Schweißtechnik Schweißen von metallischen Konstruktionswerkstoffen Herausgegeben von Klaus-Jürgen Matthes, Erhardt Richter

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1 Schweißtechnik Schweißen von metallischen Konstruktionswerkstoffen Herausgegeben von Klaus-Jürgen Matthes, Erhardt Richter ISBN-10: ISBN-13: Vorwort Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel.

2 Vorwort Die schweißtechnische Ausbildung hat in Chemnitz eine langjährige Tradition. Bereits in den 20er Jahren erfolgte eine theoretische und praktische Ausbildung in den Hörsälen und Laborräumen der damaligen Höheren Technischen Lehranstalt. Es war Prof. Schimpke, der schon 1922 die ersten schweißtechnischen Lehrgänge in Verfahrenstechniken des Gas- und Lichtbogenschweißens durchführte und Schweißerprüfungen abnahm. Dieser Tradition fühlen sich die Herausgeber und Autoren verpflichtet. Das Schweißen und die verwandten Verfahren sind ein überaus interessantes Wissensgebiet, das sich noch immer in einer beeindruckenden Entwicklung befindet und in der Anwendung von Mikrochips bis zur Raumstation reicht. Die fortschreitende Mechanisierung und Automatisierung in der Schweißtechnik ermöglicht u. a. auch eine umfassende fertigungstechnische Nutzung physikalischer und chemischer Effekte zum örtlich begrenzten Energieeintrag (Wärme und/oder Druck). Diese unterschiedlichen physikalischen und chemischen Effekte und ihre Kombinationen bilden die Grundlage für die Gliederung dieses Buches und der Verfahrensbeschreibungen. Neben den theoretischen Grundlagen zum Elektro- und Autogenschweißen werden die manuellen Schweißverfahren vorgestellt und ihre Anwendungsgebiete aufgezeigt. Schwerpunkte bei den einzelnen Verfahren sind: Verfahrensprinzipien, Anwendungen, Zusatzwerkstoffe, Gestaltungs- und Fertigungshinweise sowie Arbeits- und Gesundheitsschutz. Schweißen dient dazu, eine Schweißverbindung oder eine geschweißte Beschichtung herzustellen. Voraussetzung für eine qualitätsgerechte Ausführung ist die Berücksichtigung der Einflussfaktoren auf die Schweißbarkeit. Diese Einflussfaktoren umfassen sowohl die konstruktive Gestaltung und die stofflichen Gegebenheiten des zu schweißenden Produkts als auch die fertigungstechnischen Bedingungen. Die fachkundige Ausführung des Schweißvorganges kann nur dann zu qualitätsgerechten Verbindungen führen, wenn das Vorbereiten der Fügestelle und das Nachbereiten sowie Kontrollieren der Verbindung mit Sorgfalt und Umsicht ausgeführt werden. Eine komplexe Berücksichtigung der verschiedenen Einflüsse ist im realen Schweißprozess deshalb in jedem Fall unerlässlich. Das vorliegende Lehr- und Fachbuch wendet sich vor allem an Studierende der Fachrichtungen/Studiengänge Maschinenbau, Produktionstechnik, Konstruktionstechnik an Universitäten, Fachhochschulen und Weiterbildungseinrichtungen. Es soll ihnen die Möglichkeit geben, den Lernstoff aus den Vorlesungen zu vertiefen sowie Seminare und Übungen gezielt und fundiert vorzubereiten. Natürlich bietet es auch Studienbewerbern die Möglichkeit, sich über das Wissensgebiet Schweißen und verwandte Verfahren umfangreich zu informieren.

3 6 Vorwort Nicht zuletzt wird es zur Auffrischung und als Nachschlagewerk für in der Praxis tätige Ingenieure und interessierte Leser nutzbar sein. Das Buch repräsentiert den aktuellen Stand des Fachgebietes und der Fachnormen. Die systematische Gliederung des Buches und die annähernd 800 Begriffe des Sachwortverzeichnisses geben dem Nutzer eine klare Orientierung und ermöglichen ein schnelles Auffinden der gesuchten Texte, Tafeln und Bilder. Zusammen mit dem Fachbuch Fügetechnik Fügen im Überblick, Löten, Kleben, Fügen durch Umformen wird dem Nutzer somit ein umfassender Überblick über die Fügetechnik gegeben, wobei den Schwerpunkten Fügbarkeit, Qualitätssicherung, Reparatur und Recycling sowie Arbeits- und Umweltschutz ein besonderes Augenmerk gilt. Wir wünschen dem Leser, dass er die Antworten auf seine Fragen zu den Schweißverfahren findet und dass trotz der Fülle des Stoffs Klarheit und Verständnis dominieren. Den Autoren und allen, die an der Fertigstellung dieses Fachbuches maßgeblich mitgearbeitet haben, wird für die gute Zusammenarbeit gedankt. Die Herausgeber

4 Schweißtechnik Schweißen von metallischen Konstruktionswerkstoffen Herausgegeben von Klaus-Jürgen Matthes, Erhardt Richter ISBN-10: ISBN-13: Inhaltsverzeichnis Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel.

