Taschenbuch der Fertigungstechnik

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1 Taschenbuch der Fertigungstechnik Bearbeitet von Gerd Witt 1. Auflage Taschenbuch. 448 S. Paperback ISBN Format (B x L): 12,8 x 19,4 cm Gewicht: 519 g Weitere Fachgebiete > Technik > Produktionstechnik > Fertigungstechnik Zu Inhaltsverzeichnis schnell und portofrei erhältlich bei Die Online-Fachbuchhandlung beck-shop.de ist spezialisiert auf Fachbücher, insbesondere Recht, Steuern und Wirtschaft. Im Sortiment finden Sie alle Medien (Bücher, Zeitschriften, CDs, ebooks, etc.) aller Verlage. Ergänzt wird das Programm durch Services wie Neuerscheinungsdienst oder Zusammenstellungen von Büchern zu Sonderpreisen. Der Shop führt mehr als 8 Millionen Produkte.

2 Taschenbuch der Fertigungstechnik Gerd Witt ISBN Leseprobe Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel

3 5 Fügen durch Stoffschluss Dr.-Ing. Reinhard Christian Winkler 5.1 Schweißen Grundbegriffe Schweißen ist ein Vorgang, bei dem Werkstoff(e) unter Anwendung von Wärmeenergie und/oder Druck derart vereinigt werden, dass sich ein kontinuierlicher innerer Aufbau der verbundenen Werkstoffe ergibt. Ein Schweißzusatz, dessen Schmelztemperatur die gleiche Größenordnung wie die des/der Grundwerkstoffe(s) hat, kann zugeführt werden. Das Ergebnis ist die Schweißnaht. Einteilung nach DIN ISO 857 Schweißverfahren werden nach dem Zweck des Schweißens in Verbindungs- oder Auftragschweißen bzw. nach dem physikalischen Verfahren des Schweißens in Schmelz- oder Pressschweißen eingeteilt. Verbindungsschweißen Stoffschlüssige und unlösbare Verbindung zweier oder mehrerer Bauteile. Auftragschweißen Aufbringen einer Schicht aus einem anderen Werkstoff durch Schweißen, um Stoffeigenschaften zu ändern, z. B. zur Erhöhung des Verschleißoder Korrosionswiderstandes. Schmelzschweißen Schweißverfahren mit einem aufgeschmolzenen Grundwerkstoff mit oder ohne Zusatzwerkstoff ohne Aufwenden einer äußeren Kraft. Pressschweißen Schweißverfahren unter Anwendung einer ausreichend großen äußeren Kraft mit mehr oder weniger starker plastischer Verformung der nicht notwendigerweise erwärmten Fügeflächen im Allgemeinen ohne Zugabe eines Zusatzwerkstoffes.

4 5.1 Schweißen 167 Schweißpositionen Gasschmelzschweißen Bild 5.1: Schweißpositionen [nach DIN 1912 und DIN EN 6947] Beim Gasschmelzschweißen dient die Verbrennung eines Brenngases in Kombination mit Sauerstoff als Energieträger und Wärmequelle. Die Flamme schmilzt die zu fügenden Bauteile punktuell auf, ein stabförmiger Zusatzwerkstoff wird in der Regel zugeführt und aufgeschmolzen. Gasschmelzschweißen ist mit geringen Kosten verbunden und eignet sich auf Grund seiner autarken Wärmequelle zum universellen Einsatz. FÜ Bild 5.2: Nachlinksschweißen in Schweißposition PC [SLV Duisburg]

