Schweißtechnik. Schweißen von metallischen Konstruktionswerkstoffen. Klaus-Jürgen Matthes Werner Schneider (Hrsg.) 6. aktualisierte Auflage

Transkript

1 Klaus-Jürgen Matthes Werner Schneider (Hrsg.) Schweißtechnik Schweißen von metallischen Konstruktionswerkstoffen 6. aktualisierte Auflage

2 Matthes/Schneider (Hrsg.) Schweißtechnik

3

4 Klaus-Jürgen Matthes Werner Schneider (Hrsg.) Schweißtechnik Schweißen von metallischen Konstruktionswerkstoffen 6., aktualisierte Auflage Mit 497 Bildern, 95 Tabellen und 21 Tafeln Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

5 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus-Jürgen Matthes Dr.-Ing. Werner Schneider Institut für Füge- und Montagetechnik Technische Universität Chemnitz Autoren: Dr.-Ing. Marcel Todtermuschke (Kapitel 1 und 2) Dr.-Ing. Mario Kusch (Kapitel 3.1 bis 3.7, 3.10, 3.11, 3.14, 3.15) Dr.-Ing. Stefan Thurner (Kapitel 3.7 bis 3.11) Dr.-Ing. Heiko Lang (Kapitel 4) Dr.-Ing. Werner Schneider (Kapitel 5 und 6) Dipl.-Ing. Holger Letsch (Kapitel 7) Dr.-Ing. habil. Dietmar Schober (Kapitel 3.12, 3.13, 4.4, 8 bis 11) Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN E-Book-ISBN Einbandbild: TU Chemnitz, Bild Seite 2: TRUMPF GmbH + Co. KG 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 dürfen. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdrucks und der Vervielfältigung des Buches oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme vearbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag 2016 Carl Hanser Verlag München Lektorat: Ute Eckardt Herstellung: Katrin Wulst Satz: le-tex publishing services GmbH, Leipzig Druck und Bindung: Kösel, Krugzell Printed in Germany

6 Vorwort Die schweißtechnische Ausbildung hat in Chemnitz eine langjährige Tradition. Ab dem Jahr 1922 erfolgte eine theoretische und praktische Ausbildung in den Hörsälen und Laborräumen der damaligen Höheren Technischen Lehranstalt. Es wurden die ersten schweißtechnischen Lehrgänge in Verfahrenstechniken des Gas- und Lichtbogenschweißens durchgeführt und Schweißerprüfungen abgenommen. Dieser Tradition fühlen sich die Herausgeber und Autoren verpflichtet. Forschung, Entwicklung und Anwendung des Schweißens und verwandter Verfahren haben große volkswirtschaftliche Bedeutung. Geschweißte Bauteile finden wir sowohl im Maschinen-, Apparate- und Stahlbau als auch im Automobil-, Schiff- und Flugzeugbau sowie in vielen weiteren technischen Produkten. Die fortschreitende Automatisierung in der Schweiß technik 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 werden die Schweißverfahren vorgestellt und ihre Anwendungsgebiete aufgezeigt. Schwerpunkte bei den einzelnen Verfahren sind: Wirkprinzipien und gerätetechnische Umsetzung, Verfahrensmerkmale und Anwendungen, Merkblätter und Fachnormen, Verfahrensprinzip und Anlagentechnik, Verfahrensvarianten, Zusatzwerkstoffe, Schweißeignung, Gestaltungs- und Fertigungshinweise, Qualitätsmerkmale, Gütesicherung und Prüfverfahren 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 zur 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 vorgelegte Lehr- und Fachbuch wendet sich vor allem an Studierende des Maschinenbaus, der Produktionstechnik und der Konstruktionstechnik an Universitäten, Fachhochschulen, Berufsakademien 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. Nicht zuletzt wird es zur Auffrischung und als Nachschlagewerk für in der Praxis tätige Ingenieure und interessierte Leser nutzbar sein. Das Buch präsentiert den aktuellen Stand des Fachgebietes und der Fachnormen. Die systematische Gliederung des Buches und die annähernd 800