5 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN Fügen durch Schweißen Wirkprinzipe beim Schweißen Schweißbarkeit Einteilung Schweißeignung von Stählen Schmelzschweißeignung Pressschweißeignung Schweißsicherheit Konstruktive Gestaltung Schweißmöglichkeit Vorbereiten Schweißen Nachbereiten Schweißen mit Lichtbogen Grundlagen Lichtbogentechnik Schweißlichtbogen Zünden des Lichtbogens Lichtbogenkennlinie Wechselbeziehung zwischen Bogenspannung und Bogenlänge Temperaturen im Schweißlichtbogen Elektrische Leitfähigkeit Werkstoffübergang Ausrüstungen zum Lichtbogenschweißen Arbeitsplatz und Zubehör Schweißstromquellen Anforderungen Einteilung der Stromquellen Schweißtransformatoren Schweißumformer Schweißgleichrichter Elektronische Schweißstromquellen Kennlinien und Arbeitspunkt Lichtbogenregelung und Arbeitspunkt Einschaltdauer Vergleich der Schweißstromquellen Schweißzubehör Schweißkabel Stabelektrodenhalter... 74

6 8 Inhaltsverzeichnis - Schlauchpaket und Brenner Geräte zur Messung von Schweißstrom und Schweißspannung Schweißanlagen Sicherheit beim Lichtbogenschweißen Gefährdungen durch elektrischen Strom Gefährdung durch Strahlungsspektrum des Lichtbogens Gefährdung durch Schweißgase und -rauch, Schlacke und Spritzer Maßnahmen zum Personen- und Brandschutz Der Schweißlichtbogen als technologisches Werkzeug Allgemeines Aufschmelzung und Schmelzbadgröße Arbeitstechnik und Aufschmelzquerschnitt Änderung der Arbeitswerte Fugenform und Spaltbreite Wirkung der Hilfsstoffe Änderung der Abschmelzleistung MR Beeinflussung durch äußere Magnetfelder Elektrodenabmessung und -form Neigung der Elektrode und Elektrodenanordnung Einteilung der Fertigungsverfahren der Lichtbogentechnik Lichtbogenhandschweißen Verfahrensprinzip und Schweißausrüstung Stromquellen zum Lichtbogenhandschweißen Elektrodenhalter und Schweißleitungen Ausrüstung des Schweißplatzes Stabelektroden Schutzkleidung und Zubehör Anwendung Zusatzstoffe - Stabelektroden Herstellung von Stabelektroden Abmessungen von Stabelektroden Umhüllungen von Stabelektroden Beschreibungen der Umhüllungstypen Hochleistungselektroden Ausbringung A Abschmelzleistung MR Lagerung von Stabelektroden Nachtrocknen von Elektroden Bezeichnung von Stabelektroden nach EN Auswahl der Stabelektroden Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Die Technik des Lichtbogen-Handschweißens Zünden des Lichtbogens Führen der Elektroden Elektrodenführung in den verschiedenen Positionen Wannen-, Horizontal-, Steigposition Fallposition (PG) Querposition (PC) Überkopfposition (PE)

7 Inhaltsverzeichnis 9 - Magnetische Blaswirkung Einfluss der Schweißbedingungen Das Schweißen mit basischen Elektroden Das Schweißen mit Hochleistungselektroden Fallnaht Schweißen mit Stabelektroden Elektroden mit Tiefeinbrandeffekt Fehler beim Metall-Lichtbogenschweißen Poren Schlackeneinschlüsse Wurzelfehler Einbrandkerben Arbeits- und Brandschutz Gefährdungen durch den elektrischen Strom Gefährdungen durch die Strahlen des Lichtbogens Gefährdungen durch Schweißgase und rauche Gefährdungen durch Spritzer und Schlackenteilchen Unterpulverschweißen Verfahrensprinzip und Schweißausrüstung Aufbau einer UP-Anlage Stromquellen zum UP-Schweißen Die Lichtbogenregelung Anwendung des UP-Verfahrens Fugenvorbereitung Schmelzbadsicherungen Verfahrensvarianten in Wannenposition (Position PA) Quernahtschweißen (Gürtelschweißen; Position PC) Senkrechtschweißen (Position PF) Zusatzwerkstoffe und Hilfsstoffe Elektroden Drahtelektroden Bandelektroden Schweißpulver Aufgaben der Schweißpulver Herstellung der Schweißpulver Einteilung der Schweißpulver Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Zünden des UP-Lichtbogens Freie Drahtlänge Nahtformung Richtlinien für die Wahl der Schweißparameter Spezielle Gefährdungen durch das UP-Verfahren für den Bediener Schutzgasschweißen Übersicht und Gemeinsamkeiten der Verfahren Elektroden Wolframelektroden Drahtelektroden Schweißstäbe und -drähte Schutzgase Zusammensetzung

