steghöhe h: Flankenwinkel t: Blech-/Wanddicke a: Öffnungswinkel b: halber Öffnungswinkel Fugenarten nach DIN 8551 Matthes, Schneider Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 41

42 Vorbereiten Vorwärmtemperaturen für das Lichtbogenhandschweißen Matthes, Schneider Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 42

43 Schweißen Gegenüberstellung der Leistungsdichten bei ausgewählten Schmelzschweißverfahren Temperaturfelder bei unterschiedlichen Leistungsdichten Einfluss der Leistungsdichte auf die Aufschmelzquerschnitte und die Nahtformen beim Schweißen Die Temperaturverteilung ist abhängig von Art der Energieeinbringen (Leistungdichte) aber auch von: -Wärmezufuhr; -Wärmeableitung; -Schweißgeschwindkeit; -Werkstoff; -Bauteilform. Matthes, Schneider Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 43

44 Schweißen Temperaturfelder für verschiedene Werkstoffe bei gleicher Wärmeleistung WEZ: Wärme Einfluss Zone Einfluss der Leistungsdichte unterschiedlicher Schweißverfahren auf die Maximalhärte in der WEZ und auf ihre Breite, dargestellt für umwandlungsfähige Stähle Matthes, Schneider Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 44

45 Schweißen WEZ: Wärme Einfluss Zone Matthes, Schneider Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 45

46 Schweißen Abkühlgeschwindigkeit wird im wesentlichen durch bauteilbedingte Wärmeableitung bestimmt. Wärmeableitung erfolgt entweder 2- (Dünnblech) oder 3-Dimensional (Dickblech, Mehrfachstöße) Matthes, Schneider Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 46

47 Schweißen Grundsätzlich gilt: Der Wärmeeintrag und die Wärmeableitung sind ebenso aufeinander abzustimmen wie Schweißzusatz und Grundwerkstoff. Ziel muss es sein, günstige Gefügezusammensetzungen zu erzielen, die optimale Gebrauchseigenschaften sichern. Der Wärmeeintrag beim Schmelzschweißen kann mit Hilfe der Streckenenergie E bestimmt werden. Die Streckenenergie E berechnet sich für das Lichtbogenschweißen: E= I S x U S x h x 60 v S v S ~ I S d e I S : Schweißstrom in A U S : Schweißspannung in V d e : Elektrodendurchmesser v S : Schweißgeschwindigkeit in cm/min h: relativer thermischer Wirkungsgrad Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 47

48 Schweißen Einfluß der Schweißparameter auf die resultierenden Eigenspannungen: Hohe Streckenenergie Geringer Wärmeeintrag Hohe Abkühlgeschwindigkeit Martensitische Umwandlung Druckeigenspannungen Geringe Streckenenergie Hoher Wärmeeintrag geringe Abkühlgeschw. ferrit./perlit. Umwandlung Zugeigenspannungen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 48

49 Schweißen Schweißverfahren E-Schweißung 3,25 MAGC- Langlichtbogen MAGC- Kurzlichtbogen Elektroden Ø, mm 4,0 5,0 1,2 1,6 2,0 UP-Schweißen 2,5 Steckenenergie, J/cm ,8 1, ,0 4,0 5, Schweißverfahren UP-Schweißen 1,0 Lichbogenhandschweißen Stabelektrode Metall-Aktivgasschweißen mit Argon bzw. CO 2 Metall-Inertgasschweißen mit Argon bzw. Helium Wolfram-Inertgasschweißen mit Argon bzw. Helium Relativer thermischer Wirkungsgrad h 0,8-0,9 0,8-0,9 0,7-0,8 0,6-0,7 Richtwerte für die Streckenenergie Relativer thermischer Wirkungsgrad verschiedener Schweißverfahren Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 49

50 Schweißen Wärmebilanz beim... Lichtbogenhandschweißen Unterpulverschweißen Matthes, Schneider Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 50

51 Schweißen Zeit-Temperaturverlauf für das Schweißen mit Vorwärmen Zeit-Temperaturverlauf für das Schweißen mit konstanter Arbeitstemperatur Die gezielte örtliche und zeitliche Folge von Wärmeeintragungen führt zu komplexen Erwärmungs- und Abkühlvorgängen, die häufig nur empirisch ermittelt werden können Matthes, Schneider Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 51

52 Schweißen PE a) Schweißpositionen nach DIN EN und deren b) Korrekturfaktoren für Schweißzeiten bezogen auf die Wannenposition PA (t h... Brenndauer des Lichtbogens) Matthes, Schneider Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 52

53 Nachbearbeitung Das Nachbearbeiten umfasst: das Säubern der Naht (mechanisch oder chemisch) das Bearbeiten der Naht durch vorzugsweise Schleifen, um Spannungsspitzen im Nahtbereich aufgrund der Kerbwirkung abzubauen das Richten der Bauteile (mechanisch oder thermisch) das Wärmebehandeln in Verbindung mit dem Schweißen Wärmebehandlung in Verbindung mit Schweißen vorher während nachher Normalglühen Spannungsarmglühen Vorwärmen Normalglühen Spannungsarmglühen Flammentspannen Härten Vergüten Aushärten örtliches Vorwärmen Vorwärmen des gesamten Bauteils von besonderer Bedeutung sind... für die Schweißnaht einschließlich der Wärmeeinflusszone das Normalisieren, das heißt das Umwandeln von grobkörnigen in feinkörniges Gefüge, um damit eine zähe Schweißverbindung zu erzielen für das Bauteil der Abbau von Schweißeigenspannungen durch Spannungsarmglühen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 53

54 Nachbearbeitung Matthes, Schneider Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 54

55 Schmelzschweißen Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 55

56 Gasschmelzschweißen (Autogenschweißen) Am häufigsten verwendet: Acetylen Vorteile: Flammentemperatur und leistung nicht giftig Schutzgaswirkung bei richtig eingestellter Brennerflamme Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 56

57 Gasschmelzschweißen Früher: CaC 2 + 2H 2 O C 2 H 2 + Ca (OH) 2 + Wärme Heute: Acetylen in Aceton gelöst Arbeitsdrücke: Acetylen: ca. 0,5 bar Sauerstoff: ca. 2,5 bar Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 57

58 Gasschmelzschweißen Neutrale Flamme: Mischungsverhältnis Acetylen/Sauerstoff 1:1 1:1, C (auch reduzierend oder oxidierend mögl.) Anzünden: erst Sauerstoff dann Acetylen Löschen: erst Acetylen dann Sauerstoff Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 58

59 Gasschmelzschweißen Nach-Links-Schweißen: Blechdicke <3 mm Nach-Rechts-Schweißen: Blechdicke >3 mm Anwendungsgebiete - Rohrleitungsbau und Installationsbereich - Instandsetzung - Auftragsschweißen - bis ca. 7 mm Blechdicke Vorteile: - Unabhängigkeit vom Strom, überall einsetzbar - gutes Dünnblechschweißen - günstige Anlage geeignete Werkstoffe - unlegierte Stähle - niedriglegierte Stähle - Gusseisen - Nichteisenmetalle Nachteile: - geringe Leistungsdichte - schlechter Energieübergang Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 59

