Fuegetechnik_Schweisstechnik_LP
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Fügetechnik<br />
Schweißtechnik
Fügetechnik<br />
Schweißtechnik<br />
erarbeitet von der Fachgruppe<br />
„Schweißtechnische Ausbildung an Hochschulen“<br />
der DVS-Arbeitsgruppe „Schulung und Prüfung“<br />
8., aktualisierte und erweiterte Auflage
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek<br />
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;<br />
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.<br />
ISBN 978-3-87155-999-0<br />
Alle Rechte, einschließlich Übersetzungsrecht, vorbehalten. Nachdruck und fotomechanische Vervielfältigung<br />
(z. B. Fotokopie, Mikrokopie usw.) dieses Bandes oder von Teilen desselben nur mit Genehmigung der<br />
DVS Media GmbH, Düsseldorf.<br />
DVS Media GmbH, Düsseldorf 2012<br />
Offsetdruck: Druckhaus GmbH, Korschenbroich<br />
Titelbild (Foto): mit freundlicher Genehmigung der ESAB AB, Göteborg/Schweden
Geleitwort<br />
Liebe Leserinnen, lieber Leser,<br />
mit der 8., aktualisierten Auflage der Lehrunterlage „Fügetechnik – Schweißtechnik“ halten Sie einen Bestseller<br />
von DVS Media in den Händen.<br />
Fügetechnische Verfahren wie Schweißen, Löten und Kleben stehen in einem interessanten Wettbewerb um<br />
Anwendungen und Marktanteile – gleiches gilt für die Werkstoffe: Stahl konkurriert mit Leichtmetall,<br />
Werkstoffverbunde und Verbundwerkstoffe gewinnen an Bedeutung. Die fügetechnischen Verfahren werden in<br />
dieser Lehrunterlage in ihren Grundlagen, Anwendungen und Besonderheiten beschrieben, die metallischen<br />
Werkstoffe und die Kunststoffe werden in ihrem Schweißverhalten umfassend betrachtet.<br />
Neben dem Fügen gewinnt das Beschichten zunehmend an Bedeutung, denn die Oberfläche hat „strategische<br />
Bedeutung“ für die Anpassung von Werkstoffen an besondere Herausforderungen – somit gehören Themen wie<br />
Auftragschweißen und thermisches Spritzen auch dazu. Neben den fügetechnischen Verfahren müssen natürlich<br />
auch die Verfahren für das thermische Schneiden beschrieben und diskutiert werden.<br />
Die intelligenteste Auswahl von Werkstoffen und Verfahren nützt allerdings nichts, wenn nicht Konstruktionen<br />
und schweißtechnische Fertigung frühzeitig und umfassend berücksichtigt werden. Konsequenterweise stellen<br />
auch diese Inhalte weitere Schwerpunkte dar.<br />
Die Aktualisierung der 8. Auflage der Lehrunterlage „Fügetechnik – Schweißtechnik“ lag in bewährter Weise in<br />
den Händen der Mitglieder der DVS-Fachgruppe „Schweißtechnische Ausbildung an Hochschulen“. Den Mitgliedern<br />
dieser Arbeitsgruppe wird für ihr Engagement in der Sache, für ihre klare Darstellung der technischen<br />
Inhalte und für ihre Weitsicht, diese Ausgabe aktualisiert zu halten und weiterzuentwickeln, gedankt.<br />
Allen Nutzern und Lesern dieses Buches, seien es nun angehende oder erfahrene Ingenieure, seien es Praktiker<br />
in der schweißtechnischen Fertigung oder andere an der Schweißtechnik Interessierte, wünschen wir viel Freude<br />
bei der Lektüre – viele nutzbare Informationen sind garantiert!<br />
Düsseldorf, im Oktober 2012<br />
Dr.-Ing. Klaus Middeldorf<br />
Hauptgeschäftsführer<br />
DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte<br />
Verfahren e. V.<br />
Geleitwort<br />
Die erste Ausgabe dieses Buches entstand 1981 in der DVS-Fachgruppe „Schweißtechnische Ingenieurausbildung“<br />
als Lehrblattsammlung für Studierende der Schweißtechnik. Die Arbeitsgruppe hat das Werk seither<br />
für die Lehre mehrmals den technischen Weiterentwicklungen der Fügetechniken angepasst.<br />
Als Gruppe im Dienste der Schweißtechnik wünschen wir dieser nun achten Auflage weiterhin große Verbreitung,<br />
insbesondere in der Hochschulausbildung. Sie möge mindestens ebenso erfolgreich sein wie die Vorgängerausgaben,<br />
die trotz Internet in so mancher Schreibtischschublade noch sehr gute Dienste als Erinnerungsstütze<br />
und Nachschlagewerk leisten. Allen Nutzern wünschen wir, dass sie auf grundlegende und einführende<br />
Fragen, auch in Ergänzung zum Internet und E-Learning, immer eine weiterhelfende Antwort finden mögen.<br />
Besonderer Dank gilt dem Herausgeber, unserem Kollegen Prof. Dr.-Ing. H. Dören von der Fachhochschule<br />
Aachen, Campus Jülich, für seinen besonderen Einsatz bei der Überarbeitung, den Anpassungen und Korrekturen<br />
zu dieser nun achten Auflage.<br />
Bremen, im Oktober 2012<br />
Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Schubert<br />
Vorsitzender der DVS-Fachgruppe 3.3<br />
„Schweißtechnische Ausbildung an Hochschulen“
Vorwort<br />
Die Fachgruppe „Schweißtechnische Ausbildung an Hochschulen“ des DVS hat mit der 8. Auflage der<br />
„Fügetechnik – Schweißtechnik“ nicht nur das Lehrbuch überarbeitet und dem neuesten Wissenstand angepasst,<br />
sondern das Buch auch um wichtige Kapitel erweitert. So haben nun die in den letzten Jahren im Karosseriebau<br />
immer mehr an Bedeutung gewonnenen mechanischen Fügeverfahren sowie das Wasserstrahlschneiden in der 8.<br />
Auflage ihre Berücksichtigung gefunden. Des Weiteren sind natürlich die schweiß- und fügetechnischen<br />
Entwicklungen der letzten Jahre sowie die Änderungen bei den Normen mit eingeflossen. Das vorliegende<br />
Lehrbuch entspricht daher dem Stand von Wissenschaft und Technik des Erscheinungsjahres.<br />
Das Lehrbuch ist von seiner Konzeption als Lehrunterlage für die schweißtechnische Ingenieurausbildung<br />
an den Hochschulen, Fachhochschulen sowie an Weiterbildungseinrichtungen für die Schweißfachingenieurausbildung<br />
gedacht. Daher wurde bei der Gestaltung des Lehrbuches besonders der schweißtechnische<br />
Fächerkatalog der fachkundlichen Grundlagen der Schweißfachingenieurausbildung nach der Richtlinie<br />
DVS -IIW 1170 berücksichtigt. Darüber hinaus ist das Lehrbuch für den in der Praxis stehenden Fachmann ein<br />
ergänzendes, auf den neuesten Stand gebrachtes Nachschlagewerk.<br />
So werden zunächst die wichtigsten Metalle und deren Schweißverhalten sowie das Prüfen von Schweißverbindungen<br />
beschrieben. Ein umfangreiches Kapitel widmet sich den einzelnen Schweißprozessen und Geräten.<br />
Weitere fügetechnische Prozesse finden sich in den Kapiteln Löten, Kleben und Mechanische Fügeverfahren.<br />
Abgerundet werden die verfahrenstechnischen Kapitel durch die Themen Beschichten und Schneiden, wobei bei<br />
den Schneidverfahren zwischen Wasserstrahlschneiden und den thermischen Schneidprozessen unterschieden<br />
wird. Ein weiterer Schwerpunkt des Buches befasst sich mit den Problemen der Konstruktion und der<br />
schweißtechnischen Fertigung, wobei die theoretischen Grundlagen an aktuellen Beispielen aus der Praxis<br />
anschaulich erläutert werden.<br />
Die Autoren der einzelnen Kapitel und Abschnitte sind ausnahmslos Fachkollegen, die an den einzelnen<br />
Hochschulen der Bundesrepublik Deutschland für das Lehrgebiet Fügetechnik oder Schweißtechnik verantwortlich<br />
zeichnen. Ihnen sei an dieser Stelle für ihre engagierte Mitarbeit gedankt.<br />
Ein Dank gilt auch den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern im Umfeld der einzelnen Hochschulen, die zum<br />
Erscheinen des Buches beigetragen haben.<br />
Einen besonderen Dank möchte ich Herrn Lothar Knittel für die gründliche Textbearbeitung und fachliche<br />
Betreuung aussprechen.<br />
Jülich, im Oktober 2012<br />
Prof. Dr.-Ing. Horst Dören<br />
Fachhochschule Aachen, Campus Jülich<br />
Herausgeber
Autorenverzeichnis<br />
Borutzki, Ulrich, Prof. Dr.-Ing. FHTW Berlin 4.1.2.3; 4.1.2.5;<br />
