Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik SS bis 24. September 2010

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1 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik SS bis 24. September 2010

2 Zeitlicher Ablauf des Schweißkurs Zeit Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag 20. Sept. 21. Sept. 22. Sept. 23. Sept. 24. Sept. 9:00 12:00 Theoretische Grundlagen Theoretische Grundlagen Praktikum LMW Praktikum HWK Theoretische Grundlagen Gr. 1 Gr. 1 13:00 ~ 16:00 Theoretische Grundlagen Theoretische Grundlagen + Lasersicherh eitsunterweis ung Praktikum LMW Gr. 2 Praktikum HWK Gr.2 LMW: Laserhalle HWK: Handwerkskammer Geeignete Kleidung: - lange Hose - feste Schuhe Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 2

3 Themen der Vorlesung Einleitung Anwendungen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 3

4 Einleitung Wo wird geschweißt? Wirtschaftliches Umfeld Verbände und Normen Historische Entwicklung des Metallschweißens Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 Definition des Schweißens und Prozessbegriffe Wirkprinzipien beim Schweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 4

5 Einteilung Schweißeignung von Stählen Schmelzschweißeignung Pressschweißeignung Schweißsicherheit Schweißmöglichkeit Vorbereiten Schweißen Nachbereiten Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 5

6 Schmelzschweißverfahren Gasschmelzschweißen Lichtbogenschweißen Strahlschweißen weitere Pressschweißverfahren Widerstandsschweißen Reibschweißen weitere Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 6

7 Mrd. Einführung Wo wird geschweißt? Wirtschaftliches Umfeld Maschinenbau, Straßen- und Schienenfahrzeugbau Stahlbau, Brückenbau, Hochbau, Wasserbau, Behälter-, Apparate- und Rohrleitungsbau Schiffbau und Off-Shore-Technik 2 1,5 1 0,5 Import Export Jahresproduktion Elektrotechnik und Elektronik sonstige Fertigungsbereiche Jahr 2007: Export von Schweißgeräten im Wert von 2,6 Mrd. ( Mitarbeiter) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 7

8 Wo wird geschweißt? Wirtschaftliches Umfeld Beschäftigte in der Anwendung der Fügetechnik Herstellung Schweißgeräte Schweißer Beschäftigte der Schweißtechnik Schweißaufsicht Schweißinspektoren Schweißkonstrukteure Forschungspersonal 700 Schweißlehrer 900 ZFP Personal Planungsingenieure 500 Roboter-Bediener Beschäftigte der Fügetechnik Gesamt Die insgesamt Beschäftigten erwirtschaften eine Gesamtwertschöpfung der Fügetechnik (=Wertschöpfung durch Herstellung von Fügetechnik plus Wertschöpfung durch Anwendung der Fügetechnik) von 22,65 Milliarden Euro. Quelle: DVS, Studie Value Added by Manufacture and Application of Joining Technology, 2009 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 8

9 Verbände und Normen Verbände DVS: GSI: EWF: IIW: Deutscher Verband für Schweißen und verwandte e.v. ( Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh ( European Welding Federation ( International Institute of Welding ( Normung In der Bundesrepublik werden die schweißtechnischen Normen im Fachnormenausschuss Schweißtechnik (kurz NAS) erarbeitet. Vom DIN (Deutsches Institut für Normung e.v.) werden die Normen ständig den neuesten internationalen Entwicklungen angepasst. Wichtige Technische Normen sind EN- und ISO-Normen (national) ASTM, GOST, (international) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 9

10 Entwicklung der Metallschweißprozesse Altertum Industriezeitalter Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 10

11 Grundlagen Systeme Schweißen in Konkurrenz zu anderen Fertigungsprozessen Vorteile des s Nachteile des s Vorteile des Schweißens Gießen Gestaltungsfreiheit Massenfertigung oft billiger Modelle und Werkzeuge erforderlich Gewichtseinsparung bis zu 50% höhere Robustheit Verbundkonstruktionen Spritzguß Platten, Folien (Kunststoff) Leichte Teile Verbundkonstr. möglich farbige Ausführungen Geringere Festigkeit, geringere Steifigkeit, geringere Temperaturbeständigkeit Schweißen möglich Folien versiegeln Schmieden Günstiger Faserverlauf, beste Zähigkeit, unempfindlich gegen Schlag Aufbaumöglichkeit begrenzt, Werkzeuge/Gesenke notwendig Kürzere Lieferzeiten, Werkstoffauswahl größer Nieten Keine Wärmebeeinflussung, keine Eigenspannungen gewisse Nachgiebigkeit Oft dekorativ Gewicht deutlich höher Korrosionsanfällig Günstigerer Kraftfluss Weniger Einzelteile Löten Niedrig Arbeitstemperatur Unterschiedliche Werkstoffe fügbar Geringer Lotverbrauch Mechanisierbar Teilweise geringe Festigkeit Korrosion Risiko durch diverse Elemente Keine Flussmittel erforderlich Gleicher Werkstoff als Zusatz Stumpfstoß Kleben Arbeiten bei Raum-Temperatur Leichte Bauweise Gute Festigkeitswerte Untersch. Werkstoffe fügbar, isolierend Überlappungslänge erheblich große Alterungsgefahr Vorbereitung aufwendig Einsatztemperatur begrenzt Prozesssicherheit größer Stumpfstoß Günstigerer Kraftfluss Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 11

12 Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 Fertigungstechnik Hauptgruppe 1 Urformen Hauptgruppe 2 Umformen Hauptgruppe 3 Trennen Hauptgruppe 4 Fügen Hauptgruppe 5 Beschichten Hauptgruppe 6 Stoffeigenschaftändern Beispiele für schweißtechnische Gießschmelzschweißen Kaltpressschw. Flammrichten Brennschneiden Plasmaschneiden Verbindungsch. Löten Auftragsschweißen Therm. Spritzen Vorwärmen Flammentspritzen Fügen durch Lichtbogenschweißen Fügen durch Stanznieten/Stanznietkleben Beschichten durch Thermisches Spritzen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 12

13 Gruppe 1.1 Urformen aus dem gasoder dampfförmigen Zustand Gruppe 2.1 Druckumformen DIN 8583 Blatt 1 bis 6 Gruppe 3.1 Zerteilen DIN 8588 Gruppe 4.1 Zusammensetzen DIN 8593, Teil 1 Gruppe 5.1 Beschichten aus dem gasoder dampfförmigen Zustand Gruppe 6.1 Stoffeigenschaftändern durch Umlagern von Stoffteilchen Gruppe 1.2 Urformen aus dem flüssigen, breiigen oder pastenförmigen Zustand Gruppe 2.2 Zugdruckumformen DIN 8584 Blatt 1 bis 6 Gruppe 3.2 Spanen mit geometrisch bestimmt Schneide DIN 8589 Blatt 1 und 2 Gruppe 4.2 Füllen DIN 8593, Teil 2 Gruppe 5.2 Beschichten aus dem flüssigen, breiigen oder pastenförmigen Zustand Gruppe 6.2 Stoffeigenschaftändern durch Aussondern von Stoffteilchen Gruppe 1.3 Urformen aus dem ionisierten Zustand durch elektrolytisches Abscheiden Gruppe 2.3 Zugumformen DIN 8585 Blatt 1 bis 4 Gruppe 3.3 Spanen mit geometrisch unbestimmt Schneide DIN 8589 Blatt 1 Gruppe 4.3 An- und Einpressen DIN 8593, Teil 3 Gruppe 5.3 Beschichten aus dem ionisierten Zustand durch elektrolytisch oder chemisch Abschichtung Gruppe 6.3 Stoffeigenschaftändern durch Einbringen von Stoffteilchen Gruppe 1.4 Urformen aus dem festen (körnigen oder pulverigen Zustand) Gruppe 2.4 Biegeumformen DIN 8586 Gruppe 3.4 Abtragen DIN 8590 Gruppe 4.4 Fügen durch Urformen DIN 8593, Teil 4 Gruppe 5.4 Beschichten aus dem festen (körnigen oder pulverigen) Zustand Gruppe 2.5 Schubumformen DIN 8587 Gruppe 3.5 Zerlegen Gruppe 4.5 Fügen durch Umformen DIN 8593, Teil 5 Gruppe 3.6 Reinigen Gruppe 4.6 Fügen durch Schweißen DIN 8593, Teil 6 Gruppe 3.7 Evakuieren Gruppe 4.7 Fügen durch Löten DIN 8593, Teil 7 Gruppe 4.8 Kleben DIN 8593, Teil 8 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 13

14 Systematik der Hauptgruppe 4 Fügen nach DIN 8593 HG 4 Fügen.. Gr. 4.4 Fügen durch Urformen Gr. 4.5 Fügen durch Umformen Gr. 4.6 Fügen durch Schweißen Gr. 4.7 Fügen durch Löten Gr. 4.8 Fügen durch Kleben UG Ausgießen UG Fügen durch Umformen drahtförmiger Körper UG Pressverbindungs- Schweißen DIN ISO UG Verbindungs- Weichlöten UG Kleben im engeren Sinne UG Umgießen,Einbetten Eingalvanisieren UG Fügen durch Umformen nichtdrahtf. Körper UG Schmelzverbindungs- Schweißen DIN ISO UG Verbindungs- Hartlöten. UG Vergießen, Eingießen unter Entstehung eines Formschlusses UG Fügen durch Umformen von Hilfsfügeteilen UG Verbindungshochtemperaturlöten UG Einschmelzen UG Umpressen Aufvulkanisieren HG: Hauptgruppe Gr. : Gruppe UG: Untergruppe Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 14

15 Definition des Schweißens und Prozessbegriffe Schweißen ist Fügen durch Stoffverbinden Schweißhilfsstoffe (Schutzgase, Schweißpulver, Pasten) ermöglichen oder erleichtern. Schweißzone Werkstück A Werkstück B Vereinigen mit/ohne Schweißzusatz Zusatz von Wärme und/oder Kraft. Definition des Begriffes Schweißen nach DIN 1910 Schweißen ist das Vereinigen von Werkstoffen in der Schweißzone unter Anwendung von Wärme und / oder Kraft ohne oder mit Schweißzusatz. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 15

