Gestaltung von Schweißverbindungen - Grundlagen -

Transkript

1 02-01 Gestaltung von Schweißverbindungen - Grundlagen - Die richtige Konstruktion einer Schweißverbindung und die fachgerechte ertigung sind genauso wichtig wie Dimensionierung und Berechnung. Es sind schon viele Schweißverbindungen gebrochen, die aufgrund der rein rechnerischen Beurteilung gehalten haben sollten. Das Problem bei der Berechnung ist, dass nicht alle Einflussgrößen auf den tatsächlichen Spannungszustand, wie z. B. Werkstoffbeeinflussungen, im Berechnungsmodell erfasst werden können. Insbesondere die Kombination von Bauteilform, Belastungsart und -richtung sowie die metallurgischen Werkstoffschädigungen führen auf ein komplexes System, das wir durch ein einfaches Berechnungsmodell nur in grober Näherung beschreiben können. ME DS

2 02-02 Je einfacher die Schweißgruppe gestaltet ist, desto sicherer wird die Berechnung. Dabei kommt es insbesondere auf klare Kraftflussbilder an, die möglichst geringe Einschnürungen und/oder Umlenkungen aufweisen sollten. Die Regeln zur Gestaltung von Schweißverbindungen werden leichter verständlich, wenn schon Vorstellungen über die örtlichen Spannungen in Bauteil und Schweißnaht existieren. Diese notwendige Vorstellung wird anhand des Kraftflussbildes gewonnen. ME DS

3 02-03 Studie - Schrumpfspannungen Rahmen und Mittelstab bei Umgebungstemperatur ϑ= 20 C ϑ< 600 C Elastische Dehnung des Mittelstabes bei dessen Erwärmung ϑ= 20 C ϑ> 600 C Plastisches Nachgeben des Mittelstabes Schrumpfung beim Abkühlen ME DS

4 02-04 Zweiachsige Spannungszustände infolge einer Stumpfnaht Verteilung der Längsspannungen - + spannungsfreie Zone s II Verteilung der Querspannungen Spannungsfreie Zone + s _I - ME DS

5 02-05 Bauteilversagen geschweißter Proben beim Zugversuch ME DS

6 02-06 reies Schrumpfen / Schrumpfrisse reies Schrumpfen σ z σ z Vor dem Schweißen Schrumpfrisse Rissgefahr σ z σ z Wärmeabfluss ME DS

7 02-07 Die wichtigsten Stoßformen Stumpfstoß Stegstoß Bördelstoß Schrägstoß Überlappungsstoß Laschenstoß Kreuzstoß Eckstoß Mehrblechstoß ME DS

8 02-08 Beispiele von Stumpfnähten I - Naht HV - Naht V - Naht DHV (K) - Naht DV - Naht Y - Naht ME DS

9 Stumpfnahtanschlüsse -Grundregeln nicht zulässig richtig Wurzel richtig falsch richtig Wurzel unzugänglich: Hinterlegen ME DS

10 02-10 Stumpfnahtformen für Steg- und Winkelstöße I - Naht für dünne Stege HV (HY) - Naht mit Kehlnaht für statische Beanspruchungen Einfache Kehlnaht für statische Beanspruchung Doppelkehlnaht DHY - Naht mit Kehlnaht DHV = K - Naht mit Kehlnaht ME DS

11 02-11 Hinweise zu Schrägstößen Verbindung von innen nicht zugänglich? Nahtwurzel auf Zug beansprucht? Schweißnähte nicht in kaltverformte Bereiche legen r t r 10t für alle t r t für t 4 mm x gut: x > 5t ME DS

12 02-12 Kehlnähte ormen Ecknaht lankenkehlnaht Stirnkehlnaht Lochschweißung lankenformen lachkehlnaht Wölbkehlnaht Hohlkehlnaht ME DS

13 02-13 Überlappungsstoß mit Kehlnähten Stirnkehlnaht lankenkehlnaht gut! ME DS

14 02-14 Bördel- und Ecknähte Anwendungen im Leichtbehälterbau a b c a) Bördelnaht am Boden Bei Innendruck ungünstig b) Bördelnaht am Schuss Bei Innendruck ungünstig c) Ecknaht besser ME DS

15 02-15 Die wichtigsten Nahtformen (Stumpfnähte) I - Naht (dünne Bleche) DV (X) - Naht Doppel - V - Naht * V - Naht HV - Naht halbe V-Naht * DHV (K) - Naht doppelte, halbe V - Naht DY - Naht * Y - Naht HY- Naht halbe Y-Naht * DHY - Naht DU - Naht U - Naht * * HU - Naht halbe U-Naht = J - Naht * DHU - Naht UV - Naht (VU - Naht) geeignet für Steganschlüsse ME DS

