Handbuch der Schweißtechnik

J. Ruge Handbuch der Schweißtechnik Zweite, neubearbeitete Auflage Band I: Werkstoffe Mit 122 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1980

Dr.-Ing. J[RGEN RüGE o. Professor, Direktor des Instituts für Schweißtechnik und Werkstofftechnologie der TU Braunschweig C!P-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Ruge, Jürgen: Handbuch der Schweißtechnik j J. Ruge. Bd. I. Werkstoffe. 2., neubearb. Auf!. Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 1980 ISBN 978-3-662-31689-4 ISBN 978-3-662-31688-7 (ebook) DOI 10.1007/978-3-662-31688-7 Das W e r ~ ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung. der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Vieg und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser V e r w e r ~ tung, vorbehalten. Bei Vervielfältigungen für gewerbliche Zwecke ist gemäß 54 UrhG eine Vergütung an den Verlag zu zahlen, deren Höhe mit dem Verlag zu vereinbaren ist. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1980 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1980 Softcoverreprint ofthe bardeover 2nd edition 1980 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. 2362 13020-5 4 3 2 I 0

Aus dem Vorwort zur ersten Auflage Die Abfassung eines Handbuches der Schweißtechnik ist in gewissem Sinne ein Wagnis. Es handelt sich um ein so breites und komplexes Gebiet, das sich zudem in ständiger Entwicklung und Expansion befindet, daß man aus verschiedenen Gründen im Zweifel über die Zweckmäßigkeit eines solchen Vorhabens sein kann. Aufgabe eines Handbuchs ist ganz allgemein eine möglichst umfassende Information über ein bestimmtes Fachgebiet. Hier liegt bereits insofern eine Schwierigkeit, als die Schweißtechnik Anleihen bei zahlreichen Fachgebieten macht und es nicht der Sinn eines schweißtechnischen Handbuches sein kann, auch die Nachbargebiete handbuchartig zu erfassen. Andererseits existiert vielfach der Wunsch, sich an einer Stelle konzentriert über das Gesamtspektrum des Gebietes Schweißtechnik informieren zu können. Man mußte sich daher um einen Kompromiß bemühen, wofür der Autor um Verständnis bittet. Die erste nunmehr vorliegende Auflage stellt einen Versuch dar. Der eine oder andere Gegenstand mag zu ausführlich, andere Punkte mögen nicht eingehend genug behandelt worden sein. Für Vorschläge in dieser Richtung, die in einer späteren Auflage berücksichtigt werden könnten, wäre ich dankbar. Das Buch behandelt Werkstoff-, Verfahrens- und Fertigungsfragen. Auf die Aufzählung verfahrensabhängiger Schweißdaten (Schweißparameter) wurde verzichtet, zumal sie an anderer Stelle leicht zu finden sind. Möglichst viele Angaben sind mit Literaturzitaten belegt worden, um dem Interessenten das Auffinden ergänzender Einzelheiten zu erleichtern. Andererseits war es nicht möglich, eine auch nur annähernd vollständige Bibliographie der Schweißtechnik zu erstellen, weil dies den gesteckten Rahmen unzulässig überschritten hätte und für das angestrebte Ziel eines informativen Handbuchs auch nicht erforderlich war. Das Handbuch wendet sich, obwohl es der Anlage nach kein Lehrbuch ist, auch an Studenten des Maschinenbaus, der Verfahrenstechnik und des Bauingenieurwesens, die sich einen Überliek über die Fügetechnik -nicht lösbare Verbindungen - verschaffen wollen. Es soll aber vor allem dem in Betrieb, Entwicklung und Forschung stehenden Ingenieur eine Hilfe sein. Braunschweig, im Februar 1974 J. Ruge

Vorwort zu Band I der zweiten Auflage Für die zweite Auflage wurde das Ziel, eine möglichst umfassende Information über das Gesamtgebiet der Schweißtechnik auf begrenztem Raum zu vermitteln, beibehalten. Die vollständige Überarbeitung beschränkte sich nicht darauf, Normen, Richtlinien und Merkblätter auf ihre Gültigkeit zu überprüfen. Vielmehr erschien es zweckmäßig, den Text vielfach zu ergänzen und dabei den Stand der Technik gebührend zu berücksichtigen. Um die Handlichkeit des Werkes nicht unter der daraus resultierenden Umfangsvermehrung leiden lassen zu müssen, empfahl sich eine Teilung in zwei Bände. In dem hier vorliegenden Band I werden die Werkstofffragen behandelt. Erweitert wurden die Abschnitte über die Anwendung der technischen Bruchmechanik und über das Schweißen hochlegierter Stähle. Der Abschnitt über nichtmetallische Werkstoffe wurde durch eine eingehendere Behandlung der Kunststoffe sowie durch die Aufnahme weiterer Stoffe wie Glas, Keramik, Graphit und biologischer Substanzen ergänzt. Braunschweig, im Juni 1980 J. Ruge