16 Einteilung der Schweißprozesse (DIN 1910) Einteilung der Schweißprozesse nach Art des Energieeintrags nach der Art des Grundwerkstoffes nach dem Ziel des Schweißens nach dem Ablauf des Schweißens nach der Art der Fertigung z.b. Gas, Strom z.b. Metalle, Kunststoffe z.b. Verbindungsschweißen Auftragsschweißen z.b. Schmelzschweißen Pressschweißen z.b. Handschweißen, Automatenschweißen Formen der Wärmeerzeugung Wärmeenergie chem. Reaktion Elektrizität Reibung Strahlen/Wellen Metallthermische Reaktion Gasflamme Verbrennung Elektrischer Lichtbogen Elektrischer Widerstand Induktion Schallwellen Lichtstrahlen Elektronenstrahlen Ionenstrahlen Atomstrahlen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 16

17 Wirkprinzipien beim Schweißen Schweißverfahrensgruppe Schmelzschweißverfahren Pressschweißverfahren Energieform: Wärme Druck oder Wärme und Druck Stoffschluss durch:.schmelzfluss der Fügeteile und des Zusatzwerkstoffs.Plastifizierung und örtliches Verformen der Fügeteile F D F D Bereich der Schmelzzone Bereich der Plastifizierung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 18

18 Pressschweißen Pressschweißen Kaltpressschweißen Reibschweißen Feuerschweißen Gaspressschweißen Widerstandsschweißen Pressstumpfschweißen Abbrennstumpfschweißen Punktschweißen Buckelschweißen Rollennahtschweißen Folienstumpfschw. Lichtbogenpressschweißen Lichtbogenbolzenschweißen Magnetisches Lichtbogenschw. Diffusionsschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 19

19 Schmelzschweißen Schmelzschweißen Gießschmelzschweißen Gießschweißen Aluminotherm. Schweißen Gasschweißen (Autogen) Widerstandsschmelzschweißen Elektroschlackeschweißen Lichtbogenschweißen Metall-Lichtbogen Unterpulverschweißen Schutgasschweißen Wolfram-Schutzgasschweißen Handschweißen Metallschutzgas Schutzgasengspalt Wolfram-Inertgasschw. Schwerkraftschweißen Inertgas Elektrogas Plasmaschw. Unterschienenschweißen Aktivgas Plasma-Metall Wolfram-Wasserstoffschw. Mit Fülldraht Schweißen Strahlschweißen Lichtstrahlschweißen Laserstrahlschweißen Elektronenstrahlschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 20

20 Mechanisierungsgrade nach DIN ISO Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 21

21 Einteilung Werkstoff des Bauteils Schweißmöglichkeit Konstruktion Abschätzung über werden in folgende Stufen vorgenommen: Gut geeignet bedingt geeignet - ungeeignet Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 22

22 Einflussgrößen auf die Schweißeignung des Bauteils Schweißeignung (Werkstoffbedingte Schweißeignung) Schweißsicherheit (Konstruktivbedingte Schweißsicherheit) Schweißmöglichkeit (Fertigungsbedingte Schweißmöglichkeit) Chemische Zusammensetzung Metallurgische Zusammensetzung Physikalische Eigenschaften Vorbereitung zum Schweißen Ausführung der Nachbehandlung z.b. Härteneigung Alterungsneigung Sprödbruchneigung Heißrissneigung Schmelzbadverhalten z.b. Seigerungen Einschlüsse Korngröße Gefüge Anisotropie z.b. Ausdehnungsverhalten Wärmeleitfähigkeit Schmelzpunkt Festigkeit/Zähigkeit z.b. Auswahl der Schweißverf., von Zusätzen und Hilfsstoffen Stoßart Fugenform Vorwärmung Maßnahmen bei ungünstigen Witterungsverhältnissen z.b. Wärmeführung Wärmeeinbringung Schweißfolge z.b. Wärmebehandlung Schleifen Beizen Richten Konstruktive Gestaltung Beanspruchungszustand z.b. Kraftfluss im Bauteil Anordnung der Schweißnähte Werkstückdicke Kerbwirkung Steifigkeitsuntersuchungen z.b. Art und Größe der Spannungen Räumlichkeitsgrad der Sp. Beanspruchungsgeschw. Temperatur Korrosion Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 23

23 Einflussgrößen auf die Schweißeignung Chemische Zusammensetzung Schmelzen, Gießen, Walzen, Glühen, Oberflächenbehandeln chemische physikalische Gefüge- Oberflächen- Stähle Nicht-Eisen-Metalle Aufhärten Heißrisse Deckschichten Lunker Korrosionsbeständigkeit Leitfähigkeit für Strom und Wärme Spezifische Wärmekapazität Schmelztemperatur Umwandlungswärme Übergangswiderstand Zugfestigkeit Steckgrenze Dehnung Eigenschaften Gefügeart Korngröße Kornstreckung Kornorientierung Seigerungsverhalten Aufhärten Umwandlung Einschlüsse Glanz Reflexion Rautiefe Beschichtung Verunreinigung Anlegierungsneigung Absorptionsvermögen Verarbeitungseigenschaft: Schweißeignung Schweißprozess Gebrauchseigenschaften der Schweißverbindung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 24

24 Schweißeignung von Stählen In Abhängigkeit vom Grad der Erwärmung an der Fügestelle, schmelzflüssig oder teigiger Zustand, ist zwischen Schmelzschweißeignung und Pressschweißeignung zu unterscheiden Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 25

25 Schweißeignung von Stählen Zur qualitativen Abschätzung der Schmelzschweißeignung haben sich drei Methoden bewährt: 1. Abschätzung der Schweißeignung von unlegierten Stählen a) gut geeignet wenn C < 0,22% b) bedingt geeignet, wenn 0,22% < C < 0,4% (TVW > 100 C) 2. Abschätzung der Schweißeignung von niedrig legierten Stählen a) gut geeignet bei Kohlenstoffäquivalent C ä < 0,4% beträgt b) Liegen die Werte von C ä > 0,4% so ist entweder vorzuwärmen oder der Wärmeeintrag (Streckenenergie) ist zu erhöhen (Detaillierte Aussagen zur Schweißeignung von niedrig legierten Stählen sind mit Hilfe von Schweiß-ZTU-Diagrammen möglich.) C ä = C + Mn Kohlenstoffäquivalent: 6 + Cr+Mo+V 5 + Ni+Cu+Si 15 % 3. Abschätzung der Schweißeignung von hochlegierten Stählen mit dem Chrom-Nickel-Äquivalent Schäfflerdiagramm Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 26

26 Schweiß-ZTU-Diagramm und seine Anwendungsmöglichkeiten ZTU-Diagramm: - Zeit - Temperatur - Umwandlungsschaubild Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 27

27 Schweiß-ZTU-Diagramm und Beispiele Kontinuierliches ZTU-Schaubild Isothermes ZTU-Schaubild Beides Unlegierter- Stahl mit C=0,45% Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 28

28 Schweißen - Stahl Die schematische Darstellung der temperatur- und zeitabhängigen Umwandlungsbereiche A B (A) Langsame Abkühlen: Perlit (B) Abkühlen auf Perlit (1) Abschrecken auf Martensit (2) Zwischenstufenvergüten (3) Abkühlen auf Bainit (4) Perlitbereich (5) Bainitbereich Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 29

29 Schweißeignung von Stählen - Allgemeine Baustähle Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 30

30 Schweißeignung von Stählen Anwendungsbeispiele für unlegierte Baustähle Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 31

31 Schweißeignung von Stählen Schiffsbaustähle A, D, E: Gütegrade normalfest (entsprechen St37 - St44); etwa 90% der Schiffbaustähle AH,DH,EH: Gütegrade höherfest Gütegrad A: entspricht Güteklasse -2 Gütegrad D: entspricht Güteklasse -3 Gütegrad E: ausreichende Zähigkeitswerte müssen auch noch bei -40 Cgarantiert sein Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 33

32 Schweißeignung von Stählen Anwendungsbeispiele für Feinkornbaustähle Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 35

33 Schweißeignung von Stählen Die Schweißeignung von hochlegierten Stählen kann mit dem Cr-Ni-Äquivalent ausreichend abgeschätzt werden Das Schaeffler-Diagramm ermöglicht die Bestimmung der Grundwerkstoffe, des Schweißzusatzes und der Lage des Schweißgutes. Entscheidend für die Schweißeignung ist die Lage de Schweißgutes. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 36

34 Schweißeignung von Stählen Schaeffler-Diagramm mit Gefahrenzonen (FeCr tetragonal) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 37

35 Schweißeignung von Stählen Nichtrostende Stähle (nach DIN 17440) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 38

36 Schmelzschweißeignung sdreiecke Laserstrahlschweißen Elektronenstrahlschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 39

37 Pressschweißeignung sdreiecke Punktschweißbarkeit von Stahlkombinationen Punktschweißbarkeit von NE-Metall-Kombinationen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 40

38 Pressschweißeignung sdreiecke Reibschweißbarkeit von Werkstoffkombinationen Ultraschallschweißbarkeit von Werkstoffkombinationen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 41

39 Schweißsicherheit Konstruktive Gestaltung Die Schweißsicherheit einer Konstruktion ist gegeben, wenn das zu fügende Bauteil auf Grund seiner konstruktiven Gestaltung unter den vorgesehenen Belastungskollektiv funktionsfähig bleibt. Die Schweißsicherheit wird beeinflusst von der konstruktiven Gestaltung und dem Beanspruchungskollektiv Kraftfluss im Bauteil Stumpfnaht (Normalgüte) Nietlaschenstoß Kraftfluss bei stoffschlüssigen Verbindungen Einfluss des Kraftflusses auf die Schwellfestigkeit (Werkstoff St38) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 42