5 168 5 Fügen durch Stoffschluss Gase Sauerstoff Die Sauerstoffgewinnung erfolgt meist aus der Zerlegung von Luft, im Allgemeinen wird ein Reinheitsgrad von 99,5 % erreicht. Je nach Bedarf wird Sauerstoff gasförmig in Flaschen (Einzelflaschen, Flaschenbündel, Flaschenbatterien) oder flüssig in wärmeisolierten Tanks gespeichert. Sauerstoff lässt sich gut komprimieren. Der maximale Druck wird durch die Festigkeit der Stahlflasche (gängig sind bar) bestimmt. Sauerstoff ist nicht brennbar, fördert bzw. ist notwendig für jede Verbrennung. Es ist ein farb-, geschmack- und geruchloses Gas. Sauerstoff (O 2 ) hat eine relative Molekülmasse von 32 g mol 1 und eine Dichte von 1,429 kg/m 3 (Dichteverhältnis zur Luft ist 1,1051). Die Verbrennungseigenschaften von Sauerstoff verändern sich im Vergleich zur Luft folgendermaßen: Die erforderlichen Zündenergien sind wesentlich geringer. Der Flamm- und Brennpunkt der Gasgemische liegt niedriger. Die Temperaturen und die Geschwindigkeit der Verbrennung erreichen höhere Werte. Ventile und Dichtungen an Sauerstoffbehältern müssen unbedingt fett- und ölfrei gehalten werden. Brenngase Brenngase sind technische Gase, die zur Verbrennung mit Sauerstoff (oder Luft) geeignet sind. Bis auf Wasserstoff (H 2 ) bestehen Brenngase aus Kohlenwasserstoffketten (gesättigte und ungesättigte Verbindungen) und deren Gemischen. Auf Grund seiner hohen Flammgeschwindigkeit, Verbrennungstemperatur (3200 C) sowie der Primärflammleistung (17,4 kj/cm 2 s) hat sich Acetylen (C 2 H 2 ) in der Technik durchgesetzt. Acetylen wird im Entwickler erzeugt: Calciumcarbonat (CaC 2 ) reagiert mit Wasser gemäß der Formel: CaC H 2 O C 2 H 2 + Ca(OH) 2 + Wärme Als Nebenprodukt erhält man Kalkschlamm. Acetylen zerfällt ab einem Druck von ca. 1,8 bar in seine chemischen Komponenten Kohlenstoff und Wasserstoff. Der Sicherheitsdruck von 1,5 bar sollte daher nicht überschritten werden. Acetylengasflaschen sind mit einer porösen Masse (Kieselgur) und einem Lösungsmittel (im Allgemeinen Aceton) gefüllt. Die poröse Masse verteilt das aufgesaugte und im flüssigen Zustand vorliegende Acetylen und das Lösungsmittel gleichmäßig in der Gasflasche und schützt vor einem möglichen Zerfall des

6 5.1 Schweißen 169 Acetylens (Explosion). Ein Liter Aceton kann bei einem Druck von 1 bar ca. 24 Liter Acetylen lösen. Acetylen ist ein farbloses, nicht giftiges und leicht narkotisierendes Gas mit einer Molekülmasse von 26,036 g/mol, einer Dichte von 1,1717 kg/m 3 und steht in einem Dichteverhältnis zu Luft von 0,9061. Weitere Brenngase Die Auswahl des Brenngases richtet sich nicht nur nach den Verfahrenstechniken, sondern auch nach der Verfügbarkeit und Verwendbarkeit am Ort. Weitere Brenngase sind: Propan (C 3 H 8 ) Erdgas (CH 4 ) Wasserstoff (H 2 ) Ethen (C 2 H 4 ) Flamme Brenner Fast ausnahmslos arbeiten die Brenner nach dem Injektorprinzip (Saugbrenner). Sie sind nach DIN EN ISO 5172 genormt. Ein Injektorbrenner besteht im Wesentlichen aus einem Griffstück und einem Schweißeinsatz. Am Griffstück befinden sich Sauerstoff- und Brenngasschlauch- Anschlussstellen mit den entsprechenden Ventilen. Der Schweißeinsatz besteht aus Druckdüse, Mischdüse, Mischrohr und Schweißdüse. In Abhängigkeit von den zu fügenden Blechdicken wird der Schweißeinsatz gewählt. Aus den Zahlenwerten des Schweißbereiches kann der Gasverbrauch in l/h annähernd berechnet werden. Hinzu kommt die Kennzeichnung mit dem Herstellerzeichen, der Art des Brenngases, des Mischsystems und des Sauerstoffdrucks. Nach der Art des Verwendungszweck werden die Schweißeinsätze unterteilt in: Normal-Schweißeinsätze Montage-Schweißeinsätze Flammenstrahlgeräte Anwärmbrenner. FÜ Prinzip des Injektorbrenners Das für die Autogenverfahrenstechnik benötigte Brenngas und der Sauerstoff werden dem Brenner getrennt zugeführt und im gewünschten Verhältnis gemischt. Entsprechend der Angabe auf dem Schweißeinsatz wird der Druck des Sauerstoffs (i. Allg. 2,5 bar) am Druckminderer eingestellt. Mit hoher Geschwindigkeit verlässt der Sauerstoff die Druckdüse und