11.7.6; 12.6<br />
Busch, Wolf-Berend, Prof. Dr.-Ing. FH Bielefeld 3.2.3; 3.2.4; 4.1.1;<br />
4.1.2.1; 4.1.2.2; 10.1.1<br />
Bye, Carsten, Prof. Dr.-Ing. FHWT Vechta-Diepholz-Oldenburg 8<br />
Dangelmaier, Peter, Prof. Dr.-Ing. FH Würzburg-Schweinfurt 11.6.1; 11.6.2; 11.7.1;<br />
11.7.3; 11.7.4<br />
Dören, Horst, Prof. Dr.-Ing. FH Aachen, Campus Jülich 2.5.3 bis 2.5.5<br />
Dorn, Lutz, Prof. Dr.-Ing. TU Berlin 1.2<br />
Falke, Johannes, Prof. Dr.-Ing. Universität Siegen 11.7.2<br />
Füssel, Uwe, Prof. Dr.-Ing. habil. TU Dresden 12.5.1; 12.5.2; 12.8; 12.9<br />
Gartzen, Johannes, Prof. Dr.-Ing. FH Aachen 2.5.6<br />
Hipp, Klaus Jürgen, Prof. Dr.-Ing. FH Südwestfalen 3.2.1; 4.3, 11.7.5<br />
Hobbacher, Adolf, Prof. Dr.-Ing. Jade Hochschule 2.4<br />
Illgner, Karl-Heinz, Prof. Dr.-Ing. FH Münster, Abt. Steinfurt 4.1.3.2<br />
Jacobi, Manfred, Prof. Dr.-Ing. Hochschule Regensburg 3.2.2<br />
Klink, Winfried, Prof. Dr.-Ing. HTWG Konstanz 11.6.2; 11.7.9; 11.7.9<br />
Kluge, Dieter, Prof. Dr.-Ing. habil. Chemnitz (ehemals Westsächsische 12.2; 12.5.3;<br />
Hochschule Zwickau) 12.5.7; 12.5.8<br />
Knödel, Peter, Prof. Dr.-Ing Hochschule Augsburg 11.1 bis 11.4; 11.6.3<br />
Lange, Franz Josef, Prof. Dr.-Ing. Hochschule Augsburg 4.1.2.5; 7<br />
Leuschen, Bernhard, Prof. Dr.-Ing. FH Düsseldorf 4.2.1 bis 4.2.1.4<br />
Middeldorf, Klaus, Dr-Ing. DVS 1.1<br />
Müller, Lutz, Prof. Dr.-Ing. HAW Hamburg 2.3; 2.5.8; 12.4<br />
Mundt, Ronald, Prof. Dr.-Ing. Hochschule Emden/Leer 2.5.7<br />
Radscheit, Carolin, Prof. Dr.-Ing. Hochschule Bochum 2.2; 4.1.3.4; 10.1.3<br />
Richter, Helmut, Prof. Dr.-Ing. Wuppertal (ehemals Universität Wuppertal) 2.5.9; 4.1.3.1<br />
Ruß, August, Prof. Dipl.-Ing. FH Würzburg-Schweinfurt 4.1.2.5<br />
Schinke, Bernd, Prof. Dr.-Ing. Hochschule Mannheim 3.1.3; 3.1.4<br />
Schubert, Rüdiger, Prof. Dr.-Ing, Hochschule Bremen 3.1.1; 3.1.2<br />
Schuler, Volkmar, Prof. Dr.-Ing. Hochschule Ulm 11.7.10; 11.7.11<br />
Schwab, Rainer, Prof. Dr.-Ing. Hochschule Karlsruhe 2.5.1<br />
Schwantes, Stephan, Prof. Dipl. Ing. Hochschule Ulm 2.5.2<br />
Schwesig, Martin, Prof. Dr.-Ing. Hochschule Ostwestfalen-Lippe 11.5 bis 11.5.3<br />
Sennß, Siegfried, Dipl. Ing. Berufsakademie Riesa 4.1.2.4; 5; 12.5.4 bis<br />
12.5.6; 12.7<br />
Sievers, Ernst-Rainer, Prof. Dr.-Ing. Westfälische Hochschule 2.1; 2.5.8; 4.1.3.3<br />
Uelze, Andreas, Prof. Dr.-Ing. habil. HTW Dresden 12.3<br />
Vögele, Alfons, Dipl. Ing. SRH Hochschule Heidelberg 1.3; 4.1; 4.1.2; 4.1.2.5;<br />
4.2; 4.2.2; 11.7.7<br />
Winkelmann, Ralf, Prof. Dr.-Ing. Hochschule Lausitz 9; 9.1; 9.2; 10.1.2<br />
Winkler, Reinhard, Prof. Dr. HTWG Konstanz 11.7.9<br />
Wodara, Johannes, Prof. Dr.-Ing. habil. Magdeburg (ehemals FH Hamburg) 4.2.2.1 bis 4.2.2.6,<br />
6; 10,2<br />
Wohlfarth, Helmut, Prof. Dr.-Ing., Waldbronn (ehemals TU Braunschweig) 12.1
Inhaltsverzeichnis<br />
Geleitworte<br />
Vorwort<br />
Autorenverzeichnis<br />
1 Einleitung ............................................................................................................................................. 1<br />
1.1 Wirtschaftliche Bedeutung der Fügetechnik ......................................................................................... 1<br />
1.2 Entwicklung der Schweißtechnik .......................................................................................................... 3<br />
1.3 Definition des Schweißens und Prozessbegriffe .................................................................................... 6<br />
2 Metallische Werkstoffe und deren Verhalten beim Schweißen ....................................................... 9<br />
2.1 Schweißbarkeit ...................................................................................................................................... 9<br />
2.2 Aufbau von Schweißverbindungen ..................................................................................................... 13<br />
2.3 Ursachen und Vermeidung der Rissbildung beim Schweißen ............................................................. 24<br />
2.4 Sprödbruchsicherung geschweißter Bauteile ....................................................................................... 30<br />
2.5 Schweißen metallischer Werkstoffe .................................................................................................... 37<br />
2.5.1 Allgemeine Baustähle nach DIN EN 10025-2 ..................................................................................... 37<br />
2.5.2 Feinkornbaustähle ................................................................................................................................ 40<br />
2.5.3 Niedriglegierte Stähle .......................................................................................................................... 42<br />
2.5.4 Nichtrostende Stähle ............................................................................................................................ 46<br />
2.5.5 Austenit-Ferrit-Verbindungen ............................................................................................................. 51<br />
2.5.6 Eisen-Kohlenstoff-Gusswerkstoffe ...................................................................................................... 54<br />
2.5.7 Aluminiumwerkstoffe .......................................................................................................................... 56<br />
2.5.8 Schweißen von Kupfer-, Titan-, Nickel- und Magnesiumwerkstoffen ................................................ 61<br />
2.5.9 Nicht artgleiche Metallverbindungen .................................................................................................. 64<br />
3 Prüfen von Schweißverbindungen ................................................................................................... 66<br />
3.1 Zerstörende Prüfverfahren ................................................................................................................... 66<br />
3.1.1 Zugversuch .......................................................................................................................................... 66<br />
3.1.2 Kerbschlagbiegeversuch ...................................................................................................................... 69<br />
3.1.3 Biegeprüfung ....................................................................................................................................... 72<br />
3.1.4 Härteprüfung ........................................................................................................................................ 73<br />
3.2 Zerstörungsfreie Prüfverfahren ............................................................................................................ 74<br />
3.2.1 Eindringverfahren (PT) ........................................................................................................................ 74<br />
3.2.2 Magnetpulverprüfung (MT) ................................................................................................................ 76<br />
3.2.3 Ultraschallprüfung (UT) ...................................................................................................................... 79<br />
3.2.4 Durchstrahlungsprüfung (RT) ............................................................................................................. 81<br />
4 Schweißprozesse und Geräte ............................................................................................................ 85<br />