40 Schweißsicherheit Konstruktive Gestaltung Die Wirkung von Kerben und Nahtüberhöhung auf die Schwellfestigkeit Schwellfestigkeit von Stumpfnähten in Abhängigkeit von Einbrandkerben a) Stumpfnaht unbearbeitet, Wurzel gegengeschweißt; Nahtübergang ohne Kerbe b) mit größerer Kerbe c) Kerben verlaufend geschliffen Schwellfestigkeit von Stumpfnähten unbearbeitet in Abhängigkeit von der Nahtüberhöhung, t=10mm Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 43

41 Schweißsicherheit Beanspruchungszustand Unter Beanspruchungszustand versteht man das Zusammenwirken aus Belastungsart Beanspruchungsgeschwindigkeit (schwellend, schlagend) Temperatur Medium Schweißsicherheit kann leichter erreicht werden bei: statischer Beanspruchung Betriebstemperatur bei ca. 20 C als Medium trockene Luft vorliegt Schweißsicherheit schwierig zu erreichen bei: dynamischen Belastungen niedrigen Betriebstemperaturen aggressive Medien Belastungsarten mit zugehörigen Spannungs-Zeit-Diagramm Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 44

42 Schweißmöglichkeit Die Schweißmöglichkeit ist vorhanden, wenn die vorgesehenen Schweißungen unter den gewählten Fertigungsarten fachgerecht hergestellt werden können. Die Schweißmöglichkeit wird u.a. von folgenden Faktoren beeinflusst: Vorbereiten zum Schweißen (Auswahl von Stoßart, Schweißverfahren, Fugenform und Schweißzusätzen, Heften und Vorwärmen) Ausführen des Schweißens (Wärmeeinbringung, Wärmeführung, Schweißfolge) Nachbereiten/Nachbehandeln der Schweißverbindung (Wärmebehandlung, Richten, Schleifen, Beizen) Ziele bei der Ausführung von Schweißarbeiten sind: Erzielung einer hohen Nahtwertigkeit Verformungs- und spannungsarme Schweißverbindungen Geringe Bauteilendverformung Aufstellen und Anwenden von Schweißfolgeplänen Das Vorbereiten der Fügestelle ist in erster Linie abhängig von: der Stoßart der Bauteile der Bauteilform den Bauteilabmessungen dem Schweißverfahren Nahtwertigkeit = R m Verbindung R m Werkstoff möglichst 1 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 45

43 Vorbereiten Stoßarten von Bauteilen nach DIN 1912, Teil 1 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 46

44 Vorbereiten Typische Fugenformen für das Schmelzschweißen bei unterschiedlicher Blech- bzw. Wanddicke sowie verschiedenen Stoßarten R: Radius b: Spaltbreite c: Steghöhe h: Flankenwinkel t: Blech-/Wanddicke a: Öffnungswinkel b: halber Öffnungswinkel Fugenarten nach DIN 8551 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 47

45 Vorbereiten Vorwärmtemperaturen für das Lichtbogenhandschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 48

46 Schweißen Gegenüberstellung der Leistungsdichten bei ausgewählten Schmelzschweißverfahren Temperaturfelder bei unterschiedlichen Leistungsdichten Einfluss der Leistungsdichte auf die Aufschmelzquerschnitte und die Nahtformen beim Schweißen Die Temperaturverteilung ist abhängig von Art der Energieeinbringen (Leistungdichte) aber auch von: -Wärmezufuhr; -Wärmeableitung; -Schweißgeschwindkeit; -Werkstoff; -Bauteilform. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 49

47 Schweißen Temperaturfelder für verschiedene Werkstoffe bei gleicher Wärmeleistung WEZ: Wärme Einfluss Zone Einfluss der Leistungsdichte unterschiedlicher Schweißverfahren auf die Maximalhärte in der WEZ und auf ihre Breite, dargestellt für umwandlungsfähige Stähle Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 50

48 Schweißen WEZ: Wärme Einfluss Zone Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 51

49 Schweißen Abkühlgeschwindigkeit wird im wesentlichen durch bauteilbedingte Wärmeableitung bestimmt. Wärmeableitung erfolgt entweder 2- (Dünnblech) oder 3-Dimensional (Dickblech, Mehrfachstöße) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 52

50 Schweißen Grundsätzlich gilt: Der Wärmeeintrag und die Wärmeableitung sind ebenso aufeinander abzustimmen wie Schweißzusatz und Grundwerkstoff. Ziel muss es sein, günstige Gefügezusammensetzungen zu erzielen, die optimale Gebrauchseigenschaften sichern. Der Wärmeeintrag beim Schmelzschweißen kann mit Hilfe der Streckenenergie E bestimmt werden. Die Streckenenergie E berechnet sich für das Lichtbogenschweißen: E= I S x U S x h x 60 v S v S ~ I S d e I S : Schweißstrom in A U S : Schweißspannung in V d e : Elektrodendurchmesser v S : Schweißgeschwindigkeit in cm/min h: relativer thermischer Wirkungsgrad Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 53

51 Schweißen Einfluß der Schweißparameter auf die resultierenden Eigenspannungen: Hohe Streckenenergie Geringer Wärmeeintrag Hohe Abkühlgeschwindigkeit Martensitische Umwandlung Druckeigenspannungen Geringe Streckenenergie Hoher Wärmeeintrag geringe Abkühlgeschw. ferrit./perlit. Umwandlung Zugeigenspannungen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 54

52 Schweißen Schweißverfahren E-Schweißung 3,25 MAGC- Langlichtbogen MAGC- Kurzlichtbogen Elektroden Ø, mm 4,0 5,0 1,2 1,6 2,0 UP-Schweißen 2,5 3,0 4,0 Steckenenergie, J/cm ,8 1, , Schweißverfahren UP-Schweißen 1,0 Lichbogenhandschweißen Stabelektrode Metall-Aktivgasschweißen mit Argon bzw. CO 2 Metall-Inertgasschweißen mit Argon bzw. Helium Wolfram-Inertgasschweißen mit Argon bzw. Helium Relativer thermischer Wirkungsgrad h 0,8-0,9 0,8-0,9 0,7-0,8 0,6-0,7 Richtwerte für die Streckenenergie Relativer thermischer Wirkungsgrad verschiedener Schweißverfahren Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 55

53 Schweißen Wärmebilanz beim... Lichtbogenhandschweißen Unterpulverschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 56

54 Schweißen Zeit-Temperaturverlauf für das Schweißen mit Vorwärmen Zeit-Temperaturverlauf für das Schweißen mit konstanter Arbeitstemperatur Die gezielte örtliche und zeitliche Folge von Wärmeeintragungen führt zu komplexen Erwärmungs- und Abkühlvorgängen, die häufig nur empirisch ermittelt werden können Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 57

55 Schweißen PE a) Schweißpositionen nach DIN EN und deren b) Korrekturfaktoren für Schweißzeiten bezogen auf die Wannenposition PA (t h... Brenndauer des Lichtbogens) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 58

56 Nachbearbeitung Das Nachbearbeiten umfasst: das Säubern der Naht (mechanisch oder chemisch) das Bearbeiten der Naht durch vorzugsweise Schleifen, um Spannungsspitzen im Nahtbereich aufgrund der Kerbwirkung abzubauen das Richten der Bauteile (mechanisch oder thermisch) das Wärmebehandeln in Verbindung mit dem Schweißen Wärmebehandlung in Verbindung mit Schweißen vorher während nachher Normalglühen Spannungsarmglühen Vorwärmen Normalglühen Spannungsarmglühen Flammentspannen Härten Vergüten Aushärten örtliches Vorwärmen Vorwärmen des gesamten Bauteils von besonderer Bedeutung sind... für die Schweißnaht einschließlich der Wärmeeinflusszone das Normalisieren, das heißt das Umwandeln von grobkörnigen in feinkörniges Gefüge, um damit eine zähe Schweißverbindung zu erzielen für das Bauteil der Abbau von Schweißeigenspannungen durch Spannungsarmglühen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 59

57 Nachbearbeitung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 60

58 Schmelzschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 61

59 Gasschmelzschweißen (Autogenschweißen) Am häufigsten verwendet: Acetylen Vorteile: Flammentemperatur und leistung nicht giftig Schutzgaswirkung bei richtig eingestellter Brennerflamme Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 62

60 Gasschmelzschweißen Früher: CaC 2 + 2H 2 O C 2 H 2 + Ca (OH) 2 + Wärme Heute: Acetylen in Aceton gelöst Arbeitsdrücke: Acetylen: ca. 0,5 bar Sauerstoff: ca. 2,5 bar Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 63

61 Gasschmelzschweißen Neutrale Flamme: Mischungsverhältnis Acetylen/Sauerstoff 1:1 1:1, C (auch reduzierend oder oxidierend mögl.) Anzünden: erst Sauerstoff dann Acetylen Löschen: erst Acetylen dann Sauerstoff Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 64

62 Gasschmelzschweißen Nach-Links-Schweißen: Blechdicke <3 mm Nach-Rechts-Schweißen: Blechdicke >3 mm Anwendungsgebiete - Rohrleitungsbau und Installationsbereich - Instandsetzung - Auftragsschweißen - bis ca. 7 mm Blechdicke Vorteile: - Unabhängigkeit vom Strom, überall einsetzbar - gutes Dünnblechschweißen - günstige Anlage geeignete Werkstoffe - unlegierte Stähle - niedriglegierte Stähle - Gusseisen - Nichteisenmetalle Nachteile: - geringe Leistungsdichte - schlechter Energieübergang Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 65

63 Schmelzschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 66

64 Schweißen mit Lichtbogen Lichtbogenschweißen: Bogenentladung zwischen 2 Elektroden in ionisiertem Gas (Plasma) Plasma Masse und Energietransport Spannungsverteilung in einem Hochstrom-Lichtbogen Starker Spannungsabfall nahe der Elektroden: Anoden- bzw. Kathodenfall Linearer, flacher Abfall im Plasma (Langer Lichtbogen hoher Spannungsabfall) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 67

