Praxiswissen Schweißtechnik: Werkstoffe, Verfahren, Fertigung

598 Pages·2003·19.247 MB·German

by  Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler (auth.)

Hans J. Fahrenwaldt
Volkmar Schuler
Praxiswissen
Schweißtechnik
Aus dem Programm _____________ _______
Fertigungstechnik
Span lose Fertigung: Stanzen
von W. Hellwig
Fertigungsautomatisierung
von S. Hesse
Werkzeugmaschinen Grundlagen
von A. Hirsch
Praxiswissen Schweißtechnik
von H. J. Fahrenwaldt und V. Schuler
Praxis der Zerspantechnik
von H. Tschätsch
Praxis der Umformtechnik
von H. Tschätsch
Zerspantechnik
von E. Paucksch
Praktische Oberflächentechnik
von K.-P. Müller
Industrielle Pulverbeschichtung
von J. Pietschmann
Praxis der Montagetechnik
von P. KonoId und H. Reger
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Hans J. Fahrenwaldt
Volkmar Schuler
Praxiswissen
Schweißtechnik
Werkstoffe, Verfahren, Fertigung
Mit 521 Abbildungen und 101 Tabellen
Unter Mitarbeit von Herbert Wittel
und Jürgen Twrdek
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Vieweg Praxiswissen vleweg
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
1. Auflage Oktober 2003
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlag j GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2003
Softcover reprint ofthe hardcover 1st edition 2003
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Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
ISBN 978-3-322-96853-1 ISBN 978-3-322-96852-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-96853-1
v
Vorwort
Im Maschinen- und Apparatebau wie auch im Bauwesen ist das Schweißen nach wie vor das
dominierende Fügeverfahren. Die Tendenz zum Leichtbau führte in den vergangenen Jahren
verstärkt zur Entwicklung neuer, oft nicht schweißgeeigneter Werkstoffe, für die neue Verfah
ren zum Verbinden erforderlich wurden. Auch sind manche älteren Verfahren in den Hinter
grund getreten und durch wirtschaftlichere verdrängt worden. Somit hat sich das Spektrum der
Fügeverfahren sehr stark verändert.
Die Sicherheit eines Bauteils, einer Anlage oder Bauwerks wird aber nicht erst durch die Qua
lität der Fertigung und der verwendeten Verfahren bestimmt. Wesentlich von Einfluss ist die
Konstruktion, die neben der Gestaltung auch die Berechnung und die Werkstoffauswahl um
fasst. Dies trifft in besonderem Maße zu, wenn im Fertigungsablauf Fügeprozesse enthalten
sind.
Das vorliegende Buch behandelt beide Bereiche der Fügetechnik, die Fertigung und die Kon
struktion, und gibt einen sehr guten Überblick zu diesen Aspekten.
Im 1. Teil werden zunächst die klassischen Prozesse des Schmelz- und Pressschweißens wie
auch des Lötens behandelt. Ergänzend werden das Metallkleben, das Kunststoffschweißen und
das immer wichtiger werdende Fügen durch Umformen und Nieten vorgestellt. Abgeschloss
sen wird dieser Teil durch die Kapitel Auftragsschweißen und Thermisches Spritzen, Trenn
verfahren sowie Flammrichten.
Das Thema "Werkstoffe und Schweißen" steht im Mittelpunkt von Teil 2. Vorgestellt werden
die wichtigsten metallischen Werkstoffe, deren Schweißeignung und die möglichen Fehler
beim Schweißen.
Der Teil 3 enthält eine detailreiche Darstellung der Berechnung und Gestaltung von Schweiß
konstruktionen mit vielen Beispielen aus dem Stahlbau sowie dem Maschinen- und Apparate
bau. Zwei Kapitel über Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen und Qualitätssicherung schließen
diesen Teil ab.
Aufgrund der Vielfältigkeit der behandelten Thematiken und zusammen getragenen Informa
tionen stellt das Buch ein Übersichtswerk dar, das als Nachschlagewerk für im Beruf stehende
Ingenieure gedacht ist, die nicht ständig mit den Problemen des Schweißens befasst sind. Aber
auch Studierende, die im Rahmen von größeren wissenschaftlichen Arbeiten weiterführende
Informationen benötigen, werden dieses Buch gut einsetzen können.
