Hans J. Fahrenwaldt Volkmar Schuler. Praxiswissen Schweißtechnik

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2 Hans J. Fahrenwaldt Volkmar Schuler Praxiswissen Schweißtechnik

3 Aus dem Programm Fertigungstechnik Span lose Fertigung: Stanzen von W. Hellwig Fertigungsautomatisierung von S. Hesse Werkzeugmaschinen Grundlagen von A. Hirsch Praxiswissen Schweißtechnik von H. J. Fahrenwaldt und V. Schuler Praxis der Zerspantechnik von H. Tschätsch Praxis der Umformtechnik von H. Tschätsch Zerspantechnik von E. Paucksch Praktische Oberflächentechnik von K.-P. Müller Industrielle Pulverbeschichtung von J. Pietschmann Praxis der Montagetechnik von P. KonoId und H. Reger vieweg ----'

4 Hans J. Fahrenwaldt Volkmar Schuler Praxiswissen Schweißtechnik Werkstoffe, Verfahren, Fertigung Mit 521 Abbildungen und 101 Tabellen Unter Mitarbeit von Herbert Wittel und Jürgen Twrdek Vieweg Praxiswissen ~ vleweg

5 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. 1. Auflage Oktober 2003 Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlag j GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2003 Softcover reprint ofthe hardcover 1st edition Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. ISBN DOI / ISBN (ebook)

6 v Vorwort Im Maschinen- und Apparatebau wie auch im Bauwesen ist das Schweißen nach wie vor das dominierende Fügeverfahren. Die Tendenz zum Leichtbau führte in den vergangenen Jahren verstärkt zur Entwicklung neuer, oft nicht schweißgeeigneter Werkstoffe, für die neue Verfahren zum Verbinden erforderlich wurden. Auch sind manche älteren Verfahren in den Hintergrund getreten und durch wirtschaftlichere verdrängt worden. Somit hat sich das Spektrum der Fügeverfahren sehr stark verändert. Die Sicherheit eines Bauteils, einer Anlage oder Bauwerks wird aber nicht erst durch die Qualität der Fertigung und der verwendeten Verfahren bestimmt. Wesentlich von Einfluss ist die Konstruktion, die neben der Gestaltung auch die Berechnung und die Werkstoffauswahl umfasst. Dies trifft in besonderem Maße zu, wenn im Fertigungsablauf Fügeprozesse enthalten sind. Das vorliegende Buch behandelt beide Bereiche der Fügetechnik, die Fertigung und die Konstruktion, und gibt einen sehr guten Überblick zu diesen Aspekten. Im 1. Teil werden zunächst die klassischen Prozesse des Schmelz- und Pressschweißens wie auch des Lötens behandelt. Ergänzend werden das Metallkleben, das Kunststoffschweißen und das immer wichtiger werdende Fügen durch Umformen und Nieten vorgestellt. Abgeschlosssen wird dieser Teil durch die Kapitel Auftragsschweißen und Thermisches Spritzen, Trennverfahren sowie Flammrichten. Das Thema "Werkstoffe und Schweißen" steht im Mittelpunkt von Teil 2. Vorgestellt werden die wichtigsten metallischen Werkstoffe, deren Schweißeignung und die möglichen Fehler beim Schweißen. Der Teil 3 enthält eine detailreiche Darstellung der Berechnung und Gestaltung von Schweißkonstruktionen mit vielen Beispielen aus dem Stahlbau sowie dem Maschinen- und Apparatebau. Zwei Kapitel über Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen und Qualitätssicherung schließen diesen Teil ab. Aufgrund der Vielfältigkeit der behandelten Thematiken und zusammen getragenen Informationen stellt das Buch ein Übersichtswerk dar, das als Nachschlagewerk für im Beruf stehende Ingenieure gedacht ist, die nicht ständig mit den Problemen des Schweißens befasst sind. Aber auch Studierende, die im Rahmen von größeren wissenschaftlichen Arbeiten weiterführende Informationen benötigen, werden dieses Buch gut einsetzen können. In einem umfangreichen Anhang sind daher Tabellen insbesondere mit Angaben zu den Prozessparametern der behandelten Verfahren zusammengestellt. Kein Gebiet der Fertigungstechnik ist so stark mit Normen und Regeln belegt, wie die Fügetechnik. Dem wird Rechnung getragen durch eine Auswahl der wichtigsten nationalen und internationalen Normen sowie der DVS-Merkblätter und -Richtlinien. Die Autoren haben bei ihrer Arbeit durch die Überlassung von Bildvorlagen Unterstützung durch Firmen der betreffenden Branche erfahren, wofür sie an dieser Stelle ihren Dank sagen. Dank gebührt auch den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern. Besonders erwähnt seien Frau

7 VI Vorwort Sabine Handel, die mit der Texterfassung befasst war, Herr Dipl.-Ing. H. Wittel für das Kapitel 12 und Herr Dipl.-Ing. J.Twrdek, der Teil 3 maßgeblich bearbeitete. Dem Verlag Vieweg, seinen Mitarbeitern im Lektorat Technik, insbesondere Herrn Dipl.-Ing. E. Schmitt und Herrn Dipl.-Ing.Thomas Zipsner, danken wir für die gewährte Unterstützung und die immer angenehme Zusammenarbeit bei der Herstellung des Buchs. Stuttgart/Ulm, im Oktober 2003 Hans J. Fahrenwaldt Volkmar Schuler

