Schweißen von Werkstoff kombinationen

Transkript

1 Pohle Schweißen von Werkstoff kombinationen Metallkundliche und fertigungstechnische Grundlagen sowie Ausführungsbeispiele

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung 1 1 Schweißeignung der Metalle Einflußgrößen Abschätzen der Schweißeignung 3 2 Strukturen metallischer Festkörper - ein Überblick Periodensystem der Elemente Elementare Bindungsarten Begriffe aus der Metallkunde Begriffe zu Kristall und Gefüge Begriffe zur atomaren Struktur des Gefüges Begriffe zu Legierungsphasen Lösungs- und Legierungsphasen Austauschmischkristalle Einlagerungs-Mischkristalle Raumgitter - Packungsdichte Elementarzelle Stapelfolge Beispiele von Elementarzellen Elementarzellen von Ordnungsphasen Elementarzellen von intermetallischen Phasen Prototypen von Kristallstrukturen Realkristall 23 3 Atomare Strukturen Bohrsches Atommodell Atommodell der Quantenphysik Grundlagen : Quantenzahlen Orbitale Elektronenstruktur Energieniveaus Diamantbindung 31 4 Physikalische Eigenschaften der Stoffe Grundlagen der elektrischen Leitfähigkeit Leiter Halbleiter Nichtleiter ' Elektrische Leitfähigkeit von Werkstoffen Wärmeleitfähigkeit Wärmeausdehnung 38 5 Raumgitter und Theorien zu den metallischen Bindungen Vom Einzelatom zum Kristall 40

3 5.2 Kristallographische Ebenen und Richtungen Röntgenfeinstrukturanalyse Bravais-Gitter Reziprokes Gitter Wigner-Seitz-Zelle Brillouin-Zone Bändermodell Theorie der lokal-funktionalen Dichteverteilung Strukturkontrollierende Faktoren bei Mischkristallen und intermetallischen Phasen Elektronenphasen Einfluß von Atomradien auf Strukturen hoher Packungsdichte Frank-Kasper-Strukturen Kristallstrukturen Quasikristalle Kristallsysteme - Punktgruppen - Raumgruppen Elektronegativität versus Chemical Scale Elektronegativität nach Pauling Elektronegativität nach Pettifor Vorausbestimmung von Legierungsstrukturen Darken-Gurry-Ellipse Kubaschewski-Diagramm Neuere Methoden zur Strukturbestimmung Neuere Erkenntnisse über die Sprödigkeit von intermetallischen Verbindungen 66 6 Thermodynamisches Verhalten der Metalle Von der Schmelze zum Kristall Thermodynamische Begriffe und Zustandsgrößen Systeme Thermodynamische Prozesse Zustandsgrößen von thermodynamischen Systemen Diffusion Diffusionsmechanismen Aktivierungsenergie Diffusionsgesetze Allgemeine Gesetzmäßigkeiten Variable des Diffusionskoeffizienten Diffusion in Legierungen Atomistische Betrachtungsweise der Diffusion Thermodynamisches Gleichgewicht (Phasendiagramme) Aussagekraft der Freien Energie F Gleichgewichtsdiagramme mit intermetallischen Phasen Prozentangaben in Phasendiagrammen Drei- und Mehrstoff-Systeme Phasengesetz nach Gibbs 94, 6.6 Intermetallische Phasen in nichtrostenden Stählen und FeNiCr- und NiCrFe-Legierungen Sigma-Phase Bildungsmechanismus und Einfluß von Legierungselementen Einfluß der Gefügeart Struktur und Härte der Sigma-Phase Sigma- und Chi-Phase in FeNiCr-Legierungen C-Versprödung Molybdänhaltige Phasen Eigenschaftsänderungen durch Legierungsbildung Von der Theorie zur Praxis Schwerpunkte für den Praktiker 106

4 7.2 Klärung der metallurgischen Verträglichkeit Phasengrenzen Beispiel Mischkristallbildung und Ausdehnungskoeffizient Beispiel intermetallische Phasen Werkstoffkennwerte und Werkstoffbezeichnungen Ausführungsarten von Mischverbindungen und Bezeichnungen Ausführungsarten Mismatch bei Mischverbindungen Mechanisch-technologisches Verhalten von Mischverbindungen Zugversuch Technologischer Biegeversuch Kerbschlagbiegeversuch Härteprüfung Schwingfestigkeit Scherfestigkeit von Plattierungen Mechanische und thermische Beanspruchung Herstellen von Schweißverbindungen Planungsphase Konstruktive Gestaltung Mischverbindungen in Rohrleitungssystemen Mischverbindung-Übergangsstück Einflüsse von Schmelzschweißprozessen Lichtbogenhandschweißen WIG- und Plasmaschweißen MAG-/MIG-Schweißen Unterpulverschweißen Elektronenstrahlschweißen Laserstrahlschweißen Einflüsse von Preßschweißprozessen Diffusionsschweißen Andere Preßschweißverfahren Vermischungsgrad beim Schmelzschweißen Rißbildung Heißrissigkeit Kaltrissigkeit Wasserstoffinduzierte Risse Schrumpfrisse Versprödungsrisse Sonstige Rißarten Relaxationsrisse Unterplattierungsriß Disbonding - mechanisch bedingt ' Lotriß Werkstoffabhängige Rissigkeit Baustähle Chromstähle Chrom-Nickel-(Molybdän-)Stähle Nickel und Ni-Legierungen Nickel Nickellegierungen Kupfer und Cu-Legierungen Kupfer Kupferlegierungen Aluminium und Al-Legierungen Aluminium 170