7 6 Vorwort Begriffe des Sachwortverzeichnisses geben dem Nutzer eine klare Orientierung und ermöglichen ein schnelles Auffinden der gesuchten Texte, Tafeln und Bilder. Bei der vollständig überarbeiteten 5. Auflage dieses Buches haben neue, sehr fachkompetente Autoren mitgewirkt. In der nun vorliegenden 6. Auflage wurden in erster Linie Aktualisierungen von Normen, Fehlerkorrekturen sowie einige Ergänzungen vorgenommen. Wir wünschen den Lesern, dass sie die Antworten auf ihre Fragen zu den Schweißverfahren finden 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

8 Vorwort Grundlagen Einteilung der Fertigungs verfahren nach DIN Fügen durch Schweißen Wirkprinzipien beim Schweißen Schweißbarkeit Grundlagen und Einteilung Schweißeignung von Stählen Schweißsicherheit Konstruktive Gestaltung Beanspruchungszustand Regelwerke zur Auslegung von Schweißkonstruktionen Anwendung von FiniteElemente-Methoden zur Bemessung geschweißter Tragwerke Schweißmöglichkeit Grundlagen Vorbereitungen zum Schweißen Durchführung des Schweißens Nacharbeiten beim Schweißen Anwendung numerischer Simulationen für die Prozess analyse beim Schweißen Qualitätssicherung beim Schweißen Arbeitsschutz beim Schweißen Schweißen im Produkt-, Umwelt- und Energie management Schweißen mit Lichtbogen Grundlagen der Lichtbogentechnik Physik des Lichtbogens Zünden des Lichtbogens Betrieb des Lichtbogens Schweißstromquellen zum Lichtbogen schweißen Überblick Schweißumformer Schweißtransformatoren Schweißgleichrichter Schweißumrichter Statische Kennlinien von Schweißstromquellen Dynamische Eigenschaften von Schweißstromquellen Regelungsprinzipien zur Arbeitspunktstabilisierung Modulationsarten bei Impulsstromquellen Angaben auf dem Leistungsschild Schweißbrenner zum Lichtbogenschweißen Stabelektrodenhalter Stromkontakteinrichtung zum UP-Schweißen Schweißbrenner mit nichtabschmelzender Elektrode Schweißbrenner mit abschmelzender Elektrode Bolzenschweißpistolen Drahtvorschub systeme zum Lichtbogenschweißen Grundaufbau Stirnrollenantrieb Planetarantrieb... 88

9 Bauformen mit potenzialführender Drahtelektrode Bauformen mit nicht potenzialführender Drahtelektrode Drahtrichteinheiten Zusatzwerkstoffe zum Lichtbogenschweißen Stabelektroden Schweißstäbe Massivdrahtelektroden Fülldrahtelektroden Schweißpulver zum UPSchweißen Schweißpulver zum PlasmaPulver-Auftragschweißen (PTA) Schweißbolzen Gase zum Lichtbogen schweißen Aufgaben von Schutzgasen Eigenschaften von Schutzgasen Einteilung und Bezeichnung von Schutzgasen Herstellung von Schutzgasen Lieferarten und Entnahmestellen Kennzeichnung von Druckgasflaschen Lichtbogenhand schweißen (Prozess 111) Verfahrensprinzipien und Anlagentechnik Funktionsweise Schweißstromquellen Elektrodenhalter Stabelektroden Anwendung Allgemeines Reparaturschweißen Auftragschweißen Verbindungsschweißen Fertigungshinweise Konstruktive Gestaltung und Nahtvorbereitung Zündvorgang Führen der Elektrode Schweißparameter Fehler beim Lichtbogenhandschweißen Häufige Ursachen und Fehlerbilder Poren Schlackeeinschlüsse Bindefehler Geometrische Unregelmäßigkeiten Gefährdungen für den Schweißer Wolfram-Inertgas schweißen (Prozess 141) Verfahrensprinzip und Anlagentechnik Funktionsweise Schutzgase Wolframelektroden Zusatzwerkstoff Schweißstromquellen und Brennertechnik Verfahrensvarianten Zünden des Lichtbogens Stromart und Polarität Mechanisierungsgrad WIG-Schweißen mit Zusatzwerkstoff Anwendung Verbindungsschweißen Reparaturschweißen WIG-Orbitalschweißen WIG-Punktschweißen WIG-Engspaltschweißen WIG-Auftragschweißen Sonderanwendungen Fertigungshinweise Konstruktive Gestaltung und Nahtvorbereitung Zündvorgang Brennerführung Heften Gasschutz Richtwerte Fehler beim WIG-Schweißen Gaseinschlüsse Bindefehler