In einem umfangreichen Anhang sind daher Tabellen insbesondere mit Angaben zu den Pro
zessparametern der behandelten Verfahren zusammengestellt. Kein Gebiet der Fertigungstech
nik ist so stark mit Normen und Regeln belegt, wie die Fügetechnik. Dem wird Rechnung
getragen durch eine Auswahl der wichtigsten nationalen und internationalen Normen sowie der
DVS-Merkblätter und -Richtlinien.
Die Autoren haben bei ihrer Arbeit durch die Überlassung von Bildvorlagen Unterstützung
durch Firmen der betreffenden Branche erfahren, wofür sie an dieser Stelle ihren Dank sagen.
Dank gebührt auch den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern. Besonders erwähnt seien Frau
VI Vorwort
Sabine Handel, die mit der Texterfassung befasst war, Herr Dipl.-Ing. H. Wittel für das Kapitel
12 und Herr Dipl.-Ing. J.Twrdek, der Teil 3 maßgeblich bearbeitete.
Dem Verlag Vieweg, seinen Mitarbeitern im Lektorat Technik, insbesondere Herrn Dipl.-Ing.
E. Schmitt und Herrn Dipl.-Ing.Thomas Zipsner, danken wir für die gewährte Unterstützung
und die immer angenehme Zusammenarbeit bei der Herstellung des Buchs.
Stuttgart/Ulm, im Oktober 2003 Hans J. Fahrenwaldt
Volkmar Schuler
VII
Inhaltsverzeichnis
vorwort ................................................................................................................ V
1 Einleitung ...................................................................................................... 1
2 Schmelzschweißprozesse .............................................................................. 9
2.1 Gasschmelzschweißen (G/31 *) .......................................................................... 9
2.2 Metall-Lichtbogenschweißen (11 ) ................................................................... 19
2.2.l Die Vorgänge im Lichtbogen ................................................................... 19
2.2.2 Schweiß stromquellen ............................................................................... 24
2.2.3 Das Lichtbogenhandschweißen (EIllI) .................................................. 35
2.2.4 Unterpulver-Schweißen (UPIl2) ............................................................. 44
2.3 Schutzgasschweißen (SG) ................................................................................ 49
2.3.1 Wolfram-Inertgasschweißen (WIGIl41) ................................................. 50
2.3.2 Metall-Schutzgasschweißen (MSGIl3) ................................................... 54
2.3.3 Plasma-Schweißen (WPIl5) .................................................................... 65
2.4. Gießschmelzschweißen (ASI 71) ..................................................................... 69
2.5 Elektronenstrahlschweißen (EB/51 ) ................................................................. 70
2.6 LASER-Schweißen (LA/52) ........................................................................... 72
2.7 Lichtstrahlschweißen (U/75) ........................................................................... 78
2.8 Elektroschlackeschweißen (RES/72) ............................................................... 78
3 Prozesse des Pressschweißens .................................................................... 81
3.1 Widerstandspressschweißen ............................................................................. 81
3.l.l Punktschweißen (RP/21) .......................................................................... 82
3.1.2 Pressstumpf-und Abbrennstumpfschweißen (RPS/25 und RA/24) ........ 88
3.1.3 Induktives Widerstandspressschweißen (RI/74) ...................................... 90
3.2 Gaspressschweißen (GP/47) ............................................................................ 90
3.3 Lichtbogenpressschweißen .............................................................................. 91
3.3.1 Bolzenschweißen (B/78) .......................................................................... 93
3.3.2 Pressschweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen (MBL) .............. 94
3.4 Diffusionsschweißen (D/45) ............................................................................ 95
VIII Inhaltsverzeichnis
3.5 Reibschweißen (FR/42) ................................................................................... 96
3.6 Kaltpressschweißen (KP/48) ............................................................................ 99
3.7 Sprengschweißen (S/441) .............................................................................. 100
3.8 Ultraschallschweißen (US/41) ....................................................................... 101
4 Löten .......................................................................................................... 10 3
5 MetallIdeben .............................................................................................. 111
6 Fügen durch Umformen ........................................................................... 117
7 Kunststoffschweißen ................................................................................. 123
8 Auftragsschweißen und Thermisches Spritzen ...................................... 131