60 Schmelzschweißen Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 60

61 Schweißen mit Lichtbogen Lichtbogenschweißen: Bogenentladung zwischen 2 Elektroden in ionisiertem Gas (Plasma) Plasma Masse und Energietransport Fahrenwald, Schuler nach Roth Spannungsverteilung in einem Hochstrom-Lichtbogen Starker Spannungsabfall nahe der Elektroden: Anoden- bzw. Kathodenfall Linearer, flacher Abfall im Plasma (Langer Lichtbogen hoher Spannungsabfall) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 61

62 Schweißen mit Lichtbogen Lichtbogenerzeugung Zünden des Schweißlichtbogens Kurzschluss Hochfrequenz Kurzschluss Berühren Zündpille Zündpulver Hochfrequenzzünden: Hochspannung mit hoher Frequenz ermöglicht Feldemission aus der Elektrode. Erhöhung der Anzahl von Ladungsträgern durch Stoßionisation, bei ausreichender Anzahl von Ladungsträgern entsteht der Lichtbogen. Mechanischer Ablauf des Zündvorgangs a) Elektrode hat Werkstück noch nicht berührt b) Elektrode hat Werkstück berührt, durch die starke Erhitzung der Brücken entsteht Metalldampf, c) Elektrode hat die zu erwartende Lichtbogenlänge erreicht, Kathode emittiert Elektronen (der Metalldampf liefert die Ladungsträger) d) Die emittierten Elektronen werden durch ansteigende Spannung beschleunigt, es bildet sich ein thermisches Plasma Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 62

63 Schweißen mit Lichtbogen Lichtbogentemperatur Hochstromkohlelichtbogen, 200 A Die Lichtbogentemperaturen werden hauptsächlich vom Ionisierungsgrad des Plasmagases bestimmt. Vereinfacht gilt: T LB ~ x u ieff T LB : Lichtbogentemperatur in K u ieff : effektive Ionisationsspannung der im Plasma vorhanden Stoffe gemessene Isotherme interpolierte Isotherme Mittlere Temperaturen für Schweißlichtbögen Metalllichtbogenschweißen mit Stabelektrode WIG-Schweißen Metall-Schutzgasschweißen Plasma-Schweißlichtbogen ca K K K > K Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 63

64 Schweißen mit Lichtbogen - Lichtbogenkennlinie Die Abhängigkeit vom Spannungsabfall über dem Lichtbogen bei konstanter Lichtbogenlänge wird Lichtbogenkennlinie genannt. Ihr Verlauf ist hauptsächlich abhängig von der Lichtbogenlänge, Lichtbogenatmosphäre sowie von der Zusammensetzung von Elektrode und Werkstück. Die Kennlinie verläuft bei geringen Stromstärken steil abfallend. Im Ayrtonschen Bereich ist die Kennlinie instabil. Deswegen wird beim Schweißen stets mit Stromstärken gearbeitet, die im leicht ansteigenden Bereich liegen Lichtbogenkennlinie Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 64

65 Schweißen mit Lichtbogen - Lichtbogenkennlinie Die Arbeitswerte der Hauptparameter I S und U S werden im praktischen Schweißprozess durch die Lichtbogenkennlinie der jeweiligen svariante bestimmt. Für diese Arbeitswerte gelten: Lichtbogenhandschweißen mit Stabelektrode U S = ,04 I S für I S < 600 A Metallschutzgasschweißen U S = ,05 I S für I S < 600 A Einfluss der Ionisierungsenergie verschiedener Schutzgase auf den Verlauf der Lichtbogenkennlinie. Ionisierungsenergie einfach He: 24,6 ev, Ar: 15,76 ev Ionisierungsenergie mehrfach He: 54,4 ev, Ar: 27,6 ev Unterpulverschweißen U S = ,04 I S für I S < 600 A U S = 44V für I S > 600 A WIG-Schweißen U S = ,04 I S für I S < 600 A Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 65

66 Schweißen mit Lichtbogen Schweißstromquellen Anforderungen an Stromquellen: Nicht-gefährliche Leerlaufspannung, jedoch gutes Zündverhalten Gleichstrom 113 V, Wechselstrom 80 V (Effektiv) Begrenzter Kurzschlussstrom (keine Beschädigung am Gerät) Spannung nach Zünden sofort auf Arbeitswert stabile Bedingungen Stabile Strom-Spannungskennlinie stufenlose Einstellung der Schweißparameter (U S, I S ) geringe Wartung robuster Aufbau geräuscharm geringer Stromverbrauch im Leerlauf hoher Wirkungsgrad Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 66

67 Schweißen mit Lichtbogen Schweißstromquellen Schweißstromquellen Schweißumformer nicht regelbar Gleichstrom Schweißtransformator nicht regelbar Wechselstrom Schweißgleichrichter nicht regelbar Gleichstrom elektronische Stromquelle regelbar Gleich- oder Wechselstrom sekundär getaktete Stromquelle (Shopper) primärgetaktete Stromquelle (Inverter) Elektronisch gesteuerte Schweißstromquellen ermöglichen es, den Schweißstrom I S zeitlich definiert zu variieren, um damit die thermischen Vorgänge im Lichtbogen, insbesondere den Tropfenübergang (bei der abschmelzenden Elektrode) günstig zu beeinflussen. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 67

68 Schweißen mit Lichtbogen Schweißumformer Motor treibt Generator auf gemeinsamer Welle an Drehstrommotor oder Verbrennungsmotor Schweißaggregat Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 68

69 Schweißen mit Lichtbogen Schweißtransformator Einfache und sehr robuste Ausführung Nur Wechselstrom! U1 : U2 = N1 : N2 U1 : U2 = I2 : I1 Fallende Kennlinien Matthes, Schneider Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 69

70 Schweißen mit Lichtbogen Schweißgleichrichter Transformator vorgeschaltet Gleichrichtung der Spannung durch Dioden Glättung durch Kondensator und Spule möglich Matthes, Schneider Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 70

71 Schweißen mit Lichtbogen elektronische Stromquelle auch Inverter genannt Transistoren erzeugen einen hochfrequenten Wechselstrom (bis 100kHz) je höher f, desto einfacher die Transformation Matthes, Schneider Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 71

72 Schweißen mit Lichtbogen Stromquellenkennlinien Konstantstromcharakteristik Konstantspannungscharakteristik Matthes, Schneider Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 72

73 Schweißen mit Lichtbogen Schweißstromquellen Konstantstrom bzw. fallende Charakteristik Konstantspannungscharakteristik Äußere Regelung oder ΔU-Regelung: Verlängerung des Lichtbogens Spannung steigt Strom bleibt annähernd konstant Elektrodenschweißen, WIG-Schweißen, Handschweißen Innere Regelung oder ΔI-Regelung: Verlängerung des Lichtbogens Strom sinkt Elektrode schmilzt langsamer ab Lichtbogen wird kürzer MIG, MAG, automatisiertes Schweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 73