8 10 Inhaltsverzeichnis - Gasversorgung Draht-/Schutzgas-Kombinationen Chemische Zusammensetzung des Schweißgutes Mechanisch-technologische Eigenschaften des Schweißgutes Metallschutzgasschweißen (MIG/MAG) Verfahrensprinzip und Schweißausrüstung Gerätebauarten Drahtvorschubgeräte Steuergerät Schlauchpaket und Brenner Druckminderer und Durchflussmesser Werkstoffübergangsformen Charakteristik der Schutzgase zum MIG-/MAG-Schweißen Anwendung des MIG-/MAG-Schweißens Zünden des Lichtbogens Brennerführung Teilmechanisches Schweißen Vollmechanisches Schweißen MIG-/MAG-Schweißen mit Industrierobotern Schweißgeeignete Werkstoffe Wanddicken Fertigungszweige Varianten des Metall-Schutzgasschweißens Zusatzwerkstoffe und Hilfsstoffe Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Einstellen der Schweißanlagen Einflussfaktoren auf die Nahtform Richtwerte für das MIG-/MAG-Schweißen Ursachen für Unregelmäßigkeiten beim MIG/MAG-Schweißen Spezielle Gefährdungen für den MIG-/MAG-Schweißer WIG-Schweißen Verfahrensprinzip und Schweißausrüstungen Stromquellen Ausrüstung zum WIG-Schweißen Anwendungsbereiche Varianten des WIG-Schweißens Zusatzstoffe Konstruktive Gestaltung Fertigungshinweise Stromart und Polarität Elektrodenabmessungen und -formen Stromstärke, Schweißspannung und -geschwindigkeit Schutzgase für Schmelzbad und Wurzel Arbeitstechnik beim WIG-Schweißen Richtwerte für das WIG-Schweißen Ursachen für Unregelmäßigkeiten beim WIG-Schweißen Spezielle Gefährdungen beim WIG-Schweißen Plasmaschweißen Verfahrensprinzip und Schweißausrüstung

9 Inhaltsverzeichnis 11 - Stromquelle Plasmabrenner Schlauchpaket Anwendungsbereiche Werkstoffe Wanddicken Fertigungszweige Fugenvorbereitung Varianten des Plasmaschweißens Zusatzstoffe Schweißdrähte, -stäbe und -pulver Schutzgase Konstruktive Gestaltung Fertigungshinweise Polarität Stromstärke Schweißspannung Einstellwerte Menge des Plasmagases Plasmagasdüse Brennerabstand Wolframelektroden Spannvorrichtungen Rundnahtschweißen/ Brennerstellung Ursachen für Unregelmäßigkeiten Spezielle Gefährdungen Lichtbogenschweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen MBS-Schweißen (Schmelzschweißen) Verfahrensprinzip Anwendungsbereich Zusatzstoffe Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise MBP-Schweißen (Pressschweißen) Verfahrensprinzip Anwendungsbereich Zusatzstoffe Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Lichtbogenbolzenschweißen Verfahrensprinzip Lichtbogenbolzenschweißen mit Hub-zündung (BH-Schweißen) Lichtbogenbolzenschweißen mit Spitzenzündung (BS-Schweißen) Lichtbogenbolzenschweißen mit Ringzündung (BR-Schweißen) Anwendungsbereich Zusatzstoffe Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Prozessüberwachung

10 12 Inhaltsverzeichnis 4 Schweißen mit Brenngas-Sauerstoff-Flamme Grundlagen der Autogentechnik Die Autogenflamme Die Verbrennung Die Flammeneinstellung Die neutrale Flamme Die Sauerstoff-Überschuss-Flamme Die Acetylen-Überschuss-Flamme Die "harte" und die "weiche" Flamme Flammenstörungen Autogenbrenner Brennerarten Injektorbrenner (Saugbrenner) Druckbrenner (Gleichdruckbrenner) Schweiß- und Schneidbrenner Einflammenbrenner Mehrflammenbrenner Maschinenbrenner Betrieb der Autogenbrenner Zünden Flammrückschlag Löschen Betriebsmittel der Autogentechnik Sauerstoff Gewinnung Bereitstellung und Verteilung des Sauerstoffs Brenngase Acetylen Erzeugung des Acetylens Bereitstellung und Verteilung des Acetylens Flüssiggas Erdgas Gegenüberstellung der Autogengase Sicherheitshinweise für den Umgang mit Sauerstoff und Brenngasen Armaturen und Zubehör Druckminderer Gasschläuche Sicherheitseinrichtungen Arten der Flammenausbreitung Wasservorlage Trockensicherung Einteilung der Verfahren der Autogentechnik nach DIN Gasschmelzschweißen (Gasschweißen) Grundlagen Anwendung Fugenformen Wanddicken Gasverbrauch Schweißpositionen

11 Inhaltsverzeichnis 13 - Anwendungsbereich Ausrüstungen Zusatzwerkstoffe und Hilfsstoffe Hinweise Methoden des Gasschweißens Nachrechtsschweißen (NR) Nachlinksschweißen (NL) Gaspressschweißen Verfahrensprinzip Anwendungsbereiche Zusatzstoffe Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Schweißen mit Widerstandserwärmung Einteilung der Widerstandsschweißverfahren Widerstandsschmelzschweißen Elektroschlackeschweißen (RES-Schweißen) Verfahrensprinzip/-beschreibung Einsatzmöglichkeiten Schweißeinrichtung Zusatzwerkstoffe und Pulver Schweißeignung Werkstoffe Fertigungshinweise Durchführung des Schweißens Werkstückvorbereitung Prozessparameter Verfahrensvarianten Elektroschlackeschweißen mit abschmelzender Drahtführung Elektroschlacke-Auftragschweißen Widerstandspressschweißen Physikalische Grundlagen des Widerstandspressschweißens Punktschweißen (RP-Schweißen) Verfahrensprinzip/-beschreibung Einsatzmöglichkeiten Besonderheiten des Verfahrens Elektroden Elektrodenwerkstoffe Schweißelektroden Form und Art Elektrodenarme Formen der Elektrodenspitzen Standmenge Schweißpunkteinrichtung Stromquellen Schweißsteuerung Leistungsstufe Steuerstufe Maschinen mit Sekundärgleichrichter

