Schweißtechnik VERLAG. Werkstoffe - Konstruieren - Prüfen. Prof. Dr.-Ing. Günter Schulze Dr.-Ing. Helmut Krafka Dr.-Ing.

Transkript

1 Schweißtechnik Werkstoffe - Konstruieren - Prüfen Prof. Dr.-Ing. Günter Schulze Dr.-Ing. Helmut Krafka Dr.-Ing. Peter Neumann Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Günter Schulze VERLAG

2 Inhaltsverzeichnis Häufig benutzte Symbole 13 Abkürzungen 13 1 Grundlagen der Werkstoffkunde (G. Schulze) Schweißtechnik erfordert die Werkstoffkunde Aufbau metallischer Werkstoffe Bindungsformen der Metalle Metallische Bindung Ionenbindung (heteropolare Bindung) Atombindung (kovalente Bindung) Gitteraufbau der Metalle Gitterbaufehler (Realkristalle) Gefüge, Korn, Korngröße, Kristallit Mechanische Eigenschaften der Metalle Verformungsvorgänge im Idealkristall Verformung und Verfestigung in technischen Werkstoffen Verfestigung Einfluß der Korngrenzen Phasen, Phasengemische, Phasenumwandlungen Primärkristallisation reiner Metalle Primärkristallisation von Legierungen Umwandlungen im festen Zustand Martensitbildung Thermisch aktivierte Vorgänge Erholung und Rekristallisation Warmverformung Grundlagen der Legierungskunde Mischkristalle Zustandsschaubilder Zustandsschaubild für vollkommene Löslichkeit im flüssigen und festen Zustand Eutektische Systeme Systeme mit begrenzter Löslichkeit Systeme mit intermediären Phasen Systeme mit Umwandlungen im festen Zustand Nichtgleichgewichtszustände Kristallseigerung Entartetes Eutektikum Aussagefähigkeit und Bedeutung der Zustandsschaubilder für das Schweißen Abschätzen des Schweißverhaltens Mechanische Gütewerte Dreistoffsysteme 62

3 Ternäre Schaubilder in ebener Darstellung 63 Isotherme Schnitte 64 Vertikalschnitte 65 Quasibinäre Schnitte Grundlagen der Korrosion Elektrochemische Vorgänge Korrosionsmechanismen in wäßrigen Lösungen Wasserstoffkorrosion (Säurekorrosion) Sauerstoffkorrosion Passivität Korrosionsarten Korrosionsarten ohne mechanische Beanspruchung 73 Lochfraß 73 Spaltkorrosion 74 Interkristalline Korrosion Korrosionsarten mit mechanischer Beanspruchung 75 Ergänzende und weiterführende Literatur 76 2 Stähle - Werkstoffgrundlagen (G. Schulze) Allgemeines Einteilung der Stähle Stahlherstellung Erschmelzungsverfahren Sekundärmetallurgie (Pfannenmetallurgie) Vergießungsverfahren; Desoxidieren Vergießen und Erstarren des Stahles Unberuhigt vergossener Stahl (Kennzeichen U) Beruhigt vergossener Stahl (Kennzeichen R) Besonders beruhigt vergossener Stahl (Kennzeichen RR) Das Eisen-Kohlenstoff-Schaubild (EKS) Die Wärmebehandlung der Stähle Glühbehandlungen Spannungsarmglühen Normalglühen Härten und Vergüten Härten Vergüten Die Austenitumwandlung dargestellt im ZTU-Schaubild ZTU-Schaubilder für kontinuierliche Abkühlung ZTU-Schaubilder für isotherme Wärmeführung Möglichkeiten und Grenzen der ZTU-Schaubilder Anwendbarkeit der ZTU-Schaubilder auf Schweißvorgänge Allgemeines Verfahren 107

4 Isothermes Schweißen Stufenhärtungsschweißen Festigkeit metallischer Werkstoffe Prinzip der Festigkeitserhöhung Abschätzen der maximalen Schubfestigkeit Methoden zum Erhöhen der Festigkeit Kaltverformung Mischkristallverfestigung Ausscheidungshärtung Härtung durch Korngrenzen Thermomechanische Behandlung Martensitbildung Unlegierte und niedriglegierte Stähle Wirkung der Legierungselemente Unlegierte Baustähle nach EN Stähle für den Maschinen- und Fahrzeugbau Vergütungsstähle Einsatzstähle Warmfeste Stähle Kaltzähe Stähle Feinkornbaustähle Normalgeglühte Feinkornbaustähle 134 Terrassenbrüch Thermom'echanisch behandelte Feinkornbaustähle 138 Metallkundliche Grundlagen; Stahlherstellung 138 Eigenschaften und Verarbeitung 140 SEW 092 Warmgewalzte Feinkornbaustähle zum Kaltumformen 142 SEW 083/084 Schweißgeeignete Feinkornbaustähle, thermomechanisch umgeformt. 142 DIN Stahlrohre für Fernleitungen für brennbare Flüssigkeiten und Gase Vergütete Feinkornbaustähle Korrosionsbeständige Stähle Werkstoffliche Grundlagen Die Zustands-Schaubilder Fe-Cr, Fe-Ni Das Fe-Cr-Ni-Schaubild Einfluß wichtiger Legierungselemente Nickel Kohlenstoff Stickstoff Molybdän Silicium Ausscheidungs- und Entmischungsvorgänge Interkristalline Korrosion (IK) Gegenmaßnahmen Sigma-Phase (a-phase)