74 Schweißen mit Lichtbogen Typenschild Dalex Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 74

75 Schweißen mit Lichtbogen - Schweißstromquellen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 75

76 Lichtbogenhandschweißen Anwendungsbereiche: Abmesssungen: Stumpfnähte an Blechdicken von 2 bis 100mm und Kehlnähte mit 3 bis 100mm Werkstoffe: Baustähle, niedrig- und hochlegierte Stähle, Stahlguß und Gußeisen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 76

77 Lichtbogenhandschweißen - Aufbau einer Elektrode Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 77

78 Lichtbogenhandschweißen Umhüllung der Elektrode Umhüllung der Elektrode dient zur: Stabilisierung des Lichtbogens Sicheres Zünden und gute Leitfähigkeit der Lichtbogenstrecke Schutz der übergehende Metalltropfen und des Schmelzbades vor Luftzutritt Vier Umhüllungstypen Sauerumhüllte Elektroden (A): Hauptbestandteil Erz Rutilumhüllte Elektrode (R): Hauptbestandteil TiO 2 Basischumhüllte Elektrode (B): Hauptbestandteil Flussspat Zelluloseumhüllte Elektrode (C): Hauptbestandteil Zellulose Umhüllungsrohstoff Wirkung auf Schweißeigenschaften Quarz- SiO2 Erhöhte Strombelastbarkeit, Schlackenverdünner Rutil-TiO2 Verb. Schlackenabgang und Nahtzeichnung, gutes Wiederzünden Magnetit-Fe3O4 Verfeinert den Tropenübergang Kalkspat-CaCO3 Setzt die Lichtbogensp. herab, Schutzgas- und Schlackenbildner Flussspat-CaF2 Schlackenverdünner bei basischen Elekt. verschlechtert die Ionisation Kali-Feldspat-K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2 Leicht ionisierbar, verb. die Lichtbogenstabilität Ferro-Mangan/Ferro Silizium Desoxidationsmittel Zellulose Schutzgasbildner Kaolin-Al2O3 2SiO2 2H2O Gleitmittel K- oder Na-Wasserglas K 2 SiO 3 /Na 2 SiO 3 Bindemittel Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 78

79 Lichtbogenhandschweißen Elektrodenbezeichnung Basische Elektroden müssen rückgetrocknet werden Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 79

80 Lichtbogenhandschweißen Kennlinien und Arbeitspunkt AP Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 80

81 Lichtbogenhandschweißen Elektrodenführung senkrecht schleppend stechend Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 81

82 Lichtbogenhandschweißen - Zusammenfassung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 82 Matthes, Schneider

83 Schmelzschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 83

84 Unterpulverschweißen - sprinzip Vorgänge in der Schweißzone kontinuierlich zugeführter Massivdraht schmilzt unter Aufschüttung mineralischen Pulvers ab Lichtbogen brennt in Kaverne unter Pulver sehr gute Schutzwirkung hohe Abschmelzleistung (ca. 15 kg/h) waagrechtes Schweißen Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 84

85 Unterpulverschweißen Elektroden und Schweißpulver Elektroden: Elektrodendurchmesser 1,2 bis 12 mm (Standard: 2,4 bis 4 mm) Kaltgezogen und verkupfert für besseren Stromübergang Auftragsschweißen: bandförmige Elektroden ca. 1 mm dick und 30 bis 60 mm breit Schweißpulver: Ähnliche Zusammensetzungen und Aufgaben wie die Umhüllung bei Stabelektroden Unterscheidung in erschmolzene, agglomerierte und Mischpulver Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 85

86 Unterpulverschweißen ro-motion.pl Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 86

87 Unterpulverschweißen - Anwendungen ab 2 mm Blechdicke, obere Dickenbegrenzung ist nicht gegeben wirtschaftlicher Einsatz des s verlangt möglichst große Blechdicken und lange Schweißnähte Rohrleitungsbau zur Herstellung von Großrohrleitungen (Längs- Rund-, Spiralschweißnähte) Kessel-, Behälter-, Apparatebau oft der meist eingesetzte Schweißprozess Beim UP-Engspaltschweißen werden an Werkstoffdicken bis 200 mm volumenarme I-Nähte bei Fugenweiten von 15 bis 20 mm einseitig wirtschaftlich geschweißt Stahlhoch- und Brückenbau zum Schweißen von Vollwandstützen und träger Schiffbau Plattieren und Auftragsschweißen im Chemieanlagenbau Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 87

88 Schmelzschweißen Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 88

89 Schutzgasschweißen - Einordnung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 89

90 Metall-Schutzgas-Schweißen Prinzip Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 90

91 Metall-Schutzgas-Schweißen Prinzip Fahrenwald, Schuler Stromquellen: Konstantspannungscharakteristik (digital) ΔI-Regelung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 91

92 Metall-Schutzgas-Schweißen Gase Schutz vor atmosphärischen Gasen (O 2, N 2 ) Beeinflussung von MAG-Schweißen von un- und niedriglegierten Stählen: MG aus Ar+18% CO 2 + 8% O 2 oder reines CO 2 MAG-Schweißen von nichtrostenden hochlegierten Stählen: MG aus Ar + 2,5% CO 2 oder Ar + 3% O2 MIG-Schweißen von NE-Metallen: 100% reines Ar oder Gemische aus Ar+30-60% He - Zündeigenschaften - Form und Stabilität des Lichtbogens - Einbrand - Metallurgie Einteilung der Schutzgase zum Schutzgasschweißen erfolgt nach DIN 439 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 92

93 Metall-Schutzgas-Schweißen Gase Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 93

94 Metall-Schutzgas-Schweißen Tropfenübergang Unterschiedliche Kräfte im Lichtbogen wirken auf den abschmelzenden Zusatzwerkstoff und bestimmen damit den Werkstoffübergang. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 94

95 Metall-Schutzgas-Schweißen MAG Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 95

96 Metall-Schutzgas-Schweißen Lichtbogenarten Zu jeder vorgegebenen Spannungskennlinie U gehört ein entsprechender Schweißstrom I, der bei diesem Schweißverfahren über die Drahtgeschwindigkeit v eingestellt wird. Die richtige Geräteeinstellung lässt sich am Lichtbogengeräusch erkennen. Nur in einem bestimmten Arbeitsbereich brennt ein stabiler Lichtbogen Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 96

97 Metall-Schutzgas-Schweißen Lichtbogenarten Der Kurzlichtbogen: dünne Bleche Zwangslagen- und Wurzelschweißungen niedriger Leistungsbereich geringe Spritzerbildung im Kurzschluss gleichmäßig, feintropfig Der Übergangslichtbogen: mittlere Leistung mittlere Blechdicken Argon-Mischgas bevorzugt fein- bis grobtropfig teils im Kurzschluss, teils kurzschlussfrei Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 97