12 14 Inhaltsverzeichnis - Gleichstrom-Mittelfrequenz-Invertertechnik Steuerungen mit Kondensatorentladung Schweißeignung Schweißteilvorbereitung Blechdicke Überzüge und Oberflächenbeschichtungen Schweißeignung verschiedener Beschichtungen (auszugsweise) Nicht rostende Stähle Schweißeignung von Nichteisenmetallen (auszugsweise) Fertigungshinweise Prozessparameter Unregelmäßigkeiten an Punktschweißverbindungen Konstruktive Gestaltung und Beanspruchung Gestaltung Beanspruchung Bemessung der Punktschweißverbindung Erforderlicher Linsendurchmesser Güte der Schweißverbindung Gütesicherung in der Fertigung (DVS-Merkblatt 2915 Teil 1) Prüfen von Schweißverbindungen Schweißanlagen Stationäre Schweißmaschinen Tischpunktschweißmaschinen Punktschweißzangen Prozesskontroll- und Regeleinrichtungen Messgeräte für die Prozessgrößen Schweißstrom und Elektrodenkraft Rollennahtschweißen (RR-Schweißen) Verfahrensprinzip /-beschreibung Besonderheiten des Verfahrens Einsatzmöglichkeiten Rollenelektroden für Nahtschweißen Elektrodenwerkstoffe Schweißelektroden Form und Art Einrichtungen zum Rollennahtschweißen Schweißstromart und Stromtaktprogramme Dauerwechselstrom Stromtaktprogramm Gleichstrom Strom-Kraftprogramm Schweißzeit Nahtformen Schweißeignung Werkstückvorbereitung Schweißeignung von Aluminium Fertigungshinweise Durchführung des Schweißens von Überlappnähten Maschineneinstellung Prüfung von Schweißnähten Schweißanlagen Prozesskontroll- und Regeleinrichtungen Verfahrensvarianten Foliennahtschweißen (RF-Schweißen)

13 Inhaltsverzeichnis 15 - Rollentransformatorschweißen (RT-Schweißen) Rollennahtschweißen mit Drahtelektrode Quetschnahtschweißen Buckelschweißen (RB-Schweißen) Verfahrensprinzip/ -beschreibung Besonderheiten des Verfahrens Einsatzmöglichkeiten Elektroden zum Buckelschweißen Elektrodenwerkstoffe Schweißelektroden Form und Art Buckel zum Widerstandsschweißen Einrichtungen zum Buckelschweißen Elektrischer Teil Zeitsteuerung- Strom- Kraftprogramm Kenngrößen der Buckelschweißung Schweißeignung Einschätzung der Schweißeignung von Stählen Schweißeignung von Aluminium Schweißeignung von NE-Metallen und Werkstoffpaarungen an Kleinteilen Fertigungshinweise Durchführung des Schweißens Werkstückvorbereitung Prozessparameter Prüfung der Buckelschweißverbindungen Schweißanlagen Prozesskontroll- und Regeleinrichtungen Abbrennstumpfschweißen (RA-Schweißen) Verfahrensprinzip/ -beschreibung Besonderheiten des Verfahrens Einsatzmöglichkeiten (auszugsweise) Gestaltung der Fügestelle Einrichtungen zum Abbrennstumpfschweißen Schweißeignung (auszugsweise) Einschätzung der Schweißeignung von Stählen Aluminiumwerkstoffe Werkstoffkombinationen Fertigungshinweise Durchführung des Schweißens Werkstückvorbereitung Längenzugabe und Einspannlänge Prozessparameter Stauchkraft und Stauchdruck Schweißstrom und Schlittengeschwindigkeit Prüfung der Schweißverbindungen (auszugsweise) Schweißanlagen Prozesskontroll- und Regeleinrichtungen Pressstumpfschweißen (RPS-Schweißen) Verfahrensprinzip/ -beschreibung Besonderheiten des Verfahrens Einsatzmöglichkeiten Gestaltung der Fügestelle Arbeits- und Gesundheitsschutz

14 16 Inhaltsverzeichnis 6 Schweißen mit induktiver Erwärmung (RI-Schweißen) Verfahrensprinzip/-beschreibung Besonderheiten des Verfahrens Einsatzmöglichkeiten Schweißeignung Prozessdaten/-bereiche Verfahrensvarianten Schweißen mit Strahlen Grundlagen der Strahltechnik Lichtstrahlschweißen Schweißen mit inkohärentem Licht Elektronenstrahlschweißen Grundlagen des Elektronenstrahlschweißens Entstehung und Besonderheiten des Elektronenstrahls Elektronenstrahlerzeugung Elektronenstrahlführung Elektronenstrahlschweißanlagen Elektronenstrahlkanone Arbeitskammer Bewegungseinrichtung Vakuumeinrichtung Steuerung und Bedienung Anwendung des Elektronenstrahlschweißens Tiefschweißeffekt Vorbereitung der Werkstücke Allgemeines I-Nähte Sonstige Nahtformen Maßtoleranzen Schweißparameter und Hinweise für die Schweißpraxis Beschleunigungsspannung Strahlstrom Fokuslage Schweißgeschwindigkeit Strahlablenken und Strahlpulsen Schweißen mit Zusatzwerkstoff Schweißeignung metallischer Werkstoffe Verfahrensbedingte Einflüsse Stahl- und Eisenwerkstoffe Kupferwerkstoffe Nickel- und Kobaltwerkstoffe Aluminiumwerkstoffe Titanwerkstoffe Industrielle Anwendung Weitere Verfahren der Elektronenstrahlmaterialbearbeitung Strahlenschutz Laserstrahlschweißen