Inhaltsverzeichnis 1 Begriff der Schweißbarkeit.......................................... 1 1.1 Aufgliederung des Begriffs der Schweißbarkeit................... 1 1.1.1 Schweißeignung........................................ 2 1.1.2 Schweißsicherheit....................................... 2 I. 1.3 Schweißmöglichkeit..................................... 3 1.2 Einflußgrößen............................................... 3 1.2.1 Der Werkstoff... 3 1.2.2 Fertigungsbedingungen.................................. 4 1.2.3 Konstruktive Ausbildung................................ 5 1.3 Gewährleistung.............................................. 5 1.3.1 Gewährleistung der Schweißbarkeit....................... 5 1.3.2 Bescheinigung über die Prüfung von Werkstoffen (Werksattest) 5 1.3.3 Beanstandungen........................................ 7 1.4 Prüfung der Schweißbarkeit................................... 7 1.4.1 Prüfung der Härtbarkeit................................. 8 1.4.2 Prüfung der Alterungsempfindlichkeit..................... 10 1.4.3 Prüfung der Sprödbruchempfindlichkeit.................... 10 1.4.4 Prüfung der Rißanfälligkeit von Schweißgut und wärmebeein- :flußter Zone (WEZ)..................................... 14 1.4.5 Prüfung der Rißzähigkeit hochfester Werkstoffe............ 17 1.4.6 Prüfung der Heißrißempfindlichkeit....................... 19 1.5 Aussagen der Bruchmechanik................................. 22 2 Werkstoffbeeinflussung durch den SchweißprozeH...................... 30 2.1 Vorgänge bei Erwärmung und Abkühlung...................... 30 2.1.1 Die Abkühlgeschwindigkeit.............................. 34 2.1.2 Ausbildung der Schweißnaht und Eigenschaften der wärmebeein:flußten Zone....................................... 36 2.2 Vorgänge bei und nach Kaltverformung........................ 42 2.2.1 Gefüge und Festigkeit................................... 42

VIII Inhaltsverzeichnis 2.2.2 Eigenspannungen....................................... 42 2.2.3 Alterung............................................... 42 2.2.4 Rekristallisation........................................ 43 2.2.5 Korrosion............................................. 43 2.2.6 Zusammenfassende Beurteilung des Schweißens an kaltverformten Bauteilen........................................... 43 2.3 Wärmebehandlung........................................... 44 2.3.1 Vorwärmen............................................ 44 2.3.2 Spannungsarmglühen.................................... 45 2.3.3 Weichglühen........................................... 48 2.3.4 Normalglühen.......................................... 49 2.3.5 Härten................................................ 49 2.3.6 Vergüten.............................................. 49 2.3. 7 Aushärten............................................. 50 2.3.8 Flammentspannen...................................... 51 2.3.9 Stabilglühen, Lösungsglühen, Diffusionsglühen, Blauwärme.. 51 3 Urnegierte Stähle................................................. 52 3.1 Erschmelzungs- und Vergießungsart............................ 52 3.1.1 Erschmelzungsart....................................... 53 3.1.2 Vergießungsart......................................... 54 3.2 Einfluß der Begleitelernente auf Festigkeit und Schweißeignung der unlegierten Baustähle......................................... 59 3.2.1 Kohlenstoff............................................ 59 3.2.2 Silizium............................................... 62 3.2.3 Mangan............................................... 62 3.2.4 Phosphor................ 63 3.2.5 Schwefel............................................... 63 3.2.6 Stickstoff.............................................. 65 3.2.7 Aluminium............................................ 65 3.2.8 Kupfer................................................ 65 3.2.9 Vanadin............................................... 65 3.3 Das Sprödbruchproblem...................................... 65 3.3.1 Werkstoffbedingte Faktoren.............................. 66 3.3.2 Konstruktiv bzw. beanspruchungsbedingte Faktoren........ 68 3.4 Die Massenbaustähle nach DIN 17100......................... 71 3.4.1 Gewährleistung der Sprödbruchunempfindlichkeit........... 71 3.4.2 Schweißeignung der Massenbaustähle..................... 72 3.4.3 Auswahl der Stahlsorten und Gütegruppen nach DIN 17100. 74 3.5 Feinbleche aus unlegierten Stählen............................. 79 3.6 Unlegierte Einsatz- und Vergütungsstähle....................... 80 3.6.1 Unlegierte Einsatzstähle................................. 80 3.6.2 Unlegierte Vergütungsstähle.............................. 81 3. 7 Unlegierte Rohrstähle........................................ 81