4.1 Schmelzschweißprozesse ..................................................................................................................... 85<br />
4.1.1 Gasschmelzschweißen ......................................................................................................................... 86<br />
4.1.2 Lichtbogenschweißen .......................................................................................................................... 93<br />
4.1.2.1 Lichtbogen und Arbeitspunkt beim Schweißen ................................................................................... 94<br />
4.1.2.2 Schweißstromquellen ........................................................................................................................... 97<br />
4.1.2.3 Lichtbogenhandschweißen ................................................................................................................ 103<br />
4.1.2.4 Unterpulverschweißen ....................................................................................................................... 110<br />
4.1.2.5 Schutzgasschweißen .......................................................................................................................... 115<br />
Metall-Schutzgasschweißen (MSG) .................................................................................................. 116<br />
Wolfram-Schutzgasschweißen .......................................................................................................... 123<br />
Plasmaschweißen ............................................................................................................................... 128<br />
4.1.3 Weitere Schmelzschweißprozesse ..................................................................................................... 133<br />
4.1.3.1 Gießschmelzschweißen ...................................................................................................................... 133<br />
4.1.3.2 Elektroschlackeschweißen und Elektrogasschweißen ....................................................................... 135<br />
4.1.3.3 Elektronenstrahlschweißen ................................................................................................................ 138<br />
4.1.3.4 Laserstrahlschweißen ......................................................................................................................... 144
4.2 Pressschweißprozesse ........................................................................................................................ 150<br />
4.2.1 Widerstandsschweißen ...................................................................................................................... 151<br />
4.2.1.1 Widerstandspunktschweißen ............................................................................................................. 152<br />
4.2.1.2 Buckelschweißen ............................................................................................................................... 158<br />
4.2.1.3 Rollennahtschweißen ......................................................................................................................... 159<br />
4.2.1.4 Widerstandsstumpfschweißen ........................................................................................................... 160<br />
4.2.2 Weitere Pressschweißprozesse .......................................................................................................... 163<br />
4.2.2.1 Kaltpressschweißen ........................................................................................................................... 164<br />
4.2.2.2 Sprengschweißen ............................................................................................................................... 166<br />
4.2.2.3 Ultraschallschweißen (Metalle) ......................................................................................................... 167<br />
4.2.2.4 Reibschweißen ................................................................................................................................... 169<br />
4.2.2.5 Diffusionsschweißen ......................................................................................................................... 173<br />
4.2.2.6 Lichtbogenpressschweißen ................................................................................................................ 176<br />
4.3 Schweißen und Schneiden unter Wasser ........................................................................................... 180<br />
5 Kunststoffschweißen ........................................................................................................................ 184<br />
6 Löten ................................................................................................................................................. 190<br />
7 Metallkleben ..................................................................................................................................... 200<br />
8 Mechanisches Fügen ........................................................................................................................ 208<br />
9 Beschichten ....................................................................................................................................... 219<br />
9.1 Auftragschweißen .............................................................................................................................. 220<br />
9.2 Thermisches Spritzen ......................................................................................................................... 224<br />
10 Trennen ............................................................................................................................................. 228<br />
10.1 Thermisches Trennen ......................................................................................................................... 228<br />
10.1.1 Brennschneiden und Brennfugen ....................................................................................................... 228<br />
10.1.2 Plasmaschneiden ................................................................................................................................ 232<br />
10.1.3 Laserstrahlschneiden .......................................................................................................................... 235<br />
10.2 Wasserstrahlschneiden ....................................................................................................................... 238<br />
11 Konstruktion .................................................................................................................................... 242<br />
11.1 Stoßarten, Nahtarten, Schweißpositionen und zeichnerische Darstellung ......................................... 242<br />
11.2 Naht- bzw. Fugenvorbereitung .......................................................................................................... 248<br />
11.3 Gestaltungsgrundsätze ....................................................................................................................... 250<br />
11.4 Ermittlung der Spannungen und Querschnittswerte .......................................................................... 255<br />
11.5 Vorwiegend ruhend beanspruchte Schweißverbindungen ................................................................. 258<br />
