Ulrich Dilthey. Schweißtechnische Fertigungsverfahren 2

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1 Ulrich Dilthey Schweißtechnische Fertigungsverfahren 2

2 Ulrich Dilthey Schweißtechnische Fertigungsverfahren 2 Verhalten der Werkstoffe beim Schweißen 3., bearbeitete Auflage Mit 220 Abbildungen ^ Sprin ger

3 Professor Dr.-Ing. Ulrich Dilthey RWTH Aachen FB 4 Institut Schweißtechnik und Fügetechnik Pontstraße Aachen di@isf.rwth-aachen.de Band 3: ISBN Band 1: ISBN geplant für 2005 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. ISBN X Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Verviefältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2005 Printed in The Netherlands Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch 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. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.b. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Umschlaggestaltung: medionet AG, Berlin Satz: Digitale Druckvorlage des Autors Herstellung: medionet AG, Berlin Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/

4 Vorwort zum Band 2 Verhalten der Werkstoffe beim Schweißen Der zweite Band der Reihe Schweißtechnische Fertigungsverfahren befasst sich mit dem Verhalten der Werkstoffe beim Schweißen. Neben der Wahl des geeigneten Schweißverfahrens (Schweißtechnische Fertigungsverfahren, Band 1) und der beanspruchungsgerechten Gestaltung des Bauteils (Schweißtechnische Fertigungsverfahren, Band 3) ist die Wahl des richtigen Werkstoffs von ausschlaggebender Bedeutung für das Betriebsverhalten des Bauteils. Metallische Werkstoffe werden in großer Breite für technische Anwendungen eingesetzt. Die Hersteller metallischer Werkstoffe bieten eine breite Palette unterschiedlichster Werkstoffe mit spezifischen Gebrauchseigenschaften. Durch die Wärmeeinbringung und das Aufschmelzen der Werkstoffe zum Zweck des Fügens werden die Gebrauchseigenschaften in der Schweißnaht und der nahtnahen wärmebeeinflussten Zone beeinflusst. Deshalb ist die Kenntnis des Verhaltens der Werkstoffe beim Schweißen in Abhängigkeit von der Wärmeeinbringung für die Abschätzung des Betriebsverhaltens der Bauteile von großer Bedeutung. Der vorliegende Band will sowohl dem Studierenden der Fertigungs-, Werkstoff- und Konstruktionstechnik als auch dem Ingenieur in der Praxis einen Überblick über das Verhalten metallischer Werkstoffe beim Schweißen geben. Im Mittelpunkt stehen dabei die unlegierten und die niedriglegierten Stähle, aber auch die hochlegierten Stähle mit ihrer Korrosionsproblematik sowie das Schweißen von Gusswerkstoffen und Aluminiumwerkstoffen werden behandelt. Den Abschluss bilden Fehler an Schweißverbindungen und ihre Vermeidung sowie die Techniken der Prüfung von Schweißverbindungen. Wegen des begrenzten Umfanges kann der vorliegende Band nur einen Überblick geben, für die detaillierte Beschäftigung mit der Problemstellung wird auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen, die zu den jeweiligen Abschnitten angegeben ist. Die Neuauflage bietet neben einigen inhaltlichen Erweiterungen insbesondere eine Anpassung an den aktuellen Stand der nationalen, europäischen und internationalen Normung.

5 VI Vorwort Mein besonderer Dank gilt Herrn Dipl.-Ing. Klaus Woeste für die tatkräftige Unterstützung bei der Überarbeitung dieses Bandes, aber auch den Institutsmitarbeiterinnen und -mitarbeitern, die bei der Abfassung des Manuskriptes und der Erstellung der Bilder, Skizzen und Diagramme beteiligt waren. Aachen, im August 2004 Ulrich Dilthey

6 Inhalt 1 Schweißbarkeit von metallischen Werkstoffen Definition der Schweißbarkeit von Bauteilen Schweißeignung Schweißsicherheit Schweißmöglichkeit Abschließende Betrachtung Umwandlung unlegierter und niedriglegierter Stähle Einleitung Erstarrung und Umwandlungen von Metallen im Gleichgewicht Zustandsschaubilder Eutektische Umwandlung Peritektische Umwandlung Intermediäre Phasen Umwandlungen im festen Zustand Eisen-Kohlenstoff-Zustandsschaubild Umwandlungsschaubilder und Gefüge der unlegierten und niedriglegierten Stähle Vorgang des Austenitisierens Isothermische Zeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubilder Kontinuierliche Zeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubilder Gefüge von Stählen Ferrit Perlit Bainit Martensit Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilder Isothermische ZTU-Schaubilder Kontinuierliche ZTU-Schaubilder Schweiß-ZTU-Schaubilder Temperaturverteilung und Gefügeausbildung in Schweißnähten Auswirkungen des Schweißens auf den Werkstoff Temperatureinleitung und -verteilung in der Schweißnaht Erstarrung des Schweißgutes Gefügezonen im wärmebeeinflussten Grundwerkstoff... 53