16 02-16 Darstellung von Schweißnähten in Zeichnungen Stahlbau ür die verschiedenen Nahtformen werden Symbole in den Zeichnungen verwendet. Nahtstärke und Nahtlänge sind zu bemaßen. Maschinenbau Der Nahtquerschnitt wird gezeichnet und bemaßt (siehe Arbeitsblatt 1.4). erner sind Angaben über die Qualitätsanforderungen an die Schweißnaht in der Zeichnung anzugeben, auch Eventuelle Vorwärmung Spannungsarmglühen Nahtbearbeitung Riss- und Röntgenprüfungen ME DS

17 02-17 Grundsätze zur Gestaltung von Schweißverbindungen Möglichst wenig Schweißnähte anstreben Schweißnähte nicht an Stellen großer und ungünstiger Beanspruchung legen Nahtwurzel nicht auf Zug beanspruchen Vorzugsweise handelsübliche Materialien verwenden Kraftumlenkungen im Nahtbereich möglichst vermeiden Elastisch nachgiebige Knotenpunkte gestalten Konstruktionen bevorzugen, die möglichst wenig Aufwand zur Nahtvorbereitung erfordern Wärmeleitquerschnitt und Vorwärmung beachten Maßnahmen zum Korrosionsschutz treffen Gut schweißbare Werkstoffe verwenden ME DS

18 02-18 Schweißkonstruktion eines Gehäuses Viele Teile - viele Schweißnähte Günstigere Konstruktion ME DS

19 02-19 Verschiedene Verbindungen von Aluminiumstäben 97 % 104 % 108,5 % 100 % 90 % 63 % 48 % 59 % ME DS

20 02-20 Nahtanordnung im Behälterbau falsch falsch richtig ME DS

21 02-21 Nahtanhäufungen / Nahtkreuzungen Ruhende Belastung Steg Aussteifung Gurt Dynamische Belastung ME DS

22 02-22 Trägeranschluss für statische und dynamische Beanspruchung Im Stahlbau Im Kranbau ME DS

23 02-23 Gestaltungsmöglichkeiten von Bodenanschlüssen an Druckbehältern Druckbehälter-Übersicht p D Boden Berstdrücke (p ) B Rohr t = Wanddicke p = Berstdruck B p = 0,5 MPa B t p = 0,5 MPa B t p = 1,2 MPa B t p = 3,0 MPa B t ME DS

24 02-24 Nahtwurzel nicht auf Zug beanpruchen Biegemoment M Druckkraft Biegemoment M Zugkraft,M = zulässige Belastungungsrichtungen bei dynaimscher Belastung,M = unzulässige Belastungungsrichtungen bei dynamischer Belastung Abhilfe M M ggf. geschliffen ME DS

25 02-25 Nahtwurzel nicht auf Zug beanpruchen ggf. geschliffen ME DS

26 02-26 Anschweißen von lanschen Druck gut geeignet Zug günstiger nicht gut sehr gut Unterlegen einer von innen unzugänglichen Naht ggf. geschliffen Wurzelunterlage ME DS

27 02-27 Stütze einer Tankstellenüberdachung Vorzugsweise handelsübliche Halbzeuge verwenden Halbzeuge: Vierkant-Rohr Blech L-Stahl ME DS

28 02-28 Anschluß an den Gesamtquerschnitt gestalten Stütze Querträger M b Steg Stegblech zur steifen Verbindung der beiden Trägerflansche ME DS

29 02-29 Leichtbau in geschweißter Zellenbauweise ME DS

30 02-30 Geschweißtes Zahnrad mit Schrägverzahnung Axialkraft Aussteifungen mit Rippen ME DS

31 02-31 Elastische Anschlüsse im ahrzeugbau Anschluss zu steif, Rippen behindern Wölbung -- > Rissgefahr M b M b Elastischer Anschluss Ecksteifung in der Nähe der Biegespannungs- Nullinie Kastenförmiger Anschluss - zu steif Kerbwirkung Elastischer Anschluss Schweißnaht in der neutralen Zone ME DS

32 02-32 Kraftumlenkungen im Nahtbereich Stumpfstoß symmetrisch (anschlussmomentenfrei) Stumpfstoß asymmetrisch (Anschlussmoment) Überlappungsstoß mit Stirnkehlnähten t 1 t 1 M A = t 2 ( t2 t1) 2 t 2 Senkrechtstoß symmetrisch M A = ( t + t ) Senkrechtstoß asymmetrisch ME DS

33 02-33 Gestaltung von Querschnittsübergängen Kerbwirkung groß besser angeschrägt am besten ME DS