5 Aluminiumlegierungen Sondermetalle Bindefehler Vorwärmen Mischverbindungen mit Stählen Unterschiedliche Werkstoffkombinationen Wärmenachbehandlung Überblick Kohlenstoffstähle Vergütungsstähle Glühen plattierter Apparate Schwarz-Weiß-Verbindungen (S/W-Verbindungen) Sonstige Werkstoffkombinationen Internationale Regelwerke zum Glühen Qualitätssicherung an Mischverbindungen durch zerstörungsfreies Prüfen Eindringprüfung Durchstrahlungsprüfung Ultraschallprüfung Magnetische Rißprüfung Wirbelstromprüfung Schmelzlinienbereich von Schwarz-Weiß-Verbindungen Schaeffler-Diagramm Martensitstrukturen Martensitbildungstemperatur Mechanismus der Martensitbildung Nickelmartensit e-martensit bei Eisen-Mangan-Legierungen Martensitischer Übergangsbereich von S/W-Verbindungen Metallkundlicher Hintergrund Bruchmechanische Analysen Kerbschlagzähigkeit Folgerungen zum Zähigkeitsnachweis Kohlenstoffdiffusion Entkohlte Zone Karbidsaum Mischverbindungen unter betrieblicher Beanspruchung Schäden durch mechanische und thermische Überbeanspruchung Fehlerarten und Bauteilverhalten Korrosionsbeständigkeit Korrosion durch heiße Gase Naßkorrosion Kontaktkorrosion Selektive Korrosion Wasserstoffinduzierte Rißbildung an Schwarz-Weiß-Verbindungen Wasserstoffinduziertes Disbonding an Schwarz-Weiß-Plattierungen Plattierungen Stumpfnahtschweißverbindungen Kehlnahtanschlüsse Überlegiertes Schweißen Sonderfälle und deren Lösung Panzern von Oberflächen 237

6 12 Praxisorientierte Werkstoffkombinationen Einleitende Hinweise Werkstoffkombinationen von Stählen Baustähle untereinander Niedriglegierte Stähle untereinander Hitzebeständige Stähle / Warmfeste Stähle Kaltzähe Stähle / Baustähle Sonstige Stähle untereinander Gußeisen / Baustähle Nichtmagnetisierbare Stähle Werkstoffkombinationen mit korrosionsbeständigen Stählen Korrosionsbeständige Stähle untereinander Baustähle / CrNi(Mo)-Stähle, Baustähle / Chromstähle Werkstoffkombinationen mit Aluminiumwerkstoffen Aluminiumwerkstoffe Zweistoffsysteme Mischverbindungen Aluminiumwerkstoffe untereinander Baustähle / Aluminiumwerkstoffe Austenitische Stähle / Aluminiumwerkstoffe Plattierungen Wärmenachbehandlungen Werkstoffkombinationen mit Kupferwerkstoffen Kupferwerkstoffe Kupferlegierungen Messing Zinn-Bronze Aluminium-Bronze CuNiFe-Legierungen Schweißtechnische Besonderheiten Mischverbindungen Messinge / Sonstige Werkstoffe Bronzen untereinander Stähle / Kupferwerkstoffe Ausfuhrungsbeispiele Werkstoffkombinationen mit Nickelwerkstoffen Reinnickel Nickellegierungen Einfluß von Legierungselementen auf Nickel Sigma-Phase in Nickellegierungen Mischverbindungen mit Reinnickel Mischverbindungen mit Nickellegierungen Sondermetalle Werkstoff-Überblick Titan - Zirkonium - Hafnium Vanadin - Niob - Tantal Chrom - Molybdän - Wolfram Beryllium Mischverbindungen mit Sondermetallen Allgemeiner Überblick Ausführungsbeispiele Mischverbindungen in der Elektrotechnik Leichtbau-Konstruktionen in der Verkehrstechnik Allgemeine Merkmale 288