Inhaltsverzeichnis 3.7.1 Nahtlose Rohre 3.7.2 Geschweißte Rohre.... 3. 7.3 Präzisionsstahlrohre.... 3.7.4 Gewinderohre.... 3.7.5 Stahlmuffenrohre.... 3.7.6 Rohre für Fernleitungen.... 3.8 Unlegierte Kessel- und Druckbehälterstähle.... 3.8.1 Einsatz unlegierter Stähle bei höheren Temperaturen.... 3.9 Schiffbaustähle, Schienenstähle, alterungsbeständige Stähle nach DIN 17 135, Bewehrungsstähle nach DIN 488.... 3.9.1 Schiffbaustähle.... 3.9.2 Schienenstähle.... 3.9.3 Alterungsbeständige Stähle nach DIN 17135.... 3.9.4 Betonstahl.... 3.10 Perlitarme Feinkornstähle.... 3.11 Zusatzwerkstoffe für unlegierte Stähle.... IX 81 83 83 83 84 84 85 85 88 88 90 91 92 94 95 4 Niedriglegierte Stähle............................................. 97 4.1 Allgemeines................................................. 97 4.1.1 Verwendungsbereich.................................... 97 4.1.2 Einfluß der Legierungselemente auf die Werkstoffeigenschaften 97 4.2 Das Kohlenstoffäquivalent.................................... 98 4.3 Das ZTU-Diagramm... 100 4.3.1 Das isotherme ZTU-Schaubild........................... 101 4.3.2 Das kontinuierliche ZTU-Schaubild....................... 101 4.3.3 Übertragung der aus dem ZTU-Diagramm gewonnenen Erkentnnisse auf die beim Schweißen ablaufenden Vorgänge... 101 4.3.4 Die praktische Anwendung der ZTU-Schaubilder zur Beurteilung der Schweißbarkeit niedriglegierter Stähle............. 104 4.3.5 Das STAZ-Schaubild... 107 4.4 Die CTS-Probe von Cottrell................................... 109 4.5 Vorwärmtemperaturen und Energiezufuhr....................... 111 4.6 Legierungselemente und Schweißbarkeit... 112 4. 7 Zusatzwerkstoffe für niedriglegierte Stähle....................... 115 4.8 Schweißen der üblichen niedriglegierten Stähle................... 118 4.8.1 Niedriglegierte Einsatz- und Vergütungsstähle... 118 4.8.2 Niedriglegierte, hoch- und höchstfeste schweißbare Baustähle. 123 4.8.3 Niedriglegierte Kessel-, Rohr- und druckwasserstoffbeständige Stähle................................................. 133 4.8.4 Niedriglegierte Flugzeugbaustähle... 136 4.8.5 Niedriglegierte Tieftemperaturstähle... 139 4.8.6 Kernreaktorstähle...................................... 139 4.8.7 Wetterfeste Baustähle... 142