65 Schweißen mit Lichtbogen Lichtbogenerzeugung Zünden des Schweißlichtbogens Kurzschluss Hochfrequenz Kurzschluss Berühren Zündpille Zündpulver Hochfrequenzzünden: Hochspannung mit hoher Frequenz ermöglicht Feldemission aus der Elektrode. Erhöhung der Anzahl von Ladungsträgern durch Stoßionisation, bei ausreichender Anzahl von Ladungsträgern entsteht der Lichtbogen. Mechanischer Ablauf des Zündvorgangs a) Elektrode hat Werkstück noch nicht berührt b) Elektrode hat Werkstück berührt, durch die starke Erhitzung der Brücken entsteht Metalldampf, c) Elektrode hat die zu erwartende Lichtbogenlänge erreicht, Kathode emittiert Elektronen (der Metalldampf liefert die Ladungsträger) d) Die emittierten Elektronen werden durch ansteigende Spannung beschleunigt, es bildet sich ein thermisches Plasma Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 68

66 Schweißen mit Lichtbogen Lichtbogentemperatur Hochstromkohlelichtbogen, 200 A Die Lichtbogentemperaturen werden hauptsächlich vom Ionisierungsgrad des Plasmagases bestimmt. Vereinfacht gilt: T LB ~ x u ieff T LB : Lichtbogentemperatur in K u ieff : effektive Ionisationsspannung der im Plasma vorhanden Stoffe gemessene Isotherme interpolierte Isotherme Mittlere Temperaturen für Schweißlichtbögen Metalllichtbogenschweißen mit Stabelektrode WIG-Schweißen Metall-Schutzgasschweißen Plasma-Schweißlichtbogen ca K K K > K Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 69

67 Schweißen mit Lichtbogen - Lichtbogenkennlinie Die Abhängigkeit vom Spannungsabfall über dem Lichtbogen bei konstanter Lichtbogenlänge wird Lichtbogenkennlinie genannt. Ihr Verlauf ist hauptsächlich abhängig von der Lichtbogenlänge, Lichtbogenatmosphäre sowie von der Zusammensetzung von Elektrode und Werkstück. Die Kennlinie verläuft bei geringen Stromstärken steil abfallend. Im Ayrtonschen Bereich ist die Kennlinie instabil. Deswegen wird beim Schweißen stets mit Stromstärken gearbeitet, die im leicht ansteigenden Bereich liegen Lichtbogenkennlinie mit Arbeitspunkt Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 70

68 Schweißen mit Lichtbogen - Lichtbogenkennlinie Die Arbeitswerte der Hauptparameter I S und U S werden im praktischen Schweißprozess durch die Lichtbogenkennlinie der jeweiligen svariante bestimmt. Für diese Arbeitswerte gelten: Lichtbogenhandschweißen mit Stabelektrode U S = ,04 I S für I S < 600 A Metallschutzgasschweißen U S = ,05 I S für I S < 600 A Einfluss der Ionisierungsenergie verschiedener Schutzgase auf den Verlauf der Lichtbogenkennlinie. Ionisierungsenergie einfach He: 24,6 ev, Ar: 15,76 ev Ionisierungsenergie mehrfach He: 54,4 ev, Ar: 27,6 ev Unterpulverschweißen U S = ,04 I S für I S < 600 A U S = 44V für I S > 600 A WIG-Schweißen U S = ,04 I S für I S < 600 A Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 71

69 Schweißen mit Lichtbogen Schweißstromquellen Anforderungen an Stromquellen: Nicht-gefährliche Leerlaufspannung, jedoch gutes Zündverhalten Gleichstrom 113 V, Wechselstrom 80 V (Effektiv) Begrenzter Kurzschlussstrom (keine Beschädigung am Gerät) Spannung nach Zünden sofort auf Arbeitswert stabile Bedingungen Stabile Strom-Spannungskennlinie stufenlose Einstellung der Schweißparameter (U S, I S ) geringe Wartung robuster Aufbau geräuscharm geringer Stromverbrauch im Leerlauf hoher Wirkungsgrad Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 72

70 Schweißen mit Lichtbogen Schweißstromquellen Konstantstrom bzw. fallende Charakteristik Konstantspannungscharakteristik Äußere Regelung oder ΔU-Regelung: Verlängerung des Lichtbogens Spannung steigt Strom bleibt annähernd konstant Elektrodenschweißen, WIG-Schweißen, Handschweißen Innere Regelung oder ΔI-Regelung: Verlängerung des Lichtbogens Strom sinkt Elektrode schmilzt langsamer ab Lichtbogen wird kürzer MIG, MAG, automatisiertes Schweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 73

71 Schweißen mit Lichtbogen Schweißstromquellen Schweißstromquellen Schweißumformer nicht regelbar Gleichstrom Schweißtransformator nicht regelbar Wechselstrom Schweißgleichrichter nicht regelbar Gleichstrom elektronische Stromquelle regelbar Gleich- oder Wechselstrom sekundär getaktete Stromquelle (Shopper) primärgetaktete Stromquelle (Inverter) Elektronisch gesteuerte Schweißstromquellen ermöglichen es, den Schweißstrom I S zeitlich definiert zu variieren, um damit die thermischen Vorgänge im Lichtbogen, insbesondere den Tropfenübergang (bei der abschmelzenden Elektrode) günstig zu beeinflussen. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 74

72 Schweißen mit Lichtbogen Schweißumformer Motor treibt Generator auf gemeinsamer Welle an Drehstrommotor oder Verbrennungsmotor Schweißaggregat Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 75

73 Schweißen mit Lichtbogen Schweißtransformator Einfache und sehr robuste Ausführung Nur Wechselstrom! U1 : U2 = N1 : N2 U1 : U2 = I2 : I1 Fallende Kennlinien Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 76

74 Schweißen mit Lichtbogen Schweißgleichrichter Transformator vorgeschaltet Gleichrichtung der Spannung durch Dioden Glättung durch Kondensator und Spule möglich Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 77

75 Schweißen mit Lichtbogen elektronische Stromquelle Sekundär getaktet Primär getaktet Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 78

76 Schweißen mit Lichtbogen Typenschild Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 79

77 Schweißen mit Lichtbogen - Schweißstromquellen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 80

78 Lichtbogenhandschweißen Anwendungsbereiche: Abmesssungen: Stumpfnähte an Blechdicken von 2 bis 100mm und Kehlnähte mit 3 bis 100mm Werkstoffe: Baustähle, niedrig- und hochlegierte Stähle, Stahlguß und Gußeisen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 81

79 Lichtbogenhandschweißen - Aufbau einer Elektrode Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 82

80 Lichtbogenhandschweißen Umhüllung der Elektrode Umhüllung der Elektrode dient zur: Stabilisierung des Lichtbogens Sicheres Zünden und gute Leitfähigkeit der Lichtbogenstrecke Schutz der übergehende Metalltropfen und des Schmeltzbades vor Luftzutritt Vier Umhüllungstypen Sauerumhüllte Elektroden (A): Hauptbestandteil Erz Rutilumhüllte Elektrode (R): Hauptbestandteil TiO 2 Basischumhüllte Elektrode (B): Hauptbestandteil Flussspat Zelluloseumhüllte Elektrode (C): Hauptbestandteil Zellulose Umhüllungsrohstoff Wirkung auf Schweißeigenschaften Quarz- SiO2 Erhöhte Strombelastbarkeit, Schlackenverdünner Rutil-TiO2 Verb. Schlackenabgang und Nahtzeichnung, gutes Wiederzünden Magnetit-Fe3O4 Verfeinert den Tropenübergang Kalkspat-CaCO3 Setz die Lichtbogensp. herab, Schutzgas- und Schlackenbildner Flussspat-CaF2 Schlackenverdünner bei basischen Elekt. verschlechtert die Ionisation Kali-Feldspat-K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2 Leicht ionisierbar, verb. die Lichtbogenstabilität Ferro-Mangan/Ferro Silizium Desoxidationsmittel Zellulose Schutzgasbildner Kaolin-Al2O3 2SiO2 2H2O Gleitmittel K- oder Na-Wasserglas K 2 SiO 3 /Na 2 SiO 3 Bindelmittel Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 83

81 Lichtbogenhandschweißen Verwendungseigenschaften von Stabelektroden Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 84

82 Lichtbogenhandschweißen Elektrodenbezeichnung Basische Elektroden müssen rückgetrocknet werden Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 85

83 Lichtbogenhandschweißen Normung von Stabelektroden Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 86

84 Lichtbogenhandschweißen Kennlinien und Arbeitspunkt AP Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 87

85 Lichtbogenhandschweißen Elektrodenführung senkrecht schleppend stechend Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 88

86 Lichtbogenhandschweißen - Zusammenfassung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 89

87 Schmelzschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 90

88 Unterpulverschweißen - sprinzip Vorgänge in der Schweißzone kontinuierlich zugeführter Massivdraht schmilzt unter Aufschüttung mineralischen Pulver ab Lichtbogen brennt in Kaverne unter Pulver sehr gute Schutzwirkung hohe Abschmelzleistung (ca. 15 kg/h) waagrechtes Schweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 91

89 Unterpulverschweißen Elektroden und Schweißpulver Elektroden: Elektrodendurchmesser 1,2 bis 12 mm (Standard: 2,4 bis 4 mm) Kaltgezogen und verkupfert für besseren Stromübergang Auftragsschweißen: bandförmige Elektroden ca. 1 mm dick und 30 bis 60 mm breit Schweißpulver: Ähnliche Zusammensetzungen und Aufgaben wie die Umhüllung bei Stabelektroden Unterscheidung in erschmolzene, agglomerierte und Mischpulver Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 92