11.5.1 Sicherheitskonzept gemäß DIN EN 1993 .......................................................................................... 258<br />
11.5.2 Schweißverbindungen nach DIN EN 1993-1-8 ................................................................................. 259<br />
11.5.3 Berechnungsbeispiele von vorwiegend ruhend beanspruchten Schweißverbindungen nach<br />
DIN EN 1993-1-8 .............................................................................................................................. 262<br />
11.6 Nicht vorwiegend ruhend beanspruchte Schweißverbindungen ........................................................ 267<br />
11.6.1 Grundlagen ........................................................................................................................................ 267<br />
11.6.2 Berechnungsbeispiele einer nicht vorwiegend ruhend beanspruchten Schweißverbindung<br />
(dynamische Beanspruchung)............................................................................................................. 273<br />
11.6.3 Normen, Regelwerke und Schrifttum ................................................................................................ 276<br />
11.7 Anwendungs- und Ausführungsbeispiele .......................................................................................... 280<br />
11.7.1 Geschweißte Konstruktionsdetails aus dem Stahlhochbau ................................................................ 280<br />
11.7.2 Stahlbrückenbau ................................................................................................................................ 286<br />
11.7.3 Kranbau ............................................................................................................................................. 290<br />
11.7.4 Schweißen von Betonstahl ................................................................................................................. 295<br />
11.7.5 Bau von meerestechnischen Anlagen ................................................................................................ 299<br />
11.7.6 Schiffbau ............................................................................................................................................ 303<br />
11.7.7 Behälter-, Dampfkessel- und Rohrleitungsbau .................................................................................. 305<br />
11.7.8 Maschinenbau .................................................................................................................................... 308
11.7.9 Fahrzeugbau ....................................................................................................................................... 315<br />
11.7.10 Schweißen im Luft- und Raumfahrzeugbau ...................................................................................... 321<br />
11.7.11 Schweißen in Feinwerktechnik und Elektronik ................................................................................. 327<br />
12 Schweißtechnische Fertigung ......................................................................................................... 332<br />
12.1 Spannungen und Deformationen ....................................................................................................... 332<br />
12.2 Schweißfolge ..................................................................................................................................... 339<br />
12.3 Richten und Flammrichten ................................................................................................................ 345<br />
12.4 Thermische Behandlungen in Zusammenhang mit Schweißvorgängen ............................................ 347<br />
12.5 Fertigungsplanung ............................................................................................................................. 352<br />
12.5.1 Schweißtechnischer Eignungsnachweis ............................................................................................ 352<br />
12.5.2 Schweißtechnische Ausbildung und Prüfung .................................................................................... 356<br />
12.5.3 Kalkulation von Schweißarbeiten ...................................................................................................... 361<br />
12.5.4 Schweißtechnische Fertigungsunterlagen .......................................................................................... 363<br />
12.5.5 Wahl des Schweißverfahrens ............................................................................................................. 365<br />
12.5.6 Wahl der Schweißmaschinen und -geräte .......................................................................................... 368<br />
12.5.7 Wahl der Schweißzusätze und -hilfsmittel ........................................................................................ 370<br />
12.5.8 Kapazitätsplanung ............................................................................................................................. 373<br />
12.6 Rationalisierung und Produktivitätserhöhung ................................................................................... 375<br />
12.7 Schweißtechnischer Gesundheits- und Arbeitsschutz ....................................................................... 381<br />
12.8 Zertifizierungen ................................................................................................................................. 386<br />
12.9 Qualitätsmanagementsystem (Qualitätsmanagement-Handbuch) ..................................................... 390<br />
13 Schweißtechnische Information und Dokumentation .................................................................. 394<br />
Anhang ............................................................................................................................................................. 396<br />
Metallographische Bilder von Schweißnähten .................................................................................................. 396<br />
Zustandsschaubilder Eisen – Kohlenstoff und Eisen – Eisenkarbid ................................................................. 400<br />
Zusammenstellung der Anlass- und Glühfarben ................................................................................................ 401<br />
Stichwortverzeichnis ......................................................................................................................................... 402
1 Einleitung<br />
1.1 Wirtschaftliche Bedeutung der Fügetechnik<br />
In der Prozesskette bei der Herstellung von Produkten besitzt die Fügetechnik auch von einem wirtschaftlichen<br />
Blickpunkt betrachtet eine stetig zunehmende Bedeutung. Am besten darstellen lässt sich diese Bedeutung am<br />
Anteil der Füge- und Schweißtechnik an der gesamten Wertschöpfung, die bei der Produktfertigung beigetragen<br />
wird. Zwei allgemeine Effekte sind dabei zu unterscheiden: zum einen die Produktion von Gütern für die Fügetechnik<br />
und zum anderen die Anwendung der Fügetechnik in verschiedenen Branchen. Nachfolgend werden<br />
einige Zahlen für das Jahr 2007 erläutert.<br />
Produktion und Dienstleistungen der Fügetechnik<br />
Der erste Effekt: die Produktion von verbundenen Gütern und Dienstleistungen für das Fügen (Ausrüstungen,<br />
Füllstoffe, Hilfswerkstoffe, Gesundheit und Sicherheit sowie Schulung und Ausbildung) hat eine Auswirkung<br />
auf die gesamte Wertschöpfung und die deutsche sowie die europäische Wirtschaft. Die gesamte Wertschöpfung<br />