15 Inhaltsverzeichnis Grundlagen des Laserstrahlschweißens Entstehung und Besonderheiten von Laserlicht Eigenschaften des Laserlichts Laseranlagen Laserstrahlquellen Nd:YAG-Festkörperlaser CO 2 -Gaslaser Diodenlaser Excimerlaser Marktanteile Laserstrahlführung Fokussierende Optiken Bewegungseinrichtungen Steuerung und Bedienung Anwendung des Laserstrahlschweißens Tiefschweißeffekt Vorbereitung der Werkstücke Schweißparameter und Hinweise für die Schweißpraxis Laserleistung, Schweißgeschwindigkeit und Streckenergie Strahlqualitätszahl, Fokussierzahl, Fokusdurchmesser und -lage Arbeits- und Schutzgase Schweißen mit Zusatzwerkstoff Prozesssensorik Verfahrenskombinationen Schweißeignung metallischer Werkstoffe Industrielle Anwendung Weitere Verfahren der Lasermaterialbearbeitung Laserstrahl-Brennschneiden Laserstrahl-Schmelzschneiden Laserstrahl-Sublimierschneiden Strahlenschutz Gegenüberstellung Elektronenstrahlschweißen Laserstrahlschweißen Schweißen durch Bewegungsenergie Grundlagen zur schweißtechnischen Nutzung kinetischer Energie Reibschweißen Verfahrensprinzip Anwendungsbereich Zusatzstoffe Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Ultraschallschweißen Verfahrensprinzip Anwendungsbereich Zusatzstoffe Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Oberflächenvorbereitung Werkstoffe

16 18 Inhaltsverzeichnis 8.4 Kaltpressschweißen Verfahrensprinzip Anwendungsbereich Zusatzstoffe Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Oberflächenvorbereitung Parameterbereiche Sprengschweißen Verfahrensprinzip Anwendungsbereich Zusatzstoffe Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Spezielle Gefährdungen durch Verfahren Schweißen durch festen Körper Grundlagen zur schweißtechnischen Nutzung von Heizelementen Heizelementschweißen Verfahrensprinzip Anwendungsbereich Zusatzstoffe Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Schweißen mit Metallschmelzen Grundlagen der schweißtechnischen Nutzung von Metallschmelzen Gießschweißen (Thermitschweißen) Aluminothermisches Schmelzschweißen (AS-SW) Verfahrensprinzip Anwendungsbereich Zusatzstoffe Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Aluminothermisches Pressschweißen (AP-SW-Schweißen) Verfahrensprinzip Anwendungsbereich Zusatzstoffe Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Schweißen durch Diffusion Grundlagen zur schweißtechnischen Nutzung der Diffusion Diffusionsschweißen (D-Schweißen) Verfahrensprinzip Anwendungsbereich

17 Inhaltsverzeichnis Zusatzstoffe Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Beschichten durch Auftragschweißen Verfahrensübersicht Einführung zum Auftragschweißen Schweißverfahren UP-Schweißen Elektroschlacke-Schweißen (RES-Schweißen) Plasmaschweißen Laserstrahlschweißen Schweißzusätze Anwendungen Quellen und Literaturhinweise Sachwortverzeichnis

18 Schweißtechnik Schweißen von metallischen Konstruktionswerkstoffen Herausgegeben von Klaus-Jürgen Matthes, Erhardt Richter ISBN-10: ISBN-13: Leseprobe Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel.