7 VIII Inhalt 4 Schweißeigenspannungen Definition von Eigenspannungen Entstehung von Schweißeigenspannungen Auswirkungen von Schweißeigenspannungen Maßnahmen zur Verringerung von Eigenspannungen in Schweißnähten Minimierung von Schweißeigenspannungen Abbau vorhandener Schweißeigenspannungen Methoden zur Messung von Eigenspannungen Schweißen von unlegierten und niedriglegierten Stählen Einteilung der Stähle Bezeichnung der Stähle Bezeichnung der un- und niedriglegierten Stähle Bezeichnung der Stähle gemäß DIN EN Kennzeichnung nach Kurznamen gemäß DIN EN Teil Kennzeichnung durch Werkstoffnummern nach DIN EN Teil Einfluss der Legierungs- und Begleitelemente auf die Eigenschaften von Stählen Schweißbare Feinkornstähle Auswirkung der Kornfeinung auf die Eigenschaften der Feinkornstähle Einteilung von Feinkornstählen Einsatzgebiet für Feinkornstähle Auswirkung des Schweißprozesses auf das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften von Feinkornstählen Schweißen von Feinkornstählen Rechnerische Ermittlung der Abkühlzeiten Graphische Ermittlung der Abkühlzeiten Anwendung des STAZ-Schaubildes Schweißfehler an Feinkornstählen Heißrisse Kaltrisse Terrassenbrüche Erweichung der WEZ Allgemeine Baustähle Schweißeignung Änderung des Gefüges und der Eigenschaften Verarbeitung und Einsatzgebiete Einsatz- und Vergütungsstähle Schweißeignung Änderung des Gefüges und der Eigenschaften durch den Schweißprozess Einsatzstähle Vergütungsstähle

8 Inhalt IX Verarbeitung und Einsatzgebiete Niedriglegierte kaltzähe Nickelstähle Einsatzgebiete Schweißeignung Kesselbleche und warmfeste Baustähle Schweißeignung Änderung des Gefüges und der Eigenschaften Schweißtechnische Verarbeitung und Einsatzgebiet Hochlegierte Stähle Einteilung Grundwerkstoffe Nomenklatur der hochlegierten Stähle Einfluss der Legierungselemente auf das Mikrogefüge der Stähle Einteilung und Eigenschaften der korrosionsbeständigen Stähle Ferritische Chromstähle Ferritisch-martensitische Chromstähle Martensitische Chromstähle Ferritisch-austenitische Chrom-Nickel-(Duplex-)Stähle Stabile und metastabile austenitische Chrom-Nickel-Stähle Korrosion an nichtrostenden Stählen Grundlagen der Korrosion Gründe für die Korrosionsbeständigkeit der hochlegierten Chrom- und Chrom-Nickel-Stähle Korrosionsarten bei hochlegierten Stählen Interkristalline Korrosion Spalt- und Lochkorrosion Transkristalline Spannungsrisskorrosion Kontaktkorrosion Ausscheidungen und versprödende Phasen in korrosionsbeständigen Stählen Ferritische, ferritisch-martensitische und martensitische Chromstähle Karbidausscheidung Grobkornbildung Versprödung σ-phase Austenitische und ferritisch-austenitische Chrom-Nickel- Stähle Karbidausscheidung σ-phase Chi-Phase und Laves-Phase Schweißen von hochlegierten Stählen Schaeffler-Diagramm De-Long-Diagramm