durch diesen Effekt beläuft sich auf 1,86 Milliarden € in Deutschland, die von 32.000 Beschäftigten geschaffen<br />
wird. In Europa beläuft sich die gesamte Wertschöpfung auf 6,60 Milliarden € und wird von 122.000<br />
Beschäftigten geschaffen. Der zweite Effekt: die Anwendung der Fügetechniken generiert eine Wertschöpfung<br />
in zahlreichen Branchen. Die Gesamt-Wertschöpfung durch diesen Effekt beläuft sich auf 22,50 Milliarden € in<br />
Deutschland und wird von 447.000 Beschäftigten geleistet. In Europa beläuft sich die von 2,5 Millionen<br />
Beschäftigten generierte Gesamt-Wertschöpfung auf 90,5 Milliarden €.<br />
Die Fügetechnik stellt eine Querschnittstechnologie dar, die in und für zahlreiche Sektoren eingesetzt wird.<br />
Im Hinblick auf die eingesetzten Werkstoffe und die angewandten Technologien bestehen enge Beziehungen<br />
zwischen den Herstellern, Zulieferern, Kunden und Anwendern.<br />
Anwendung der Fügetechnik<br />
In Deutschland führten die Herstellung und Anwendung der Fügetechnik in 2007 zu einer Wertschöpfung von<br />
24,4 Milliarden € bei Beschäftigung von 478.000 Menschen. Im Vergleich zu den vorherigen Zahlen für 2003,<br />
die eine Wertschöpfung von 22,8 Milliarden € feststellten, hat sich die Wertschöpfung inzwischen um fast 7 %<br />
erhöht. Der vorhergehende Expertenbericht gab eine Beschäftigtenzahl von 557.000 Personen an und somit<br />
80.000 Beschäftigte mehr als im jetzigen Expertenbericht. Die Beschäftigtenzahlen für 2007 und 2003 sind aber<br />
nur eingeschränkt vergleichbar. Im Prinzip spielten aber auch die gesteigerten Arbeitsproduktivitäten in den<br />
einzelnen Wirtschaftsbranchen und der technische Fortschritt eine Rolle.<br />
Wertschöpfung und Beschäftigtenzahlen in Europa und Deutschland<br />
Die Wertschöpfung durch die Herstellung und Anwendung der Fügetechnik in Europa belief sich auf ungefähr<br />
97 Milliarden € im Jahr 2007. Dies entspricht dem 4-Fachen des entsprechenden Werts in Deutschland. Mit<br />
dieser Wertschöpfung waren mehr als 2,6 Millionen Beschäftigte in Europa im Jahr 2007 verbunden. Die<br />
Beschäftigtenzahl in Verbindung mit der Herstellung und Anwendung der Fügetechnik in Europa ist fast<br />
fünfmal so hoch wie die entsprechenden Beschäftigtenzahlen für Deutschland.<br />
Nur ein sehr geringer Anteil (970 Millionen €) der Gesamt-Wertschöpfung in Deutschland durch die Fügetechnik<br />
(24,4 Milliarden €) war auf die Herstellung von fügetechnischen Geräten zurückzuführen. Etwa 16.000<br />
Menschen in Deutschland waren im Jahr 2007 in diesem Bereich beschäftigt. Die Herstellung der erforderlichen<br />
Zusatzgüter für die Fügetechnik ergab eine Wertschöpfung von 890 Millionen €, die von weiteren 16.000<br />
Beschäftigten in Deutschland im Jahr 2007 erwirtschaftet wurden. Der Hauptanteil der Wertschöpfung wurde<br />
jedoch nicht durch die Herstellung von Fügetechnik geschaffen, sondern durch die Anwendung der Fügetechnik<br />
in den fügeintensiven Sektoren. In der deutschen Volkswirtschaft kommt auf eine Wertschöpfungseinheit durch<br />
die Herstellung von fügetechnischen Geräten fast eine weitere Einheit durch die Herstellung von Zusatzgütern,<br />
aber nicht weniger als 23 Einheiten durch die Anwendung der Fügetechnik. Bei Betrachtung der Beschäftigungssituation<br />
ist die Hebelwirkung sogar noch ausgeprägter: Auf einen Mitarbeiter in der Herstellung<br />
von Fügetechnik kommt nicht weniger als ein Beschäftigter bei der Herstellung von Zusatzgütern sowie 30<br />
Beschäftigte, die mit der Anwendung der Fügetechnik befasst sind.<br />
1
Auf europäischer Ebene ist ein ähnliches Verhältnis der individuellen Beiträge zum Gesamteffekt wie in<br />
Deutschland festzustellen. Ein geringer Anteil (2,6 Milliarden €) der Gesamt-Wertschöpfung durch die Fügetechnik<br />
in Europa (97 Milliarden €) war auf die Herstellung von fügetechnischen Geräten zurückzuführen. Etwa<br />
55.000 Menschen sind in diesem Bereich beschäftigt. Die Herstellung der erforderlichen Zusatzgüter führte zu<br />
einer Wertschöpfung von 4 Milliarden € bei einer Beschäftigtenzahl von 68.000 in Europa im Jahr 2007. Der<br />
Hauptanteil der Wertschöpfung wurde jedoch durch die Anwendung der Fügetechnik in den fügeintensiven<br />
Sektoren geschaffen. In Europa ist eine von 38 Einheiten Wertschöpfung auf die Herstellung von fügetechnischen<br />
Geräten zurückzuführen, ungefähr 1,5 Einheiten auf die Herstellung von Zusatzgütern und ungefähr<br />
35 Einheiten auf die Anwendung der Fügetechnik. Im Hinblick auf die Beschäftigungssituation ist die Hebelwirkung<br />
sogar noch ausgeprägter: auf einen Beschäftigten bei der Herstellung von Geräten kommen nicht<br />
weniger als ein Beschäftigter bei der Herstellung von Zusatzgütern sowie fast 46 Beschäftigte, die mit der<br />
Anwendung der Fügetechnik befasst sind.<br />
Die grundlegenden Größenordnungen der einzelnen Beiträge zum Gesamteffekt sind in allen Ländern vergleichbar:<br />
Von der Fügetechnik geht eine starke Hebelwirkung aus. Durch die Herstellung von Fügetechnik wird nur<br />
ein kleiner Beitrag zur Wertschöpfung und zur Beschäftigtenzahl geleistet. Wertschöpfung und Beschäftigung<br />
werden hauptsächlich durch die Anwendung der Fügetechnik in den fügeintensiven Sektoren geschaffen.<br />
2
1.2 Entwicklung der Schweißtechnik<br />
Antike und Mittelalter<br />
Bild 1.2-1. Ägyptischer Goldschmied beim Hartlöten mit<br />
Holzschmiedefeuer und Blasrohr. Theben, 1475 v. Chr.<br />
[5].<br />
Bild 1.2-2. Griechische Werkstatt zum Schmieden und<br />
Feuerschweißen, 500 v. Chr. [5].<br />
Bild 1.2-3. Bronzegefäß aus China, um 1700 v. Chr. [3].<br />
Als ältestes Verfahren der thermischen Fügetechnik<br />
gilt das Hartlöten, das bereits in Ägypten um 3800 v.<br />
Chr. bekannt war. Bereits 1000 Jahre danach war ein<br />
hochentwickelter Stand der Hartlöttechnik erreicht, wie<br />
Funde von Schmuckgegenständen aus den sumerischen<br />
Königsgräbern belegen. Die Grundwerkstoffe waren<br />
Gold, Silber, Kupfer und Bronze. Die Wärmeeinbringung<br />
erfolgte mit Hilfe eines Holzkohlefeuers und<br />
Blasrohres (Bild 1.2-1).<br />
Das Weichlöten war nachweislich in Griechenland<br />
bereits ab etwa 2000 v. Chr. bekannt, ist aber vermutlich<br />
wesentlich älter. Um 300 v. Chr. wurde es bereits<br />
unter Einsatz von Lötkolben im gesamten Mittelmeerraum<br />
ausgeführt.<br />
Das Feuerschweißen durch Verschmieden von Gold<br />
und Kupfer wurde in Mesopotamien bereits ab 3200 v.<br />
Chr. angewandt. Das Feuerschweißen von Stahl wurde<br />
in Anatolien (Hethiter) ab 1700 v. Chr. und in Griechenland<br />
ab 1000 v. Chr. beherrscht (Bild 1.2-2). Ab<br />
800 v. Chr. sind feuergeschweißte Fundstücke in Mitteleuropa<br />
(Hallstattkultur) nachzuweisen. Aus dem<br />
Mittelalter gibt es zahlreiche Beispiele für hervorragende<br />
handwerkliche Leistungen auf dem Gebiet des<br />
Feuerschweißens wie Waffen, Rüstungen und Ketten.<br />
Durch Entwicklung wasserbetriebener und schließlich<br />
dampfbetriebener Schmiedehämmer konnten zunehmend<br />
größere Werkstücke feuergeschweißt werden, z.<br />
B. Schiffsanker und Schweißstahl-Wellen.<br />
Das Schmelzschweißen durch Ausgießen der eingeformten<br />
Nahtstelle mit flüssigem Metall wurde ab etwa<br />
3000 v. Chr. in Mesopotamien für Blei angewendet, z.<br />
B. für die verschweißten Bleiwannen der Hängenden<br />
Gärten der Semiramis (580 v. Chr.). In China diente<br />
das Gießschmelzschweißen um 1400 v. Chr. zur Herstellung<br />