19 132 3 Schweißen mit Lichtbogen 3.3 Unterpulverschweißen Verfahrensprinzip und Schweißausrüstung Beim Unterpulverschweißen wird eine blanke, von einer Haspel zugeführte Draht- bzw. Bandelektrode kontinuierlich unter einer Schicht körnigen Schweißpulvers abgeschmolzen. Der Lichtbogen brennt hierbei für das Auge nicht sichtbar zwischen der Elektrode und dem Werkstück innerhalb einer gasgefüllten Schweißkaverne (Bild 3.115). Die mit Metalldämpfen und verdampften Pulverbestandteilen gefüllte Kaverne ist begrenzt durch eine Hülle aus geschmolzenem Pulver (Schlacke) einerseits und Grundwerkstoff bzw. Schmelzbad andererseits. Das Schweißpulver setzt sich wie die Elektrodenumhüllung beim Lichtbogenhandschweißen überwiegend aus verschiedenen mineralischen Bestandteilen zusammen. Seine Aufgaben sind die gleichen wie die der Elektrodenumhüllung beim Lichtbogenhandschweißen, wobei der Schutz des Schmelzbades vor der Atmosphäre infolge der geschlossenen Kaverne und die Schweißnahtformung infolge der dickeren Schlackenschicht (bis 10 mm) noch wirksamer erfolgt. Bild Verfahrensprinzip des Unterpulverschweißens [2] Das Auflegieren des Schweißgutes über das Schweißpulver ist zwar prinzipiell möglich, jedoch wegen der schlechten Reproduzierbarkeit und der Abhängigkeit von den Schweißdaten nicht empfehlenswert. Das Schweißpulver wird vor dem Schweißkopf auf das Werkstück aufgeschüttet und kann nach dem Erstarren der Schlacke hinter der Schweißstelle abgesaugt und dem Pulverbehälter (evtl. nach einer Aufbereitung) wieder zugeführt werden. Ein motorisches Drahtvorschubsystem übernimmt wie bei allen mechanisierten Verfahren mit abschmelzender Elektrode die kontinuierliche Zufuhr des Zusatzwerkstoffes von der Haspel zum Schweißkopf. Das Zünden des Lichtbogens erfolgt bei langsamer Einschleichgeschwindigkeit durch die Berührung der Drahtelektrode mit dem Werkstück oder berührungslos durch spezielle Hochspannungs-Zündgeräte. Der Stromübergang zur Drahtelektrode geschieht erst mm vor dem Lichtbogen bei kleiner freier Drahtlänge, wodurch eine hohe Strombelastung der Elektrode möglich wird. Die Stromkontaktdüsen sind als Verschleißteile auswechselbar. Die mittlere Stromdichte kann bis zu 20 A/mm 2 beim UP-Bandschweißen und bis 120 A/mm2 beim UP-Eindraht-Schweißen gegenüber A/mm 2 beim Lichtbogenhandschweißen betragen, wodurch sich höhere Abschmelzleistungen ergeben. Die geschlossene Kaverne verringert darüber hinaus die Abstrahlverluste des Lichtbogen, so dass ein hoher thermischer Wirkungsgrad von % (Lichtbogenhandschweißen: 25 %) erreicht wird (Bild 3.116).

20 3.3 Unterpulverschweißen 133 =0,25 =0,68 15% 15% 24% 100% 55% 45% 10% E-Schweißen 15% 100% 52% 8% 44% UP-Schweißen 24 % Bild Wärmebilanzen beim Lichtbogenschweißen, erläutert am Beispiel des Lichtbogenhand- und UP-Schweißens [21] η thermischer Wirkungsgrad - Aufbau einer UP-Anlage Der Aufbau einer UP-Schweißanlage geht aus Bild hervor. Das Verfahren wird überwiegend voll mechanisiert betrieben. Die Vorschubeinheit trägt Schweißkopf, Drahtvorschubsystem (Haspel, Richtwerk und Antrieb), Schweißpulverversorgung und Steuergerät. Der Schweißvorschub kann durch einen sich auf dem Werkstück bewegenden Traktor, durch ein Balkenfahrwerk oder bei ortsfester Schweißanlage durch die Bewegung des Werkstückes ausgeführt werden. Bild Aufbau einer UP-Schweißanlage [2] 2 1 Stromquelle 2 Schweißgeräteträger 3 Stromkontaktierung 4 Draht-/Bandrichtwerk 5 Draht/Bandvorschubrollen 6 Pulverzuführung 7 Anzeigegeräte 8 Draht-/Bandhaspel Das UP-Verfahren wird als voll mechanisiertes Verfahren eingesetzt, das heißt, dass auch der Schweißkopf maschinell bewegt wird. Auf einfachste Art geschieht dies mit Hilfe eines Traktorfahrwerkes (Bild 3.118a), das entweder auf ausgelegten Schienen oder auf dem Werkstück selbst läuft. Universeller einsetzbar sind Balkenfahrwerke, Schweißportale oder Schweißmaste, die letzteren vor allem für den Behälterbau (Bild 3.118b bis d). In anderen Fällen ist der Schweißkopf stationär angebracht, und das Werkstück bewegt sich in Schweißgeschwindigkeit am Lichtbogen vorbei. Dies kann geschehen mit Hilfe von Drehtischen, Behälterdrehvorrichtungen und dergleichen (Bild 3.118e und f). Weitere Hilfsmittel zum Mechanisieren sind Dreh- und Wendevorrichtungen sowie Spannbänke oder Spannvorrichtungen, die es gestatten, Einzelteile ohne Heften zum Schweißen zu fixieren.

21 134 3 Schweißen mit Lichtbogen a) b) a) UP-Traktor b) Balkenfahrwerk c) Schweißportal d) Schweißmast e) Manipulator f) Rollenböcke c) d) e) f) Bild Möglichkeiten des Mechanisierens der Schweißbewegung (schematisch) [5] a)... d) Geräteträger e); f) Werkstückträger für stationäre Schweißgeräte - Stromquellen zum UP-Schweißen Es kann mit Wechselstrom oder mit Gleichstrom geschweißt werden, wobei mit Gleichstrom normalerweise der Pluspol an der Elektrode liegt. Minuspolung wird wegen des geringeren Einbrandes gelegentlich beim Auftragschweißen verwendet. Mit dem Aufkommen der hoch basischen Schweißpulver, die in der Regel nicht wechselstromschweißbar sind, verschob sich der Einsatz zum Gleichstrom, mit dem alle Pulver verschweißt werden können. Wechselstrom ist deshalb heute meist auf das Mehrdrahtschweißen beschränkt. Bei Verwendung von Gleichstrom werden heute überwiegend Schweißgleichrichter eingesetzt. Diese können stark fallende oder konstante bis leicht fallende statische Kennlinien haben. Bei der Auswahl der Stromquellen muss auf die hohe Einschaltdauer des Verfahrens Rücksicht genommen werden. Die Angabe der Einschaltdauer bei Stromquellen bezieht sich jeweils auf eine Spielzeit von 5 min. Da mit UP-Schweißeinrichtungen gewöhnlich nur lange Nähte geschweißt werden, muss bei der Anschaffung von Stromquellen darauf geachtet werden, dass diese die gewünschte Leistung auch bei einer Einschaltdauer von 100 % abgeben. - Die Lichtbogenregelung Die Regelung hat die Aufgabe, die eingestellten Strom- und Spannungswerte und damit die Lichtbogenlänge und die Abschmelzleistung während des Schweißens konstant zu halten. Dies geschieht je nach Kennlinie der verwendeten Stromquelle durch die U-(äußere)-Regelung oder die I-(innere)- Regelung. Die Wirkungsweisen dieser Regelungsarten wurden bereits in einem früheren Abschnitt erläutert.