7 170 5 Fügen durch Stoffschluss saugt das Acetylen, welches mit geringerem Druck eingeleitet wird, in die Mischdüse. Das Mischungsverhältnis im Mischrohr sollte ca. 1: 1 betragen. Außerhalb des Brennermundstückes findet die Verbrennung statt. Zur Vermeidung eines Flammenrückschlages muss eine Flammensperre zwischen Brenner und Acetylenlager geschaltet sein. Bild 5.3: Schnitt durch einen Schweißbrenner (Injektorbrenner) [SLV Duisburg] Druckminderer Um den Flascheninhaltsdruck auf Arbeitsdruck zu vermindern und den Arbeitsdruck während des Arbeitsvorganges konstant zu halten, ist ein Druckminderer notwendig. Der Druckminderer ist ein membrangesteuertes Ventil. Über eine Einstellschraube wird der Arbeitsdruck eingestellt. Sicherheitseinrichtungen zur Vermeidung von Flammenrückschlag werden im Allgemeinen am Druckminderer eingebaut. Einstellung der Flamme Die Flammeneinstellung beeinflusst die Qualität der Schweißnaht. Eine schnelle, örtlich begrenzte Aufschmelzung der zu verbindenden Flächen und des Schweißzusatzwerkstoffes sowie der Schutz der Schmelze vor der Umgebungsluft müssen gewährleistet sein. Je nach Mischungsverhältnis differenziert man zwischen einer neutralen, einer oxidierenden (Sauerstoffüberschuss) und einer reduzierenden (Acetylenüberschuss) Flammeneinstellung. Das Mischungsverhältnis bestimmt die Temperatur der Flamme; eine reduzierende Flamme hat einen niedrigeren Temperaturbereich als eine oxidierende. Neutrale Flamme In einer neutralen Flamme ist das Mischungsverhältnis Sauerstoff zu Acetylen 1: 1. Unmittelbar an dem Brennermundstück erscheint ein klar umrissener blauer Kegel, der von einer weiß leuchtenden Hülle umgeben ist (Zone I). Zone II, der Schweiß- und Arbeitsbereich, befindet sich ca. 2 5 mm (je nach Brennergröße) vor dem Flammenkern und umfasst

8 5.1 Schweißen 171 den Bereich mit der höchsten Flammentemperatur. Die äußere Verbrennungszone (Zone III) wird Streuflamme genannt. Ein Großteil des für die Verbrennung notwendigen Sauerstoffs wird der Umgebungsluft entzogen. Zur vollständigen Verbrennung von einem Teil Acetylen benötigt man 2,5 Teile Sauerstoff (1 Teil aus der Flasche, 1,5 Teile aus der Umgebung). Sauerstoffüberschüssige Flamme Der blaue Kegel am Brennermundstück ist spitzer und farbintensiver. Die Streuflamme verkleinert sich. Bei Fe-Metallen bilden sich Oxide, und Legierungsbestandteile verbrennen. Diese Flammeneinstellung findet beim Schweißen von Messing Anwendung. Acetylenüberschüssige Flamme Der Kegel am Brennermundstück hat keine klaren Konturen bzw. verschwindet. Die Streuflamme vergrößert sich und verliert ihre klaren Abgrenzungen. Die reduzierende Flammeneinstellung wirkt aufkohlend; bei zu viel Brenngas bildet sich Ruß. Diese Flammeneinstellung findet Anwendung beim Schweißen von Gusseisen und Aluminium. FÜ Bild 5.4: Die Schweißflamme und ihre Zonen [SLV Duisburg] Weiterhin unterscheidet man je nach Ausströmgeschwindigkeit zwischen einer weichen und einer harten Flamme, die Ausströmgeschwindigkeit bestimmt die Wärmemenge. Eine harte Flamme liefert eine größere Wärmemenge als eine weiche Flamme. Wenn die Blechdicke der zu fügenden Werkstücke im unteren Bereich des Schweißeinsatzes liegt, so stellt man eine weiche Flamme ein, im oberen Nennbereich eine harte Flamme. Ist

9 172 5 Fügen durch Stoffschluss die Ausströmgeschwindigkeit der Gase zu groß, so wandert der innere Flammenkegel vom Mundstück weg, ist diese zu klein, knallt der Brenner ab (und kann einen Flammenrückschlag verursachen!). harte Flamme (Sauerstoffüberschuss) neutrale Flamme (normal) weiche Flamme (Acetylenüberschuss) Bild 5.5: Einstellungen der Flamme [SLV Duisburg] Arbeitsverfahren Beim Gasschmelzschweißen unterscheidet man zwei Arbeitstechniken: Nachlinksschweißen (NL): Der Zusatzwerkstoff läuft tupfend vor dem Brenner her, der von rechts nach links gezogen wird. In der Regel wird dieses Verfahren bei Aluminium, Kupfer und Gusseisen sowie bei Stahl mit weniger als 3 mm Werkstückdicke angewendet. Nachrechtsschweißen (NR): Der Brenner wird von links nach rechts bewegt, der Schweißstab folgt, kreisförmig, rührend bewegt. Diese Verfahren wird bei Stahl mit mehr als 3 mm Werkstückdicke angewendet. Zusatzwerkstoffe und Hilfsstoffe Beim Gasschmelzschweißen (Verbindungsschweißen) wird ein stabförmiger Zusatzwerkstoff nach DIN zugeführt. Zusatzwerkstoffe zum Auftragschweißen sind in DIN 8555 zusammengestellt. Gasschweißstäbe müssen frei von Oxiden, Schlacken, Ölen, Fetten und Farben sein. Poren und Spritzer sollten werkstoffbedingt vermieden werden; die chemische Analyse sollte der Analyse des Grundwerkstoffes recht nahe kommen bzw. gleich sein. Verschiedene Legierungsbestandteile beeinflussen die Schweißung: Mangangehalte von ca. 0,5 % und mehr sind notwendig, um ein unerwünschtes Schäumen und Schlackeneinschlüsse zu vermeiden. Siliziumgehalte zwischen 0,02 und 0,35 % unterdrücken die Gasbildung, soweit diese durch Sauerstoff verursacht wird.

10 5.1 Schweißen 173 Aluminium zur Desoxidation findet keine Anwendung, da die hochschmelzenden Aluminiumoxide nichtmetallische Einschlüsse verursachen können. Nickel verbessert die Zähigkeitseigenschaften des Schweißgutes und wirkt kornverfeinernd. Molybdän erhöht die Warmfestigkeit ab 0,2 % und wirkt kornverfeinernd. Chrom erhöht die Korrosionsbeständigkeit sowie die Warmfestigkeit. Zum Schweißen von NE-Metallen werden Hilfsstoffe in Form von Pasten, Pulvern oder Flüssigkeiten als Flussmittel zugegeben. Die Oberfläche der Fügeflächen muss frei von Belägen und Schichten sein Anwendung Das Schutzgasschweißen hat das Gasschweißen in vielen Bereichen abgelöst. Einige Verfahrensmerkmale verdeutlichen jedoch die vielfältigen Möglichkeiten der Autogentechniken: leichte Einstellbarkeit der Flammen, gute Regulierung des Wärmeangebotes, gute Beobachtungsmöglichkeiten des Schweißvorganges, Wirksame Abschirmung des Schweißbades durch die Flamme vor der Luft, auch bei ungünstigen Witterungsverhältnissen, z. B. auf Baustellen, gute Spaltüberbrückbarkeit, gute Zugänglichkeit der Schweißstelle auch beim Schweißen in Zwangspositionen, erforderliche Energie kann leicht zur Verfügung gestellt werden, niedrige Investitionskosten. Insbesondere im Rohrkesselbau, Rohrleitungsbau und beim Schweißen dünner Bleche sowie zum Schweißen von NE-Metallen kommt die Autogentechnik zum Einsatz. FÜ Lichtbogenschmelzschweißen Lichtbogenhandschweißen Verfahrensprinzip Beim Lichtbogenhandschweißen brennt der Schweißlichtbogen zwischen einer umhüllten abschmelzenden Stabelektrode und dem Werkstück. Der

11 174 5 Fügen durch Stoffschluss Schweißlichtbogen und das grundwerkstoffseitige Schmelzbad werden vor dem Zutritt der Luft durch das sich aus der Umhüllung bildende Schutzgas und eine Schlacke geschützt. Dieser Schweißprozess ist vielseitig in allen Schweißpositionen und besonders im Freien anwendbar. Die Gerätetechnik ist einfach aufgebaut. Die Schweißstromquellen, das Zubehör, die Werkzeuge und die Arbeitsschutzbekleidung sowie die umhüllten Stabelektroden zur Grundausrüstung beim Lichtbogenhandschweißen. Bild 5.6: Lichtbogenhandschweißen mit einer R-Elektrode in Schweißposition PA [SLV Duisburg] Stabelektroden Die umhüllten Stabelektroden werden heute als Pressmantelelektroden nach einer genauen Rezeptur zusammengestellt, mit Bindemittel versehen, auf den Kerndraht gepresst und je nach dem Umhüllungstyp bei ca C in Öfen getrocknet. Anschließend werden sie gekennzeichnet (nach DIN/EN und/oder mit Firmennamen) und verpackt. Die Einteilung der umhüllten Stabelektroden kann nach folgenden Gesichtspunkten erfolgen: Tabelle 5.1: Einteilung von Schweißelektroden Verwendungszweck Auftragschweißen Verbindungsschweißen Unterwasserschweißen Schneiden etc. Chemische Zusammensetzung unlegierte, niedrig- und hochlegierte Stabelektroden Stabelektroden für NE-Metalle Stabelektroden für Gusseisen

12 5.1 Schweißen 175 Technologische Eigenschaften Stromart mechanisch-technologische Gütewerte des Schweißgutes Abschmelzleistung Ausbringung Schweißpositionen Nahtform Wasserstoffgehalt des Schweißgutes Umhüllungstyp sauer A basisch B Rutil R Zellulose C Herstellung Pressmantel Doppelpressmantel (Tauchelektroden) Aufgaben der Stabelektrodenumhüllung Die Umhüllung dient dem Zünden und Stabilisieren des Schweißlichtbogens bei gleichzeitiger Werkstoffübertragung und Bilden einer Schweißverbindung. Dabei übernimmt die Elektrodenumhüllung folgende Aufgaben: Verbesserung der Ionisierung der Lichtbogenstrecke, der Zündeigenschaften und der Lichtbogenstabilität, Bildung eines Schutzgases zur Abschirmung des schädigenden Einflusses der Luft (N 2 und O 2 ), Schlackenbildung zum Schutz der sich bildenden Schweißnaht, zur Verzögerung der Abkühlung sowie zur Nahtformung, metallurgische Beeinflussung des Schweißgutes, d. h. Oxidation und Desoxidation sowie Abbinden schädlicher Begleitelemente (S, P) oder eine Auflegierung, Erhöhung der Abschmelzleistung (Ausbringen) durch Einsatz sog. Hochleistungselektroden sowie Zusätze (Eisenpulver). FÜ Die Umhüllungsdicke und die Zusammensetzung der Umhüllung der Stabelektroden haben einen wesentlichen Einfluss auf: die Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften des Schweißgutes (mechanische Gütewerte), die Heißriss- und/oder Kaltrissbildung (Wasserstoffgehalt im Schweißgut), das Schweißverhalten, Zündverhalten der Stabelektrode und den Werkstoffübergang, die Spaltüberbrückbarkeit, das Nahtaussehen und die Einbrandtiefe.