von Opfergefäßen aus Bronze (Bild 1.2-3).<br />
Autogentechnik<br />
Der anfangs verwendete Begriff Autogenschweißen ist<br />
eine Zusammensetzung aus griech. „auto“ (= selbst)<br />
und lat. „genere“ (= erzeugen) und wurde erstmals<br />
1840 von dem Franzosen de Richemont für die von<br />
ihm erfundene Arbeitsweise zum Fügen von Bleiblechen<br />
durch Zusammenschmelzen mit einer Wasserstoff-Luft-Flamme<br />
gewählt. Nachdem Linde 1898 die<br />
Gewinnung von Sauerstoff aus der Luft entwickelt<br />
hatte, konnte die Verbrennungsluft durch reinen Sauerstoff<br />
ersetzt und dadurch die Flammentemperatur erheblich<br />
gesteigert werden. Wiss konstruierte 1900 einen<br />
für Stahl geeigneten Wasserstoff-Sauerstoff-<br />
Schweißbrenner.<br />
3
Mit der großtechnischen Erzeugung von Calciumcarbid durch Wilson (1892) und dem Bau von Acetylen-<br />
Großentwicklern (1897) verdrängte das Acetylen zunehmend den Wasserstoff als Brenngas, nachdem es Fouché<br />
1903 gelungen war, Acetylen-Sauerstoff-Brenner zu bauen. Die Entwicklung des Brennschneidens erreichte mit<br />
dem von Wiss patentierten Schneidbrenner mit zentraler Schneidsauerstoffdüse (1904) den technischen Durchbruch.<br />
Bis ca. 1920 war das Gasschweißen das dominierende Schmelzschweißverfahren, wurde anschließend jedoch<br />
durch das Lichtbogenschweißen zunehmend verdrängt. Demgegenüber stellt das Brennschneiden bis heute ein<br />
wichtiges Verfahren zum thermischen Trennen dar, insbesondere zum Vorbereiten der Werkstücke für das<br />
Schweißen.<br />
Aufbauend auf der Entwicklung des Autogenbrenners erfand Goldschmidt 1899 das aluminothermische<br />
Schweißen. Dieses Verfahren ermöglicht mit geringem gerätetechnischen Aufwand, flüssigen Stahl für das<br />
Gießschmelzschweißen zu erzeugen. Damit wird bis heute das Schweißen von Schienenstößen vorgenommen.<br />
Lichtbogenschmelzschweißen<br />
Bereits 1792 berichtet der Göttinger Professor Lichtenberg:<br />
„Ich habe in diesen Tagen mittels der künstlichen Elektrizität etwas angerichtet, was sich bisher nur der<br />
künstliche Blitz vorbehielt, nemlich eine Uhrfeder und eine englische Feder Messer Klinge so zusammen<br />
geschmoltzen, dass ein Theil der Uhrfeder und der Messer Klinge in einen Tropfen zusammenliefen.“<br />
Doch erst die Entdeckung des stationären Lichtbogens durch Petrow (1803) und Davy (1809) und die Entwicklung<br />
von leistungsfähigen Stromerzeugern von Siemens (1867) schufen die Voraussetzungen zum Lichtbogenschweißen.<br />
Dem Russen Benardos gelang es 1885, einen Lichtbogen zwischen nicht abschmelzender Kohleelektrode und<br />
Werkstück zum Schmelzschweißen von Metallen nutzbar zu machen. Dazu wurde die Kohleelektrode am Minuspol<br />
angeschlossen und eventuell benötigter Zusatzwerkstoff als stromloser Draht abgeschmolzen. Bis heute<br />
wird der Lichtbogen mit Graphitelektrode zum Lichtbogenfugen angewandt.<br />
Der russische Bergingenieur Slawjanow benutzte 1890 metallischen Zusatzdraht als Elektrode, so dass durch<br />
den Lichtbogen sowohl das Werkstück auf- als auch die Elektrode abgeschmolzen wurde. Die Verwendung<br />
einer Elektrodenumhüllung (Kjellberg 1907), einer Pulveraufschüttung (Unterpulverschweißen 1936) oder eines<br />
Schutzgases (Metall-Schutzgasschweißen 1948) führte zu verbesserter Luftabschirmung der Schweißstelle und<br />
damit zur vielseitigen Anwendung des Lichtbogenschweißens.<br />
Beim Verfahren von Zerener (1889) brannte der Lichtbogen zwischen zwei Kohleelektroden unter gleichzeitiger<br />
Zuführung eines stromlosen Zusatzdrahtes und unter Verwendung von Wasserstoff als Schutzgas. Zwar erlangte<br />
dieses Verfahren keine größere Bedeutung, kann jedoch als ein Vorläufer des Wolfram-Schutzgasschweißens<br />
(1937) angesehen werden.<br />
Widerstandsschweißen<br />
Der Amerikaner Thomson machte 1867 die beim Stromdurchfluss von Metall entstehende Widerstandserwärmung<br />
für das Pressstumpfschweißen nutzbar. Um 1888 erfand der Russe Bernados das Punktschweißen mit<br />
Graphitelektroden, die 1897 in den USA durch Kupferelektroden ersetzt wurden. Wenige Jahre später folgten<br />
bereits das Buckel- und Rollennahtschweißen (1907). Eine Weiterentwicklung für das Stumpfschweißen großer<br />
Querschnitte stellt das Abbrennstumpfschweißen (1913) dar.<br />
Neuzeitliche Schweißverfahren<br />
In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts entstanden vielfältige neue Schweißverfahren. Eine Entwicklungsrichtung<br />
zum Schweißen in festem Zustand ohne oder mit nur geringer Wärmezufuhr führte auf das Kaltpress-,<br />
Spreng-, Rotationsreib-, Ultraschall- und Diffusionsschweißen. Eine andere Entwicklungsrichtung nutzte hochfokussierte<br />
Energiequellen wie den Plasma-, Elektronen- und Laserstrahl, um den Wärmeeinfluss beim Schweißen<br />
zu reduzieren. Die jüngsten Verfahren stellen das Laser-Hybridschweißen und der Cold-Metal-Transfer-<br />
Prozess dar.<br />
Schlussbemerkung<br />
Die stürmische Entwicklung auf dem Gebiet der Schweißtechnik führte schon in den 20er Jahren des 20. Jahrhunderts<br />
zu technisch-wissenschaftlichen Zusammenschlüssen, aus denen 1947 der Deutsche Verband für<br />
4
Schweißen und verwandte Verfahren e. V. (DVS) hervorging. Die Gründung schweißtechnischer Hochschulinstitute<br />
nahm in Berlin (1923) und Braunschweig (1926) ihren Ausgang.<br />
Tabelle 1.2-1. Entwicklung der Metallschweißprozesse.<br />
etwa 3800 v. Chr. Hartlöten<br />
etwa 3200 v. Chr. Feuerschweißen von Gold, Silber, Kupfer, Bronze<br />
etwa 3000 v. Chr. Schmelzschweißen<br />
2000 v. Chr. Weichlöten<br />
etwa 1700 v. Chr. Feuerschweißen von Stahl<br />
Kohlelichtbogenschweißen<br />
1890 Schweißen mit abschmelzender Metallelektrode<br />
Widerstandsschweißen<br />
Luftverflüssigung<br />
1900 Lösen von Acetylen in Aceton<br />
Gasschweißbrenner<br />
Brennschneiden<br />
Umhüllte Elektroden<br />
1910<br />
1920<br />
1930<br />
Unterpulverschweißen<br />
Wolfram-Inertgasschweißen<br />
1940<br />
Metall-Intergasschweißen<br />
Kaltpressschweißen<br />
Reibschweißen<br />
1950 Ultraschallschweißen<br />
Metall-Aktivgasschweißen<br />
Elektronenstrahlschweißen<br />
Plasmaschneiden und -schweißen<br />
1960 Diffusionsschweißen<br />
Laserstrahlschweißen und -schneiden<br />
1970<br />
1980<br />
Schweißroboter<br />
1990<br />
Elektronische Schweißstrom-<br />
Quellen (Inverter)<br />
Rührreibschweißen<br />
2000<br />
2010<br />
Laser-Hybridschweißen<br />
MSG-Hochleistungsschweißprozesse<br />
Literatur<br />
[1] Bernsdorf, G.: Auf heißen Spuren vom Schmieden, Löten, Schweißen. VEB-Fachbuch Verlag, Leipzig<br />
1986, Lizenzausgabe: DVS Media, Düsseldorf 1986.<br />
[2] Fodor, E. de: Die elektrische Schweißung und Löthung. Verlag Hartleben, Leipzig 1892. Faksimile-<br />
Ausgabe DVS Media, Düsseldorf 1980.<br />
[3] Puschner, M.: 5 Jahrtausende Schweißen – Eine Frühgeschichte der Schweißtechnik. DVS Media, Düsseldorf<br />
1986.<br />
[4] Wolters, J.: Zur Geschichte der Löttechnik. Firmenschrift der Fa. Degussa, Hanau 1975.<br />
[5] Behnisch, H., und G. Aichele: Die Schweißtechnik im Wandel der Zeiten – Vom Schmiedefeuer zum Laserstrahl.<br />
DVS Media, Düsseldorf 2005.<br />
5
1.3 Definition des Schweißens und Prozessbegriffe<br />
Nach DIN 8580 gehört bei der Einteilung der Fertigungsverfahren das Schweißen zur Hauptgruppe 4 „Fügen“,<br />
und zwar als Untergruppe:<br />
Fügen durch Stoffverbinden.<br />
Definition des Begriffes Schweißen nach DIN 1910-100:<br />
Fügeprozess, bei dem zwei oder mehr Teile verbunden werden, wobei eine Kontinuität der<br />
