Fachbuchreihe Schweißtechnik 3 Schweisskonstruktionen von Hans J Hänsch, Joannes Krebs. Auflage Schweisskonstruktionen Hänsch / Krebs schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG Thematische Gliederung: Schweißtechnik DVS - Verlag für Schweißen und verwandte Verfahren, Düsseldorf 2006 Verlag C.H. Beck im Internet: www.beck.de ISBN 97 3 7 3 3
Einführung. Zielstellung und Inhalt Formänderungen, bei der Konstruktion und in der Fertigung beherrscht werden. Stauchungen im Nahtbereich, wodurch bei Abkühlung Formänderungen Bild -. Kompetenzmanagement zum Fügen [-]. ein zielgerichtetes Management erforderlich. Bild - gibt dieses Kompetenz-Management zum von Formänderungen. Fachkompetenz ist dann erwiesen, wenn es gelingt, Werkstückes zu sichern. Bild -2 zeigt das System, in dem die angesprochene Kompetenz L_06326.job Bogen: A Einführung.... Zielstellung und Inhalt....2 Eigenspannungen beim Schweißen....2. Entstehen und Arten der Eigenspannungen....2.2 Unterscheidung und Einteilung der Eigenspannungen....2.3 Beispiele typischer Eigenspannungsverteilungen... 6.2. Wirkung der Eigenspannungen....3 Formänderungen, Bezeichnungen, Arten und Wirkungen... 0.3. Schrumpfungen....3.2 Verzug und Krümmung (Biegeverzug)... 2.3.3 Beulung und Verwerfung... 3 Schrifttum... 6 2 Physikalische Werkstoffeigenschaften, Wärmeeintrag und Temperaturfelder... 2. Wärmephysikalische Eigenschaften des Werkstoffs... 2.3 Zum Entstehen von Rissen Heiß- und Kaltrisse, Lamellarrisse/Terrassenbruch... 2 2.3. Einflüsse auf das Entstehen von Heißrissen... 2 2.3. Zur Entstehung von Terrassenbrüchen... 3 2.. Vereinfachte Übersicht zu Wärmequellen und Temperaturfeldern... 33 2..3. Berechnung der Maximaltemperatur an definierten Punkten... 3 3. zu den Formänderungen beim Schweißen... 0 3.. Formänderungen...0 3..2 Unterschiedliche Arten der Formänderungen... 3..3 Wärmewirkungen und Schrumpfungen... 3.2. Querschrumpfung durch Stumpfnähte mittig zur Stabachse/in der Plattenebene... 3 zu den nachfolgenden als Eigenspannungen der. Art (Makroeigenspannungen) bezeichnet. Für den Praktiker sind nur diese Eigenspannungen. Art von Bedeutung. Die Mikroeigenspannungen in Kristallit-Teilbereichen (von bis 0 2 mm Größe), die Eigenspannungen 2. Art zwischen benachbarten Kristallen, sowie die in submikroskopischen atomaren Bereichen von 0 2 bis 0 6 mm Größe an Kristallbaufehlern (Leerstellen, Versetzungen) wirkenden Eigenspannungen.2.2 Unterscheidung und Einteilung der Eigenspannungen Tabelle -. Übersicht der Bezeichnungen für unterschiedliche Eigenspannungen. dem Vorzeichen in Zug- und Druck-Eigenspannungen unterschieden, Bild -6. Am Flachstab nach Bild -0 wird die Überlagerung der aus dem Schweißen der Längsnaht (ohne Bild -0. Längs-Eigenspannungen vom () Zwängungsspannungen bei freier Schweißkonstruktion äußerlich statisch unbestimmt gestützt wird [-, -6]. In den meisten praktischen nicht real. Aus der Kenntnis der Größe, Verteilung und Wirkung der Verformungen.2. Wirkung der Eigenspannungen daher immer im Zusammenhang mit diesen Bedingungen differenziert zu betrachten [-]..2 Eigenspannungen beim Schweißen.2. Entstehen und Arten der Eigenspannungen über das Bauteil wandert, siehe Bild -. Diese Formänderungen sind örtlich konzentriert und Bild -. Quasistationäres wird, nach [-]. annimmt, bleiben die durch das Temperaturfeld verursachten zu den Formänderungen gibt Bild - schematisch, vereinfacht wieder. Bild -. Schema zum Entstehen 3.2.. Berechnung der Querschrumpfung abhängig von den Schweißparametern... 3.2..2 Querschrumpfung abhängig von Blechdicke, Nahtquerschnitt und Schweißverfahren... 6 3.2..3 Einflüsse auf die Querschrumpfung an Stumpfnähten Experimentelle Ergebnisse... 7 3.2.2 Querschrumpfung durch Kehlnähte... 3.3 Winkelschrumpfung und Biegeverzug/Krümmung... 3 3.3. Winkelschrumpfung an Stumpfnähten... 3.3.2 Winkelschrumpfung durch Kehlnähte... 7 3.3.3 Winkelschrumpfung und Biegeverzug an stab- oder trägerförmigen Bauteilen... 6 3.3. Berechnungsbeispiel für außermittige Quer- und Längsschrumpfung (Krümmungsberechnung) 3. Längsschrumpfung und Biegeverzug... 66 3.. Schrumpfkräfte und Faktoren zur Berechnung der Längsschrumpfung... 66 3..2 Berechnung der axialen Längenänderung durch Längsschrumpfung... 6 3..3 Einfluss des Werkstoffs und der Fertigungsbedingungen auf die Längsschrumpfung... 70 3.. Außermittige Längsschrumpfung mit Biegeverzug/Stabkrümmung durch Längsnähte... 72 3.. Biegeverzug und Verwerfung an ausgesteiften Platten und Bauteilen... 7 3. Biegeverzug beim Schweißen unter Last außermittige Schrumpfung... 77 3.6 Zulässige Maß- und Form-Abweichungen nach dem Regelwerk... 3.6. Übersicht... 3.6.2 Allgemeintoleranzen für Längen- und Winkelmaße Form und Lage nach DIN EN ISO 3920... 2 3.6.2. Anwendungsbereich... 2 3.6.2.2 Allgemeintoleranzen... 3 3.6.2.3 Zeichnungsangaben... 3.6.3 Toleranzen für im Stahlbau... 3.6.3. Normen zu den im Stahlbau, Stahlhochbau und zu den Stahlbau-Kunstbauten der Deutschen Bahn... 3.6.3.2 Maßhaltigkeit der Bauteile und Toleranzen nach Normen... 6 3.6.3.3 Bauteilbezogene zulässige Abweichungen nach DIN V ENV 090-... 7 3.6. Ergänzende Empfehlungen für größere Bauteile und Baustellenmontagen... 3.6.. Krümmung von Vollwandträgern über die x-achse... 3.6..2 Krümmung von Vollwandträgern über die y-achse... 90 3.6..3 Verdrehung von Trägern... 9 Schrifttum... 9 Einfluss der Formänderungen auf die Tragfähigkeit von. Sprödbruchsicherheit... 96.. Eigenspannungen, Längsnähte und die Bewertung von Sprödbruch-Schadensfällen... 96..2 Ursachen des Sprödbruchs und Maßnahmen zur Vermeidung... 9..3 Nachweis der Sprödbruch-Sicherheit Werkstoffwahl... 00.. Maßnahmen zur Vermeidung von Terrassenbrüchen... 0.2 Einfluss der Eigenspannungen auf die statische Tragfähigkeit und die Stabilität... 0.2. Knicken... 06.2.. Biegeknicken... 06.2..2 Biegedrill-Knicken... 09