10 Wolframeinschlüsse Oxideinschlüsse Häufige Fehlerbilder und Ursachen Gefährdungen für den Schweißer Plasmaschweißen (Prozess 15) Verfahrensprinzip und Anlagentechnik Funktionsweise Prozess- und Schutzgase Wolframelektroden Zusatzwerkstoff Schweißstromquellen und Brennertechnik Verfahrensvarianten Zünden des Lichtbogens Stromart und Polarität Mechanisierungsgrad Plasmaschweißen mit Zusatzwerkstoff Schmelzbadausbildung Anwendung Verbindungsschweißen Plasma-Punktschweißen Plasma-Auftragschweißen Mikroplasmaschweißen Fertigungshinweise Allgemeines Konstruktive Gestaltung und Nahtvorbereitung Zündvorgang Brennerführung Heften Gasschutz Richtwerte Fehler beim Plasma schweißen Gaseinschlüsse Nahtunterwölbung Einbrandkerben Oxideinschlüsse Häufige Fehlerbilder und Ursachen Gefährdungen für den Schweißer Metall-Schutzgas schweißen (Prozess 13) Verfahrensprinzip und Anlagentechnik Funktionsweise Schutzgase Zusatzwerkstoff Schweißstromquellen und Brennertechnik Lichtbogenarten Allgemein Kurzlichtbogen Übergangslichtbogen Sprühlichtbogen Impulslichtbogen Hochleistungs-Kurzlichtbogen Instabiler Lichtbogen Rotierender Lichtbogen Hochleistungs-Sprühlichtbogen Kräfte beim Werkstoffübergang Verfahrensvarianten Hochleistungsschweißen Energiereduzierte MSGProzesse Modifizierte MSGImpulsprozesse MSG-Hybridprozesse Zünden des Lichtbogens Mechanisierungsgrad Anwendung Verbindungsschweißen MSG-Engspaltschweißen MSG-Auftragschweißen Sonderanwendungen Fertigungshinweise Konstruktive Gestaltung und Nahtvorbereitung Zündvorgang Brennerführung Heften Gasschutz Richtwerte Fehler beim MSG-Schweißen Gaseinschlüsse Bindefehler

11 Häufige Fehlerbilder und Ursachen Gefährdungen für den Schweißer Unterpulverschweißen (Prozess 12) Verfahrensprinzip und Anlagentechnik Funktionsweise Schweißpulver Elektroden Stromquellen und Brennertechnik Stromart und Polung Mechanisierungsgrad und Aufbau einer UP-Anlage Verfahrensvarianten des Unterpulverschweißens Schweißpositionen Kaltdrahtschweißen Bandschweißen Heißdrahtschweißen mit zwei Schweißköpfen Paralleldrahtschweißen Tandemschweißen Engspaltschweißen Schweißen mit Metallpulverzugabe Anwendung des UPVerfahrens Fertigungshinweise Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fugenvorbereitung Schmelzbadsicherungen Nahtformung Freie Drahtelektrodenlänge Werkstückneigung Zünden des UP-Lichtbogens Heften Richtwerte Leistungsvergleiche Fehler beim UP-Schweißen Spezielle Gefährdungen durch das UP-Verfahren für den Bediener Lichtbogenschweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen Grundlagen Pressstumpfschweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen (Prozess 185) Verfahrensprinzip Anwendungsbereiche Ausrüstungen Zusatzstoffe Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Schmelzschweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen (MBSSchweißen) Verfahrensprinzip Anwendungsbereiche Zusatzstoffe Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Lichtbogenbolzen schweißen Grundlagen Verfahrensprinzip KondensatorentladungsBolzen schweißen mit Hubzündung (Prozess 785) Lichtbogenbolzenschweißen mit Spitzenzündung (Prozess 786) Hubzündungs-Bolzenschweißen mit Keramikring oder Schutzgas (Prozess 783) Anwendungsbereiche Zusatzstoffe Fertigungshinweise Ausrüstungen Sensorik beim Lichtbogenschweißen Überblick Taktile Sensoren Elektromagnetische Sensoren Lasersensoren Lichtbogensensoren