90 Unterpulverschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 93

91 Unterpulverschweißen - Anwendungen ab 2 mm Blechdicke, obere Dickenbegrenzung ist nicht gegeben wirtschaftlicher Einsatz des s verlangt möglichst große Blechdicken und lange Schweißnähte Rohrleitungsbau zur Herstellung von Großrohrleitungen (Längs- Rund-, Spiralschweißnähte) Kessel-, Behälter-, Apparatebau oft der meist eingesetzte Schweißprozess Beim UP-Engspaltschweißen werden an Werkstoffdicken bis 200 mm volumenarme I-Nähte bei Fugenweiten von 15 bis 20 mm einseitig wirtschaftlich geschweißt Stahlhoch- und Brückenbau zum Schweißen von Vollwandstützen und träger Schiffbau Plattieren und Auftragsschweißen im Chemieanlagenbau Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 94

92 Schmelzschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 95

93 Schutzgasschweißen - Einordnung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 96

94 Metall-Schutzgas-Schweißen Prinzip Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 97

95 Metall-Schutzgas-Schweißen Prinzip Stromquellen: Konstantspannungscharakteristik (digital) ΔI-Regelung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 98

96 Metall-Schutzgas-Schweißen Gase Schutz vor atmosphärischen Gasen (O 2, N 2 ) Beeinflussung von MAG-Schweißen von un- und niedriglegierten Stählen: MG aus Ar+18% CO 2 + 8% O 2 oder reines CO 2 MAG-Schweißen von nichtrostenden hochlegierten Stählen: MG aus Ar + 2,5% CO 2 oder Ar + 3% O2 MIG-Schweißen von NE-Metallen: 100% reines Ar oder Gemische aus Ar+30-60% He - Zündeigenschaften - Form und Stabilität des Lichtbogens - Einbrand - Metallurgie Einteilung der Schutzgase zum Schutzgasschweißen erfolgt nach DIN 439 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 99

97 Metall-Schutzgas-Schweißen Gase Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 100

98 Metall-Schutzgas-Schweißen Tropfenübergang Unterschiedliche Kräfte im Lichtbogen wirken auf den abschmelzenden Zusatzwerkstoff und bestimmen damit den Werkstoffübergang. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 101

99 Metall-Schutzgas-Schweißen MAG Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 102

100 Metall-Schutzgas-Schweißen Lichtbogenarten Zu jeder vorgegebenen Spannungskennlinie U gehört ein entsprechender Schweißstrom I, der bei diesem Schweißverfahren über die Drahtgeschwindigkeit v eingestellt wird. Die richtige Geräteeinstellung lässt sich am Lichtbogengeräusch erkennen. Nur in einem bestimmten Arbeitsbereich brennt ein stabiler Lichtbogen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 103

101 Metall-Schutzgas-Schweißen Lichtbogenarten Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 104

102 Metall-Schutzgas-Schweißen Lichtbogenarten Der Kurzlichtbogen: dünne Bleche Zwangslagen- und Wurzelschweißungen niedriger Leistungsbereich geringe Spritzerbildung im Kurzschluss gleichmäßig, feintropfig Der Übergangslichtbogen: mittlere Leistung mittlere Blechdicken Argon-Mischgas bevorzugt fein- bis grobtropfig teils im Kurzschluss, teils kurzschlussfrei Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 105

103 Metall-Schutzgas-Schweißen Lichtbogenarten Langlichtbogen : Sprühlichtbogen : Impulslichtbogen: hohe Leistungen Co2-haltige Gase grobtropfiger Übergang Spritzer Edelgase große Wanddicken hohe Abschmelzleistungen und Schweißgeschwindigkeiten feintropfiger Übergang ohne Kurzschlüsse kaum Spritzer alle Leistungsbereiche MIG und MAG kurzschlussfreier definierter Tropfenübergang geringste Spritzerbildung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 106

104 Metall-Schutzgas-Schweißen Kurzlichtbogen Beispiele für den Werkstoffübergang Kennzeichen: relativ energiearm (U,I klein). Der Tropfenübergang (50 bis 100 Tropfen/s) erfolgt bei kleinen Lichtbogenleistungen im Kurzschlussbetrieb Anwendung: Schweißen von Wurzellagen, Zwangslagen (Positionen PC, PF, PG, PE), Schweißen von Dünnblechen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 107

105 Metall-Schutzgas-Schweißen Übergangslichtbogen Beispiele für den Werkstoffübergang Kennzeichen: mittlere Lichtbogenleistung, Zusatzwerkstoff ist dünnflüssiger. Tropfenübergang (100 Tropfen/s) teils im Kurzschluss, teils berührungslos. Anwendung: ab 2 mm Blechdicke, für Kehlnähte oder für Füll- und Decklagen bei Stumpfnähten in den Positionen PB und PA, nur begrenzt für Zwangslage Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 108

106 Metall-Schutzgas-Schweißen Sprühlichtbogen Beispiel für den Werkstoffübergang Kennzeichen: hohe Lichtbogenleistung, kurzschlussfreier, feintropfiger ( Tropfen/s), Werkstoffübergang ohne Spritzer und ohne Kurzschlüsse. Unter reinem CO 2 -Schutzgas oder bei Anteilen von mehr als 20% CO 2 kann der Sprühlichtbogen nicht erreicht werden Anwendung: Besonders für Füll- und Decklagen bei hoher Abschmelzleistung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 109

107 Metall-Schutzgas-Schweißen Impulslichtbogen Beispiele für den Werkstoffübergang Kennzeichen: Die zusätzlichen Geräteeinstellungen stellen hohe Anforderungen an den Schweißer. Bei programmierbaren Anlagen kann dies durch Einstellprogramme erfolgen Anwendung: an dünnen Blechen lassen sich Spritzer vermeiden und dickere Drahtelektroden verschweißen. Beim MIG-Schweißen von Al-Werkstoffen wird die Schweißbadbewegung gefördert und damit die Porenbildung verringert. Bei Stahl erreicht man eine minimale Aufmischung der Werkstückflanken bei ausreichendem Einbrand (zum Beispiel schwarz-weiß-verbindungen oder beim Auftragsschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 110

108 Metall-Schutzgas-Schweißen Lichtbogen Einflussparameter Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 111

109 Metall-Schutzgas-Schweißen Regelung Regelung der Lichtbogenlänge bei gleichbleibender Drahtvorschubgeschwindigkeit und nahezu gleichbleibender Spannung durch Änderung der Stromstärke und der Abschmelzleistung durch interne Regelung der Schweißstromquelle. Voraussetzung: -möglichst konstante Drahtvorschubgeschwindigkeit -Zunahme der Abschmelzgeschwindigkeit mit der Stromstärke -möglichst flache Charakteristik der Stromquelle Merke: Innere Regelung gewährleistet Qualität Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 112

110 Metall-Schutzgas-Schweißen Drahtelektroden Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 113

111 Metall-Schutzgas-Schweißen Richtwerte Schweißparameter und Richtwerte für die Abschmelzleistung beim MAG-Schweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 114

112 Metall-Schutzgas-Schweißen Lichtbogen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 115

113 Schutzgasschweißen - Einordnung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 116

114 WIG - Schweißen Elektrode: Nicht abschmelzend!! reines Wolfram oder legiert mit hochschmelzenden Oxiden Energieübertragung nur durch Lichtbogen Inerte Schutzgase: Argon, Helium Anwendbar bei allen schmelzschweißbaren Metallen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 117

115 WIG-Schweißen Polung der Elektrode Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 118

116 WIG-Schweißen Aufbau des Brenners Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 119

117 WIG-Schweißen Anwendungsbereiche Anwendungsbereiche: Das WIG-Schweißen ist ein weit verbreitetes und leistungsfähiges. Es verbindet die Beweglichkeit eines einfachen handlichen Schweißgerätes mit der hohen Leistungsdichte des elektrischen Lichtbogens. Die in weiten Grenzen regelbare Lichtbogenleistung (Lichtbogenspannung x Stromstärke), unabhängig von einem unter Umständen erforderlichen Schweißzusatzwerkstoff, verleiht dem universale Anwendungsmöglichkeiten. Nahezu alle Metalle lassen sich in Dicken von 0,1mm (Stahl) bis zu mehreren cm WIG-Schweißen. Vorteile: kein Einfluss des Schutzgases auf das Schweißgut keine Spritzer und Schlacken fester Kontakt an der Elektrode, kein Gleitkontakt wie beim Metall-Schutzgasschweißen gut beherrschbares Ansetzen gute Spaltüberbrückung in allen Positionen leichtes Finden geeigneter Schweißwerte einfachere Lösung für veränderliche Lichtbogenleistungen beim Schweißen Werkstoffe: NE-Metalle wie Al, Cu, Ni sowie deren Legierungen, hoch legierte Stähle, Sondermetalle wie Ti, Zr, Ta Werkstückdicken: 0,5 bis 5mm Nahtarten: I-, V-, Bördel- und Kehlnähte in allen Positionen, vorzugsweise bei kurzen Nahtlängen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 120

118 WIG-Schweißen Schutzgase I S : 240A, Werkstoff: Argon-Lichtbogen Varigon-Lichtbogen (Linde Handelsname) Helium-Lichtbogen Argon in einer Menge von 5 bis 10 l/min ist ein brauchbares Schutzgas für alle schweißgeeigneten Metalle. Leicht- und Nichteisenmetalle werden aber besser mit einem Argon/Helium-Gemisch (bis 75% He) geschweißt. Beim WIG-Schweißen wird eine Hochfrequenzzündung angewendet, um den Lichtbogen zu zünden, da die Wolframelektrode nicht durch Berührung verschmutzt werden darf. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 121

119 WIG-Schweißen Elektroden Elektrodentyp Bestandteil in Gew. % Kurzzeiche n Farbkennzeichnung Bemerkung Rein-Wolfram 0 W grün Wechselstromschweißen Wolfram mit Thoriumoxid (ThO 2 ) 0,35..0,55 0,8..1,20 1,70..2,20 2,80..3,20 WT4 WT10 WT20 WT30 blau gelb rot violett Erleichterte Elektronenemission (besseres Zünden, längere Standzeit, höhere Strombelastung, RADIOAKTIV!!!) 3,80..4,20 WT40 orange Wolfram mit Zirkonoxid (ZrO 2 ) Wolfram mit Ceroxid (CeO 2 ) 0,70..0,90 WZ8 weiß Besser als W-Elektrode aber Zünden ist schlechter 1,80..2,20 WC20 grau Ähnlich wie WT-Elektroden aber umweltfreundlicher Wolfram mit Lanthanoxid (LaO 2 ) 0,8..1,20 1,30..1,70 1,70..2,20 WL10 WL15 WL20 Schwarz Gold Blau Niederstrombereich, Automatisierung (gute Zündeigenschaft) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 122