Einführung. Zielstellung und Inhalt Formänderungen, bei der Konstruktion und in der Fertigung beherrscht werden. Stauchungen im Nahtbereich, wodurch bei Abkühlung Formänderungen Bild -. Kompetenzmanagement zum Fügen [-]. ein zielgerichtetes Management erforderlich. Bild - gibt dieses Kompetenz-Management zum von Formänderungen. Fachkompetenz ist dann erwiesen, wenn es gelingt, Werkstückes zu sichern. Bild -2 zeigt das System, in dem die angesprochene Kompetenz L_06326.job Bogen: A Einführung.... Zielstellung und Inhalt....2 Eigenspannungen beim Schweißen....2. Entstehen und Arten der Eigenspannungen....2.2 Unterscheidung und Einteilung der Eigenspannungen....2.3 Beispiele typischer Eigenspannungsverteilungen... 6.2. Wirkung der Eigenspannungen....3 Formänderungen, Bezeichnungen, Arten und Wirkungen... 0.3. Schrumpfungen....3.2 Verzug und Krümmung (Biegeverzug)... 2.3.3 Beulung und Verwerfung... 3 Schrifttum... 6 2 Physikalische Werkstoffeigenschaften, Wärmeeintrag und Temperaturfelder... 2. Wärmephysikalische Eigenschaften des Werkstoffs... 2.3 Zum Entstehen von Rissen Heiß- und Kaltrisse, Lamellarrisse/Terrassenbruch... 2 2.3. Einflüsse auf das Entstehen von Heißrissen... 2 2.3. Zur Entstehung von Terrassenbrüchen... 3 2.. Vereinfachte Übersicht zu Wärmequellen und Temperaturfeldern... 33 2..3. Berechnung der Maximaltemperatur an definierten Punkten... 3 3. zu den Formänderungen beim Schweißen... 0 3.. Formänderungen...0 3..2 Unterschiedliche Arten der Formänderungen... 3..3 Wärmewirkungen und Schrumpfungen... 3.2. Querschrumpfung durch Stumpfnähte mittig zur Stabachse/in der Plattenebene... 3 zu den nachfolgenden als Eigenspannungen der. Art (Makroeigenspannungen) bezeichnet. Für den Praktiker sind nur diese Eigenspannungen. Art von Bedeutung. Die Mikroeigenspannungen in Kristallit-Teilbereichen (von bis 0 2 mm Größe), die Eigenspannungen 2. Art zwischen benachbarten Kristallen, sowie die in submikroskopischen atomaren Bereichen von 0 2 bis 0 6 mm Größe an Kristallbaufehlern (Leerstellen, Versetzungen) wirkenden Eigenspannungen.2.2 Unterscheidung und Einteilung der Eigenspannungen Tabelle -. Übersicht der Bezeichnungen für unterschiedliche Eigenspannungen. dem Vorzeichen in Zug- und Druck-Eigenspannungen unterschieden, Bild -6. Am Flachstab nach Bild -0 wird die Überlagerung der aus dem Schweißen der Längsnaht (ohne Bild -0. Längs-Eigenspannungen vom () Zwängungsspannungen bei freier Schweißkonstruktion äußerlich statisch unbestimmt gestützt wird [-, -6]. In den meisten praktischen nicht real. Aus der Kenntnis der Größe, Verteilung und Wirkung der Verformungen.2. Wirkung der Eigenspannungen daher immer im Zusammenhang mit diesen Bedingungen differenziert zu betrachten [-]..2 Eigenspannungen beim Schweißen.2. Entstehen und Arten der Eigenspannungen über das Bauteil wandert, siehe Bild -. Diese Formänderungen sind örtlich konzentriert und Bild -. Quasistationäres wird, nach [-]. annimmt, bleiben die durch das Temperaturfeld verursachten zu den Formänderungen gibt Bild - schematisch, vereinfacht wieder. Bild -. Schema zum Entstehen 3.2.. Berechnung der Querschrumpfung abhängig von den Schweißparametern... 3.2..2 Querschrumpfung abhängig von Blechdicke, Nahtquerschnitt und Schweißverfahren... 6 3.2..3 Einflüsse auf die Querschrumpfung an Stumpfnähten Experimentelle Ergebnisse... 7 3.2.2 Querschrumpfung durch Kehlnähte... 3.3 Winkelschrumpfung und Biegeverzug/Krümmung... 3 3.3. Winkelschrumpfung an Stumpfnähten... 3.3.2 Winkelschrumpfung durch Kehlnähte... 7 3.3.3 Winkelschrumpfung und Biegeverzug an stab- oder trägerförmigen Bauteilen... 6 3.3. Berechnungsbeispiel für außermittige Quer- und Längsschrumpfung (Krümmungsberechnung) 3. Längsschrumpfung und Biegeverzug... 66 3.. Schrumpfkräfte und Faktoren zur Berechnung der Längsschrumpfung... 66 3..2 Berechnung der axialen Längenänderung durch Längsschrumpfung... 6 3..3 Einfluss des Werkstoffs und der Fertigungsbedingungen auf die Längsschrumpfung... 70 3.. Außermittige Längsschrumpfung mit Biegeverzug/Stabkrümmung durch Längsnähte... 72 3.. Biegeverzug und Verwerfung an ausgesteiften Platten und Bauteilen... 7 3. Biegeverzug beim Schweißen unter Last außermittige Schrumpfung... 77 3.6 Zulässige Maß- und Form-Abweichungen nach dem Regelwerk... 3.6. Übersicht... 3.6.2 Allgemeintoleranzen für Längen- und Winkelmaße Form und Lage nach DIN EN ISO 3920... 2 3.6.2. Anwendungsbereich... 2 3.6.2.2 Allgemeintoleranzen... 3 3.6.2.3 Zeichnungsangaben... 3.6.3 Toleranzen für im Stahlbau... 3.6.3. Normen zu den im Stahlbau, Stahlhochbau und zu den Stahlbau-Kunstbauten der Deutschen Bahn... 3.6.3.2 Maßhaltigkeit der Bauteile und Toleranzen nach Normen... 6 3.6.3.3 Bauteilbezogene zulässige Abweichungen nach DIN V ENV 090-... 7 3.6. Ergänzende Empfehlungen für größere Bauteile und Baustellenmontagen... 3.6.. Krümmung von Vollwandträgern über die x-achse... 3.6..2 Krümmung von Vollwandträgern über die y-achse... 90 3.6..3 Verdrehung von Trägern... 9 Schrifttum... 9 Einfluss der Formänderungen auf die Tragfähigkeit von. Sprödbruchsicherheit... 96.. Eigenspannungen, Längsnähte und die Bewertung von Sprödbruch-Schadensfällen... 96..2 Ursachen des Sprödbruchs und Maßnahmen zur Vermeidung... 9..3 Nachweis der Sprödbruch-Sicherheit Werkstoffwahl... 00.. Maßnahmen zur Vermeidung von Terrassenbrüchen... 0.2 Einfluss der Eigenspannungen auf die statische Tragfähigkeit und die Stabilität... 0.2. Knicken... 06.2.. Biegeknicken... 06.2..2 Biegedrill-Knicken... 09
Einführung.... Zielstellung und Inhalt....2 Eigenspannungen beim Schweißen....2. Entstehen und Arten der Eigenspannungen....2.2 Unterscheidung und Einteilung der Eigenspannungen....2.3 Beispiele typischer Eigenspannungsverteilungen... 6.2. Wirkung der Eigenspannungen....3 Formänderungen, Bezeichnungen, Arten und Wirkungen... 0.3. Schrumpfungen....3.2 Verzug und Krümmung (Biegeverzug)... 2.3.3 Beulung und Verwerfung... 3 Schrifttum... 6 2 Physikalische Werkstoffeigenschaften, Wärmeeintrag und Temperaturfelder... 2. Wärmephysikalische Eigenschaften des Werkstoffs... 2.3 Zum Entstehen von Rissen Heiß- und Kaltrisse, Lamellarrisse/Terrassenbruch... 2 2.3. Einflüsse auf das Entstehen von Heißrissen... 2 2.3. Zur Entstehung von Terrassenbrüchen... 3 2.. Vereinfachte Übersicht zu Wärmequellen und Temperaturfeldern... 33 2..3. Berechnung der Maximaltemperatur an definierten Punkten... 3 3. zu den Formänderungen beim Schweißen... 0 3.. Formänderungen...0 3..2 Unterschiedliche Arten der Formänderungen... 3..3 Wärmewirkungen und Schrumpfungen... 3.2. Querschrumpfung durch Stumpfnähte mittig zur Stabachse/in der Plattenebene... 3 zu den nachfolgenden als Eigenspannungen der. Art (Makroeigenspannungen) bezeichnet. Für den Praktiker sind nur diese Eigenspannungen. Art von Bedeutung. Die Mikroeigenspannungen in Kristallit-Teilbereichen (von bis 0 2 mm Größe), die Eigenspannungen 2. Art zwischen benachbarten Kristallen, sowie die in submikroskopischen atomaren Bereichen von 0 2 bis 0 6 mm Größe an Kristallbaufehlern (Leerstellen, Versetzungen) wirkenden Eigenspannungen.2.2 Unterscheidung und Einteilung der Eigenspannungen Tabelle -. Übersicht der Bezeichnungen für unterschiedliche Eigenspannungen. dem Vorzeichen in Zug- und Druck-Eigenspannungen unterschieden, Bild -6. L_06326.job Bogen: A Am Flachstab nach Bild -0 wird die Überlagerung der aus dem Schweißen der Längsnaht (ohne Bild -0. Längs-Eigenspannungen vom () Zwängungsspannungen bei freier Schweißkonstruktion äußerlich statisch unbestimmt gestützt wird [-, -6]. In den meisten praktischen nicht real. Aus der Kenntnis der Größe, Verteilung und Wirkung der Verformungen.2. Wirkung der Eigenspannungen daher immer im Zusammenhang mit diesen Bedingungen differenziert zu betrachten [-]. Einführung. Zielstellung und Inhalt Formänderungen, bei der Konstruktion und in der Fertigung beherrscht werden. Stauchungen im Nahtbereich, wodurch bei Abkühlung Formänderungen Bild -. Kompetenzmanagement zum Fügen [-]. ein zielgerichtetes Management erforderlich. Bild - gibt dieses Kompetenz-Management zum von Formänderungen. Fachkompetenz ist dann erwiesen, wenn es gelingt, Werkstückes zu sichern. Bild -2 zeigt das System, in dem die angesprochene Kompetenz.2 Eigenspannungen beim Schweißen.2. Entstehen und Arten der Eigenspannungen über das Bauteil wandert, siehe Bild -. Diese Formänderungen sind örtlich konzentriert und Bild -. Quasistationäres wird, nach [-]. annimmt, bleiben die durch das Temperaturfeld verursachten zu den Formänderungen gibt Bild - schematisch, vereinfacht wieder. Bild -. Schema zum Entstehen 3.2.. Berechnung der Querschrumpfung abhängig von den Schweißparametern... 3.2..2 Querschrumpfung abhängig von Blechdicke, Nahtquerschnitt und Schweißverfahren... 6 3.2..3 Einflüsse auf die Querschrumpfung an Stumpfnähten Experimentelle Ergebnisse... 7 3.2.2 Querschrumpfung durch Kehlnähte... 3.3 Winkelschrumpfung und Biegeverzug/Krümmung... 3 3.3. Winkelschrumpfung an Stumpfnähten... 3.3.2 Winkelschrumpfung durch Kehlnähte... 7 3.3.3 Winkelschrumpfung und Biegeverzug an stab- oder trägerförmigen Bauteilen... 6 3.3. Berechnungsbeispiel für außermittige Quer- und Längsschrumpfung (Krümmungsberechnung) 3. Längsschrumpfung und Biegeverzug... 66 3.. Schrumpfkräfte und Faktoren zur Berechnung der Längsschrumpfung... 66 3..2 Berechnung der axialen Längenänderung durch Längsschrumpfung... 6 3..3 Einfluss des Werkstoffs und der Fertigungsbedingungen auf die Längsschrumpfung... 70 3.. Außermittige Längsschrumpfung mit Biegeverzug/Stabkrümmung durch Längsnähte... 72 3.. Biegeverzug und Verwerfung an ausgesteiften Platten und Bauteilen... 7 3. Biegeverzug beim Schweißen unter Last außermittige Schrumpfung... 77 3.6 Zulässige Maß- und Form-Abweichungen nach dem Regelwerk... 3.6. Übersicht... 3.6.2 Allgemeintoleranzen für Längen- und Winkelmaße Form und Lage nach DIN EN ISO 3920... 2 3.6.2. Anwendungsbereich... 2 3.6.2.2 Allgemeintoleranzen... 3 3.6.2.3 Zeichnungsangaben... 3.6.3 Toleranzen für im Stahlbau... 3.6.3. Normen zu den im Stahlbau, Stahlhochbau und zu den Stahlbau-Kunstbauten der Deutschen Bahn... 3.6.3.2 Maßhaltigkeit der Bauteile und Toleranzen nach Normen... 6 3.6.3.3 Bauteilbezogene zulässige Abweichungen nach DIN V ENV 090-... 7 3.6. Ergänzende Empfehlungen für größere Bauteile und Baustellenmontagen... 3.6.. Krümmung von Vollwandträgern über die x-achse... 3.6..2 Krümmung von Vollwandträgern über die y-achse... 90 3.6..3 Verdrehung von Trägern... 9 Schrifttum... 9 Einfluss der Formänderungen auf die Tragfähigkeit von. Sprödbruchsicherheit... 96.. Eigenspannungen, Längsnähte und die Bewertung von Sprödbruch-Schadensfällen... 96..2 Ursachen des Sprödbruchs und Maßnahmen zur Vermeidung... 9..3 Nachweis der Sprödbruch-Sicherheit Werkstoffwahl... 00.. Maßnahmen zur Vermeidung von Terrassenbrüchen... 0.2 Einfluss der Eigenspannungen auf die statische Tragfähigkeit und die Stabilität... 0.2. Knicken... 06.2.. Biegeknicken... 06.2..2 Biegedrill-Knicken... 09
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über htttp://dnb.ddb.de abrufbar. Autoren Kapitel, 3 und : Prof. Dr.-Ing. Hans-Joachim Hänsch (verstorben), Kleinmachnow Kapitel : Prof. Dr.-Ing. habil. Dieter Kluge, Chemnitz Kapitel, 3 und : Dr.-Ing. Johannes Krebs, Zeuthen Kapitel 6: Dr.-Ing. Peter Nikolay, Rostock Kapitel 2: Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Seyffarth, Rostock Fachbuchreihe Schweißtechnik Band 3 ISBN-3: 97-3-7-3-3 ISBN-0: 3-7-3-X Alle Rechte vorbehalten. Verlag für Schweißen und verwandte Verfahren DVS-Verlag GmbH, Düsseldorf 2006 Herstellung: Limberg-Druck GmbH, Kaarst Titelgestaltung: Marschall Sott Werbeagentur, Düsseldorf Bild -7. Längs-Eigenspannungen an der Schweißnaht; a) bei unlegiertem oder austenitischem Stahl, b) an niedrig legiertem Stahl mit Gefügeumwandlung, nach [-]. Bild -. Längs- und Quer-Eigenspannungen in einer Stumpfnaht; a) Längsspannungen in Nahtrichtung ı E x, b) Querspannungen quer zur Naht ı E y [-]. Längseigenspannungen können ab einer Länge der Schweißnaht von etwa 300 mm den Betrag der Streckgrenze des geschweißten Werkstoffes, die deutlich über der des Grundwerkstoffs liegen kann, erreichen. Quereigenspannungen und die in Richtung der Dicke liegenden Eigenspannungen sind meist deutlich niedriger. Die Eigenspannungen verhalten sich wie ı E x zu ı E y zu ı E z Re zu 0, Re zu 0, Re. Die Verteilung der Quereigenspannungen wird wesentlich von der Länge der Naht und der Schweißgeschwindigkeit beeinflusst, Bild -9. Bild -9. Quer-Eigenspannungen in einer Rechteckplatte; a) lange Naht schnell geschweißt, b) kurze Naht schnell geschweißt, c) lange Naht langsam geschweißt, nach [-]. 7 L_06326.job Bogen: B Bild -6. Bezeichnung der Eigenspannungen nach der Richtung zur Naht. Zu d): Abhängig davon, ob die Schweißverbindung im Bauteil frei schrumpfen kann, ist zu unterscheiden in Zwängungsspannungen aus dem Schweißen der Verbindung und den Reaktionsspannungen aus der Einspannung im Bauteil oder in einer Vorrichtung. Für die Bewertung der Tragfähigkeit geschweißter Bauteile ist immer die Summe der Zwängungsund der Reaktionsspannungen bestimmend; dagegen ist die Unterscheidung für die Ableitung von Maßnahmen zur Fertigung einer spannungsarmen und maßgenauen Schweißkonstruktion wichtig. Ferner ist die Veränderung der Höhe der Eigenspannungen durch Prüf- oder Nutzlasten bei örtlich begrenzter Überschreitung der Streckgrenze zu berücksichtigen. Die bei schwingender Last im Zeitfestigkeitsbereich durch Abbau und Umlagerung verringerten Eigenspannungen werden als Restspannungen bezeichnet, siehe Abschnitt.3..2.3 Beispiele typischer Eigenspannungsverteilungen Eigenspannungen sind im Bauteil ohne äußere Beanspruchung vorhanden und stehen in jedem beliebigen Querschnitt im Gleichgewicht: F = 0 und M = 0. Die Verteilung der Längseigenspannungen im Querschnitt einer Schweißverbindung an unlegiertem Baustahl zeigt Bild -7 a. Die zuletzt erkalteten Stellen des Werkstoffs weisen Zugeigenspannungen auf, während sich in ihrer Umgebung Druckeigenspannungen in der Weise ausbilden, dass das Gleichgewicht der Kräfte und Momente hergestellt wird. Da bei Schweißverbindungen die erwärmten und damit zuletzt abgekühlten Zonen verhältnismäßig klein sind, entstehen in der Schweißnaht und deren Umgebung hohe Zug-Längsspannungen, die oft die Fließgrenze erreichen, während sich die Druck-Längsspannungen auf größere Querschnittsteile erstrecken und demzufolge wesentlich niedriger sind. An niedrig legierten Werkstoffen können infolge von Gefügeumwandlungen bei Abkühlung Druck-Eigenspannungen in der Naht und Zug-Eigenspannungen in der Übergangszone entstehen, Bild -7 b. Eine typische Verteilung der Längs- und der Querspannungen an der Stumpfnaht eines dünnen Bleches aus Baustahl wird in Bild - wiedergegeben. 