5 C-Versprödung Einteilung und Stahlsorten Martensitische Chromstähle Ferritische Chromstähle Austenitische Chrom-Nickel-Stähle 159 Stickstofflegierte austenitische Stähle Austenitisch-ferritische Stähle (Duplex-Stähle) 161 Ergänzende und weiterführende Literatur Einfluß des Schweißprozesses auf das Verhalten und die Eigenschaften der Verbindung (G. Schulze) Schweißbarkeit - Begriff und Definition Schweißeignung Schweißsicherheit Schweißmöglichkeit Bewertung und Folgerungen Schweißeignung der Stähle Unlegierte Stähle Erschmelzungs- und Vergießungsart Chemische Zusammensetzung Legierte Stähle Wirkung der Wärmequelle Temperatur-Zeit-Verlauf Eigenspannung; Schrumpfung, Verzug Querschrumpfung Winkelschrumpfung Längsschrumpfung Haupteinflüsse auf Schrumpfungen und Spannungen Wärmemenge und Schweißverfahren Werkstoffeinfluß Konstruktionseinfluß Das Sprödbruchproblem Werkstoffmechanische Grundlagen Probleme konventioneller Berechnungskonzepte Sprödbruchbegünstigende Faktoren Werkstoffliche Faktoren Konstruktive Faktoren Maßnahmen zum Abwenden des Sprödbruchs Fehler in der Schweißverbindung Metallurgische Fehler Die Wirkung der Gase 189 Wasserstoff 191 Verhindern der Gasaufnahme Fehler beim Schweißbeginn und-ende 193

6 Probleme des Einbrands Einschlüsse; Schlacken Zündstellen Rißbildung im Schweißgut und der WEZ Bewertung der Fehler 203 Ergänzende und weiterführende Literatur Metallurgie der Stahlschweißung (G. Schulze) Aufbau der Schweißverbindung Die Primärkristallisation des Schweißguts Werkstoffliche Vorgänge in der WEZ Die WEZ bei Eisenwerkstoffen Der Einfluß des Nahtaufbaus; Einlagen-Mehrlagentechnik Eigenschaften und mechanische Gütewerte Härteverteilung Vorwärmen der Fügeteile Einfluß der Stahlherstellungsart und der chemischen Zusammensetzung 230 Seigerungen 230 Alterungsprobleme Die WEZ bei Nichteisenwerkstoffen Einphasige Werkstoffe Mehrphasige Werkstoffe Aushärtbare Legierungen Hochreaktive Werkstoffe Verbinden unterschiedlicher Werkstoffe Zusatzwerkstoffe zum Schweißen un- und niedriglegierter Stähle Stabelektroden für das Lichtbogenhandschweißen (DIN 1913) Aufgaben der Elektrodenumhüllung Eigenschaften der wichtigsten Stabelektroden Sauerumhüllte Stabelektroden (A) Rutilumhüllte Stabelektroden (R) Basischumhüllte Stabelektroden (B) Zelluloseumhüllte Elektroden (C) Bedeutung des Wasserstoffs Normung der umhüllten Stabelektroden Zusatzwerkstoffe für das Schutzgasschweißen WIG-Schweißen MSG-Schweißen Zusatzwerkstoffe für das UP-Schweißen Drahtelektroden Schweißpulver Schmelzpulver Agglomerierte Pulver Metallurgisches Verhalten der Schweißpulver 259

7 4.3 Schweißen der wichtigsten Stahlsorten Unlegierte C-Mn-Stähle Baustähle nach EN Gütegruppen (Stahlgütegruppen) 266 Wahl der Gütegruppe Feinkornbaustähle Allgemeine Konzepte Einfluß der Abkühlbedingungen auf die mechanischen Gütewerte der Verbindung Fertigungstechnische Hinweise Nahtvorbereitung Wärmebehandlung Schweißtechnologie Rißerscheinungen Schweißzusatzwerkstoffe Stabelektroden Drahtelektroden; Schweißpulver (UP-Verfahren) Drahtelektroden; Schutzgase (Metall-Schutzgasschweißen) Vergütete Feinkornbaustähle Höhergekohlte Stähle Warmfeste Stähle 290 Ferritische Stähle (ferritisch-perlitisch) 290 Ferritische Stähle (ferritisch-bainitisch) 291 Ferritische'Stähle (martensitisch) 293 Austenitische Stähle Kaltzähe Stähle Korrosionsbeständige Stähle Einfluß der Verarbeitung auf das Korrosionsverhalten Das ScHAEFFLER-Schaubild Martensitische Chromstähle 303 ' Ferritische und halbferritische Stähle Austenitische Chrom-Nickel-Stähle 309 Primärkristallisation 310 Heißrißbildung 311 Messerlinienkorrosion Metallurgie des Schweißens Austenitisch-ferritische Stähle (Duplex-Stähle) Schweißen der Austenit-Ferrit-Verbindungen Auftragschweißen von Plattierungen 322 Ergänzende und weiterführende Literatur Gestaltung und Berechnung der Schweißkonstruktionen (P. Neumann) Tragfähigkeit von Schweißkonstruktionen Einfluß der Belastung 327 Statische Belastung und Einstufenbelastung 327 Dauerfestigkeitsschaubilder 328 Mehrstufenbelastung - Betriebsfestigkeit 329 Beanspruchungsgruppen 331

8 5.1.2 Einfluß der Kerbwirkung Kerbwirkung aus Nahtform und Gestaltung 332 Einfluß der äußeren Nahtformfehler 334 Maßnahmen zum Erhöhen der Tragfähigkeit Einfluß innerer Schweißnahtfehler 337 Werkstoffeinfluß Einfluß des Schweißverfahrens und der Zusatzstoffe System der Kerbklassen Einfluß der Schweißeigenspannungen auf die Tragfähigkeit Beeinflussung der statischen Festigkeit und des Sprödbruchverhaltens Beeinflussung der dynamischen Festigkeit Maßnahmen zum Reduzieren von Schrumpfungen und Spannungen Zulässige Maßabweichungen für Schweißkonstruktionen Bemaßung von Schweißnähten Darstellungsgrundsätze Bemaßungsgrundsätze Bezugszeichen Die Grundausstattung in der Bemaßung Vollständige Schweißangaben Gestaltungsgrundsätze Auswahl der'stoßarten und Fugenformen 350 Anforderungen an die Fugenform 351 Einfluß des Schweißverfahrens Gestaltungsprinzipien Beanspruchungsgerechte Gestaltung Dämpfungsgerechte Gestaltung Fertigungsgerechte Gestaltung Instandsetzungsgerechte Gestaltung Berechnungsgrundsätze Berechnung bei vorwiegend ruhender Beanspruchung Ermittlung der Anschlußquerschnitte Ermittlung der vorhandenen Schweißnahtspannungen Ermittlung der Grenz Schweißnahtspannung Berechnung bei nicht vorwiegend ruhender Beanspruchung Ermittlung der vorhandenen Spannung Ermittlung der zulässigen Schweißnahtspannungen 373 Ergänzende und weiterführende Literatur Prüfen der Schweißverbindung (H. Krafka) Nachweis der Gebrauchseigenschaften geschweißter Bauteile Metallkundliche Untersuchungsverfahren 381

9 Werkstoff-und Strukturanalyse Chemische Analyse Strukturanalyse 386 Röntgenfeinstrukturanalyse 386 Elektronenbeugung Metallografische Untersuchungsverfahren Makroskopische Verfahren Mikroskopische Verfahren 389 Auflichtmikroskopie 389 Rasterelektronenmikroskopie (SCM) Härteprüfungen (DIN ) Prüfen und Bewerten von Schweißverbindungen Mechanisch-technologische Prüfungen Zugversuch 399 Querzugversuch 400 Längszugversuch (DIN ) 401 Kerbzugversuch Biegeversuch Prüfung der Schweißeignung Prüfung auf Heißrißanfälligkeit Prüfung auf Kaltrißanfälligkeit 408 Implant-Test Prüfung der Schlagzähigkeit Der Kerbschiagbiegeversuch (DIN ) Der instrumentierte Kerbschlagbiegeversuch Der PELLINI-Versuch Der Battelle-Drop-Weight-Tear-Test (BDWT-Test) Bruchmechanik Aufgaben der Bruchmechanik Erscheinungsformen des Bruches 423 Bruchentstehung Temperaturabhängigkeit von Brucherscheinungen Anwendungsbereiche von einparametrigen Versagenskonzepten Versagenskonzepte der Bruchmechanik Das Ä-Konzept der LEBM 426 Der stumpfe Riß Ermittlung von Spannungsintensitätsfaktoren 429 Bruchkriterien der LEBM 430 Das Bruchkriterium von GRIFFITH (Energiekriterium) if-konzept mit Kleinbereichsfließen (ssy) Ermittlung der Bruchzähigkeit K [c nach dem if-konzept Versagenskonzepte der Elastisch-Plastischen Bruchmechanik Das COD-Konzept von COTTRELL und WELLS Das COD-Konzept von BURDEKIN/STONE Probleme des COD-Konzeptes 438 Definition von Experimentelle Bestimmung kritischer 8-Werte 439

10 Das J-Integral-Konzept 442 Ermittlung von J und J-Aa-Kurven an Proben 442 Mehrprobenverfahren nach BERGLEY und LANDES (Compliance-Methode) 444 Potentialsonden-Verfahren 447 Verfahren der partiellen Entlastung Bestimmung der Ersatz-Zähigkeitskenngrößen Bestimmung der Beanspruchungsgröße J im Bauteil Bruchmechanik in der Schweißtechnik ' 450 Ergänzende und weiterführende Literatur 451 Sachwortverzeichnis