12 3.15 Gefährdungen beim Licht bogenschweißen Elektrischer Strom Elektromagnetische Strahlung Rauch, Stäube und Gase Sauerstoffmangel Spritzer und Schlacke Druckgasflaschen Schweißen mit Brenngas-SauerstoffFlamme Grundlagen der Autogen technik Autogenflamme Allgemeines Verbrennung Flammeneinstellung Autogenbrenner Allgemeines Brennerarten Betreiben der Autogenbrenner Flammenstörungen Betriebsmittel der Autogentechnik Allgemeines Sauerstoff Brenngase Gegenüberstellung von Gasen der Autogentechnik Sicherheitshinweise und -vorschriften für den Umgang mit Sauerstoff und Brenngasen Armaturen und Zubehör Allgemeines Druckminderer Gasschläuche Sicherheitseinrichtungen Einteilung der Verfahren der Autogentechnik nach DIN Gasschmelz schweißen (Gasschweißen) Grundlagen Anwendung Allgemeines Fugenformen Schweißpositionen Werkstückdicken Ausrüstung Zusatzwerkstoffe und Hilfsstoffe Technologische Merkmale Nachrechtsschweißen (NR) Nachlinksschweißen (NL) Gaspressschweißen (Prozess 47) Verfahrensprinzip Anwendungsbereiche Zusatzstoffe Fertigungshinweise Ausrüstungen Schweißen mit Widerstandserwärmung Einteilung der Widerstandsschweißverfahren Widerstandspressschweißen (Prozess 2) Grundlagen des Widerstandspressschweißens Widerstandserwärmung durch konduktive Stromübertragung Widerstandserwärmung durch induktive Stromübertragung (Prozess 74) Ausrüstungen zum Widerstandspressschweißen Aufbau einer Widerstandsschweißmaschine (konduktive Stromübertragung) Schweißstromquellen für das Punkt-, Rollennaht- und Buckelschweißen Schweißstromquellen für das Abbrennstumpfschweißen und Stumpfschweißen Mechanischer Teil der Schweißeinrichtungen Aufbau einer Widerstands schweißmaschine (induktive Stromübertragung) Widerstandsschweißverfahren mit konduktiver Stromübertragung

13 Widerstandspunktschweißen (Prozess 21) Verfahrensmerkmale Verfahrensprinzip/beschreibung Elektroden Schweißeignung Konstruktive Gestaltung Fertigungshinweise Qualitätsmerkmale, Gütesicherung und Prüfverfahren Schweißanlagenaufbau Qualitätssicherungsgeräte Rollennahtschweißen (Prozess 22) Verfahrensmerkmale Verfahrensprinzip/beschreibung Rollenelektroden für Nahtschweißen Schweißeignung Konstruktive Gestaltung Fertigungshinweise Schweißanlagenaufbau Verfahrensvarianten Buckelschweißen (Prozess 23) Verfahrensmerkmale Verfahrensprinzip/beschreibung Elektroden zum Buckelschweißen Schweißeignung Konstruktive Gestaltung Fertigungshinweise Qualitätsmerkmale, Gütesicherung und Prüfverfahren Schweißanlagen Abbrennstumpfschweißen (Prozess 24) Verfahrensmerkmale Verfahrensprinzip/beschreibung Schweißeignung Konstruktive Gestaltung Prozessparameter Qualitätsmerkmale, Gütesicherung und Prüfverfahren Schweißanlagen Pressstumpfschweißen (Prozess 25) Verfahrensmerkmale Verfahrensprinzip/ -beschreibung Konstruktive Gestaltung Prozessparameter Schweißanlagen Widerstandsschweiß verfahren mit induktiver Stromübertragung Induktionsschweißen (Prozess 74) Verfahrensmerkmale Verfahrensprinzip/beschreibung Schweißeignung Fertigungshinweise Verfahrensvarianten Arbeits- und Gesundheitsschutz Widerstandsschmelzschweißen Grundlagen zum Elektroschlacke schweißen (Prozess 72) Elektroschlacke-Verbindungsschweißen Zusatzwerkstoffe und Pulver Schweißeignung Fertigungshinweise Schweißeinrichtungen Elektroschlacke-Auftragschweißen mit Bandelektrode Zusatzwerkstoffe und Pulver Fertigungshinweise Schweißeinrichtungen Schweißen mit Strahlen Grundlagen der Strahltechnik Lichtstrahlschweißen Schweißen mit inkohärentem Licht (Prozess 75) Elektronenstrahl schweißen (Prozess 51) Grundlagen des Elektronenstrahlschweißens Entstehung und Besonderheiten des Elektronenstrahls Elektronenstrahlerzeugung