120 WIG-Schweißen Elektrodengeometrie Anschleifen von W-Elektrodenwerkstoffe / Elektrodenstandzeit Gleichstrom und negative Elektrodenpolung: - hohe Elektrodenstandzeiten - Stähle, Nickel und Kupfer Gleichstrom und positive Elektrodenpolung - oberflächliche Deckschichten entfernen - geringe Elektrodenstandzeiten - nur für Leichtmetalle bis 2mm (Praktisch nicht eingesetzt) Wechselstrom - günstiges Zusammenspiel einstellbar Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 123

121 WIG-Schweißen Steuerung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 124

122 WIG-Schweißen Aufnahmen WIG Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 125

123 Schutzgasschweißen - Einordnung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 126

124 Plasmaschweißen Lichtbogen brennt zwischen Wolframelektrode und wassergekühlter Kupferplasmadüse Das ionisierte Schutzgas (Plasma) wird gebündelt Hohe Leistungsdichte Das Plasma-Verbindungsschweißen wird in drei svarianten eingesetzt: Mikroplasma-Schweißen für dünne und dünnste Blechdicken - ab ca. 0,1mm bei Stromstärken ab ca. 0,3A. Durchdrücktechnik für Blechdicken von 1-3 mm. Stichlochplasma-Schweißen für größere Wanddicken bis ca. 8 mm in einer Lage - darüberhinaus mehrlagig. Beim Plasmaschweißen werden immer zwei Schutzgase benötigt: Plasmagas (Zentrumsgas), vorwiegend Argon teilweise mit Wasserstoff- oder Heliumzusätzen. Schutzgas (Außengas), das Zumisch-Komponenten zu Argon aufweisen kann, z.b.: Wasserstoff für CrNi-Stahl, Nickelwerkstoffe oder Helium für das Schweißen von Aluminium oder Al- Legierungen, Titan und Kupferwerkstoffen. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 127

125 Plasmaschweißen - Prinzip Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 128

126 Plasmaschweißen - Schaltung von Plasmabrennern Plasmastrahlschweißen (nicht übertragenen Lichtbogen) Plasmalichtbogenschweißen (übertragenen Lichtbogen Vergleich zwischen Plasmaund WIG-Lichtbogen und dem Aufschmelzquerschnitt Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 129

127 Plasmaschweißen Einflussmöglichkeit auf den freien Lichtbogenteil Mehrlochdüse Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 130

128 Plasmaschweißen Prinzip Plasmaschweißanlage Mehrlochdüse Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 131

129 Plasmaschweißen Plasmabrenner Für negative Elektrodenpolung werden Brenner bis über 400A angeboten. Nur wenige Brennertypen sind für die positive Elektrodenpolung verwendbar. Die beim Schweißen von Al häufig eingesetzte Pluspolung erfordert dicke Elektroden und besondere Kühlmaßnahmen zur Erhaltung der thermisch hoch belasteten Elektrode. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 132

130 Plasmaschweißen Prozessvarianten Plasmastrahlschweißen (WPS) Plasmalichtbogenschweißen (WPL) * Praktikum Plasmastrahl- Plasmalichtbogenschweißen (WPSL) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 133

131 Gegenüberstellung des Plasma und WIG-s Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 134

132 Plasmaschweißen - Stichlochtechnik Schema des Stichlochschweißens bietet einbrandfreie Schweißungen für größere Blechdicken Vergleich der Schweißgeschwindigkeit Plasmaund WIG- beim Schweißen von CrNi- Stählen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 135

133 Plasmaschweißen - Mikroplasmaschweißen Schweißstrom von 0,05 bis 50A Werkstücke im Folienbereich sind fügbar (0,01 bis 1mm) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 136

134 Plasmaschweißen Prinzip Plasmaheißdrahtschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 137

135 Schmelzschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 138

136 Gießschmelzschweißen - Aluminothermisches Schweißen Reparaturschweißungen an großen Geschmiedeten oder gegossenen Bauteilen Bauteil muss vorgewärmt werden Thermitschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 139

137 Elektroschlackeschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 140

138 Gammastrahlung Röntgenstrahlung sichtbares Licht Mikrowellen Television Radio Einführung Laserstrahlschweißen Eigenschaften von Licht Licht im Spektrum der elektromagnetischen Wellen Kennzeichnung von Licht: Wellenlänge, Frequenz (. f = c) m UV Infrarot Wellenlänge µm Leistung P [W] Leistungsdichte E [W/m²] Strahlungsdauer [s] Wiederholrate [1/s] Impulsenergie [J] Excimer CVL Nd:YAG CO 2 -Laser Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 141

139 Spontane Emission normaler Lichtquellen Laserstrahlschweißen 2 2 E 1 Anregung durch Elektronenstoß 1 spontane Emission Normale Lichtquelle (z.b. Gasentladungslampe): nach Elektronenstoßanregung erfolgt der Übergang in den Grundzustand statistisch (spontan) zu einer nicht vorhersagbaren Zeit in eine nicht festgelegte Richtung. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 142

140 Laserstrahlschweißen Induzierte Emission E Anregung durch Elektronenstoß Erzwungener Übergang in den Grundzustand durch Lichtwelle Verstärkung G Licht aktives Medium verstärktes Licht Verstärkungsfaktor: G = Ausgangsintensität / Eingangsintensität Anregungsenergie Normaler Verstärker der HF-Technik: Erzwungene (induzierte) Emission führt zur Verstärkung der einfallenden Lichtwelle unter Beibehaltung der Phase und Wellenlänge Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 143

141 Laserstrahlschweißen Grundlegender Aufbau einer Laserstrahlquelle Verlust-Energie Resonator vollreflektierender Spiegel laseraktives Medium teilreflektierender Spiegel Laserstrahl Eigenschaften: Wellenlänge Leistung Strahlqualität Wirkungsgrad Betriebsweise Bauform Herstellungskosten Lebensdauer Anregungs-Energie Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 144

142 Laserstrahlschweißen Laseraktive Medien und Pumpquellen für Materialbearbeitungs-Laser Festkörperlaser Kristalle oder Gläser, die mit optisch aktiven Ionen dotiert sind, Halbleiter optisch, mit Blitzlampen oder Dioden elektrisch Nd:YAG (1064 nm) Nd:YLF (1047 nm) Ti:Saphir ( nm) GaAlAs ( nm) Gaslaser Gas oder Dampf elektrisch, mit angeregter Gasentladung CO 2 -Laser Excimere: ArF (193 nm) KrF (248 nm) XeCl (308 nm) XeF (351 nm) Metalldampf: Kupfer ( nm) Gold (628 nm) Ionen: Ar + -Laser (514 nm) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 145

143 Laserstrahlschweißen Betriebsarten, Ausgangsleistungen, Wirkungsgrade und Anwendungen Lasermikromaterialbearbeitung Excimerlaser gepulst (30ns) bis 120W 1-10% Oberfl.bearbeitung, Schockhärten, Abtragen Kupferdampf- Laser (CVL) gepulst (10-70ns) 1-200W 1-3% Bohren, Schneiden, Oberflächenstrukturieren Diodengepumpter Nd:YAG/YLF gepulst (ps-ns) bis 100 W 1-3% Bohren, Schneiden, Oberflächenstrukturieren Ti:Saphir gepulst (fs-ns) bis 10 W Bohren, Oberflächenstrukturieren Lasermakromaterialbearbeitung CO 2 -Laser kontinuierlich (cw) 0,5-50 kw 5-10% Schneiden, Schweißen, Oberflächenbehandl. Nd:YAG-Laser cw 0,1-4 kw 1-3% Bohren, Schneiden, Schweißen, Oberfl.beh. gepulst 0,01-0,5 kw 1-3% Bohren, Schneiden, Schweißen, Oberfl.beh. Q-switch 0,01-0,5kW 1-3% Bohren, Schneiden, Schweißen, Oberfl.beh. Diodenlaser cw bis 4 kw 30-40% Schweißen, Oberflächenbehandlung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 146

144 Strahlparameterprodukt ( f w 0 ) [mm mrad] Einführung Laserstrahlschweißen Einteilung der Laserverfahren nach Laserleistung Drucktechnik Knst. Schw. Schw. Metallfolie Weichlöten Schneiden Sintern Nichtmetalle Hartlöten Transf.härten Erwärmen Beschichten Schweißen Bleche Die Schweißeignung eines Werkstoffes beim Laserschweißen ist abhängig von: -Chemische Zusammensetzung; -Metallurgische Eigenschaften; -Physikalische Eigenschaften 1 Beschriftung -Absorbtionsgrad Bohren Laserleistung [W] Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 147

145 Leistungsdichte in W/cm² Einführung Laserstrahlschweißen Einteilung der Laserverfahren nach Einwirkdauer und Leistungsdichte Schockhärten Bohren Schneiden Tiefschweißen Einwirkzeit bzw. Pulsdauer in s 10 4 Umschmelzen Wärmeleitungsschweißen Umwandlungshärten Laser ist in den überwiegenden Fällen ein thermisches Werkzeug Fokussierbarkeit bestimmt Bearbeitung (Fleckgröße, Art) Mittlere Ausgangsleistung bestimmt Effizienz der Bearbeitung Zeitliche Energieeinbringung bestimmt thermische und mechanische Einflußbereiche Wellenlänge muß an Bearbeitungsaufgabe angepaßt sein Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 148