98 Metall-Schutzgas-Schweißen Lichtbogenarten Langlichtbogen : Sprühlichtbogen : Impulslichtbogen: hohe Leistungen CO 2 -haltige Gase grobtropfiger Übergang Spritzer Edelgase große Wanddicken hohe Abschmelzleistungen und Schweißgeschwindigkeiten feintropfiger Übergang ohne Kurzschlüsse kaum Spritzer alle Leistungsbereiche MIG und MAG kurzschlussfreier definierter Tropfenübergang geringste Spritzerbildung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 98

99 Metall-Schutzgas-Schweißen Kurzlichtbogen Beispiele für den Werkstoffübergang Kennzeichen: relativ energiearm (U,I klein). Der Tropfenübergang (50 bis 100 Tropfen/s) erfolgt bei kleinen Lichtbogenleistungen im Kurzschlussbetrieb Anwendung: Schweißen von Wurzellagen, Zwangslagen (Positionen PC, PF, PG, PE), Schweißen von Dünnblechen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 99

100 Metall-Schutzgas-Schweißen Übergangslichtbogen Beispiele für den Werkstoffübergang Kennzeichen: mittlere Lichtbogenleistung, Zusatzwerkstoff ist dünnflüssiger. Tropfenübergang (100 Tropfen/s) teils im Kurzschluss, teils berührungslos. Anwendung: ab 2 mm Blechdicke, für Kehlnähte oder für Füll- und Decklagen bei Stumpfnähten in den Positionen PB und PA, nur begrenzt für Zwangslage Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 100

101 Metall-Schutzgas-Schweißen Sprühlichtbogen Beispiel für den Werkstoffübergang Kennzeichen: hohe Lichtbogenleistung, kurzschlussfreier, feintropfiger ( Tropfen/s), Werkstoffübergang ohne Spritzer und ohne Kurzschlüsse. Unter reinem CO 2 -Schutzgas oder bei Anteilen von mehr als 20% CO 2 kann der Sprühlichtbogen nicht erreicht werden Anwendung: Besonders für Füll- und Decklagen bei hoher Abschmelzleistung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 101

102 Metall-Schutzgas-Schweißen Impulslichtbogen Beispiele für den Werkstoffübergang Kennzeichen: Die zusätzlichen Geräteeinstellungen stellen hohe Anforderungen an den Schweißer. Bei programmierbaren Anlagen kann dies durch Einstellprogramme erfolgen Anwendung: an dünnen Blechen lassen sich Spritzer vermeiden und dickere Drahtelektroden verschweißen. Beim MIG-Schweißen von Al-Werkstoffen wird die Schweißbadbewegung gefördert und damit die Porenbildung verringert. Bei Stahl erreicht man eine minimale Aufmischung der Werkstückflanken bei ausreichendem Einbrand (zum Beispiel schwarz-weiß-verbindungen oder beim Auftragsschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 102

103 Metall-Schutzgas-Schweißen Regelung Regelung der Lichtbogenlänge bei gleichbleibender Drahtvorschubgeschwindigkeit und nahezu gleichbleibender Spannung durch Änderung der Stromstärke und der Abschmelzleistung durch interne Regelung der Schweißstromquelle. Voraussetzung: -möglichst konstante Drahtvorschubgeschwindigkeit -Zunahme der Abschmelzgeschwindigkeit mit der Stromstärke -möglichst flache Charakteristik der Stromquelle Merke: Innere Regelung gewährleistet Qualität Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 103

104 Metall-Schutzgas-Schweißen Lichtbogen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 104

105 Schutzgasschweißen - Einordnung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 105

106 WIG - Schweißen Elektrode: Nicht abschmelzend!! reines Wolfram oder legiert mit hochschmelzenden Oxiden Energieübertragung nur durch Lichtbogen Inerte Schutzgase: Argon, Helium Anwendbar bei allen schmelzschweißbaren Metallen Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 106

107 WIG-Schweißen Polung der Elektrode Gleichstrom Plus Minus Wechsel -strom Stahl (unlegiert, niedrig legiert) - + bedingt hochlegierte Stähle - + bedingt Kupferwerkstoffe - + bedingt Nickelwerkstoffe - + bedingt Aluminiumwerkstoffe bedingt - + Matthes, Schneider Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 107

108 WIG-Schweißen Aufbau des Brenners Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 108

109 WIG-Schweißen Anwendungsbereiche Anwendungsbereiche: Das WIG-Schweißen ist ein weit verbreitetes und leistungsfähiges. Es verbindet die Beweglichkeit eines einfachen handlichen Schweißgerätes mit der hohen Leistungsdichte des elektrischen Lichtbogens. Die in weiten Grenzen regelbare Lichtbogenleistung (Lichtbogenspannung x Stromstärke), unabhängig von einem unter Umständen erforderlichen Schweißzusatzwerkstoff, verleiht dem universale Anwendungsmöglichkeiten. Nahezu alle Metalle lassen sich in Dicken von 0,1mm (Stahl) bis zu mehreren cm WIG-Schweißen. Vorteile: kein Einfluss des Schutzgases auf das Schweißgut keine Spritzer und Schlacken fester Kontakt an der Elektrode, kein Gleitkontakt wie beim Metall-Schutzgasschweißen gut beherrschbares Ansetzen gute Spaltüberbrückung in allen Positionen leichtes Finden geeigneter Schweißwerte einfachere Lösung für veränderliche Lichtbogenleistungen beim Schweißen Werkstoffe: NE-Metalle wie Al, Cu, Ni sowie deren Legierungen, hoch legierte Stähle, Sondermetalle wie Ti, Zr, Ta Werkstückdicken: 0,5 bis 5mm Nahtarten: I-, V-, Bördel- und Kehlnähte in allen Positionen, vorzugsweise bei kurzen Nahtlängen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 109

110 WIG-Schweißen Schutzgase I S : 240A, Werkstoff: Argon-Lichtbogen Varigon-Lichtbogen (Linde Handelsname) Helium-Lichtbogen Argon in einer Menge von 5 bis 10 l/min ist ein brauchbares Schutzgas für alle schweißgeeigneten Metalle. Leicht- und Nichteisenmetalle werden aber besser mit einem Argon/Helium-Gemisch (bis 75% He) geschweißt. Beim WIG-Schweißen wird eine Hochfrequenzzündung angewendet, um den Lichtbogen zu zünden, da die Wolframelektrode nicht durch Berührung verschmutzt werden darf. Linde AG Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 110

111 WIG-Schweißen Elektroden Elektrodentyp Bestandteil in Gew. % Kurzzeichen Farbkennzeichnung Bemerkung Rein-Wolfram 0 W grün Wechselstromschweißen Wolfram mit Thoriumoxid (ThO 2 ) 0,35..0,55 0,8..1,20 1,70..2,20 2,80..3,20 3,80..4,20 WT4 WT10 WT20 WT30 WT40 blau gelb rot violett orange Erleichterte Elektronenemission (besseres Zünden, längere Standzeit, höhere Strombelastung, RADIOAKTIV!!!) Wolfram mit Zirkonoxid (ZrO 2 ) Wolfram mit Ceroxid (CeO 2 ) 0,70..0,90 WZ8 weiß Besser als W-Elektrode aber Zünden ist schlechter 1,80..2,20 WC20 grau Ähnlich wie WT-Elektroden aber umweltfreundlicher Wolfram mit Lanthanoxid (LaO 2 ) 0,8..1,20 1,30..1,70 WL10 WL15 Schwarz Gold Niederstrombereich, Automatisierung (gute Zündeigenschaft) 1,70..2,20 WL20 Blau Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 111

112 WIG-Schweißen Elektrodengeometrie Anschleifen von W-Elektrodenwerkstoffe / Elektrodenstandzeit Gleichstrom und negative Elektrodenpolung: - hohe Elektrodenstandzeiten - Stähle, Nickel und Kupfer Gleichstrom und positive Elektrodenpolung - oberflächliche Deckschichten entfernen - geringe Elektrodenstandzeiten - nur für Leichtmetalle bis 2mm (Praktisch nicht eingesetzt) Wechselstrom - günstiges Zusammenspiel einstellbar Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 112

113 WIG-Schweißen Steuerung Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 113

114 WIG-Schweißen Aufnahmen WIG Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 114

115 Schutzgasschweißen - Einordnung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 115

116 Plasmaschweißen Lichtbogen brennt zwischen Wolframelektrode und wassergekühlter Kupferplasmadüse Das ionisierte Schutzgas (Plasma) wird gebündelt Hohe Leistungsdichte Das Plasma-Verbindungsschweißen wird in drei svarianten eingesetzt: Mikroplasma-Schweißen für dünne und dünnste Blechdicken - ab ca. 0,1mm bei Stromstärken ab ca. 0,3A. Durchdrücktechnik für Blechdicken von 1-3 mm. Stichlochplasma-Schweißen für größere Wanddicken bis ca. 8 mm in einer Lage - darüberhinaus mehrlagig. Beim Plasmaschweißen werden immer zwei Schutzgase benötigt: Plasmagas (Zentrumsgas), vorwiegend Argon teilweise mit Wasserstoff- oder Heliumzusätzen. Schutzgas (Außengas), das Zumisch-Komponenten zu Argon aufweisen kann, z.b.: Wasserstoff für CrNi-Stahl, Nickelwerkstoffe oder Helium für das Schweißen von Aluminium oder Al- Legierungen, Titan und Kupferwerkstoffen. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 116

117 Plasmaschweißen - Prinzip Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 117

118 Plasmaschweißen Einflussmöglichkeit auf den freien Lichtbogenteil Mehrlochdüse Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 118

119 Plasmaschweißen Prozessvarianten Plasmalichtbogenschweißen (übertragenen Lichtbogen Plasmastrahl schweißen (nicht übertragenen Lichtbogen) Vergleich zwischen Plasmaund WIG-Lichtbogen und dem Aufschmelzquerschnitt Dilthey Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 119

120 Gegenüberstellung des Plasma und WIG-s Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 120

121 Plasmaschweißen - Stichlochtechnik EWM, Hahmann, Ivanov Fahrenwald, Schuler Schema des Stichlochschweißens bietet einbrandfreie Schweißungen für größere Blechdicken Vergleich der Schweißgeschwindigkeit Plasmaund WIG- beim Schweißen von CrNi- Stählen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 121

122 Plasmaschweißen - Mikroplasmaschweißen Schweißstrom von 0,05 bis 50A Werkstücke im Folienbereich sind fügbar (0,01 bis 1mm) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 122

123 Plasmaschweißen Prinzip Plasmaheißdrahtschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 123

124 Schmelzschweißen Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 124

125 Gießschmelzschweißen - Aluminothermisches Schweißen Reparaturschweißungen an großen Geschmiedeten oder gegossenen Bauteilen Bauteil muss vorgewärmt werden Thermitschweißen Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 125

126 Elektroschlackeschweißen Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 126

127 Gammastrahlung Röntgenstrahlung sichtbares Licht Mikrowellen Television Radio Einführung Laserstrahlschweißen Eigenschaften von Licht Licht im Spektrum der elektromagnetischen Wellen Kennzeichnung von Licht: Wellenlänge, Frequenz (. f = c) m UV Infrarot Wellenlänge µm Leistung P [W] Leistungsdichte E [W/m²] Strahlungsdauer [s] Wiederholrate [1/s] Impulsenergie [J] Excimer CVL Nd:YAG CO 2 -Laser Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 127

128 Spontane Emission normaler Lichtquellen Laserstrahlschweißen 2 2 E 1 Anregung durch Elektronenstoß 1 spontane Emission Normale Lichtquelle (z.b. Gasentladungslampe): nach Elektronenstoßanregung erfolgt der Übergang in den Grundzustand statistisch (spontan) zu einer nicht vorhersagbaren Zeit in eine nicht festgelegte Richtung. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 128

129 Laserstrahlschweißen Induzierte Emission E Anregung durch Elektronenstoß Erzwungener Übergang in den Grundzustand durch Lichtwelle Verstärkung G Licht aktives Medium verstärktes Licht Verstärkungsfaktor: G = Ausgangsintensität / Eingangsintensität Anregungsenergie Normaler Verstärker der HF-Technik: Erzwungene (induzierte) Emission führt zur Verstärkung der einfallenden Lichtwelle unter Beibehaltung der Phase und Wellenlänge Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 129

130 Laserstrahlschweißen Grundlegender Aufbau einer Laserstrahlquelle Verlust-Energie Resonator vollreflektierender Spiegel laseraktives Medium teilreflektierender Spiegel Laserstrahl Eigenschaften: Wellenlänge Leistung Strahlqualität Wirkungsgrad Betriebsweise Bauform Herstellungskosten Lebensdauer Anregungs-Energie Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 130

131 Laserstrahlschweißen Laseraktive Medien und Pumpquellen für Materialbearbeitungs-Laser Festkörperlaser Kristalle oder Gläser, die mit optisch aktiven Ionen dotiert sind, Halbleiter optisch, mit Blitzlampen oder Dioden elektrisch Nd:YAG (1064 nm) Nd:YLF (1047 nm) Ti:Saphir ( nm) GaAlAs ( nm) Gaslaser Gas oder Dampf elektrisch, mit angeregter Gasentladung CO 2 -Laser Excimere: ArF (193 nm) KrF (248 nm) XeCl (308 nm) XeF (351 nm) Metalldampf: Kupfer ( nm) Gold (628 nm) Ionen: Ar + -Laser (514 nm) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 131

132 Laserstrahlschweißen Betriebsarten, Ausgangsleistungen, Wirkungsgrade und Anwendungen Lasermikromaterialbearbeitung Excimerlaser gepulst (30ns) bis 120W /1-10% Oberfl.bearbeitung, Schockhärten, Abtragen Kupferdampf- Laser (CVL) gepulst (10-70ns) 1-200W /1-3% Bohren, Schneiden, Oberflächenstrukturieren Diodengepumpter Nd:YAG/YLF gepulst (ps-ns) bis 100 W / 1-3% Bohren, Schneiden, Oberflächenstrukturieren Ti:Saphir gepulst (fs-ns) bis 10 W Bohren, Oberflächenstrukturieren Lasermakromaterialbearbeitung CO 2 -Laser kontinuierlich (cw) 0,5-50 kw / 5-10% Schneiden, Schweißen, Oberflächenbehandl. Nd:YAG-Laser cw 0,1-4 kw / 1-3% Bohren, Schneiden, Schweißen, Oberfl.beh. gepulst 0,01-0,5 kw / 1-3% Bohren, Schneiden, Schweißen, Oberfl.beh. Q-switch 0,01-0,5kW / 1-3% Bohren, Schneiden, Schweißen, Oberfl.beh. Diodenlaser cw bis 4 kw / 30-40% Schweißen, Oberflächenbehandlung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 132

133 Strahlparameterprodukt ( f w 0 ) [mm mrad] Einführung Laserstrahlschweißen Einteilung der Laserverfahren nach Laserleistung Drucktechnik Knst. Schw. Schw. Metallfolie Weich- Sintern löten Schneiden Nichtmetalle Hartlöten Transf.härten Erwärmen Beschichten Schweißen Bleche Die Schweißeignung eines Werkstoffes beim Laserschweißen ist abhängig von: -Chemische Zusammensetzung; -Metallurgische Eigenschaften; -Physikalische Eigenschaften 1 Beschriftung -Absorbtionsgrad Bohren Laserleistung [W] Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 133

134 Leistungsdichte in W/cm² Einführung Laserstrahlschweißen Einteilung der Laserverfahren nach Einwirkdauer und Leistungsdichte Schockhärten Bohren Schneiden Tiefschweißen 10 4 Umschmelzen Wärmeleitungs schweißen Einwirkzeit bzw. Pulsdauer in s Umwandlungshärten Laser ist in den überwiegenden Fällen ein thermisches Werkzeug Fokussierbarkeit bestimmt Bearbeitung (Fleckgröße, Art) Mittlere Ausgangsleistung bestimmt Effizienz der Bearbeitung Zeitliche Energieeinbringung bestimmt thermische und mechanische Einflußbereiche Wellenlänge muß an Bearbeitungsaufgabe angepaßt sein Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 134

135 Laserstrahlschweißen Einfluss der Leistungsdichte Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 135

136 Laserstrahlschweißen Laserschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 136

137 Schweißtiefe als Funktion der Intensität Laserstrahlschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 137

138 Laserstrahlschweißen von Kupfer Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 138

139 Laserstrahlschweißen von Kupfer Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 139

140 Laserauftragsschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 140

141 Laserauftragsschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 141

142 Elektronenstrahlschweißen Physikalische Grundlagen Definition Unter einem Elektronenstrahl versteht man einen Strom von Elektronen, die sich mit annähernd gleicher Geschwindigkeit von einer Strahlquelle aus in eine Richtung bewegen. Strahlerzeugung Ein Wolframband wird im Stromdurchgang unter Vakuum so erhitzt, dass Elektronen austreten können. Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes, bei dem der Glühfaden zur Katode wird, werden die Elektronen zur Anode hin beschleunigt. Nach Durchfallen der Spannung U erreicht das Elektron die kinetische Energie: E kin = e U= m v /2 v 2 U = elektrische Spannung, [U] = V v = Geschwindigkeit, [v] = m/s m v = Bewegungsmasse des Elektrons, [m] = kg Beim Auftreffen des Elektrons auf einen festen Körper wird die Bewegungsenergie in andere Energieformen umgesetzt. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 142

143 Elektronenstrahlschweißen Der auf das Werkstück (Bild a) auftreffende Elektronenstrahl erhitzt es an seiner Oberfläche auf Verdampfungstemperatur. Das spontan verdampfende Material drückt zusammen mit dem Druck des auftreffenden Strahles das den Schweißfleck umgebende flüssige Material zur Seite (Bild b). Es entsteht ein Dampfkanal, der sich bis zur Unterseite des Werkstückes erstreckt (Bild c). Wandert der Elektronenstrahl über die zu schweißende Naht, so öffnet sich vorn dieser Dampfkanal, während hinter ihm das flüssige Material wieder zusammenläuft und die Verschweißung der Stoßkanten (Bild d) bewirkt (Stichlocheffekt). Dilthey Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 143

144 Elektronenstrahlschweißen - Aufbau einer Elektronenstrahlanlage Spannung: kv Leistung kw Vakuum (Strahlerzeuger): 10-4 bar Vakuum (Kammer): bar Leistungsdichte bis 10 8 W/cm² Einschweißtiefe bis 150 mm in Stahl Dilthey Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 144

145 Elektronenstrahlschweißen - Strahlerzeugung Diodensystem Mit Katode und Anode ist der einfachste Aufbau eines Strahlerzeugers erreicht. Der Strahlstrom lässt sich aber nur durch Verändern der Beschleunigungsspannung bzw. der Kathodentemperatur steuern und regeln. Triodensystem In Schweißbearbeitungssystemen werden Triodensysteme mit Anode, Katode und Steuerkatode eingesetzt. Die Steuerelektrode erhält über eine separate Stromversorgung eine noch höhere negative Spannung als die Katode. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 145

146 Elektronenstrahlschweißen - Elektromagnetische Linse Das elektrische Feld im Triodensystem formt den Strahl zu einem ersten Fokus (Crossover) von dem aus die Elektronen als gleichpolige Ladungsträger sich gegenseitig abstoßend durch die Anode bewegen. Mit Hilfe einer Ringspule nutzt man dazu die Möglichkeit, die Bewegungsrichtung der negativ geladenen Elektronen durch Magnetfelder zu beeinflussen. Der Ring besteht aus einer großen Zahl von Drahtwicklungen. Die Ringwicklung wird von einem Gleichstrom durchflossen; es entsteht dabei ein Magnetfeld, das innen zur Strahlseite den Eisenmantel verläßt und auf den Elektronenstrahl, wie eine Sammellinse auf den Lichtstrahl, fokussierend einwirkt. Mit diesem System ist es möglich Leistungsdichten von etwa 10 7 W/cm 2 zu erzielen. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 146

147 Elektronenstrahlschweißen - Wirkung der Steuerkathode Die Steuerkatode ist bei ausreichender Spannung in der Lage die Elektronen völlig zur Katode zurückzudrängen, das heißt, den Strahlstrom zu sperren (Bild a). In dem Maße, wie nun die Steuerspannung verringert wird, nimmt die zur Elektronenemission beitragende Fläche zu, und der Strahlstrom wird größer (Bild b und c). Bei weiterem Verringern der Steuerspannung vergrößert sich die Emissionsfläche bis an die Ränder der Katodenstirnfläche, erfaßt auch die Katodenschenkel (Bild d) und es entsteht eine erhebliche Verzerrung des Strahles. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 147

148 Elektronenstrahlschweißen - Beschleunigungsspannung und Fokusabstand Spannung in kv Fokusabstand in mm a b c d mm Querschliffe von Schweißnähten mit unterschiedlicher Beschleunigungsspannung und Fokusabständen. Einfluß auf Schmelzzonentiefe s und Nahtbreite b bei konstanter Strahlleistung (5 kw). Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 148

149 Elektronenstrahlschweißen - Temperaturverteilung Quasistationäres Temperaturfeld beim Elektronenstrahlschweißen von St 42. Blechstärke 8 mm Schweißgeschwindigkeit 6,4 mm/s Gemessener Temperaturverlauf für verschiedene Abstände von der Nahtmitte beim Elektronenstrahlschweißen von St 52. Blechstärke 8 mm Schweißgeschwindigkeit 6,4 mm/s Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 149

150 Elektronenstrahlschweißen - Elektronenstrahlschweißeignung Werkstoff Schweißeignung erprobte Nahttiefe bis mm Stähle R-St 37-2 A 20 St 60-2 B 10 C 15 A 10 C22.8 B 50 C45 B 5 St 52-3 A 20 Ck45 B CrV4 A 2 X 10 Cr 13 A 20 X22 CrNi 17 A 10 X 5 CrNi A 5 X2 CrNiMo B CrNi 8 A 10 StE420 A 20 Kupferwerkstoffe OF-Cu A 25 SE-Cu B 25 SF-Cu B 25 AlBz 5 A 18 SnBz 8 A 5 (Auszug DVS Merkblatt 3204) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 150

151 Elektronenstrahlschweißen - Anwendungsbeispiel Getriebewelle mit elektronenstrahlgeschweißtem Planetenträger. Unten: Makroschliff der Schweißnaht. Werkstoff Planetenträger RRSt 4 Werkstoff Getriebewelle 20MnCr4 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 151

152 Elektronenstrahlschweißen - Nonvacuum-Elektronenstrahlschweißen Der Elektronenstrahl wird generell in einem Hochvakuumraum des Generators erzeugt. Damit der beschleunigte und magnetisch fokussierte Elektronenstrahl in die Atmosphäre austreten kann, schließen sich an dieses Hochvakuum sog. Druckstufen an. Diese sind separat abgepumpte kleine Kammern mit feinem Trenndüsen für den Strahldurchgang. Durch Streuung der Elektronen an der Atmosphäre wird der Strahl mit zunehmenden Weg verbreitet. Um möglichst schmale Nähte zu erzielen, wird deshalb meist mit Arbeitsabstände von 6 bis 30 mm gearbeitet. Die Leistungsdichte kann bei 20 kw Strahlleistung noch weitgehend über W/cm 2 liegen. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 152

153 Pressschweißen Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 153

154 Widerstandsschweißen Prinzip und svarianten Dilthey Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 154

155 Widerstandspunktschweißen Fahrenwald, Schuler Dilthey Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 155

156 Widerstandspunktschweißen Scherzugfestigkeit als Funktion des Schweißstroms Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 156

157 Widerstandspunktschweißen Widerstandspunktschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 157

158 Widerstandsrollnahtschweißen Die Werkstücke werden an den Stoßflächen erwärmt und unter Anwendung von Kraft geschweißt. Strom und Kraft werden von beiden Werkstückseiten (zweiseitig) durch ein Rollenelektrodenpaar oder eine Rollenelektrode und einem Dorn übertragen. Besonderheit des s: Das Rollnahtschweißen ist vom Punktschweißen abgeleitet. Das Rollenpaar berührt ebenso wie die Punktelektroden das Werkstück mit einer kleinen Fläche. Die Rollen drehen sich entsprechend der Weiterbewegung des Werkstückes. Die Elektrodenabnutzung ist gegenüber dem RP-Schweißen wesentlich geringer. Da das Auf- und Abbewegen der Elektroden entfällt, sind höhere Schweißgeschwindigkeiten möglich. Anwendungen: Herstellung von Massenbedarfsgütern wie: Kraftstofftanks, Radiatoren, Konserven, Getränkedosen, Fässern Schalldämpfer, Töpfe, längsnahtgeschweißte Rohre, Behälterfertigung Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 158

159 Widerstandsrollnahtschweißen - Schweißstromart und Stromkontaktprogramme Dauerwechselstrom Stromkontaktprogramme Dichtnaht Unterbrochene Naht Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 159

160 Widerstandsbuckelschweißen Schema Buckelschweißen Besonderheit des s: Beim Buckelschweißen wird der Strompfad nicht durch die Elektrodengeometrie, sondern durch die Form des Fügeteils bestimmt. Der Schweißstrom und die Erwärmung werden auf die Buckel konzentriert. Bei einem Elektrodenniedergang können mehrere Buckel gleichzeitig verschweißt werden. Die Buckel werden in eines der zu verschweißenden Teile durch einen Ziehoder Pressvorgang eingeprägt. Während des Schweißens werden die Buckel nach der Plastifizierung des Werkstoffes weitgehend zurückverformt. Die Teile haben so nach dem Schweißen ein gutes Aussehen. In der Regel werden mehrere Buckel gleichzeitig geschweißt, so dass sich der Schweißstrom mit der Anzahl der zu schweißenden Buckel multipliziert. Es können mehr als 20 Buckel gleichzeitig verschweißt werden. Gesamtschweißströme größer als 150 ka sind deshalb keine Seltenheit. Einsatzmöglichkeiten Das Buckelschweißen ist für die Fertigung von zahlreichen Massenartikeln das wirtschaftlichste Fertigungsverfahren. Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 160

161 Widerstandsbuckelschweißen - Anwendungen Gaszählergehäuse (Quelle Dalex) Gehäuse für Hybridschaltung mit umlaufenden Schweißbuckel Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 161

162 Widerstandsbuckelschweißen - svarianten Zweiseitiges Buckelschweißen (RBZ) Einseitiges Buckelschweißen (RBE) Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 162

163 Pressschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 163

164 Abbrennstumpfschweißen Schema des Abbrennstumpfschweißen Besonderheiten des s Der Abbrennprozess ist gekennzeichnet durch eine große Spritzerbildung und große Längenzugabe vor dem Schweißen. Eine besondere Vorbereitung der Werkstücke ist nicht erforderlich. Die Schweißverbindung enthält bei einer sorgfältig ausgeführten Schweißung keine Verunreinigungen. Die Schweißverbindung weist hohe Festigkeitswerte auch bei dynamischer Beanspruchung auf. Der Stauchgrat wird nach dem Schweißen beseitigt. Er ist relativ leicht entfernbar. Fahrenwald, Schuler Stauchgrat Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 164

165 Abbrennstumpfschweißen Arbeitsschritte Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 165

166 Abbrennstumpfschweißen (RA-Schweißen) Abbrennstumpfschweißen Gestaltungsbeispiele Fügestelle Ketten, Drähte Gelenkkugel Zugstange, Felgen Ventile. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 166