14 Elektronenstrahlführung Elektronenstrahlschweißanlagen Anwendung des Elektronenstrahlschweißens Tiefschweißeffekt Vorbereitung der Werkstücke Schweißparameter und Hinweise für die Schweißpraxis Schweißeignung metallischer Werkstoffe Industrielle Anwendung Weitere Verfahren der Elektronen strahlmaterialbearbeitung Strahlenschutz Laserstrahlschweißen (Prozess 52) Grundlagen des Laserstrahlschweißens Entstehung und Besonderheiten von Laserlicht Eigenschaften des Laserlichts Laseranlagen Laserstrahlquellen Laserstrahlführung Fokussierende Optiken Bewegungseinrichtungen Steuerung und Bedienung Anwendung des Laserstrahlschweißens Tiefschweißeffekt Vorbereitung der Werkstücke Schweißparameter und Hinweise für die Schweißpraxis Schweißeignung metallischer Werkstoffe Industrielle Anwendung Weitere Verfahren der Lasermaterialbearbeitung Strahlenschutz Gegenüberstellung Elektronenstrahlschweißen Laserstrahlschweißen Schweißen durch Bewegungsenergie. 452 Grundlagen zur schweiß technischen Nutzung kinetischer Energie Rotationsreib schweißen (Prozess 42) Verfahrensprinzip Ausrüstungen Anwendungsbereich Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Rührreibschweißen (FSW Friction Stir Welding) Verfahrensprinzip Ausrüstungen Anwendungsbereiche Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Punktreibschweißen Verfahrensprinzip Anwendungsbereiche Ultraschallschweißen (Prozess 41) Verfahrensprinzip Anwendungsbereiche Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Ausrüstungen Kaltpressschweißen (Prozess 48) Verfahrensprinzip Anwendungsbereich und Ausrüstungen Konstruktive Gestaltung Fertigungshinweise Sprengschweißen (Prozess 441) Verfahrensprinzip Anwendungsbereich Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Spezielle Gefährdungen

15 14 Schweißen durch festen Körper Grundlagen zur schweißtechnischen Nutzung von Heizelementen Heizelementschweißen Verfahrensprinzip Anwendungsbereich, Ausrüstungen Konstruktive Gestaltung und Festigkeit Fertigungshinweise Schweißen mit Metallschmelzen Grundlagen der schweiß technischen Nutzung von Metall schmelzen Gießschweißen (Thermitschweißen) Aluminothermisches Schmelzschweißen (Prozess 71) Verfahrensprinzip Anwendungsbereich Ausrüstungen Fertigungshinweise Aluminothermisches Pressschweißen Verfahrensprinzip Anwendungsbereich Fertigungshinweise Besondere Gefährdungen Schweißen durch Diffusion Grundlagen zur schweißtechnischen Nutzung der Diffusion Diffusions schweißen (Prozess 45) Verfahrensprinzip Anwendungsbereich Konstruktive Gestaltung Fertigungshinweise Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis