Praxiswissen Schweißtechnik

Transkript

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2 Hans J. Fahrenwaldt Volkmar Schuler Jürgen Twrdek Praxiswissen Schweißtechnik Werkstoffe Prozesse Fertigung 5. Auflage

3 Qualitätssicherung Praxiswissen Schweißtechnik

4 Qualitätssicherung Hans J. Fahrenwaldt Volkmar Schuler Jürgen Twrdek Praxiswissen Schweißtechnik Werkstoffe, Prozesse, Fertigung 5., vollständig überarbeitete Auflage

5 Qualitätssicherung Prof. Dr.-Ing. Hans J. Fahrenwaldt Stuttgart, Deutschland Prof. Dr.-Ing. Volkmar Schuler Ulm, Deutschland Jürgen Twrdek Ulm, Deutschland Wir bedanken uns für die freundliche Unterstützung der voestalpine Böhler Welding Austria GmbH. voestalpine Böhler Welding Austria GmbH Böhler-Welding-Str Kapfenberg, Austria Tel.: Fax: bohler.welding@voestalpine.com ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 2003, 2006, 2009, 2011, 2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtempapier. Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+BusinessMedia

6 Vorwort zur 5. Auflage Schweißen ist nach wie vor das wichtigste Verfahren innerhalb der gesamten Fügetechnik. Neben der unübertroffenen Wirtschaftlichkeit erlaubt es konstruktive Ausführungen, die in hohem Maße die Bedürfnisse nach Flexibilität und Gewichtsoptimierung berücksichtigen. Dieses Buch stellt alle relevanten und modernen Verfahren der Schweißtechnik vor und gibt umfassende Informationen zur anforderungs-, anwendungs- und prüfgerechten Gestaltung von Schweißkonstruktionen. Das Buch versucht, einen Überblick in die Vielzahl praktischer Anwendungen der täglichen schweißtechnischen Arbeit zu geben. Es soll einen Querschnitt an Wissen vermitteln, welche Fügetechniken heute angewendet werden, welches die technischen Grundlagen zum Verbinden von Werkstoffen sind und wie dies in der Praxis umgesetzt werden kann. Fachliche Erklärungen sollen helfen, schnell Lösungen für Verbindungsmöglichkeiten zu finden. Die 5. Auflage wurde an vielen Stellen grundlegend überarbeitet. Vor allem wurde Wert darauf gelegt, praktische Anwendungsbeispiele in Form von Bildern zu zeigen, zu erklären, um so dem Leser ein fundiertes Praxiswissen zu vermitteln. Auch wurde versucht, aktuelles Wissen praxisnah in die Kapitel zu integrieren, weshalb zu einzelnen Abschnitten Spezialisten auf dem jeweiligen Fachgebiet um Beiträge gebeten wurden. Für deren Mitwirkung an der Überarbeitung einzelner Abschnitte und Kapitel und durch Bereitstellung von Informationsmaterial sei hier ausdrücklich gedankt. Die Zielgruppen Fachleute, die mit schweißtechnischen Fragestellungen befasst sind Ingenieure des Maschinenbaus, der Produktionstechnik und des Bauingenieurwesens und -techniker in Konstruktion, Arbeitsvorbereitung und Fertigung Studierende der oben angegebenen Fachrichtungen an Hochschulen für Technik und Technischen Universitäten Ein besonderer Dank geht an Prof. Dr. Carsten Bye von der Privaten Fachhochschule für Wirtschaft und Technik in Diepolz für die komplette Neufassung des Kapitels 6 Fügen durch Umformen.

7 VI Vorwort zur 5. Auflage Im Weiteren bedankt sich das Autorenteam bei: Dr.-Ing. B. Jaeschke, Fa. Lorch Kap. 2.2 Schweißstromquellen Fa. Elektro-Thermit Kap. 2.6 Gießschmelzschweißen Dipl.-Ing. J. Heusel, Trumpf Werkzeugmaschinen GmbH Kap Laserstrahlschweißen Dipl.-Ing. R.Trillmich, Fa. Köco Kap Bolzenschweißen Dr.-Ing. S. Jahn, IFM Jena Kap. 3.4 Diffusionsschweißen Dipl.-Ing. M. Ebbinghaus, Fa. Fontargen Kap. 4 Löten Dipl.-Ing. W. Krömmer, Fa. Linde Kap. 8.2 Thermisches Spritzen Dipl.-Ing. W. Schmidt, Fa. Kjellberg Kap. 9 Thermisches Trennen, Plasmaschneiden Prof. Dr.-Ing. I. Seidl, HS Ulm Kap Feinkornstähle Ganz herzlich möchten sich die Autoren bei Herbert Wittel bedanken, der über viele Auflagen hinweg das Kapitel Schweißnahtberechnung auf aktuellem Stand gehalten hat und somit nachhaltig am Erfolg des Buches beteiligt war. Da das Fachbuch jetzt deutlich in Richtung Praxis weiter entwickelt wird, konnte dieser Abschnitt jetzt herausgelöst werden. Wie in den Jahren zuvor geht ein herzliches Dankeschön an Herrn Dipl.-Ing. Thomas Zipsner und Frau Imke Zander vom Verlag Springer Vieweg, Lektorat Maschinenbau. Über alle Auflagen hinweg bestand stets eine sehr gute Zusammenarbeit, die besonders zum Gelingen des Buches beitrug. Ulm, November 2013 Jürgen Twrdek Volkmar Schuler

8 Inhaltsverzeichnis Vorwort... V 1 Einleitung Schmelzschweißprozesse... 7 H. J. Fahrenwaldt/ 2.1 Gasschmelzschweißen (G/31)... 8 H. J. Fahrenwaldt/ Brenngase Sauerstoff Armaturen Schweißbrenner (DIN EN 731) Schweißzusätze (DIN EN 12536) Schweißarten Unregelmäßigkeiten beim Gasschmelzschweißen Grundlagen des Lichtbogenschweißens H. J. Fahrenwaldt/ Die Vorgänge im Lichtbogen Schweißstromquellen Das Lichtbogenhandschweißen (E/111) H. J. Fahrenwaldt/ Stabelektroden Bezeichnung der Elektroden Technik des Schweißens Unregelmäßigkeiten beim Lichtbogenhandschweißen Unterpulver-Schweißen H. J. Fahrenwaldt Elektroden Schweißpulver... 45

9 VIII Inhaltsverzeichnis Draht-Pulver-Kombination Schweißgeräte Unregelmäßigkeiten beim UP-Schweißen Schutzgasschweißen H. J. Fahrenwaldt/ Schutzgase zum Schweißen Metall-Schutzgasschweißen (MSG) H. J. Fahrenwaldt/ Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) Wolfram-Plasmaschweißen (WP) Gießschmelzschweißen Strahlschweißprozesse Elektronenstrahlschweißen (EBW = Electron Beam Welding) Laserschweißen Elektroschlackeschweißen H. J. Fahrenwaldt 3 Prozesse des Pressschweißens H. J. Fahrenwaldt 3.1 Widerstandspressschweißen H. J. Fahrenwaldt/ Punktschweißen (RP/21) Pressstumpf- und Abbrennstumpfschweißen (RPS/25 und RA/24) Induktives Widerstandspressschweißen (RI/74) Gaspressschweißen (GP/47) H. J. Fahrenwaldt 3.3 Lichtbogenpressschweißen Bolzenschweißen Pressschweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen (MBL) Diffusionsschweißen Ablauf Werkstoffe Anwendung