Werkstoffe der zu verbindenden Teile hergestellt wird, unter Anwendung von Wärme oder<br />
Kraft oder beiden und mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoff.<br />
Bild 1.3-1. Definition.<br />
Das Schweißen kann durch Schweißhilfsstoffe ermöglicht oder erleichtert werden. Die in der Schweißzone wirkende<br />
Arbeit wird von außen durch Energieträger zugeführt.<br />
Die Schweißprozesse lassen sich wie folgt einteilen:<br />
Bild 1.3-2. Einteilung der Schweißprozesse.<br />
Als Energieträger finden feste Körper (Heizelemente), Gase (Gasschweißen), Flüssigkeit (Schmelze beim<br />
aluminothermischen Schweißen), Strahlen (Elektronen- oder Laserstrahl), Bewegung (Reibungswärme) sowie<br />
elektrische Gasentladung (Lichtbogen) Anwendung.<br />
Als Grundwerkstoffe kommen außer Metallen auch andere Materialien wie Kunststoffe in Betracht.<br />
Der Zweck des Schweißens kann Verbinden oder Beschichten sein:<br />
• Verbinden (Verbindungsschweißen)<br />
Verbinden ist ein Vereinigen von zwei oder mehreren Teilen eines artgleichen Werkstoffes oder unterschiedlicher<br />
Werkstoffe zu einer Einheit. Sie gilt als unlösbar, da sie nicht mit einfachen Mitteln wieder gelöst und<br />
zusammengesetzt werden kann (vgl. lösbare mechanische Verbindung: Schraubverbindung, Kupplung; unlösbare<br />
mechanische Verbindung: Nieten, Bördeln).<br />
6
• Beschichten (Auftragschweißen)<br />
Beschichten ist das Auftragen eines Werkstoffes durch Schweißen zum Ergänzen bzw. Vergrößern des Volumens<br />
oder zum Schutz gegen Korrosion bzw. Verschleiß. Das Auftragschweißen besteht aus einer oder mehreren<br />
sich meist überdeckenden Schweißraupen oder Schweißlagen.<br />
Bei Auftragschweißungen unterscheidet man zwischen folgenden Begriffen:<br />
– Panzerungen (Schweißpanzern)<br />
Verwendung eines vorzugsweise verschleißfesten Auftragwerkstoffes, z. B. für Baggerschaufelkanten oder<br />
Prallschutzbereiche bei Steinbrechern.<br />
– Plattierungen (Schweißplattieren)<br />
Verwendung eines vorzugsweise chemisch beständigen Auftragwerkstoffes.<br />
– Pufferschichten (Puffern)<br />
Verwendung eines Auftragwerkstoffes mit solchen Eigenschaften, dass zwischen nicht artgleichen Werkstoffen<br />
eine beanspruchungsgerechte Bindung erzielt werden kann, z. B. für Auftragschweißungen auf rissanfälligen<br />
Stählen.<br />
Der Ablauf des Schweißens wird folgendermaßen unterteilt:<br />
• Schmelzschweißen<br />
Hier entsteht die Verbindung durch örtlich begrenzte Erwärmung bis kurz oberhalb der Liquidustemperatur,<br />
wobei die in Schmelzfluss versetzten Kanten der zu verbindenden Werkstücke sowie der (meist) verwendete<br />
Zusatzwerkstoff ineinander fließen und anschließend erstarren (Schweißen ohne Anwendung von Kraft mit oder<br />
ohne Schweißzusatz).<br />
Bild 1.3-3. Lichtbogenhandschweißen [nach 1].<br />
Bild 1.3-4. Gasschmelzschweißen [nach 1].<br />
• Pressschweißen<br />
Hier entsteht die Verbindung durch örtlich begrenzte Erwärmung (u. U. bis zum Schmelzen) mit nachfolgendem<br />
Hämmern oder Pressen (Schweißen unter Anwendung von Wärme und Kraft ohne Schweißzusatz).<br />
Bild 1.3-5. Zweiseitiges Punktschweißen [nach 1]. Bild 1.3-6. Feuerschweißen [nach 1].<br />
7
Die Art der Fertigung wird als Mechanisierungsgrad in vier Stufen eingeteilt, die in DIN 1910-100 beispielhaft<br />
aufgeführt werden:<br />
Bild 1.3-7. Mechanisierungsgrade [nach 1].<br />
Literatur<br />
[1] DIN 1910-100 (2008-02): Schweißen und verwandte Prozesse – Begriffe – Teil 100: Metallschweißprozesse<br />
mit Ergänzungen zu DIN EN 14610:2005. Beuth Verlag, Berlin.<br />
[2] DIN 8580 (2003-09): Fertigungsverfahren – Begriffe, Einteilung. Beuth Verlag, Berlin.<br />
8
2 Metallische Werkstoffe und deren Verhalten beim Schweißen<br />
2.1 Schweißbarkeit<br />
Die Bauteilherstellung beginnt beim Konstrukteur, der für die „bauliche Durchbildung“ verantwortlich ist. Er<br />
bilanziert die im Bauteil vorhanden Spannungen und gleicht sie mit den zulässigen Spannungen der infrage<br />
kommenden Werkstoffe unter Berücksichtigung einer ausreichenden Sicherheit ab. Ferner hat er neben der<br />
Festigkeit auch weitere Eigenschaften wie Korrosions- bzw. Verschleißbeständigkeit sowie die Werkstoffkosten<br />
zu berücksichtigen. Außerdem obliegt dem Konstrukteur in der Regel die Auswahl des geeigneten<br />
Fügeverfahrens. Dabei kommen das kraftschlüssige Schrauben, das kraft- oder formschlüssige Nieten, das<br />
Löten, das Kleben oder das Schweißen in Frage. Dies kann, auch wenn alles nach technischen Regeln fachgerecht<br />
und ordnungsgemäß ausgeführt wurde, dennoch mit einem gewissen Restrisiko im Betrieb hinsichtlich<br />
eines möglichen Versagens verbunden sein. Dieses Restrisiko zu minimieren ist nun Aufgabe sowohl der<br />
Konstruktion wie auch der Fertigung. Es ist leicht ersichtlich, dass beide am gleichen Strang ziehen und von<br />
daher diese beiden Sparten unbedingt miteinander kommunizieren müssen. Unterbleibt dies, ist im<br />
ungünstigsten Fall der Schaden vorprogrammiert. Insofern ist ein vernetztes Denken zwischen den drei<br />
klassischen Teildisziplinen Konstruktion, Fertigung und Werkstoffe erforderlich, die im Falle des Schweißens<br />
zusammengefasst als so genannte Schweißbarkeit eines Bauteils im DIN-Fachbericht ISO/TR 581 beschrieben<br />
und im weiteren Verlauf auszugsweise erläutert wird.<br />
Der Begriff „Schweißbarkeit“ wird oft fälschlicherweise auch als Synonym für die Schweißeignung verwendet.<br />
Die Frage: „Ist der Werkstoff schweißbar?“ ist höchst unpräzise und lässt sich ohne weitere Überlegung sofort<br />
mit einem „ja“ beantworten. Wesentlich präziser sind dagegen die Fragen: „Eignet sich der Werkstoff zum<br />
Schweißen?“ oder „wie verhält er sich beim Schweißen?“<br />
Insofern ist der Begriff „Schweißbarkeit eines<br />
Bauteils“ inhaltlich sehr weit gefasst und gliedert<br />
sich als Bewertungsgröße auf in die Teilbereiche<br />
(Bild 2.1-1):<br />
– Schweißeignung des Werkstoffes,<br />
– Schweißsicherheit der Konstruktion und<br />
– Schweißmöglichkeit der Fertigung.<br />
Die Schweißbarkeit des Bauteils ist dann<br />
gegeben, wenn der Stoffschluss durch Schweißen<br />
mit geeigneten Prozessen und Abläufen so<br />
Bild 2.1-1. Darstellung der Schweißbarkeit [1].<br />
erfolgen kann, dass die für den jeweiligen<br />
Verwendungszweck ausreichende Belastbarkeit<br />
während der projektierten Lebensdauer des Bauteils zu angemessenen Kosten gewährleistet ist. Die Schweißbarkeit<br />
ist dabei umso günstiger, je weniger die einzelnen Einflussgrößen zu beachten sind.<br />
Schweißeignung<br />
Die Schweißeignung des Werkstoffs wird durch seine chemische Zusammensetzung wie auch von seinen<br />
metallurgischen und physikalischen Eigenschaften bestimmt. Alles, was von der chemischen Zusammensetzung<br />
des Werkstoffs ausgeht, soll anhand der nachstehenden Auflistung kurz beleuchtet werden:<br />
Sprödbruchneigung:<br />
Das spröde Bruchverhalten ist höchst unerwünscht, weil es plötzlich, ohne jegliche Vorwarnung eintritt.<br />
Alterungsneigung:<br />
Die Alterung beschreibt im Allgemeinen die zeitlich fortschreitende Versprödung eines Werkstoffs.<br />
Härtungsneigung:<br />
Nicht nur der „aufhärtende“ Kohlenstoff in umwandelnden Stählen, sondern auch die C-Diffusions-behindernden<br />
Legierungselemente tragen zu einer Aufhärtung bei.<br />
Heißrissneigung:<br />
Darunter versteht man die Rissbildung, die im Schweißgut und / oder in der Wärmeeinflusszone bei hohen<br />
Temperaturen auftreten kann.<br />
9
Schmelzbadverhalten:<br />
Einige Verunreinigungen wie Sauerstoff und Schwefel<br />