146 Laserstrahlschweißen Einfluss der Leistungsdichte Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 149

147 Laserstrahlschweißen Laserschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 150

148 Schweißtiefe als Funktion der Intensität Laserstrahlschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 151

149 Laserstrahlschweißen Laserschweißen - Vorgänge beim Tiefschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 152

150 Laserauftragsschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 153

151 Laserauftragsschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 154

152 Laserauftragsschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 155

153 Elektronenstrahlschweißen Physikalische Grundlagen Definition Unter einem Elektronenstrahl versteht man einen Strom von Elektronen, die sich mit annähernd gleicher Geschwindigkeit von einer Strahlquelle aus in eine Richtung bewegen. Strahlerzeugung Ein Wolframband wird im Stromdurchgang unter Vakuum so erhitzt, dass Elektronen austreten können. Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes, bei dem der Glühfaden zur Katode wird, werden die Elektronen zur Anode hin beschleunigt. Nach Durchfallen der Spannung U erreicht das Elektron die kinetische Energie: E kin = e U= m v /2 v 2 U = elektrische Spannung, [U] = V v = Geschwindigkeit, [v] = m/s m v = Bewegungsmasse des Elektrons, [m] = kg Beim Auftreffen des Elektrons auf einen festen Körper wird die Bewegungsenergie in andere Energieformen umgesetzt. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 156

154 Elektronenstrahlschweißen Der auf das Werkstück (Bild a) auftreffende Elektronenstrahl erhitzt es an seiner Oberfläche auf Verdampfungstemperatur. Das spontan verdampfende Material drückt zusammen mit dem Druck des auftreffenden Strahles das den Schweißfleck umgebende flüssige Material zur Seite (Bild b). Es entsteht ein Dampfkanal, der sich bis zur Unterseite des Werkstückes erstreckt (Bild c). Wandert der Elektronenstrahl über die zu schweißende Naht, so öffnet sich vorn dieser Dampfkanal, während hinter ihm das flüssige Material wieder zusammenläuft und die Verschweißung der Stoßkanten (Bild d) bewirkt (Stichlocheffekt). a) b) c) d) BD=50 mm, X20Cr13 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 157

155 Elektronenstrahlschweißen - Strahlerzeugung Diodensystem Mit Katode und Anode ist der einfachste Aufbau eines Strahlerzeugers erreicht. Der Strahlstrom lässt sich aber nur durch Verändern der Beschleunigungsspannung bzw. der Kathodentemperatur steuern und regeln. Triodensystem In Schweißbearbeitungssystemen werden Triodensysteme mit Anode, Katode und Steuerkatode eingesetzt. Die Steuerelektrode erhält über eine separate Stromversorgung eine noch höhere negative Spannung als die Katode. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 158

156 Elektronenstrahlschweißen - Elektromagnetische Linse Das elektrische Feld im Triodensystem formt den Strahl zu einem ersten Fokus (Crossover) von dem aus die Elektronen als gleichpolige Ladungsträger sich gegenseitig abstoßend durch die Anode bewegen. Mit Hilfe einer Ringspule nutzt man dazu die Möglichkeit, die Bewegungsrichtung der negativ geladenen Elektronen durch Magnetfelder zu beeinflussen. Der Ring besteht aus einer großen Zahl von Drahtwicklungen. Die Ringwicklung wird von einem Gleichstrom durchflossen; es entsteht dabei ein Magnetfeld, das innen zur Strahlseite den Eisenmantel verläßt und auf den Elektronenstrahl, wie eine Sammellinse auf den Lichtstrahl, fokussierend einwirkt. Mit diesem System ist es möglich Leistungsdichten von etwa 10 7 W/cm 2 zu erzielen. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 159

157 Elektronenstrahlschweißen - Wirkung der Steuerkathode Die Steuerkatode ist bei ausreichender Spannung in der Lage die Elektronen völlig zur Katode zurückzudrängen, das heißt, den Strahlstrom zu sperren (Bild a). In dem Maße, wie nun die Steuerspannung verringert wird, nimmt die zur Elektronenemission beitragende Fläche zu, und der Strahlstrom wird größer (Bild b und c). Bei weiterem Verringern der Steuerspannung vergrößert sich die Emissionsfläche bis an die Ränder der Katodenstirnfläche, erfaßt auch die Katodenschenkel (Bild d) und es entsteht eine erhebliche Verzerrung des Strahles. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 160

158 Elektronenstrahlschweißen - Aufbau einer Elektronenstrahlanlage Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 161

159 Elektronenstrahlschweißen - Beschleunigungsspannung und Fokusabstand U F a b c d mm Querschliffe von Schweißnähten mit unterschiedlicher Beschleunigungsspannung und Fokusabständen. Einfluß auf Schmelzzonentiefe s und Nahtbreite b bei konstanter Strahlleistung (5 kw). Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 162

160 Elektronenstrahlschweißen - Einfluss Strahlleistung und Geschwindigkeit Anhaltswerte für erreichbare Schweißnahtdicken in Stahl in Abhängigkeit von der Strahlleistung und der Schweißgeschwindigkeit. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 163

161 Elektronenstrahlschweißen - Temperaturverteilung Quasistationäres Temperaturfeld beim Elektronenstrahlschweißen von St 42. Blechstärke 8 mm Schweißgeschwindigkeit 6,4 mm/s Gemessener Temperaturverlauf für verschiedene Abstände von der Nahtmitte beim Elektronenstrahlschweißen von St 52. Blechstärke 8 mm Schweißgeschwindigkeit 6,4 mm/s Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 164

162 Elektronenstrahlschweißen - Elektronenstrahlschweißeignung Werkstoff Schweißeignung erprobte Nahttiefe bis mm Stähle R-St 37-2 A 20 St 60-2 B 10 C 15 A 10 C22.8 B 50 C45 B 5 St 52-3 A 20 Ck45 B CrV4 A 2 X 10 Cr 13 A 20 X22 CrNi 17 A 10 X 5 CrNi A 5 X2 CrNiMo B CrNi 8 A 10 StE420 A 20 Kupferwerkstoffe OF-Cu A 25 SE-Cu B 25 SF-Cu B 25 AlBz 5 A 18 SnBz 8 A 5 (Auszug DVS Merkblatt 3204) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 165

163 Elektronenstrahlschweißen - Anwendungsbeispiel Getriebewelle mit elektronenstrahlgeschweißtem Planetenträger. Unten: Makroschliff der Schweißnaht. Werkstoff Planetenträger RRSt 4 Werkstoff Getriebewelle 20MnCr4 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 166

164 Elektronenstrahlschweißen - Nonvacuum-Elektronenstrahlschweißen Der Elektronenstrahl wird generell in einem Hochvakuumraum des Generators erzeugt. Damit der beschleunigte und magnetisch fokussierte Elektronenstrahl in die Atmosphäre austreten kann, schließen sich an dieses Hochvakuum sog. Druckstufen an. Diese sind separat abgepumpte kleine Kammern mit feinem Trenndüsen für den Strahldurchgang. Durch Streuung der Elektronen an der Atmosphäre wird der Strahl mit zunehmenden Weg verbreitet. Um möglichst schmale Nähte zu erzielen, wird deshalb meist mit Arbeitsabstände von 6 bis 30 mm gearbeitet. Die Leistungsdichte kann bei 20 kw Strahlleistung noch weitgehend über W/cm 2 liegen. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 167

165 Pressschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 168

166 Widerstandsschweißen Prinzip und svarianten a) Punktschweißen b) Doppelpunktschweißen c) Rollennahtschweißen d) Buckelschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 169

167 Widerstandspunktschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 170

168 Widerstandspunktschweißen Scherzugfestigkeit als Funktion des Schweißstroms Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 171

169 Widerstandspunktschweißen - Einflussgrößen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 172

170 Widerstandspunktschweißen Widerstandspunktschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 173

171 Widerstandsrollnahtschweißen Die Werkstücke werden an den Stoßflächen erwärmt und unter Anwendung von Kraft geschweißt. Strom und Kraft werden von beiden Werkstückseiten (zweiseitig) durch ein Rollenelektrodenpaar oder eine Rollenelektrode und einem Dorn übertragen. Besonderheit des s: Das Rollnahtschweißen ist vom Punktschweißen abgeleitet. Das Rollenpaar berührt ebenso wie die Punktelektroden das Werkstück mit einer kleinen Fläche. Die Rollen drehen sich entsprechend der Weiterbewegung des Werkstückes. Die Elektrodenabnutzung ist gegenüber dem RP-Schweißen wesentlich geringer. Da das Auf- und Abbewegen der Elektroden entfällt, sind höhere Schweißgeschwindigkeiten möglich. Anwendungen: Herstellung von Massenbedarfsgütern wie: Kraftstofftanks, Radiatoren, Konserven, Getränkedosen, Fässern Schalldämpfer, Töpfe, längsnahtgeschweißte Rohre, Behälterfertigung Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 174

172 Widerstandsrollnahtschweißen - Schweißstromart und Stromkontaktprogramme Dauerwechselstrom Stromkontaktprogramme Dichtnaht Unterbrochene Naht Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 175

173 Widerstandsbuckelschweißen Besonderheit des s: Beim Buckelschweißen wird der Strompfad nicht durch die Elektrodengeometrie, sondern durch die Form des Fügeteils bestimmt. Der Schweißstrom und die Erwärmung werden auf die Buckel konzentriert. Bei einem Elektrodenniedergang können mehrere Buckel gleichzeitig verschweißt werden. Die Buckel werden in eines der zu verschweißenden Teile durch einen Ziehoder Pressvorgang eingeprägt. Während des Schweißens werden die Buckel nach der Plastifizierung des Werkstoffes weitgehend zurückverformt. Die Teile haben so nach dem Schweißen ein gutes Aussehen. In der Regel werden mehrere Buckel gleichzeitig geschweißt, so dass sich der Schweißstrom mit der Anzahl der zu schweißenden Buckel multipliziert. Es können mehr als 20 Buckel gleichzeitig verschweißt werden. Gesamtschweißströme größer als 150 ka sind deshalb keine Seltenheit. Einsatzmöglichkeiten Das Buckelschweißen ist für die Fertigung von zahlreichen Massenartikeln das wirtschaftlichste Fertigungsverfahren. Schema Buckschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 176