22 3.3 Unterpulverschweißen 135 Bei der äußeren Regelung werden Stromquellen mit fallender statischer Kennlinie verwendet, das heißt, mit zunehmender Stromstärke nimmt die Spannung ab. Bei der inneren Regelung werden dagegen Konstantspannungsstromquellen oder solche mit leicht fallender Charakteristik verwendet. Geringe Änderungen der Lichtbogenlänge machen sich hierbei in einem schnellen Anstieg oder Abfall der Stromstärke bemerkbar. Die innere Regelung ist die trägheitsärmere. Sie wird deshalb bevorzugt eingesetzt, wenn mit hohen Drahtvorschubgeschwindigkeiten geschweißt wird. Dies ist in der Regel bei Verwendung dünnerer Drähte der Fall. Sie wird auch angewendet beim UP-Band-Auftragschweißen, weil sich dabei etwas flachere, breiter auslaufende Raupen mit günstigeren Böschungswinkeln ergeben Anwendung des UP-Verfahrens Schweißstromstärke, Schweißspannung und Schweißgeschwindigkeit können innerhalb weiter Grenzen variiert werden, da die geschlossene Schweißkaverne für einen stabilen Schweißprozess und einen sicheren Schutz der Schweißstelle vor der Atmosphäre sorgt. Bei den gebräuchlichen Drahtelektrodendurchmessern von mm (selten auch 1,6 und 2,5 und 6 mm) liegen die Stromstärken ungefähr zwischen 300 und 1200 A bei Schweißspannungen zwischen 25 und 40 V. Damit lassen sich Abschmelzleistungen bis 15 kg/h und Schweißgeschwindigkeiten von cm/min erzielen. Diese Daten sowie der hohe thermische Wirkungsgrad charakterisieren das UP-Schweißen als Hochleistungsverfahren. Da die Pulverschicht die direkte Sicht auf die Schweißstelle verhindert, liegen die Hauptanwendungsbereiche des Verfahrens im Schweißen langer, gerader Nähte oder von Rundnähten an größeren Querschnitten bzw. Rohrdurchmessern. Die wichtigsten Industriezweige, in denen das Verfahren eingesetzt wird, sind Behälterbau, Rohrfertigung, Schiffbau, Fahrzeugbau, Stahlbau sowie die Offshore-Industrie. Die im Vergleich zum Lichtbogenhandschweißen höheren Investitionskosten machen größere Stückzahlen für ein wirtschaftliches Arbeiten erforderlich. Bei besonders großen Wanddicken und/oder hohen geforderten Nahtgüten wird das Verfahren jedoch auch in der Einzelfertigung sinnvoll eingesetzt. Ein Nachteil des Verfahrens besteht vor allem darin, dass wegen der langen Schmelz- und Schlackenbäder sowie der Pulverabdeckung vorzugsweise in annähernd waagerechter Lage geschweißt wird. Als Schweißpositionen kommen deshalb die Wannen-, Horizontal- und Querposition in Frage. Letztere erfordert eine Pulverabstützung und wird auch Drei-Uhr-Position genannt. Innenschweißungen in runden Teilen sind an einen Mindestdurchmesser von mm, Außenschweißungen an das Halten des Schmelzbades und der flüssigen Schlacke gebunden. Neben den bereits genannten Vorteilen des hohen Wirkungsgrades und der Variationsbreite der Schweißparameter ist der Schutz der Schweißstelle durch ein Schweißpulver als weiterer Vorteil des Verfahrens zu nennen. Weiterhin gute Eignung für den Baustelleneinsatz wegen der Unempfindlichkeit gegen Windeinfluss und umweltfreundlich dadurch, dass weder Strahlung, Geräusch noch Rauch oder Gase in nennenswertem Umfang emittiert werden. Die Qualität der Schweißnahtoberfläche ist durch den Kontakt mit der leicht ablösbaren Schlacke sehr gut, und es treten keine Spritzverluste auf. Die für das Verfahren typischen großen Schmelzbäder gestatten in der Regel nur das Schweißen in waagerechter Position und erfordern eine Badsicherung beim Schweißen der Wurzellagen. Die Nahtfuge muss sorgfältig vorbereitet werden, die zulässigen Toleranzen sind deutlich geringer als z. B. beim Lichtbogenhandschweißen. Die Nahtvorbereitung erfolgt daher meistens mit dem maschinellen Brennschneiden oder sogar durch Span gebende Verfahren. Da beim Erstarren großer Schweißbäder häufig Heißrisse entstehen, gilt: Die Mehrlagentechnik ist der Einlagentechnik vorzuziehen. Dünnere Drahtelektroden, die mit höheren Stromdichten belastet werden, führen bei höheren Schweißgeschwindigkeiten zu den gewünschten kleineren Schmelzbädern.