9 X Inhalt Schweißeignung und schweißtechnische Verarbeitung der korrosionsbeständigen Stähle Ferritische Chromstähle Ferritisch-martensitische Chromstähle Martensitische Chromstähle Ferritisch-austenitische Stähle (Duplex-Stähle) Stabile und metastabile austenitische Chrom-Nickel-Stähle Austenit-Ferrit-Verbindungen (Schwarz-Weiß- Verbindungen) Schweißen von Gusswerkstoffen auf Eisenbasis Bedeutung des Schweißens für die Bearbeitung von Gusswerkstoffen Bezeichnungen der wichtigsten Gusswerkstoffe Bezeichnung von Gusseisenwerkstoffen durch Werkstoffkurzzeichen Bezeichnung von Gusseisenwerkstoffen durch Nummern Die wichtigsten Legierungselemente in Eisengusswerkstoffen Einsatzgebiete und schweißtechnische Verarbeitung der Gusswerkstoffe Stahlguss Eigenschaften und Einsatzgebiete Schweißeignung und schweißtechnische Verarbeitung Temperguss Gefüge, Eigenschaften und Einsatzgebiete Schweißeignung und schweißtechnische Verarbeitung Schweißverfahren für Temperguss Gusseisen mit Kugel- oder Lamellengraphit Schweißtechnische Verarbeitung Austenitisches Gusseisen mit Kugel- oder Lamellengraphit Einsatzgebiete und Schweißeignung Schweißen von Aluminiumwerkstoffen Grundlegende Eigenschaften von Aluminium Einleitung Aufbau und Eigenschaften von Aluminium Metallkundliche Mechanismen bei der thermischen und mechanischen Behandlung von Aluminium Erholung und Rekristallisation Aushärtung Kaltverfestigung Schweißen von Aluminium Einleitung Auswirkungen der Wärmeausdehnung und -ableitung auf das Schweißergebnis Schweißen von ausgehärteten und kaltverfestigten Aluminiumlegierungen

10 Inhalt XI Beeinflussung des Schweißergebnisses durch die AI-Oxidschicht Heißrisse in Aluminiumlegierungen Porenbildung beim Schweißen von Aluminium Wärmebehandlung der Stähle vor dem Schweißen, während des Schweißens und nach dem Schweißen Technische Wärmebehandlung und ihre Ziele Wärmebehandlung der Stähle vor und nach dem Schweißen Grobkornglühen Normalglühen Härten Vergüten Spannungsarmglühen Wasserstoffarmglühen (soaking) Gusseisenwarmschweißen Wärmebehandlungen in Verbindung mit dem Schweißen Wärmebehandlung des Werkstoffes durch das Schweißen Schweißen mit Vorwärmung Isothermes Schweißen Stufenhärtungsschweißen Fehler und Schäden an Schweißverbindungen Einleitung Fehler durch unsachgemäße Fertigung Äußere Nahtfehler Schweißspritzer und Zündstellen Einbrand- und Randkerben Andere Nahtformfehler Innere Nahtfehler Bindefehler und unverschweißte Stellen Schlacken- und andere Feststoffeinschlüsse Mechanische Porenbildung Werkstoffverursachte Schweißfehler Heißrisse Erstarrungsrisse Aufschmelzungsrisse Kaltrisse Aufhärtungsrisse Wasserstoffbeeinflusste Kaltrisse Terrassenbrüche Ausscheidungsrisse Hohlräume im Schweißgut Metallurgische Porenbildung Lunkerbildung Korrosion Korrosion durch Schweißfertigungsfehler

11 XII Inhalt Kontaktkorrosion Spaltkorrosion Selektive Korrosion an Schweißnähten Interkristalline Korrosion (IK) Spannungsinduzierte Risskorrosion (SpRK) Prüfung von Schweißverbindungen Einleitung Zugversuch Dauerschwingversuch Ermittlung der Zähigkeit Technologischer Biegeversuch Kerbschlagbiegeversuch Härteprüfung Härteprüfung nach Brinell Härteprüfung nach Vickers Härteprüfung nach Rockwell Prüfung von Schweißverbindungen Prüfung der Schweißeignung Kaltrissprüfverfahren Heißrissprüfverfahren Ermittlung äußerer Fehler Sichtprüfung Farbeindringverfahren Ermittlung oberflächennaher Fehler Wirbelstromverfahren Magnetinduktives Verfahren Magnetpulverprüfung Ermittlung innerer Fehler Durchstrahlungsverfahren mit Röntgen- und Gammastrahlung Ultraschallverfahren Schallemissionsverfahren Prüfung der Gefügeausbildung und Ermittlung von Schweißfehlerursachen Metallographische Verfahren Makroskopische Untersuchungsverfahren Mikroskopische Untersuchungsverfahren Literatur Sachverzeichnis