8 VII Inhaltsverzeichnis vorwort... V 1 Einleitung Schmelzschweißprozesse Gasschmelzschweißen (G/31 *) Metall-Lichtbogenschweißen (11 ) l Die Vorgänge im Lichtbogen Schweiß stromquellen Das Lichtbogenhandschweißen (EIllI) Unterpulver-Schweißen (UPIl2) Schutzgasschweißen (SG) Wolfram-Inertgasschweißen (WIGIl41) Metall-Schutzgasschweißen (MSGIl3) Plasma-Schweißen (WPIl5) Gießschmelzschweißen (ASI 71) Elektronenstrahlschweißen (EB/51 ) LASER-Schweißen (LA/52) Lichtstrahlschweißen (U/75) Elektroschlackeschweißen (RES/72) Prozesse des Pressschweißens Widerstandspressschweißen l.l Punktschweißen (RP/21) Pressstumpf- und Abbrennstumpfschweißen (RPS/25 und RA/24) Induktives Widerstandspressschweißen (RI/74) Gaspressschweißen (GP/47) Lichtbogenpressschweißen Bolzenschweißen (B/78) Pressschweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen (MBL) Diffusionsschweißen (D/45)... 95

9 VIII Inhaltsverzeichnis 3.5 Reibschweißen (FR/42) Kaltpressschweißen (KP/48) Sprengschweißen (S/441) Ultraschallschweißen (US/41) Löten MetallIdeben Fügen durch Umformen Kunststoffschweißen Auftragsschweißen und Thermisches Spritzen Auftragsschweißen Thermisches Spritzen Verfahren des Thermischen Spritzens Wirtschaftlichkeit des Thermischen Spritzens als Beschichtungsverfahren Beispiele wirtschaftlicher Einsätze und Anwendungen Thermisches Trennen Flammrichten Werkstoffe und Schweißen Stahl und Eisen Die Beeinflussung des Grundwerkstoffs durch das Schweißen Allgemeine Baustähle nach EN Schweiß geeignete Betonstähle Feinkornbaustähle Niedriglegierte Stähle Hochlegierte Stähle Eisen-Kohlenstoff-Gusswerkstoffe Schweißverbindungen von unterschiedlichen Metallen

10 Inhaltsverzeichnis IX 1l.l.9 Unregelmäßigkeiten beim Schweißen - Fehlergruppen Nichteisenmetalle Aluminium und Aluminiumlegierungen Kupfer und Kupferlegierungen Nickel und Nickellegierungen Titan und Titanlegierungen Molybdän und Molybdänlegierungen Schweißnahtberechnung Abmessungen der Schweißnähte Berechnung der Schweißnahtspannungen Festigkeitsnachweis bei vorwiegend ruhender Beanspruchung Schweißverbindungen im Stahlbau (DIN ) Allgemeiner Spannungsnachweis im Kranbau (DIN ) Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen Wählerlinie Dauerfestigkeitsschaubilder Spannungskollektive Lebensdauerabschätzung Dauerfestigkeitsnachweis für Schweißverbindungen im Maschinenbau Betriebsfestigkeitsnachweis für Krantragwerke nach DIN Nachweis der Werkstoff ermüdung für Stahlbauten nach DIN V ENV (Eurocode 3) Einführung Teilsicherheitsbeiwerte Ermüdungsfestigkeit Ermüdungsfestigkeitsnachweis Schweißeigenspannungen und -verformungen Entstehung von Eigenspannungen Schrumpfungs arten Beeinflussende Faktoren Maßnahmen zur Verminderung von Schweißeigenspannungen Schweißplan und Schweißfolgeplan Abbau von Eigenspannungen Auswirkungen von Schweißeigenspannungen

11 X Inhaltsverzeichnis Rechnerische Berücksichtigung der Eigenspannungen Darstellung und Ausführung von Schweißverbindungen Zeichnerische Darstellung von Schweißnähten Stoßarten, Fugenformen und deren AuswahL 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 Werkstoff gerechte Gestaltung Nahtvorbereitung und Fugenform Gestaltung bei Oberflächenbeschichtungen Verbindungen an plattierten Blechen Sonderplattierungen und Verbundkonstruktionen Mischverbindungen Verminderung der Terrassenbruchneigung Korrosionsgerechte Gestaltung Prüf gerechte Gestaltung Instandsetzungsgerechte Gestaltung Allgemeines zu Instandsetzung Riegeln Auftragsschweißen Mechanisierungs-/Automatisierungsgerechte Gestaltung Anwendungsgerechte Gestaltung von Schweißkonstruktionen Stahlbau - Trägergestaltung und Trägeranschlüsse Tragwerke Vorschriften Werkstoffe

12 Inhaltsverzeichnis XI Schweiß zusätze Halbzeuge Herstellung Grundsätze fur die Konstruktion Vollwandträger Aussteifungen Fachwerkträger Hohlprofilkonstruktionen Rahrnenecken Trägeranschlüsse Behälter-, Apparate-, Druckgefaße-, Tank- und Rohrleitungsbau Vorschriften Herstellung Werkstoffe Schweißzusätze Allgemeine Gestaltungsregeln Nahtformen und Schweißnahtvorbereitungen Flanschanschlüsse Rohrverbindungen Stutzenanschlüsse Kompensatoren Mäntel, Böden und Doppelmäntel rur Behälter, Apparate und Tanks Halbrohre zum Anschweißen an Behälter Einschweißen von Rohren in Rohrböden Rauchgasdichte Rohrwände Bestiften (Bolzenschweißung) an leeren Rohren Befestigungs- und Transportelemente rur Behälter und Rohrleitungen 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

13 XII Inhaltsverzeichnis 16 Wirtschaftlichkeits überlegungen Qualitätssicherung 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 Normen DIN-Normen (Auswahl) DIN EN-Normen (Auswahl) DIN EN ISO-Normen (Auswahl) DVS -Merkblätter und -Richtlinien (Auswahl) Sachwortverzeichnis