174 Widerstandsbuckelschweißen - Anwendungen Gaszählergehäuse (Quelle Dalex) Gehäuse für Hybridschaltung mit umlaufenden Schweißbuckel Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 177

175 Widerstandsbuckelschweißen - svarianten Zweiseitiges Buckelschweißen (RBZ) Einseitiges Buckelschweißen (RBE) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 178

176 Pressschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 179

177 Abbrennstumpfschweißen Schema des Abbrennstumpfschweißen Besonderheiten des s Der Abbrennprozess ist gekennzeichnet durch eine große Spritzerbildung und große Längenzugabe vor dem Schweißen. Eine besondere Vorbereitung der Werkstücke ist nicht erforderlich. Die Schweißverbindung enthält bei einer sorgfältig ausgeführten Schweißung keine Verunreinigungen. Die Schweißverbindung weist hohe Festigkeitswerte auch bei dynamischer Beanspruchung auf. Der Stauchgrat wird nach dem Schweißen beseitigt. Er ist relativ leicht entfernbar. Stauchgrad Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 180

178 Abbrennstumpfschweißen Arbeitsschritte Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 181

179 Abbrennstumpfschweißen (RA-Schweißen) Abbrennstumpfschweißen Gestaltungsbeispiele Fügestelle Ketten, Drähte Gelenkkugel Zugstange, Felgen Ventile. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 182

180 Abbrennstumpfschweißen Abbrennstumpfschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 183

181 Pressstumpfschweißen sprinzip/ -beschreibung Die zu verbindenden Teile werden in wassergekühlten Kupferbacken eingespannt, zusammengefahren und über Stromdurchfluss an der Kontaktstelle auf Schweißtemperatur gebracht (bei Stahl: C). Anschließend wird der Druck auf Stauchdruck erhöht und der Strom abgeschaltet. Die Erwärmung erfolgt durch den Übergangswiderstand zwischen den beiden zu verbindenden Werkstücken. Besonderheiten des s Die Schweißverbindungen sind gekennzeichnet durch eine Wulst an der Verbindungsstelle. Das Abarbeiten der Schweißwulste ist schwieriger als beim Abbrennstumpfschweißen. Die Schweißnaht kann auch bei einer sorgfaltig ausgeführten Schweißung noch Verunreinigungen enthalten. Die Festigkeit der Schweißverbindung beträgt % der Grundwerkstofffestigkeit bei statischer Beanspruchung, bei dynamischer Beanspruchung ist sie jedoch geringer. Schema des Pressstumpfschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 184

182 Pressschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 185

183 Induktionsschweißen Schweißen mit stabförmigen Induktor (RIS) Schweißen mit umschließenden Induktor (RIU) Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 186

184 Induktionsschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 187

185 Induktionsschweißen Besonderheiten des s Kein Verschleiß des Energieträgers, da berührungsloses Werkzeug. Vorlaufendes Entzundern des Rohres ist nicht notwendig. Entstehung einer schmalen schmelzflüssigen Zone durch die sehr geringen Erwärmungszeiten, dadurch geringe Wärmebeeinflussung des Grundwerkstoffes. Geringe Faserumlenkung an der Schweißfuge, da nur geringe Drücke an den Druckrollen erforderlich sind. Die beim Zusammendrücken des Schlitzrohres entstehende Gratbildung ist sehr klein. Es werden sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten erreicht. Die hohe Schweißgeschwindigkeit wirkt einer Oxidation der erhitzten Rohrzonen entgegen. Einsatzmöglichkeiten Hauptanwendungsgebiet ist die Herstellung dünnwandiger, längsnaht geschweißter Rohre aus in Rollsätzen zu Schlitzrohren geformten Stahl- und Aluminiumbändern sowie das Stumpfschweißen von Rohren und Profilen beim Schweißen mit umschließendem Induktor. Abmessungen: Rohrschweißen mit stabförmigen Induktor: Rohrdurchmesser: D = mm, Rohrwanddicke: t = 1, (13) mm Rohrschweißen mit umschließendem Induktor: Rohrdurchmesser: D = mm Rohrwanddicke: t =0, mm Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 188

186 Pressschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 189

187 Schweißen durch Bewegungsenergie - Grundlagen Kaltpressschweißen US- Schweißen Reibschweißen Statischer oder dynamischer Druck, der auf die zu verbindenden Teile einwirkt (Kaltpressschweißen, Sprengschweißen). Reibung, die durch eine oszillierende translatorische Relativbewegung der zu verbindenden Teile unter Einwirkung eines statischen Drucks entsteht (Ultraschallschweißen). Reibung, die vorwiegend durch eine rotierende oder oszillierende Relativbewegung der zu verbindenden Teile unter Einwirkung eines statischen Drucks entsteht (Reibschweißen). Während das Kaltpressschweißen durch überwiegend statische Merkmale gekennzeichnet ist, sind das Ultraschall- und Reibschweißen aufgrund ihrer Reibgeschwindigkeiten als dynamisches Schweißverfahren einzuordnen. Vergleich ausgewählter Schweißverfahren Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 190

188 Reibschweißen rotatorische translatorische Bewegungsabläufe bzw. Kombinationen a) Rotationsbewegung eines Bauelelmentes, ein Bauelement fest eingespannt b) gegenläufige Rotationsbewegung c) rotierende Zwischenstücke d) oszillierende Reibbewegung e) exzentrische Reibbewegung f) Radialreibschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 191

189 Reibschweißen Grundaufbau einer Reibschweißmaschine Kraft-Drehzahl-Zeit-Verläufe für verschiedene 1 Motor 2 Kupplung/Bremse beim Reibschweißen mit kontinuierlichem Antrieb, Schwungmasse beim Schwungradreibschweißen 3 Spindelkopf 4 Spanneinrichtung für rotierendes Werkstück 5a Werkstück rotierend; 5b Werkstück feststehend 6 Spanneinrichtung für feststehendes Werkstück 7 Schlitten 8 Hydraulikzylinder zur Erzeugung der Axialkraft a) Reibschweißen mit kontiniurlichem Antrieb b) Reibschweißen mit Schwungradantrieb c) Kombiniertes Reibschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 192

190 Reibschweißen Anwendungsbeispiele Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 193

191 Reibschweißen Konstruktive Gestaltung der Fügeteile Die konstruktive Gestaltung der reibzuschweißenden Bauteile hat aufgrund der spezifischen Vorgänge an der Fügestelle, der Realisierung eines bestimmten Druck-Zeit-Programms und der damit verbundenen speziellen Konstruktion der Reibschweißmaschine eine große Bedeutung. Mit der Gewährleistung einer reibschweißgerechten Konstruktion werden vorrangig solche die Verbindungsqualität maßgeblich beeinflussenden Faktoren, ausreichend sichere Spannmöglichkeiten ausreichende Steifigkeit an der Fügestelle günstige Reibbedingungen gesichert. Eigenschaften von Reibschweißverbindungen: schmale Wärmeeinflusszone sehr gute Festigkeitseigenschaften aufgrund rekristallisiertem und damit feinkörnigen Gefüge statische Festigkeit entspricht der des Grundwerkstoffs sehr gutes Schwingfestigkeitsverhalten teilweise besser als das des Grundwerkstoffs Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 194

192 Rührreibschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 195

193 Reibschweißen Reibschweißen Linearreibschweißen Rühr - Reibschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 196

194 Kaltpressschweißen a) Überlappschweißen b) Stumpfschweißen Mit dem Kaltpressschweißen können gleichartige oder ungleichartige Metalle bei Raumtemperatur gefügt werden. Eine durch hohe Anpresskräfte hervorgerufene plastische Verformung der zu fugenden Teile führt zu deren Annäherung bis in atomare Bereiche, so dass atomare Bindekräfte wirksam werden. Voraussetzung sind eine sorgfaltige Reinigung der Fügeflächen und ein möglichst großer Härteunterschied zwischen Grundmetall und Oxid, damit ein Aufreißen der Oxidschicht ermöglicht wird. Anwendungsbereiche Metall- und Metallkombinationen mit guten Kaltverformungseigenschaften Vorzugsweiser Einsatz in der Elektrotechnik z.b. Bimetallkontakte, Fügen von Cu-Al-Drähten auch sehr kleiner Dmr. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 197

195 Kaltpressschweißen Kaltpressschweißen Bauteilgestaltung beim Kaltpressschweißen a) unterschiedlich freie Stauchlänge b) Ringnut an der freien Stauchlänge des härteren Werkstoffs Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 198

196 Pressschweißen Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 199

197 Diffusionsschweißen Das Diffusionsschweißen ist ein Schweißen im festen Zustand. Die Verbindung wird mit geringen Anpressdrücken und Verformungen bei Temperaturen oberhalb der Rekristallisationstemperatur durch Diffusion erzeugt. Die Schweißzeit beträgt einige Minuten bis mehrere Stunden. Die Belastbarkeit einer Diffusionsschweißverbindung an metallischen Werkstoffen wird einer durch Platzwechsel von Atomen beider Verbindungspartner über die frühere Bindeebene hinweg entstandenen neuen Struktur zugeschrieben. Die für das Diffusionsschweißen erforderliche Gesamtzeit beinhaltet die Einbauzeit der zu verbindenden Teile, die Zeit für die Erzeugung der für das Schweißen benötigten Atmosphäre, die Aufheizzeit, die Temperaturhaltezeit, die Abkühlzeit und die für den Ausbau der Verbindung erforderliche Zeit. Anwendung: Für das Schweißen gleicher und gleichartiger metallischen Werkstoffen Einsatz für Sonderfälle z.b. Titan, Metall-Keramik- Verbindungen.. Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 200

198 Schweißfehler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 201

199 Schweißfehler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 202

200 Schweißfehler Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik Folie 203