6 Das Fachbuch baut auf dem vor Jahrzehnten in dieser Buchreihe erschienenen Band 0 von R. Malisius Schrumpfungen, Spannungen und Risse beim Schweißen auf und fasst die Ergebnisse vielfältiger Versuche und Veröffentlichungen zusammen. Angesprochen werden die in der Praxis mit betrauten Ingenieure sowie die Studenten der Technischen Universitäten und Fachhochschulen. Schweißtechnische Aufsichtspersonen können aus den Übersichten den Einfluss von Formänderungen auf Konstruktion und Fertigungsvorbereitung, notwendige Forderungen und bewährte Hinweise entnehmen. Die Fertigung tragfähiger und maßhaltiger setzt fundierte Kenntnisse des Schweißkonstrukteurs, des Fertigungsplaners und des Schweißpersonals voraus. Ausgehend von den physikalischen Vorgängen beim Erwärmen und Abkühlen werden die Zusammenhänge zwischen Werkstoff, Wärmeeintrag und Temperaturfeld beim Schweißen dargestellt. Zur Größe der durch das Schweißen bedingten Quer-, Winkel- und Längsschrumpfung an den Bauteilen werden Berechnungsgrundlagen angegeben und Näherungen, Diagramme und Versuchsergebnisse behandelt. Die zu erwartende Formänderung durch Schrumpfung, Verzug oder Krümmung kann damit im Voraus bestimmt und durch geeignete Maßnahmen verringert werden. Die Vorausberechnung wird am Beispiel von Trägern, auch beim Schweißen unter Last, erläutert. Die nach dem Regelwerk zulässigen Formänderungen werden übersichtlich dargestellt. Zum Nachweis der Sicherheit gegen Sprödbruch und für statisch belastete Bauwerke gegen Knicken und Beulen werden die aus dem Einfluss des Schweißens resultierenden Faktoren behandelt. Für die Berechnung in geschweißten Bauteilen liegt ebenfalls in dieser Buchreihe der Band 3 von D. Radaj Verzug beim Schweißen Rechen- und Messverfahren vor. Zur Bewertung der Wirkung auf die Schwingfestigkeit wird auf neuere Richtlinien eingegangen und es werden Vorschläge zur festigkeitsgerechten Berechnung und Ausführung begründet. Maßnahmen zur Qualitätssicherung und zur Maßhaltigkeit geschweißter Bauteile, die von der Unternehmensleitung, der Konstruktion und der Fertigungsvorbereitung zu ergreifen sind, wurden übersichtlich zusammengestellt und mit Beispielen erläutert. Damit vermittelt das Fachbuch die, um in den Konstruktionsunterlagen und im schweißtechnischen Arbeitsplan der Fertigung die Festlegungen aufzunehmen, die geeignet sind, Formänderungen gering zu halten und die Maßhaltigkeit nach dem Schweißen zu erreichen. Die zur Kontrolle der Abmessungen und Formänderungen geeigneten messtechnischen Verfahren werden übersichtlich beschrieben. Die Bearbeitung wurde auf Initiative des inzwischen verstorbenen Prof. Dr.-Ing. A. Neumann begonnen. Als Herausgeber hatte sich Prof. Dr.-Ing. P. Seyffarth bereit erklärt. Dessen Tätigkeit wurde von Prof. Dr.-Ing. H.-J. Hänsch übernommen und vom Mitherausgeber abgeschlossen. Zum Inhalt der Kapitel bis haben in Gemeinschaftsarbeit jeweils mehrere Autoren beigetragen. Dem Lektor des DVS-Verlages, Herrn Lothar Knittel, gilt der Dank der Autoren für die geduldige und anregende Zusammenarbeit. Zeuthen, im August 2006 Johannes Krebs.2..3 Knickstab-ähnliches Ausbeulen breiter längsausgesteifter Druckgurte (Knickstabanalogie)... 09.2.2 Platten- und Schalenbeulen... 0.2.3 Querschnittsgestaltung von Druckgliedern... 0.2. Beispiele für Schäden durch Ausbeulung Einfluss der Formänderungen durch das Schweißen....2.. Zylinder-Mantel eines Silos....2..2 Zusammenbruch einer Kastenträgerbrücke... 2.2. Kritische Beulfeldgröße, Kriterium zum Beulen dünnwandiger Stegbleche von Kastenträgern... 2.3 Einfluss unter Schwinglast und neue Bemessungsrichtlinien....3. Schwingfestigkeit....3.2 Zur Schwingfestigkeit von geschweißten Bauteilen... 7.3.2. Wöhlerlinien von Kleinproben und Bauteilproben... 7.3.2.2 Einfluss höherer Lastwechselzahl und des Spannungsarmglühens (SPG)....3.2.3 Schwingfestigkeit und Mittelspannungseinfluss Vergleich mit dem Durchschnitt... 20.3.3 Schwingfestigkeitsnachweis neue Richtlinien und Erhöhungsfaktor für die Wechselfestigkeit... 2.3.3. Bestehende Vorschriften ohne Eigenspannungseinfluss... 2.3.3.2 Eigenspannungseinfluss nach neuen IIW-Empfehlungen und -Richtlinien... 22.3.3.3 Vorschlag für Erhöhungsfaktor und differenzierte Bewertung... 2. Bewertung des Einflusses der Eigenspannungen an typischen Bauteilen... 2.. Modell des Spannungszustandes in Schweißverbindungen und die Bedingungen für den Abbau der Eigenspannungen... 2..2 Einfluss der Eigenspannungen auf die Tragfähigkeit typischer Bauteile unter Zug- Lastspannungen... 27..3 Einfluss der Eigenspannungen auf druckbelastete Knickstäbe, Scheiben, Platten und Schalen Stabilitätsfälle... 29.. Übersicht zu Eigenspannungseinfluss, Erhöhungsfaktor und Wanddickenbegrenzung. 30. Folgerungen zur Tragfähigkeit und Maßnahmen zur Verminderung des Eigenspannungseinflusses... 3.. Tragfähigkeit von Bauteilen unter dem Einfluss... 3..2 Anwendung des Spannungsarmglühens... 3..3 Fertigungs- und festigkeitsgerechte Gestaltung von Trägeranschlüssen... 32.. Maßnahmen zur Verringerung des Eigenspannungseinflusses... 33.. Nachbehandlungen an konstruktiven Details... 3.6 Sicherheitsnachweise für Bauteile mit unter Last geschweißten Verstärkungen... 36.6. Konstruktionsformen und Wärmeableitung... 36.6.2 Erforderliche Nachweise... 36.6.3 Nachweis zum Zeitpunkt der größten Querschnittsschwächung (ZP )... 37.6. Nachweise zum Zeitpunkt der Maxima der Dehnung (ZP 2) und der Schrumpfung (ZP 3)... 39.6. Ausführungsbeispiele... 0 Schrifttum... in der Schweißanweisung des Herstellers nach DIN EN ISO 609- [-3] auszuweisen. Als Grundlage können beispielsweise zur Vorausberechnung notwendiger Zugaben an den Einzelteilen die in Kapitel 3 angegebenen praktischen Verfahren zur Ermittlung der Schrumpfungen und Formänderungen nach dem Schweißen und die zusammenfassend wiedergegebenen Messergebnisse dienen. Obwohl das Schweißen als technologisches Verfahren dem Fertigungsprozess zugeordnet ist, greift es jedoch entscheidend in den Entwurfs- und Gestaltungsprozess ein. Es genügt daher nicht, die Bemessung und Gestaltung einer Konstruktion allein nach den Beanspruchungen aus äußeren Lasten und den speziellen Nutzungsbedingungen vorzunehmen. Das Schweißen beeinflusst in erheblichem Maße die Dimensionierung, Werkstoffwahl, Formgebung und andere konstruktive Bedingungen. Die Auswirkungen der der Formänderungen beim Schweißen müssen daher in Maßnahmen zu deren Begrenzung bei der Konstruktion und Fertigungsvorbereitung einmünden. Dem schon lange beherrschten Phänomen Sprödbrüche folgte in den letzten 30 Jahren das Phänomen Instabilität versteifter Druckgurte von Kastenträgern. Eigenspannungen in Verbindung mit Formänderungen (Beulen und Verwerfungen) waren die Ursache für das Ausknicken ganzer Bauteile mit Totalverlust. Dies verweist auf die wechselseitige Abhängigkeit von Konstruktion und Technologie zur Einhaltung der festgelegten Form und des Nachweises für die Trag- und Gebrauchsfähigkeit der durch das Schweißen beeinflussten Bauteile. Zur Schwingfestigkeit geschweißter Verbindungen und Bauteile liegen umfangreiche Untersuchungen und neue Richtlinien vor. Letztere unterscheiden sich zum Teil wesentlich von den bisher angewandten Normen, daher wird auf diese Veränderungen eingegangen. Für die Tragfähigkeit einer qualitätsgerecht hergestellten Schweißkonstruktion sind die Wirkungen und von Formänderungen differenziert zu bewerten. Während unter ruhender Zugbelastung die Eigenspannungen normalerweise keine Rolle spielen, kann bei tieferer Einsatztemperatur ein gesonderter Nachweis der Sprödbruchsicherheit erforderlich sein. Bei Druckbeanspruchung schlanker oder dünner Bauteile sind Eigenspannungen im Stabilitätsnachweis zu berücksichtigen. Dazu und für charakteristische Fälle unter schwingender Belastung wurde ein beschreibendes Verfahren zur Bewertung des Einflusses der Eigenspannungen an typischen Bauteilen in Kapitel dargestellt. Bei veränderter Nutzung von Tragwerken ist oft eine Verstärkung notwendig. Zur wirtschaftlichen Ausführung solcher Verstärkungen wurde das Verfahren zum Nachweis der Zulässigkeit des Schweißens unter Last angegeben. Auf der Grundlage von Erfahrungen, neuerer Erkenntnisse und Vorschriften wird dazu mit diesem für den Praktiker geschriebenem Buch notwendiges Rüstzeug für das Beherrschen der Eigenspannungen Schweißen vermittelt. Die gedrängte praxisorientierte Darstellung dieses Buches sei ergänzt durch Verweise auf vertiefende Literatur zu: Wärmephysikalischen [-7], Modellierung und Berechnung [-], Konstruktive Gestaltung und Festigkeit [-], Fertigungsplanung in der Schweißtechnik [-9]. 3 Bild -2. Managementsystem des Fügens, Kompetenzfelder und handelnde Bereiche [-]. Die Zielstellung, die Qualität einschließlich der Maßhaltigkeit nach dem Schweißen zu sichern, fachlich zu beherrschen, erfordert Fachkompetenz (siehe Kapitel 2, Kapitel 3 und Kapitel ) und ein Wissensmanagement mit Erfahrungsrückfluss, Bild -3. Die Maßnahmen der Unternehmensleitung, der Konstruktion und der Fertigungsvorbereitung zur Qualitätssicherung werden im Kapitel übersichtlich dargestellt und an Beispielen erläutert. Bild -3. Wissensmanagement für Formänderungen und Eigenspannungen beim Durch Minimieren der Form- und Maßabweichungen während des Schweißprozesses gelingt es, den Aufwand für nachträgliches Richten deutlich unter 0 % der Zeit für das vorangegangene Schweißen zu senken. Nachträgliches Reduzieren der Formänderungen durch Kalt- oder Warmrichten kann ebenso wie ein nachträglicher Abbau der Eigenspannungen durch thermische oder mechanische Verfahren schon aus Kostengründen nicht befriedigen und muss auf Ausnahmefälle beschränkt bleiben. Die Maßhaltigkeit der Werkstücke nach dem Schweißen ist Bestandteil des Qualitätsmanagements nach DIN EN ISO 9000 [-2]. Die Maßhaltigkeit ist auch Bestandteil der Verfahrensprüfung und 2 Maßnahmen zur Begrenzung der... 0. Unternehmerische, konstruktive und fertigungstechnische Maßnahmen... 0.. Hinweise zur Prozessorganisation qualitätsgerechte Schweißfertigung durch die Unternehmensleitung... 0..2 Hinweise zur Begrenzung der Formänderungen im Nahtbereich 2..2. Maßnahmen in der Konstruktion und Fertigungsvorbereitung zur Begrenzung der Querschrumpfung.....2.2 Maßnahmen in der Konstruktion und Fertigungsvorbereitung zur Begrenzung der Winkelschrumpfung.....2.3 Maßnahmen in der Konstruktion und Fertigungsvorbereitung zur Begrenzung der Längsschrumpfung... 7.2 Hinweise und Beispiele für geringe Formänderungen an geschweißten Bauteilen... 7.2. Allgemeine Hinweise und Beispiele... 7.2.2 Hinweise und Beispiele zur Begrenzung von Biegeverzug/Krümmung/Verdrehung an Trägern....2.2. Allgemeine Maßnahmen... 63.2.2.2 Wahl der Querschnittsform und die Lage der Schweißnähte... 6.2.2.3 Maßnahmen zur Verringerung des Biegeverzugs an Trägern... 6.2.2. Vorkrümmen und Richten in einem Arbeitsgang bei größerer Stückzahl und mechanisierter Fertigung... 66.2.3 Hinweise zur Verminderung von Verwerfungen an ausgesteiften Platten und Paneelen... 6.2. Hinweise und Beispiele zur Verringerung von Beulen an Dünnblechen und an Schalen... 70.2.. Allgemeine Maßnahmen für die Dünnblechschweißung... 70.2..2 Beulgefahr und eine Übersicht der Einflüsse... 7.3 Schweißtechnische Fertigungspläne... 73. Empfehlungen für Schweißfolgen (Lagenfolgen, Nahtfolgen, Zusammenbaufolgen)... 7.. Grundsätze für Nahtaufbau (Lagenfolgen) und Nahtfolgen... 7..2 Stumpfnähte... 7..3 Kehlnähte... 77.. Schlussbetrachtung zu Stumpf- und Kehlnähten... 7. Beispiele für Fertigungspläne geschweißter Baugruppen... 7.. Beispiel Maschinenbau Getriebekasten... 7..2 Beispiel Stahlbau Schwenkträger... 3.6 Erstellung von Schweißfolgeplänen durch ein Programmmodul....7 Nachbehandeln von Schweißteilen... 9.7. Mechanisches Richten... 9.7.2 Thermisches Richten... 90 Schrifttum... 96 6 Messen der Formänderungen Verfahren und Messmittel... 9 6. Messaufgabe und Gesichtspunkte zur Auswahl des Verfahrens... 9 6.. Anforderungen zum Nachweis eingehaltener Toleranzen... 9 6..2 Übersicht zur Auswahl der Messverfahren... 9
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über htttp://dnb.ddb.de abrufbar. Autoren Kapitel, 3 und : Prof. Dr.-Ing. Hans-Joachim Hänsch (verstorben), Kleinmachnow Kapitel : Prof. Dr.-Ing. habil. Dieter Kluge, Chemnitz Kapitel, 3 und : Dr.-Ing. Johannes Krebs, Zeuthen Kapitel 6: Dr.-Ing. Peter Nikolay, Rostock Kapitel 2: Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Seyffarth, Rostock Fachbuchreihe Schweißtechnik Band 3 ISBN-3: 97-3-7-3-3 ISBN-0: 3-7-3-X Alle Rechte vorbehalten. Verlag für Schweißen und verwandte Verfahren DVS-Verlag GmbH, Düsseldorf 2006 Herstellung: Limberg-Druck GmbH, Kaarst Titelgestaltung: Marschall Sott Werbeagentur, Düsseldorf Bild -7. Längs-Eigenspannungen an der Schweißnaht; a) bei unlegiertem oder austenitischem Stahl, b) an niedrig legiertem Stahl mit Gefügeumwandlung, nach [-]. Bild -. Längs- und Quer-Eigenspannungen in einer Stumpfnaht; a) Längsspannungen in Nahtrichtung ı E x, b) Querspannungen quer zur Naht ı E y [-]. Längseigenspannungen können ab einer Länge der Schweißnaht von etwa 300 mm den Betrag der Streckgrenze des geschweißten Werkstoffes, die deutlich über der des Grundwerkstoffs liegen kann, erreichen. Quereigenspannungen und die in Richtung der Dicke liegenden Eigenspannungen sind meist deutlich niedriger. Die Eigenspannungen verhalten sich wie ı E x zu ı E y zu ı E z Re zu 0, Re zu 0, Re. Die Verteilung der Quereigenspannungen wird wesentlich von der Länge der Naht und der Schweißgeschwindigkeit beeinflusst, Bild -9. Bild -9. Quer-Eigenspannungen in einer Rechteckplatte; a) lange Naht schnell geschweißt, b) kurze Naht schnell geschweißt, c) lange Naht langsam geschweißt, nach [-]. 7 L_06326.job Bogen: B Bild -6. Bezeichnung der Eigenspannungen nach der Richtung zur Naht. Zu d): Abhängig davon, ob die Schweißverbindung im Bauteil frei schrumpfen kann, ist zu unterscheiden in Zwängungsspannungen aus dem Schweißen der Verbindung und den Reaktionsspannungen aus der Einspannung im Bauteil oder in einer Vorrichtung. Für die Bewertung der Tragfähigkeit geschweißter Bauteile ist immer die Summe der Zwängungsund der Reaktionsspannungen bestimmend; dagegen ist die Unterscheidung für die Ableitung von Maßnahmen zur Fertigung einer spannungsarmen und maßgenauen Schweißkonstruktion wichtig. Ferner ist die Veränderung der Höhe der Eigenspannungen durch Prüf- oder Nutzlasten bei örtlich begrenzter Überschreitung der Streckgrenze zu berücksichtigen. Die bei schwingender Last im Zeitfestigkeitsbereich durch Abbau und Umlagerung verringerten Eigenspannungen werden als Restspannungen bezeichnet, siehe Abschnitt.3..2.3 Beispiele typischer Eigenspannungsverteilungen Eigenspannungen sind im Bauteil ohne äußere Beanspruchung vorhanden und stehen in jedem beliebigen Querschnitt im Gleichgewicht: F = 0 und M = 0. Die Verteilung der Längseigenspannungen im Querschnitt einer Schweißverbindung an unlegiertem Baustahl zeigt Bild -7 a. Die zuletzt erkalteten Stellen des Werkstoffs weisen Zugeigenspannungen auf, während sich in ihrer Umgebung Druckeigenspannungen in der Weise ausbilden, dass das Gleichgewicht der Kräfte und Momente hergestellt wird. Da bei Schweißverbindungen die erwärmten und damit zuletzt abgekühlten Zonen verhältnismäßig klein sind, entstehen in der Schweißnaht und deren Umgebung hohe Zug-Längsspannungen, die oft die Fließgrenze erreichen, während sich die Druck-Längsspannungen auf größere Querschnittsteile erstrecken und demzufolge wesentlich niedriger sind. An niedrig legierten Werkstoffen können infolge von Gefügeumwandlungen bei Abkühlung Druck-Eigenspannungen in der Naht und Zug-Eigenspannungen in der Übergangszone entstehen, Bild -7 b. Eine typische Verteilung der Längs- und der Querspannungen an der Stumpfnaht eines dünnen Bleches aus Baustahl wird in Bild - wiedergegeben. 6 Das Fachbuch baut auf dem vor Jahrzehnten in dieser Buchreihe erschienenen Band 0 von R. Malisius Schrumpfungen, Spannungen und Risse beim Schweißen auf und fasst die Ergebnisse vielfältiger Versuche und Veröffentlichungen zusammen. Angesprochen werden die in der Praxis mit betrauten Ingenieure sowie die Studenten der Technischen Universitäten und Fachhochschulen. Schweißtechnische Aufsichtspersonen können aus den Übersichten den Einfluss von Formänderungen auf Konstruktion und Fertigungsvorbereitung, notwendige Forderungen und bewährte Hinweise entnehmen. Die Fertigung tragfähiger und maßhaltiger setzt fundierte Kenntnisse des Schweißkonstrukteurs, des Fertigungsplaners und des Schweißpersonals voraus. Ausgehend von den physikalischen Vorgängen beim Erwärmen und Abkühlen werden die Zusammenhänge zwischen Werkstoff, Wärmeeintrag und Temperaturfeld beim Schweißen dargestellt. Zur Größe der durch das Schweißen bedingten Quer-, Winkel- und Längsschrumpfung an den Bauteilen werden Berechnungsgrundlagen angegeben und Näherungen, Diagramme und Versuchsergebnisse behandelt. Die zu erwartende Formänderung durch Schrumpfung, Verzug oder Krümmung kann damit im Voraus bestimmt und durch geeignete Maßnahmen verringert werden. Die Vorausberechnung wird am Beispiel von Trägern, auch beim Schweißen unter Last, erläutert. Die nach dem Regelwerk zulässigen Formänderungen werden übersichtlich dargestellt. Zum Nachweis der Sicherheit gegen Sprödbruch und für statisch belastete Bauwerke gegen Knicken und Beulen werden die aus dem Einfluss des Schweißens resultierenden Faktoren behandelt. Für die Berechnung in geschweißten Bauteilen liegt ebenfalls in dieser Buchreihe der Band 3 von D. Radaj Verzug beim Schweißen Rechen- und Messverfahren vor. Zur Bewertung der Wirkung auf die Schwingfestigkeit wird auf neuere Richtlinien eingegangen und es werden Vorschläge zur festigkeitsgerechten Berechnung und Ausführung begründet. Maßnahmen zur Qualitätssicherung und zur Maßhaltigkeit geschweißter Bauteile, die von der Unternehmensleitung, der Konstruktion und der Fertigungsvorbereitung zu ergreifen sind, wurden übersichtlich zusammengestellt und mit Beispielen erläutert. Damit vermittelt das Fachbuch die, um in den Konstruktionsunterlagen und im schweißtechnischen Arbeitsplan der Fertigung die Festlegungen aufzunehmen, die geeignet sind, Formänderungen gering zu halten und die Maßhaltigkeit nach dem Schweißen zu erreichen. Die zur Kontrolle der Abmessungen und Formänderungen geeigneten messtechnischen Verfahren werden übersichtlich beschrieben. Die Bearbeitung wurde auf Initiative des inzwischen verstorbenen Prof. Dr.-Ing. A. Neumann begonnen. Als Herausgeber hatte sich Prof. Dr.-Ing. P. Seyffarth bereit erklärt. Dessen Tätigkeit wurde von Prof. Dr.-Ing. H.-J. Hänsch übernommen und vom Mitherausgeber abgeschlossen. Zum Inhalt der Kapitel bis haben in Gemeinschaftsarbeit jeweils mehrere Autoren beigetragen. Dem Lektor des DVS-Verlages, Herrn Lothar Knittel, gilt der Dank der Autoren für die geduldige und anregende Zusammenarbeit. Zeuthen, im August 2006 Johannes Krebs.2..3 Knickstab-ähnliches Ausbeulen breiter längsausgesteifter Druckgurte (Knickstabanalogie)... 09.2.2 Platten- und Schalenbeulen... 0.2.3 Querschnittsgestaltung von Druckgliedern... 0.2. Beispiele für Schäden durch Ausbeulung Einfluss der Formänderungen durch das Schweißen....2.. Zylinder-Mantel eines Silos....2..2 Zusammenbruch einer Kastenträgerbrücke... 2.2. Kritische Beulfeldgröße, Kriterium zum Beulen dünnwandiger Stegbleche von Kastenträgern... 2.3 Einfluss unter Schwinglast und neue Bemessungsrichtlinien....3. Schwingfestigkeit....3.2 Zur Schwingfestigkeit von geschweißten Bauteilen... 7.3.2. Wöhlerlinien von Kleinproben und Bauteilproben... 7.3.2.2 Einfluss höherer Lastwechselzahl und des Spannungsarmglühens (SPG)....3.2.3 Schwingfestigkeit und Mittelspannungseinfluss Vergleich mit dem Durchschnitt... 20.3.3 Schwingfestigkeitsnachweis neue Richtlinien und Erhöhungsfaktor für die Wechselfestigkeit... 2.3.3. Bestehende Vorschriften ohne Eigenspannungseinfluss... 2.3.3.2 Eigenspannungseinfluss nach neuen IIW-Empfehlungen und -Richtlinien... 22.3.3.3 Vorschlag für Erhöhungsfaktor und differenzierte Bewertung... 2. Bewertung des Einflusses der Eigenspannungen an typischen Bauteilen... 2.. Modell des Spannungszustandes in Schweißverbindungen und die Bedingungen für den Abbau der Eigenspannungen... 2..2 Einfluss der Eigenspannungen auf die Tragfähigkeit typischer Bauteile unter Zug- Lastspannungen... 27..3 Einfluss der Eigenspannungen auf druckbelastete Knickstäbe, Scheiben, Platten und Schalen Stabilitätsfälle... 29.. Übersicht zu Eigenspannungseinfluss, Erhöhungsfaktor und Wanddickenbegrenzung. 30. Folgerungen zur Tragfähigkeit und Maßnahmen zur Verminderung des Eigenspannungseinflusses... 3.. Tragfähigkeit von Bauteilen unter dem Einfluss... 3..2 Anwendung des Spannungsarmglühens... 3..3 Fertigungs- und festigkeitsgerechte Gestaltung von Trägeranschlüssen... 32.. Maßnahmen zur Verringerung des Eigenspannungseinflusses... 33.. Nachbehandlungen an konstruktiven Details... 3.6 Sicherheitsnachweise für Bauteile mit unter Last geschweißten Verstärkungen... 36.6. Konstruktionsformen und Wärmeableitung... 36.6.2 Erforderliche Nachweise... 36.6.3 Nachweis zum Zeitpunkt der größten Querschnittsschwächung (ZP )... 37.6. Nachweise zum Zeitpunkt der Maxima der Dehnung (ZP 2) und der Schrumpfung (ZP 3)... 39.6. Ausführungsbeispiele... 0 Schrifttum... in der Schweißanweisung des Herstellers nach DIN EN ISO 609- [-3] auszuweisen. Als Grundlage können beispielsweise zur Vorausberechnung notwendiger Zugaben an den Einzelteilen die in Kapitel 3 angegebenen praktischen Verfahren zur Ermittlung der Schrumpfungen und Formänderungen nach dem Schweißen und die zusammenfassend wiedergegebenen Messergebnisse dienen. Obwohl das Schweißen als technologisches Verfahren dem Fertigungsprozess zugeordnet ist, greift es jedoch entscheidend in den Entwurfs- und Gestaltungsprozess ein. Es genügt daher nicht, die Bemessung und Gestaltung einer Konstruktion allein nach den Beanspruchungen aus äußeren Lasten und den speziellen Nutzungsbedingungen vorzunehmen. Das Schweißen beeinflusst in erheblichem Maße die Dimensionierung, Werkstoffwahl, Formgebung und andere konstruktive Bedingungen. Die Auswirkungen der der Formänderungen beim Schweißen müssen daher in Maßnahmen zu deren Begrenzung bei der Konstruktion und Fertigungsvorbereitung einmünden. Dem schon lange beherrschten Phänomen Sprödbrüche folgte in den letzten 30 Jahren das Phänomen Instabilität versteifter Druckgurte von Kastenträgern. Eigenspannungen in Verbindung mit Formänderungen (Beulen und Verwerfungen) waren die Ursache für das Ausknicken ganzer Bauteile mit Totalverlust. Dies verweist auf die wechselseitige Abhängigkeit von Konstruktion und Technologie zur Einhaltung der festgelegten Form und des Nachweises für die Trag- und Gebrauchsfähigkeit der durch das Schweißen beeinflussten Bauteile. Zur Schwingfestigkeit geschweißter Verbindungen und Bauteile liegen umfangreiche Untersuchungen und neue Richtlinien vor. Letztere unterscheiden sich zum Teil wesentlich von den bisher angewandten Normen, daher wird auf diese Veränderungen eingegangen. Für die Tragfähigkeit einer qualitätsgerecht hergestellten Schweißkonstruktion sind die Wirkungen und von Formänderungen differenziert zu bewerten. Während unter ruhender Zugbelastung die Eigenspannungen normalerweise keine Rolle spielen, kann bei tieferer Einsatztemperatur ein gesonderter Nachweis der Sprödbruchsicherheit erforderlich sein. Bei Druckbeanspruchung schlanker oder dünner Bauteile sind Eigenspannungen im Stabilitätsnachweis zu berücksichtigen. Dazu und für charakteristische Fälle unter schwingender Belastung wurde ein beschreibendes Verfahren zur Bewertung des Einflusses der Eigenspannungen an typischen Bauteilen in Kapitel dargestellt. Bei veränderter Nutzung von Tragwerken ist oft eine Verstärkung notwendig. Zur wirtschaftlichen Ausführung solcher Verstärkungen wurde das Verfahren zum Nachweis der Zulässigkeit des Schweißens unter Last angegeben. Auf der Grundlage von Erfahrungen, neuerer Erkenntnisse und Vorschriften wird dazu mit diesem für den Praktiker geschriebenem Buch notwendiges Rüstzeug für das Beherrschen der Eigenspannungen Schweißen vermittelt. Die gedrängte praxisorientierte Darstellung dieses Buches sei ergänzt durch Verweise auf vertiefende Literatur zu: Wärmephysikalischen [-7], Modellierung und Berechnung [-], Konstruktive Gestaltung und Festigkeit [-], Fertigungsplanung in der Schweißtechnik [-9]. 3 Bild -2. Managementsystem des Fügens, Kompetenzfelder und handelnde Bereiche [-]. Die Zielstellung, die Qualität einschließlich der Maßhaltigkeit nach dem Schweißen zu sichern, fachlich zu beherrschen, erfordert Fachkompetenz (siehe Kapitel 2, Kapitel 3 und Kapitel ) und ein Wissensmanagement mit Erfahrungsrückfluss, Bild -3. Die Maßnahmen der Unternehmensleitung, der Konstruktion und der Fertigungsvorbereitung zur Qualitätssicherung werden im Kapitel übersichtlich dargestellt und an Beispielen erläutert. Bild -3. Wissensmanagement für Formänderungen und Eigenspannungen beim Durch Minimieren der Form- und Maßabweichungen während des Schweißprozesses gelingt es, den Aufwand für nachträgliches Richten deutlich unter 0 % der Zeit für das vorangegangene Schweißen zu senken. Nachträgliches Reduzieren der Formänderungen durch Kalt- oder Warmrichten kann ebenso wie ein nachträglicher Abbau der Eigenspannungen durch thermische oder mechanische Verfahren schon aus Kostengründen nicht befriedigen und muss auf Ausnahmefälle beschränkt bleiben. Die Maßhaltigkeit der Werkstücke nach dem Schweißen ist Bestandteil des Qualitätsmanagements nach DIN EN ISO 9000 [-2]. Die Maßhaltigkeit ist auch Bestandteil der Verfahrensprüfung und 2 Maßnahmen zur Begrenzung der... 0. Unternehmerische, konstruktive und fertigungstechnische Maßnahmen... 0.. Hinweise zur Prozessorganisation qualitätsgerechte Schweißfertigung durch die Unternehmensleitung... 0..2 Hinweise zur Begrenzung der Formänderungen im Nahtbereich 2..2. Maßnahmen in der Konstruktion und Fertigungsvorbereitung zur Begrenzung der Querschrumpfung.....2.2 Maßnahmen in der Konstruktion und Fertigungsvorbereitung zur Begrenzung der Winkelschrumpfung.....2.3 Maßnahmen in der Konstruktion und Fertigungsvorbereitung zur Begrenzung der Längsschrumpfung... 7.2 Hinweise und Beispiele für geringe Formänderungen an geschweißten Bauteilen... 7.2. Allgemeine Hinweise und Beispiele... 7.2.2 Hinweise und Beispiele zur Begrenzung von Biegeverzug/Krümmung/Verdrehung an Trägern....2.2. Allgemeine Maßnahmen... 63.2.2.2 Wahl der Querschnittsform und die Lage der Schweißnähte... 6.2.2.3 Maßnahmen zur Verringerung des Biegeverzugs an Trägern... 