167 Abbrennstumpfschweißen Abbrennstumpfschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 167

168 Pressstumpfschweißen sprinzip/ -beschreibung Die zu verbindenden Teile werden in wassergekühlten Kupferbacken eingespannt, zusammengefahren und über Stromdurchfluss an der Kontaktstelle auf Schweißtemperatur gebracht (bei Stahl: C). Anschließend wird der Druck auf Stauchdruck erhöht und der Strom abgeschaltet. Die Erwärmung erfolgt durch den Übergangswiderstand zwischen den beiden zu verbindenden Werkstücken. Besonderheiten des s Die Schweißverbindungen sind gekennzeichnet durch eine Wulst an der Verbindungsstelle. Das Abarbeiten der Schweißwulste ist schwieriger als beim Abbrennstumpfschweißen. Die Schweißnaht kann auch bei einer sorgfaltig ausgeführten Schweißung noch Verunreinigungen enthalten. Die Festigkeit der Schweißverbindung beträgt % der Grundwerkstofffestigkeit bei statischer Beanspruchung, bei dynamischer Beanspruchung ist sie jedoch geringer. Schema des Pressstumpfschweißen Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 168

169 Pressschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 169

170 Induktionsschweißen Schweißen mit stabförmigen Induktor (RIS) Schweißen mit umschließenden Induktor (RIU) Fahrenwald, Schuler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 170

171 Induktionsschweißen sikaprofili.com Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 171

172 Induktionsschweißen Besonderheiten des s Kein Verschleiß des Energieträgers, da berührungsloses Werkzeug. Vorlaufendes Entzundern des Rohres ist nicht notwendig. Entstehung einer schmalen schmelzflüssigen Zone durch die sehr geringen Erwärmungszeiten, dadurch geringe Wärmebeeinflussung des Grundwerkstoffes. Geringe Faserumlenkung an der Schweißfuge, da nur geringe Drücke an den Druckrollen erforderlich sind. Die beim Zusammendrücken des Schlitzrohres entstehende Gratbildung ist sehr klein. Es werden sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten erreicht. Die hohe Schweißgeschwindigkeit wirkt einer Oxidation der erhitzten Rohrzonen entgegen. Einsatzmöglichkeiten Hauptanwendungsgebiet ist die Herstellung dünnwandiger, längsnaht geschweißter Rohre aus in Rollsätzen zu Schlitzrohren geformten Stahl- und Aluminiumbändern sowie das Stumpfschweißen von Rohren und Profilen beim Schweißen mit umschließendem Induktor. Abmessungen: Rohrschweißen mit stabförmigen Induktor: Rohrdurchmesser: D = mm, Rohrwanddicke: t = 1, (13) mm Rohrschweißen mit umschließendem Induktor: Rohrdurchmesser: D = mm Rohrwanddicke: t =0, mm Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 172

173 Pressschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 173

174 Schweißen durch Bewegungsenergie - Grundlagen Kaltpressschweißen US- Schweißen Reibschweißen Statischer oder dynamischer Druck, der auf die zu verbindenden Teile einwirkt (Kaltpressschweißen, Sprengschweißen). Reibung, die durch eine oszillierende translatorische Relativbewegung der zu verbindenden Teile unter Einwirkung eines statischen Drucks entsteht (Ultraschallschweißen). Reibung, die vorwiegend durch eine rotierende oder oszillierende Relativbewegung der zu verbindenden Teile unter Einwirkung eines statischen Drucks entsteht (Reibschweißen). Während das Kaltpressschweißen durch überwiegend statische Merkmale gekennzeichnet ist, sind das Ultraschall- und Reibschweißen aufgrund ihrer Reibgeschwindigkeiten als dynamisches Schweißverfahren einzuordnen. Vergleich ausgewählter Schweißverfahren Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 174

175 Reibschweißen rotatorische translatorische Bewegungsabläufe bzw. Kombinationen a) Rotationsbewegung eines Bauelelmentes, ein Bauelement fest eingespannt b) gegenläufige Rotationsbewegung c) rotierende Zwischenstücke d) oszillierende Reibbewegung e) exzentrische Reibbewegung f) Radialreibschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 175

176 Reibschweißen Grundaufbau einer Reibschweißmaschine Kraft-Drehzahl-Zeit-Verläufe für verschiedene 1 Motor 2 Kupplung/Bremse beim Reibschweißen mit kontinuierlichem Antrieb, Schwungmasse beim Schwungradreibschweißen 3 Spindelkopf 4 Spanneinrichtung für rotierendes Werkstück 5a Werkstück rotierend; 5b Werkstück feststehend 6 Spanneinrichtung für feststehendes Werkstück 7 Schlitten 8 Hydraulikzylinder zur Erzeugung der Axialkraft a) Reibschweißen mit kontiniurlichem Antrieb b) Reibschweißen mit Schwungradantrieb c) Kombiniertes Reibschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 176

177 Reibschweißen Anwendungsbeispiele Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 177

178 Reibschweißen Konstruktive Gestaltung der Fügeteile Die konstruktive Gestaltung der reibzuschweißenden Bauteile hat aufgrund der spezifischen Vorgänge an der Fügestelle, der Realisierung eines bestimmten Druck-Zeit-Programms und der damit verbundenen speziellen Konstruktion der Reibschweißmaschine eine große Bedeutung. Mit der Gewährleistung einer reibschweißgerechten Konstruktion werden vorrangig solche die Verbindungsqualität maßgeblich beeinflussenden Faktoren, ausreichend sichere Spannmöglichkeiten ausreichende Steifigkeit an der Fügestelle günstige Reibbedingungen gesichert. Eigenschaften von Reibschweißverbindungen: schmale Wärmeeinflusszone sehr gute Festigkeitseigenschaften aufgrund rekristallisiertem und damit feinkörnigen Gefüge statische Festigkeit entspricht der des Grundwerkstoffs sehr gutes Schwingfestigkeitsverhalten teilweise besser als das des Grundwerkstoffs Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 178

179 Rührreibschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 179

180 Reibschweißen Reibschweißen Linearreibschweißen Rühr - Reibschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 180

181 Kaltpressschweißen a) Überlappschweißen b) Stumpfschweißen Mit dem Kaltpressschweißen können gleichartige oder ungleichartige Metalle bei Raumtemperatur gefügt werden. Eine durch hohe Anpresskräfte hervorgerufene plastische Verformung der zu fugenden Teile führt zu deren Annäherung bis in atomare Bereiche, so dass atomare Bindekräfte wirksam werden. Voraussetzung sind eine sorgfaltige Reinigung der Fügeflächen und ein möglichst großer Härteunterschied zwischen Grundmetall und Oxid, damit ein Aufreißen der Oxidschicht ermöglicht wird. Anwendungsbereiche Metall- und Metallkombinationen mit guten Kaltverformungseigenschaften Vorzugsweiser Einsatz in der Elektrotechnik z.b. Bimetallkontakte, Fügen von Cu-Al-Drähten auch sehr kleiner Dmr. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 181

182 Kaltpressschweißen Kaltpressschweißen Bauteilgestaltung beim Kaltpressschweißen a) unterschiedlich freie Stauchlänge b) Ringnut an der freien Stauchlänge des härteren Werkstoffs Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 182