10 Inhaltsverzeichnis IX 3.5 Reibschweißen Verfahrensprinzip Reibschweißmaschinen Werkstoffe Kaltpressschweißen Sprengschweißen Ablauf Werkstoffe Anwendung Ultraschallschweißen (US/41) H. J. Fahrenwaldt 4 Löten Einteilung der Lötprozesses Temperaturen beim Löten Grundlagen des Lötens Kapillareffekt Vor- und Nachteile des Lötens Lötbarkeit Löteignung der Werkstoffe Lötverfahren Lote Einteilung der Lote nach den Arbeitsbereichen (Temperatur) Flussmittel Lötgerechtes Konstruieren Eigenschaften von Lötverbindungen Festigkeit von Lötverbindungen Unregelmäßigkeiten von Lötverbindungen Prüfung von Personal und Verfahrensprüfungen Arbeitsschutz beim Löten Metallkleben H.J. Fahrenwaldt 5.1 Grundlagen des Klebens Oberflächeneigenschaften Oberflächenvorbereitung Klebstoffe

11 X Inhaltsverzeichnis 6 Fügen durch Umformen C. Bye 6.1 Grundlagen Clinchen Verfahrensbeschreibung und Varianten Qualitätsrelevante Kenngrößen Anwendungen Geräte und Systeme Nieten Stanznieten Blindnieten Schließringbolzen Funktionselemente Kunststoffschweißen H.J. Fahrenwaldt 7.1 Warmgasschweißen Warmgas-Extrusionsschweißen (WE) Direktes Heizelementschweißen Heizwendelschweißen Indirektes Heizelementschweißen Ultraschallschweißen Reibschweißen und Vibrationsschweißen Hochfrequenzschweißen Induktionsschweißen Strahlschweißen Kleben von Kunststoffen Auftragschweißen und Thermisches Spritzen H. J. Fahrenwaldt/P. Heinrich/W. Krömmer 8.1 Auftragschweißen Schweißverfahren Aufmischungsgrad Gas-Pulver-Schweißen Lichtbogenhand- und WIG-Schweißen Metall-Schutzgas-Schweißen Plasma-Pulver-Auftragschweißen Laser-Auftragschweißen Elektro-Schlacke-Bandauftragschweißen Schweißzusatzwerkstoffe Auftraglöten Thermisches Spritzen

12 Inhaltsverzeichnis XI 8.3 Verfahren des Thermischen Spritzens Flammspritzen Flammspritzen mit Draht Flammspritzen mit Pulver Einschmelzen selbstfließender Pulver Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen Verfahrensprinzip des Jet Kote-Spritzen Vorhandene Systeme des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens Detonationsspritzen (amerikanische Bezeichnung: D-Gun-Spritzen) Lichtbogenspritzen Plasmaspritzen Kaltgasspritzen Wirtschaftlichkeit des Thermischen Spritzens als Beschichtungsverfahren Thermisches Spritzen Beispiele wirtschaftlicher Einsätze und Anwendungen Thermisches Trennen Werkstoffe und Materialdicken Autogenes Brennschneiden Betriebsgase zum autogenen Brennschneiden Brennschneidgeräte Brennschnittgüte Sonderverfahren des autogenen Brennschneidens Plasmaschneiden Verfahrensprinzip Einteilung der Verfahren Plasmagase Plasmabrenner Plasmafugen HotWire-Plasmaschneiden Laserstrahlschneiden Laserarten zum Schneiden Wasserstrahlschneiden Flammrichten Verfahrensprinzip Ausführung Ausrüstung Eignung der Werkstoffe und Besonderheiten beim Flammrichten Stähle