23 136 3 Schweißen mit Lichtbogen Wegen der geringen Strahlungsverluste und der größeren Schweißgeschwindigkeit, die die Gesamtverluste an die Umgebung vermindert, ist der thermische Wirkungsgrad des UP-Verfahrens groß. Bild zeigt die Wärmebilanzen für das Lichtbogenhand- und das UP-Schweißen. Die unmittelbar zum Schweißen nutzbare Energie (Aufschmelzen des Grund- und Zusatzwerkstoffes) beträgt beim Schweißen mit der Stabelektrode 25 %, aber 68 % beim UP-Schweißen. Die bessere Ausnutzung der zugeführten Energie erhöht nicht nur die Abschmelzleistung, sondern auch den Anteil des aufgeschmolzenen Grundwerkstoffes. Das Volumenverhältnis von aufgeschmolzenem Zusatz- zum Grundwerkstoff beträgt bei stumpf geschweißten UP-Nähten etwa 1 : 2. Die metallurgische Qualität der Schweißnaht wird daher wesentlich von der Qualität des Grundwerkstoffes bestimmt. Zur vollständigen Nutzung der wirtschaftlichen und technischen Möglichkeiten des UP-Verfahrens sind daher fast immer Vorrichtungen erforderlich. - Fugenvorbereitung Die Fugenvorbereitung erfolgt in Abhängigkeit von der Wanddicke, dem Werkstoff und der Schweißposition. Typische Fugenformen für das UP-Schweißen sind auf Tafel 3.36 zusammengestellt. Wird die Schweißnaht einseitig geschweißt, ist im Regelfall zur Qualitätssicherung der Schweißverbindung auch eine Schmelzbadsicherung erforderlich. - Schmelzbadsicherungen In allen Fällen, in denen nicht ausreichende Steghöhen oder zu große Stegabstände vorliegen, müssen Badsicherungen verwendet werden. Bild stellt die gebräuchlichsten Badsicherungen vor. Sie reichen von der eingebrachten Handlage über Kupferschienen und keramische Unterlagen bis zum Pulverkissen, auf dem geschweißt wird. Es gibt auch Fälle, wo man ein als Badsicherung untergelegtes Blech mit anschweißt. Bei niedrig beanspruchten Konstruktionen kann dies oft am Bauteil verbleiben. In anderen Fällen wird es durch Abhobeln oder Ausdrehen von der Rückseite her wieder entfernt. 1,5 a) Steg (natürliche Badsicherung) 10 2 s e) Kupferschiene b) Handlage c) keramische Badsicherung f) Pulver/Kupferschiene (FCB) Druckluftschlauch g) Pulverkissen d) Badsicherungsband h) Pulverband Bild Schmelzbadsicherungen [5]

24 t t t t t t t t t t t 3.3 Unterpulverschweißen 137 Tafel 3.36 Fugenformen für das UP-Schweißen 1 Lfd. Werkstück- Nr dicke t in mm 1, Ausführung des UP- Schweißens einseitig beiderseitig einseitig beiderseitig Benennung I-Naht b Fugenform Schnitt Sinnbild Stegabstand b in mm bis 1, Maße Steghöhhöhe Flanken- cinmm h in mm r in mm Bemerkungen mit Pulverhaltevorrichtung über 20 einseitig einseitig V-Naht Steilflankennaht b b 30 bis 50 von 10 bis 5 bis 3 10 bis 30 Unterlage notwendig auf Unterlage und in mehreren Lagen schweißen von einer Seite von einer Seite 2 3 DV-Naht Y-Naht b 1 b 2 h c 1 = 50 bis 90 2 = 50 bis bis 90 1,5 bis 3 bis 1,5 3 bis 12 4 bis 15 Unterseite ( 2 ) von Hand schweißen Gegenseite (Kapplage) schweißen 6 über 15 beiderseitig Doppel- Y-Naht b h 2 c h 1 40 bis 90 bis 1,5 5 bis 9 h 1=h2 oder h1ungleich h2 7 über 30 von einer Seite U-Naht b R c 5 bis 10 bis 1,5 5 bis 10 6 in mehreren Lagen schweißen; Gegenseite schweißen 8 über 50 beiderseitig Doppel- U-Naht R c 5 bis 10 bis 1,5 6 >6 jede Seite in mehreren Lagen schweißen b 9 über 15 beiderseitig Doppel- HY-Naht c 45 bis 60 bis 1,5 5 bis 10 auch in Verbindung mit Kehlnähten 10 über 30 von einer Seite J -Naht R b b c 5 bis 10 bis 1,5 5 bis in mehreren Lagen schweißen; Gegenseite schweißen 11 über 50 beiderseitig Doppel- HU-Naht R c 5 bis 10 bis 1, in mehreren Lagen schweißen b