senken die Oberflächenspannung bzw. Verändern den<br />
Oberflächenspannungs-Temperaturgradienten des<br />
Schmelzbades. Dies führt bereits bei kleinsten Gehalten<br />
zu einer Umkehrung der Strömungsrichtung und damit<br />
zu einer Änderung der Nahtgeometrie (Marangonie-<br />
Konvektion) (Bild 2.1-2).<br />
Verdampfungstemperatur:<br />
Legierungselemente mit niedriger Verdampfungstemperatur<br />
verursachen beim Schweißen Poren.<br />
Sauerstoff 0,010 % 0,015 %<br />
©FH GE<br />
Strömungsrichtung<br />
1 mm<br />
Bild 2.1-2. Einfluss des Sauerstoffgehalts auf die<br />
Nahtgeometrie beim WIG-Schweißen mit identischen<br />
Schweißparametern und nominell gleicher Werkstoffzusammensetzung<br />
(X5CrNi 18-10).<br />
Schmelzbereich:<br />
Dieser liegt zwischen der Liquidus- und Solidustemperatur und verleiht dem Schweißbad eine gewisse<br />
Modellierfähigkeit, was bei reinen Metallen mit einem definierten Schmelzpunkt nicht der Fall ist.<br />
Die metallurgischen Eigenschaften beziehen sich auf Merkmale wie Seigerungen, Einschlüsse, Anisotropie,<br />
Korngröße und Gefügeausbildung im Werkstoff.<br />
Beim Schweißen sind auch Kenntnisse der folgenden physikalischen Eigenschaften des Werkstoffs wichtig:<br />
Ausdehnungsverhalten:<br />
Je höher der Ausdehnungskoeffizient ist, umso größer ist der Verzug der Schweißteile oder – wenn eine<br />
Spannvorrichtung benutzt wird – die verbleibenden Eigenspannungen im Bauteil.<br />
Wärmeleitfähigkeit:<br />
Je höher die Wärmeleitfähigkeit eines Werkstoffs ist, umso rascher fließt die Wärme von der Schweißstelle<br />
ab. In dieser Beziehung erweist sich Kupfer mit seiner hohen Wärmeleitfähigkeit als schlecht schweißgeeignet.<br />
Demgegenüber besitzen austenitische CrNi-Stähle eine vergleichsweise sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit<br />
und stauen entsprechend die Wärme beim Schweißen und dem nachfolgenden Abkühlen. Dies<br />
muss beim Schweißprozess beachtet werden.<br />
Schmelzpunkt:<br />
Die Höhe des Schmelzpunkts bei reinen Metallen gibt in Verbindung mit der spezifischen Wärmekapazität<br />
und der latenten Schmelzwärme Auskunft, wie der Energiebedarf beim Schweißen zu bemessen ist.<br />
Festigkeit und Zähigkeit:<br />
Grundsätzlich steht die Festigkeit in Konkurrenz zur Zähigkeit; somit verhalten sich hoch- und höherfeste<br />
Werkstoffe zunehmend spröde, was beim Schweißen zu beachten ist.<br />
Schweißsicherheit<br />
Eine geschweißte Konstruktion muss sicher sein! Diese Sicherheit ist dann vorhanden, wenn mit dem<br />
verwendeten Werkstoff das Bauteil aufgrund seiner konstruktiven Gestaltung unter den vorherrschenden<br />
Betriebsbedingungen funktionsfähig bleibt. Im Übrigen muss die Konstruktion nicht nur werkstoffgerecht,<br />
sondern auch schweißgerecht gestaltet sein. Die hier eingehenden Faktoren sind mannigfaltig und werden<br />
ebenfalls nur beispielhaft aufgelistet:<br />
Konstruktive Gestaltung<br />
Kraftfluss im Bauteil:<br />
Es ist ein möglichst gleichmäßiger Kraftfluss anzustreben. Daher ist bei dynamischer Belastung eine I-Naht<br />
am Stumpfstoß gegenüber einer Kehlnaht am T-Stoß zu bevorzugen.<br />
Anordnung der Schweißnähte:<br />
Sie können quer (ungünstiger) oder längs (günstiger) zur Hauptbeanspruchungsrichtung verlaufen. Des<br />
Weiteren sollen kreuzende Nähte oder Nahtanhäufungen vermieden werden, da sie den rissbegünstigenden<br />
dreiachsigen Spannungszustand fördern.<br />
Werkstückdicke:<br />
Bei großen Blechdicken können metallurgische Unregelmäßigkeiten im Querschnitt auftreten. Darüber hinaus<br />
stellt sich mit zunehmender Blechdicke der dreiachsige Spannungszustand ein. Gleichfalls geht mit<br />
zunehmender Blechdicke die zweidimensionale Wärmeableitung in die dreidimensionale über, was eine<br />
schnellere Abkühlung zur Folge hat.<br />
10
Kerbwirkung:<br />
Kerben weisen eine örtliche Spannungskonzentration auf, die unter dynamischer Belastung zum vorzeitigen<br />
Versagen des Bauteils führen können.<br />
Steifigkeitsunterschiede:<br />
Schroffe Blechdickensprünge wirken sich ungünstig auf den Kraftfluss aus. Um diesen homogener verlaufen<br />
zu lassen, sollten die Querschnittsübergänge abgeschrägt werden.<br />
Beanspruchungszustand<br />
Art und Größe der Spannungen im Bauteil:<br />
Je nach Belastung können es Zug-, Druck-, Schub- oder Biegespannungen sein. Vom zeitlichen Verlauf<br />
können sie vorwiegend ruhend (statisch) oder vorwiegend nicht ruhend (schwellend oder wechselnd) sein.<br />
Grundsätzlich gilt dabei, Schweißnähte nicht in Zonen hoher Beanspruchung zu legen.<br />
Räumlichkeitsgrad der Spannungen:<br />
Gegenüber einer einachsigen Zugbeanspruchung mit homogener Spannungsverteilung wirkt sich der<br />
dreiachsige Spannungszustand verformungsbehindernd und damit versprödend aus.<br />
Beanspruchungsgeschwindigkeit:<br />
Im Unterschied zur ruhenden Belastung führt eine Stoß- oder Schlagbeanspruchung zu einer Werkstoffverfestigung<br />
und -versprödung.<br />
(einwirkende) Temperaturen:<br />
Bei tiefen Temperaturen verhalten sich – mit Ausnahme der kfz-Metalle – die Werkstoffe spröde, bei hohen<br />
Temperaturen dagegen zäh. Deshalb ist im ersten Fall eine Kaltzähigkeit gefordert. Im zweiten Fall ist<br />
dagegen eine ausreichende Warmfestigkeit gefordert.<br />
Korrosion:<br />
Den vielfältigen Korrosionsformen ist insofern Rechnung zu tragen, in dem möglichst Spalte vermieden und<br />
Schweißnähte sich mit ihren Eigenspannungen nicht mit geometrischen Kerbspannungen überlagern.<br />
Selbstverständlich ist das Bauteil auch prüfgerecht zu gestalten, um mit den Methoden der zerstörungsfreien<br />
Prüfung die Schweißnaht hinsichtlich möglicher Unregelmäßigkeiten kontrollieren und bewerten zu können.<br />
Schweißmöglichkeit<br />
Die Schweißmöglichkeit für einen Schweißprozess ist vorhanden, wenn die an einer Konstruktion vorgesehenen<br />
Schweißnähte unter den gewählten Fertigungsbedingungen fachgerecht hergestellt werden können. Hierbei ist<br />
auch sicherzustellen, dass der gewählte Schweißprozess bereits im Unternehmen vorhanden ist. Sonst muss in<br />
entsprechende Maschinen investiert oder eine Fremdfertigung erwogen werden. Bei der Fertigung von<br />
abnahmepflichtigen Bauteilen sind bei manuellen Prozessen Schweißer mit gültiger Schweißer-Prüfungsbescheinigung<br />
nach DIN EN 287-1 erforderlich und bei mechanisierten oder automatisierten Prozessen bedarf<br />
es einer Qualifizierung nach DIN EN ISO 15607.<br />
Vorbereitung zum Schweißen<br />
Schweißstoßarten:<br />
Damit wird beschrieben, wie die Teile vor dem Schweißen „zusammenstoßen“, z. B. Stumpfstoß,<br />
Überlappstoß usw.<br />
Form der Schweißnahtvorbereitung:<br />
Mit zunehmender Blechdicke müssen die Blechflankenkanten so vorbereitet werden, dass die Zugänglichkeit<br />
des Lichtbogens zur Schweißstelle gewährleistet ist. In Abhängigkeit von Werkstoff, Schweißprozess und<br />
Blechdicke wird dies in einer Vielzahl von Normen geregelt.<br />
Ausführung der Schweißarbeiten<br />
Fertigungsablauf:<br />
Neben dem jeweiligen Ablaufprinzip der Fertigung stehen hier beispielsweise Fragen im Vordergrund,<br />
welcher Schweißprozess vorzusehen ist und ob Vorrichtungen zur Bauteilmanipulation benötigt werden.<br />
Wärmeführung:<br />
Zur Erhaltung der Werkstoffeigenschaften ist eine abgestimmte Wärmeführung beim Schweißen einzuhalten.<br />
Darunter versteht man z. B eine erforderliche Vorwärmung, die Einhaltung einer bestimmten Arbeitstemperatur<br />
und eine, wenn nötig, erforderliche Wärmenachbehandlung.<br />
11