34 02-34 Konstruktionen bevorzugen, die möglichst wenig Aufwand zur Nahtvorbereitung erfordern. Den geringsten Aufwand zur Nahtvorbereitung erfordert die Kehlnaht im Stahlbau (meistens keinen). Das bedeutet nun nicht, dass wir ohne Rücksicht auf die Haltbarkeit überall Kehlnahtverbindungen vorsehen sollen. Dieser Grundsatz fordert uns auf, Kosten und Nutzen abzuwägen. Auch bei Stumpfnähten gibt es noch einige Tricks, bei der Nahtvorbereitung Einsparungen zu erzielen, die nicht auf Kosten der Qualität der Verbindung gehen. ME DS

35 02-35 Nahtvorbereitung durch Brennschneiden erritischer Stahl verbrennt, wenn er auf Zündtemperatur von etwa 1100 C erwärmt wird und mit reinem Sauerstoff in Berührung kommt. Dabei entstehen Wärme und Schlacke. Im Unterschied dazu schmilzt Stahl bei etwa 1500 C, wenn er von Luft umgeben ist. ME DS

36 02-36 Plasmaschneiden (Schmelzschneiden) Durch Plasmaschneiden können Schweißnahtvorbereitungen und ormschnitte an Werkstoffen erfolgen, die nicht brenngeschnitten werden können. Plasmagase: Stickstoff, Stickstoff-Wasserstoff- und Argon-Wasserstoff-Gemische Der zwischen Wolframelektrode und Werkstück brennende Lichtbogen erwärmt das Plasmagas zum Plasmastrahl ( C). Der geschmolzene Werkstoff wird aus der uge geblasen. ME DS

37 02-37 Wärmeinflusszone WEZ Temperatur Schweißzone Schmelzlinie Temperatur Schmelze Überhitzungs- (Grobkorn-) Zone Solidus-Linie Liquidus-Linie A 3 -Linie einkorn- Zone Zone unvollständ. Perlitumwandlung A -Linie 1 WEZ Grundwerkstoff Schweißzone ME DS

38 02-38 Aufhärtungen des Werkstoffes in der WEZ unterbinden Die Härte ist stark von der Abkühlgeschwindigkeit abhängig! Steuern der Wärmeströme Der Wärmestrom folgt dem Temperaturgefälle von der Schweißzone in Richtung der kalten Grundwerkstoffbereiche. Die Größe des Wärmestroms hängt von der Höhe des Temperaturgefälles und vom Wärmeleitwiderstand (Querschnitt) ab. ME DS

39 02-39 Wärmeabflussquerschnitte an Bandagen-/ Scheibenverbindungen Rascher Wärmeabfluss Q.. Q = Wärmestrom Wärmestrom gebremst Q. ME DS

40 02-40 Korrosion beachten Durch Korrosion an Behältern, Bauwerken und ahrzeugen werden die Querschnitte geschwächt. Je dünner die Wandstärke ist, desto schwerwiegender ist die Schwächung. Durch Maßnahmen der Oberflächentechnik, wie z.b. Verzinkung, Schutzanstriche etc. können flächige Korrosionsangriffe abgewehrt werden. Enge Spalte sind oft heimtückische Korrosionsnester (Treibrost). ME DS

41 02-41 Beispiel: Vermeidung von Spaltkorrosion im Behälterbau ME DS

42 02-42 Rundumschweißung im Stahlbau A A A - A ME DS

43 02-43 Vor- und Nachteile des Schweißens Vorteile: Viele Gestaltungsmöglichkeiten, auch Verbundkonstruktionen: Stahlguss + Blech Schmiedestücke + Stahlguss Schmiedestück + Walzmaterial Kostengünstiges Ausgangsmaterial bei Walzerzeugnissen. Rohteile liegen meistens auf Lager (leicht zu beschaffen) -- rasche Lieferzeit. > Geringes Konstruktionsgewicht (gegenüber Gießen und Nieten). Bei Einzel- und Kleinserienfertigung ist die Schweißkonstruktion am kostengünstigsten. ME DS

44 02-44 Vor- und Nachteile des Schweißens Nachteile: Schweißverzug Qualität abhängig vom Schweißer Hohe Eigenspannungen Gefügebeeinflussung Kerben Nicht alle Werkstoffe schweißbar Gütesicherung: Die Nachteile sind bedingt heilbar durch Maßnahmen der Qualitätssicherung (diese sind teuer!) Günstige Gestaltung Werkstoff- und Zusatzwerkstoff - Auswahl Schweißfolgepläne Elektroden trocknen Schweißer prüfen Spannungsarmglühen Nahtprüfung DIN 8563 ME DS