13 XII Inhaltsverzeichnis 11 Werkstoffe und Schweißen H.J. Fahrenwaldt 11.1 Stahl und Eisen Die Beeinflussung des Grundwerkstoffs durch das Schweißen Allgemeine Baustähle Schweißgeeignete Betonstähle Feinkornbaustähle I. Seidl Hochlegierte Stähle Eisen-Kohlenstoff-Gusswerkstoffe Schweißverbindungen von unterschiedlichen Metallen Nichteisenmetalle Aluminium und Aluminiumlegierungen Kupfer und Kupferlegierungen Nickel und Nickellegierungen Titan und Titanlegierungen Molybdän und Molybdänlegierungen Magnesium und Magnesiumlegierungen Anforderungsgerechte Gestaltung von Schweißkonstruktionen Beanspruchungsgerechte Gestaltung Statisch und dynamisch beanspruchte Bauteile Biege- und verdrehsteife Konstruktionen Zug- und druckbeanspruchte Stäbe Vibrationsgerechte Gestaltung Vakuumgerechte Gestaltung Fertigungsgerechte Gestaltung Werkstoffgerechte Gestaltung Nahtvorbereitung und Fugenform Gestaltung bei Oberflächenbeschichtungen Verbindungen an plattierten Blechen Mischverbindungen Verminderung der Terrassenbruchneigung Korrosionsgerechte Gestaltung Prüfgerechte Gestaltung Instandsetzungsgerechte Gestaltung Allgemeines zu Instandsetzung Riegeln Mechanisierungs-/Automatisierungsgerechte Gestaltung

14 Inhaltsverzeichnis XIII 13 Anwendungsgerechte Gestaltung von Schweißkonstruktionen Stahlbau Trägergestaltung und Trägeranschlüsse DIN versus DIN EN Tragwerke Vorschriften Werkstoffe Schweißzusätze Halbzeuge Herstellung Grundsätze für die Konstruktion Vollwandträger Aussteifungen Fachwerkträger Hohlprofilkonstruktionen Rahmenecken Trägeranschlüsse Behälter-, Apparate-, Druckgefäße-, Tank- und Rohrleitungsbau Vorschriften Herstellung Werkstoffe Schweißzusätze Allgemeine Gestaltungsregeln Nahtformen und Schweißnahtvorbereitungen Flanschanschlüsse Rohrverbindungen Stutzenanschlüsse Kompensatoren Mäntel, Böden und Doppelmäntel für Behälter, Apparate und Tanks Halbrohre zum Anschweißen an Behälter Einschweißen von Rohren in Rohrböden Rauchgasdichte Rohrwände Bestiften (Bolzenschweißung) an leeren Rohren Gestaltung von Maschinenelementen Allgemeine Gestaltungsregeln Hebel, Stangen und Gabeln Drehende Maschinenteile Gestaltung im Fahrzeugbau Schweißen und Löten im Luft- und Raumfahrzeugbau Schweißen in Feinwerktechnik und Elektronik

15 XIV Inhaltsverzeichnis 14 Berechnung von Schweißnähten J. Twrdek 14.1 Grundsätze der Schweißnahtberechnung im Maschinenbau Grundregeln für die Fugenformen von Schweißnähten T-Stoß Stumpfstoß Schweißeigenspannungen und -verformungen Entstehung von Eigenspannungen Schrumpfungsarten Beeinflussende Faktoren Maßnahmen zur Verminderung von Schweißeigenspannungen Bauteilverzug und Schweißfolgeplan Abbau von Eigenspannungen Auswirkungen von Schweißeigenspannungen Rechnerische Berücksichtigung der Eigenspannungen Darstellung und Ausführung von Schweißverbindungen J. Twrdek 16.1 Zeichnerische Darstellung von Schweißnähten Stoßarten, Fugenformen und deren Auswahl Wirtschaftlichkeitsüberlegungen J. Twrdek 18 Qualitätssicherung J. Twrdek 18.1 Schweißtechnische Qualitätsanforderungen und Schweißaufsicht Schweißen in gesetzlich geregelten Bereichen Schweißnaht Verfahren und Möglichkeiten der Prüfung Fehlertoleranzen und Unregelmäßigkeiten von Schweißverbindungen Schulung und Prüfung von Schweißern und Bedienern von Schweißeinrichtungen Gesundheits-, Arbeits- und Brandschutz (GABS) Anhang Tabellen und Diagramme H. J. Fahrenwaldt/J. Twrdek 19.2 Normen in der Schweißtechnik J. Twrdek Sachwortverzeichnis