X Inhaltsverzeichnis 5 Hochlegierte Stähle............................................... 145 5.1 Das Schaeffler-Diagramm..................................... 146 5.2 Ferritische Stähle............................................ 147 5.3 Austenitische Stähle.......................................... 153 5.3.1 Metastabile austenitische Stähle.......................... 153 5.3.2 Stabile austenitische Stähle............................... 157 5.4 Martensitische Stähle......................................... 160 5.5 Aushärtbare Stähle........................................... 161 5.6 Kaltzähe Tieftemperaturstähle................................. 161 5.7 Schweißverfahren für hochlegierte Stähle... 163 5.7.1 Metallichtbogenschweißen mit Stabelektrode............... 163 5.7.2 Schutzgasschweißen..................................... 166 5.7.3 UP-Schweißen... 166 5.7.4 Gasschweißen... 166 5.8 Zusatzwerkstoffe für hochlegierte Stähle........................ 167 5.9 Nachbehandlung... 167 6 Plattierte Stähle und Schweißplattierungen............................ 168 6.1 Plattierte Stähle............................................. 170 6.2 Schweißplattierungen......................................... 170 7 Eisen-Gußwerkstoffe.............................................. 171 7.1 Stahlguß... 171 7.1.1 Unlegierter Stahlguß... 171 7.1.2 Niedriglegierter Stahlguß................................ 176 7.1.3 Hochlegierter Stahlguß.................................. 176 7.2 Temperguß... 179 7.2.1 Entkohlend geglühter (weißer) Temperguß (GTW)... 180 7.2.2 Nicht entkohlend geglühter (schwarzer) Temperguß (GTS)... 180 7.3 Gußeisen mit Lamellengraphit................................. 182 7.3.1 Gußeisenschweißen mit Vorwärmen (Gußeisenwarmschweißen) 183 7.3.2 Gußeisenschweißen ohne Vorwärmen (Gußeisenkaltschweißen) 183 7.3.3 Legiertes Gußeisen mit Lamellengraphit... 185 7.4 Gußeisen mit Kugelgraphit.................................... 185 7.4.1 Unlegiertes Gußeisen mit Kugelgraphit... 186 7.4.2 Legiertes Gußeisen mit Kugelgraphit... 187 8 Nichteisenmetalle................................................. 189 8.1 NE-Schwermetalle........................................... 189 8.1.1 Blei... 189 8.1.2 Gold.................................................. 189 8.1.3 Kobaltlegierungen... 190 8.1.4 Kupfer und Kupferlegierungen... 191

Inhaltsverzeichnis XI 8.1.5 Molybdän... 208 8.1.6 Nickel und Nickellegierungen... 210 8.1.7 Niob... 220 8.1.8 Platin... 222 8.1.9 Plutonium... 222 8.1.10 Silber und Silberlegierungen... 223 8.1.11 Tantal und Tantallegierungen... 223 8.1.12 Thorium... 224 8.1.13 Uran... 224 8.1.14 Wolfram... 225 8.1.15 Zink... 226 8.1.16 Zinn... 228 8.1.17 Zirkonium und Zirkoniumlegierungen.................... 228 8.2 NE-Leichtmetalle... 230 8.2.1 Aluminium und Aluminiumlegierungen.................... 230 8.2.2 Beryllium.............................................. 243 8.2.3 Magnesium und Magnesiumlegierungen................... 246 8.2.4 Titan und Titanlegierungen.............................. 248 9 Nichtmetallische Werkstoffe........................................ 254 9.1 Kunststoffe... 254 9.1.1 Polyvinylchlorid (PVC)... 258 9.1.2 Polyäthylen (PE)... 258 9.1.3 Polypropylen (PP)... 259 9.1.4 Polystyrol (PS)... 259 9.1.5 Styrol-Acrylnitril-Copolymere (SAN)... 260 9.1.6 Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisate (ABS)... 260 9.1.7 Polytetraftuoräthylen (PTFE)... 260 9.1.8 Polyamide (PA)... 261 9.1.9 Polymethylmethacrylat (PMMA)... 262 9.1.10 Polyacetal (POM)... 262 9.1.11 Polycarbonat (PC)... 262 9.1.12 Kunststoff-Metall-Verbindungen... 262 9.2 Glas... 263 9.3 Keramik... 264 9.3.1 Löten... 265 9.3.2 Diffusionsschweißen... 266 9.3.3 Thermisches Spritzen.................................... 266 9.4 Graphit... 266 9.5 Biologische Stoffe... 267 9.5.1 Gewebe... 267 9.5.2 Knochen... 267 Literaturverzeichnis................................................. 268 Sachverzeichnis..................................................... 279

Inhaltsübersicht Band li (Verfahren und Fertigung) 10 Verfahren zum Schweißen von Metallen 11 Verfahren zum thermischen Schneiden 12 Verfahren zum Schweißen und Schneiden von Kunststoffen 13 Löten 14 Sonderverfahren 15 Kleben von Metallen und nichtmetallischen Werkstoffen 16 Technische Unterlagen für die Fertigung 17 Werkstätten und Werkstatteinrichtung 18 Nahtvorbereitung 19 Mechanisierung und Automatisierung von Schweißprozeß und Qualitäts* kontrolle 20 Ausbildung und Prüfung von Schweißern und Aufsichtspersonal 21 Gütesicherung und Betriebszulassung 22 Prüfung und Abnahme des Erzeugnisses 23 Fehler, ihre Ursachen, ihre Vermeidung und ihre Beseitigung 24 Arbeits- und Brandschutz 25 Sonderfragen 26 Wirtschaftlichkeit