6.2.2. Vorkrümmen und Richten in einem Arbeitsgang bei größerer Stückzahl und mechanisierter Fertigung... 66.2.3 Hinweise zur Verminderung von Verwerfungen an ausgesteiften Platten und Paneelen... 6.2. Hinweise und Beispiele zur Verringerung von Beulen an Dünnblechen und an Schalen... 70.2.. Allgemeine Maßnahmen für die Dünnblechschweißung... 70.2..2 Beulgefahr und eine Übersicht der Einflüsse... 7.3 Schweißtechnische Fertigungspläne... 73. Empfehlungen für Schweißfolgen (Lagenfolgen, Nahtfolgen, Zusammenbaufolgen)... 7.. Grundsätze für Nahtaufbau (Lagenfolgen) und Nahtfolgen... 7..2 Stumpfnähte... 7..3 Kehlnähte... 77.. Schlussbetrachtung zu Stumpf- und Kehlnähten... 7. Beispiele für Fertigungspläne geschweißter Baugruppen... 7.. Beispiel Maschinenbau Getriebekasten... 7..2 Beispiel Stahlbau Schwenkträger... 3.6 Erstellung von Schweißfolgeplänen durch ein Programmmodul....7 Nachbehandeln von Schweißteilen... 9.7. Mechanisches Richten... 9.7.2 Thermisches Richten... 90 Schrifttum... 96 6 Messen der Formänderungen Verfahren und Messmittel... 9 6. Messaufgabe und Gesichtspunkte zur Auswahl des Verfahrens... 9 6.. Anforderungen zum Nachweis eingehaltener Toleranzen... 9 6..2 Übersicht zur Auswahl der Messverfahren... 9
Einführung.... Zielstellung und Inhalt....2 Eigenspannungen beim Schweißen....2. Entstehen und Arten der Eigenspannungen....2.2 Unterscheidung und Einteilung der Eigenspannungen....2.3 Beispiele typischer Eigenspannungsverteilungen... 6.2. Wirkung der Eigenspannungen....3 Formänderungen, Bezeichnungen, Arten und Wirkungen... 0.3. Schrumpfungen....3.2 Verzug und Krümmung (Biegeverzug)... 2.3.3 Beulung und Verwerfung... 3 Schrifttum... 6 2 Physikalische Werkstoffeigenschaften, Wärmeeintrag und Temperaturfelder... 2. Wärmephysikalische Eigenschaften des Werkstoffs... 2.3 Zum Entstehen von Rissen Heiß- und Kaltrisse, Lamellarrisse/Terrassenbruch... 2 2.3. Einflüsse auf das Entstehen von Heißrissen... 2 2.3. Zur Entstehung von Terrassenbrüchen... 3 2.. Vereinfachte Übersicht zu Wärmequellen und Temperaturfeldern... 33 2..3. Berechnung der Maximaltemperatur an definierten Punkten... 3 3. zu den Formänderungen beim Schweißen... 0 3.. Formänderungen...0 3..2 Unterschiedliche Arten der Formänderungen... 3..3 Wärmewirkungen und Schrumpfungen... 3.2. Querschrumpfung durch Stumpfnähte mittig zur Stabachse/in der Plattenebene... 3 zu den nachfolgenden als Eigenspannungen der. Art (Makroeigenspannungen) bezeichnet. Für den Praktiker sind nur diese Eigenspannungen. Art von Bedeutung. Die Mikroeigenspannungen in Kristallit-Teilbereichen (von bis 0 2 mm Größe), die Eigenspannungen 2. Art zwischen benachbarten Kristallen, sowie die in submikroskopischen atomaren Bereichen von 0 2 bis 0 6 mm Größe an Kristallbaufehlern (Leerstellen, Versetzungen) wirkenden Eigenspannungen.2.2 Unterscheidung und Einteilung der Eigenspannungen Tabelle -. Übersicht der Bezeichnungen für unterschiedliche Eigenspannungen. dem Vorzeichen in Zug- und Druck-Eigenspannungen unterschieden, Bild -6. L_06326.job Bogen: A Am Flachstab nach Bild -0 wird die Überlagerung der aus dem Schweißen der Längsnaht (ohne Bild -0. Längs-Eigenspannungen vom () Zwängungsspannungen bei freier Schweißkonstruktion äußerlich statisch unbestimmt gestützt wird [-, -6]. In den meisten praktischen nicht real. Aus der Kenntnis der Größe, Verteilung und Wirkung der Verformungen.2. Wirkung der Eigenspannungen daher immer im Zusammenhang mit diesen Bedingungen differenziert zu betrachten [-]. Einführung. Zielstellung und Inhalt Formänderungen, bei der Konstruktion und in der Fertigung beherrscht werden. Stauchungen im Nahtbereich, wodurch bei Abkühlung Formänderungen Bild -. Kompetenzmanagement zum Fügen [-]. ein zielgerichtetes Management erforderlich. Bild - gibt dieses Kompetenz-Management zum von Formänderungen. Fachkompetenz ist dann erwiesen, wenn es gelingt, Werkstückes zu sichern. Bild -2 zeigt das System, in dem die angesprochene Kompetenz.2 Eigenspannungen beim Schweißen.2. Entstehen und Arten der Eigenspannungen über das Bauteil wandert, siehe Bild -. Diese Formänderungen sind örtlich konzentriert und Bild -. Quasistationäres wird, nach [-]. annimmt, bleiben die durch das Temperaturfeld verursachten zu den Formänderungen gibt Bild - schematisch, vereinfacht wieder. Bild -. Schema zum Entstehen 3.2.. Berechnung der Querschrumpfung abhängig von den Schweißparametern... 3.2..2 Querschrumpfung abhängig von Blechdicke, Nahtquerschnitt und Schweißverfahren... 6 3.2..3 Einflüsse auf die Querschrumpfung an Stumpfnähten Experimentelle Ergebnisse... 7 3.2.2 Querschrumpfung durch Kehlnähte... 3.3 Winkelschrumpfung und Biegeverzug/Krümmung... 3 3.3. Winkelschrumpfung an Stumpfnähten... 3.3.2 Winkelschrumpfung durch Kehlnähte... 7 3.3.3 Winkelschrumpfung und Biegeverzug an stab- oder trägerförmigen Bauteilen... 6 3.3. Berechnungsbeispiel für außermittige Quer- und Längsschrumpfung (Krümmungsberechnung) 3. Längsschrumpfung und Biegeverzug... 66 3.. Schrumpfkräfte und Faktoren zur Berechnung der Längsschrumpfung... 66 3..2 Berechnung der axialen Längenänderung durch Längsschrumpfung... 6 3..3 Einfluss des Werkstoffs und der Fertigungsbedingungen auf die Längsschrumpfung... 70 3.. Außermittige Längsschrumpfung mit Biegeverzug/Stabkrümmung durch Längsnähte... 72 3.. Biegeverzug und Verwerfung an ausgesteiften Platten und Bauteilen... 7 3. Biegeverzug beim Schweißen unter Last außermittige Schrumpfung... 77 3.6 Zulässige Maß- und Form-Abweichungen nach dem Regelwerk... 3.6. Übersicht... 3.6.2 Allgemeintoleranzen für Längen- und Winkelmaße Form und Lage nach DIN EN ISO 3920... 2 3.6.2. Anwendungsbereich... 2 3.6.2.2 Allgemeintoleranzen... 3 3.6.2.3 Zeichnungsangaben... 3.6.3 Toleranzen für im Stahlbau... 3.6.3. Normen zu den im Stahlbau, Stahlhochbau und zu den Stahlbau-Kunstbauten der Deutschen Bahn... 3.6.3.2 Maßhaltigkeit der Bauteile und Toleranzen nach Normen... 6 3.6.3.3 Bauteilbezogene zulässige Abweichungen nach DIN V ENV 090-... 7 3.6. Ergänzende Empfehlungen für größere Bauteile und Baustellenmontagen... 3.6.. Krümmung von Vollwandträgern über die x-achse... 3.6..2 Krümmung von Vollwandträgern über die y-achse... 90 3.6..3 Verdrehung von Trägern... 9 Schrifttum... 9 Einfluss der Formänderungen auf die Tragfähigkeit von. Sprödbruchsicherheit... 96.. Eigenspannungen, Längsnähte und die Bewertung von Sprödbruch-Schadensfällen... 96..2 Ursachen des Sprödbruchs und Maßnahmen zur Vermeidung... 9..3 Nachweis der Sprödbruch-Sicherheit Werkstoffwahl... 00.. Maßnahmen zur Vermeidung von Terrassenbrüchen... 0.2 Einfluss der Eigenspannungen auf die statische Tragfähigkeit und die Stabilität... 0.2. Knicken... 06.2.. Biegeknicken... 06.2..2 Biegedrill-Knicken... 09