7 13.2 Schiffbau Schienenfahrzeuge Karosseriebau von Kraftfahrzeugen Schweißen verzinkter Feinbleche Punktschweißen Aluminium/Stahl Laserstrahlfugen von Aluminium-/Stahl-Übergangsstücken Diffusionsvorgänge in Aluminium-/Stahl-Verbindungen Luftfahrt Raumfahrt Neuere Titanlegierungen Magnesiumwerkstoffe Überblick Magnesiumlegierungen Physikalische Eigenschaften Schweißeignung Weitere Beispiele von Mischverbindungen Gelenkwellen für Personenkraftwagen Ventile für Verbrennungsmotoren Brennkammer / Expansionsdüse eines Klein-Raketentriebwerkes Mischverbindungen an Werkstoffen aus intermetallischen Verbindungen bestehend (Intermetallic Compounds) Auswahl von Schweißzusätzen für Mischverbindungen Empfehlungen von Schweißzusatzwerkstoffen Artähnliche Baustähle untereinander Warmfeste Stähle untereinander Mischverbindungen im Dampfkesselbau Warmfeste Stähle untereinander Warmfeste Stähle / hitzebeständige Stähle Schwarz-Weiß-Verbindungen Korrosionsbeständige Stähle untereinander Nickellegierungen Aluminiumwerkstoffe Bronzen Eignung von Schweißverfahren Vorbemerkungen Plattierungsverfahren Walzplattieren Explosionsplattieren Kaltplattierte Bänder Laserunterstütztes Plattieren Auftragschweißen Strahlschweißen ÜberblickprozeßbedingterBesonderheiten Elektronenstrahlschweißen Laserstrahlschweißen Lichtbogen-Bolzenschweißen Kaltpreßschweißen Reibschweißen Prozeßablauf Bindemechanismus Gefüge reibgeschweißter Verbindungen Schweißen von Werkstoffkombinationen Mobiles Reibschweißen 345

8 Reibrührschweißen Ultraschallschweißen Anwendung und Verfahrensprinzip Werkstoffkenngrößen und Schweißbarkeit Diffusionsschweißen Überblick Voraussetzungen Eignung für Werkstoffkombinationen Schweißeignungs-Diagramme Verbundwerkstoffe und Technische Keramik Verbundwerkstoffe Technische Keramik Schweißen von Werkstoffkombinationen Abschließende Betrachtungen zur Schweißeignung 361 Nachwort 363 Anlagen Anlage 1-1. Das Periodensystem der Elemente [A 15] 364 Anlage 1-2 A. Elemente des Periodensystems - sortiert nach Symbolen 365 Anlage 1-2 B. Elemente des Periodensystems - sortiert nach Namen 365 Anlage 2-1. Schalenaufbau der Atome, tabellarisch aufgelistet 366 Anlage 2-2. Elektronenkonfiguration der Elemente, Kurzform, basierend auf dem vorangegangenen Edelgaszustand 368 Anlage 3-1. Raumstruktur und Atomradius der Elemente [A 18] 370 Anlage 3-2. Allotrope Umwandlungen in metallischen Festkörpern 371 Anlage 4-1. Ionisierungsenergie der Atome - Dichte der Stoffe 372 Anlage 4-2. Siede- und Schmelztemperatur der Stoffe 372 Anlage 4-3. Spezifische Wärmekapazität und Schmelzwärme der Stoffe 373 Anlage 4-4. Wärmeleitfähigkeit und spezifischer elektrischer Widerstand der Stoffe 373 Anlage 5. Physikalische Eigenschaften von Werkstoffen 374 Anlage 6. Grundtypen der Phasendiagramme von Zweistofflegierungen [170] 375 Anlage 7-1. Anlage 7-2. Anlage 7-3. Anlage 7-4. Anlage 8. Temperaturbereiche für die Wärmebehandlung nach dem Schweißen; Schweißverbindungen aus artähnlichen Werkstoffkombinationen für den Dampfkesselbau, nach pren 12952, Abschn. 10.4, [R 18] und [210] 376 Temperaturbereiche für die Wärmebehandlung nach dem Anschweißen von Flossen und Halterungen aus hitzebeständigen Werkstoffen an Kesselrohre 376 Temperaturbereiche für die Wärmebehandlung nach dem Schweißen von Nickelwerkstoffen, nach [S 2] 377 Temperaturbereiche für die Wärmebehandlung nach dem'schweißen von Titan und Titanlegierungen, nach [S 2] 377 Aluminiumknetwerkstoffe - Beispiele in einer Gegenüberstellung von Normen 378 Literatur 379 Verzeichnisse Teil A: Abkürzungen 397 Teil B: Englischsprachige Fachausdrücke 399 Teil C: Personenbezogene Sachbegriffe 401 Teil D: Sachwörter 402 Teil E: Zweistoff-Gleichgewichtsdiagramme 408 Teil F: Altgriechisches Alphabet 409