8.1 Auftragsschweißen ......................................................................................... 131
8.2 Thermisches Spritzen ..................................................................................... 132
8.3 Verfahren des Thermischen Spritzens ........................................................... 133
8.4 Wirtschaftlichkeit des Thermischen Spritzens als Beschichtungsverfahren .. 141
8.5 Beispiele wirtschaftlicher Einsätze und Anwendungen ................................. 142
9 Thermisches Trennen ............................................................................... 149
10 Flammrichten ............................................................................................ 161
11 Werkstoffe und Schweißen ...................................................................... 171
11.1 Stahl und Eisen .............................................................................................. 171
11.1.1 Die Beeinflussung des Grundwerkstoffs durch das Schweißen ............. 171
11.1.2 Allgemeine Baustähle nach EN 10 025 ................................................. 178
11.1.3 Schweiß geeignete Betonstähle ............................................................... 181
11.1.4 Feinkornbaustähle .................................................................................. 181
11.1.5 Niedriglegierte Stähle ............................................................................ 185
11.1.6 Hochlegierte Stähle ................................................................................ 185
11.1. 7 Eisen-Kohlenstoff-Gusswerkstoffe ....................................................... 189
11.1.8 Schweißverbindungen von unterschiedlichen Metallen ......................... 194
Inhaltsverzeichnis IX
1l.l.9 Unregelmäßigkeiten beim Schweißen - Fehlergruppen ........................ 196
11.2 Nichteisenmetalle ........................................................................................... 202
11.2.1 Aluminium und Aluminiumlegierungen ................................................ 202
11.2.2 Kupfer und Kupferlegierungen .............................................................. 204
11.2.3 Nickel und Nickellegierungen ................................................................ 208
11.2.4 Titan und Titanlegierungen .................................................................... 209
11.2.5 Molybdän und Molybdänlegierungen .................................................... 209
12 Schweißnahtberechnung .......................................................................... 211
12.1 Abmessungen der Schweißnähte .................................................................... 211
12.2 Berechnung der Schweißnahtspannungen ..................................................... 215
12.3 Festigkeitsnachweis bei vorwiegend ruhender Beanspruchung ..................... 220
12.3.1 Schweißverbindungen im Stahlbau (DIN 18800-1) .............................. 220
12.3.2 Allgemeiner Spannungsnachweis im Kranbau (DIN 15018-1) ............. 227
12.4 Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen ........................................... 229
12.4.1 Wählerlinie ............................................................................................. 229
12.4.2 Dauerfestigkeitsschaubilder ................................................................... 231
12.4.3 Spannungskollektive .............................................................................. 231
12.4.4 Lebensdauerabschätzung ........................................................................ 233
12.5 Dauerfestigkeitsnachweis für Schweißverbindungen im Maschinenbau ...... 235
12.6 Betriebsfestigkeitsnachweis für Krantragwerke nach DIN 15018 ................ 243
12.7 Nachweis der Werkstoffe rmüdung für Stahlbauten
nach DIN V ENV 1993-1-1 (Eurocode 3) .................................................... 249
12.7.1 Einführung ............................................................................................. 249
12.7.2 Teilsicherheitsbeiwerte .......................................................................... 250
12.7.3 Ermüdungsfestigkeit .............................................................................. 251
12.7.4 Ermüdungsfestigkeitsnachweis .............................................................. 253
12.8 Schweißeigenspannungen und -verformungen .............................................. 258
12.8.1 Entstehung von Eigenspannungen ......................................................... 258
12.8.2 Schrumpfungs arten ................................................................................ 259
12.8.3 Beeinflussende Faktoren ........................................................................ 262
12.8.4 Maßnahmen zur Verminderung von Schweißeigenspannungen ............ 262
12.8.5 Schweißplan und Schweißfolgeplan ...................................................... 265
12.8.6 Abbau von Eigenspannungen ................................................................. 267
12.8.7 Auswirkungen von Schweißeigenspannungen ....................................... 267