SFI-Aktuell 06/07 - SLV Duisburg
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Gesellschaft für Schweißtechnik<br />
International mbH<br />
© GSI 20<strong>06</strong><br />
Schweißprozesse und –ausrüstung<br />
Werkstoffe und deren Verhalten beim Schweißen<br />
Konstruktion und Gestaltung<br />
Fertigung und Anwendungstechnik<br />
<strong>SFI</strong>-<strong>Aktuell</strong><br />
<strong>06</strong>/<strong>07</strong>
Themenübersicht<br />
Hauptgebiet 1: Schweißprozesse und –ausrüstung<br />
Kapitel Thema<br />
1.01 Allgemeine Einführung in die Schweißtechnik<br />
1.02 Autogenschweißen und verwandte Verfahren<br />
1.03 Elektrotechnik (Einführung)<br />
1.04 Der Lichtbogen<br />
1.05 Stromquellen für das Lichtbogenschweißen<br />
1.<strong>06</strong> Einführung in das Schutzgasschweißen<br />
1.<strong>07</strong> WIG-Schweißen<br />
1.08 MIG-/ MAG-Schweißen und Fülldrahtschweißen<br />
1.09 Lichtbogenhandschweißen<br />
1.10 Unterpulverschweißen<br />
1.11 Widerstandsschweißen<br />
1.12 Sonderschweißprozesse<br />
1.13 Schneiden und andere Nahtvorbereitungsverfahren<br />
1.14 Beschichtungstechniken<br />
1.15 Mechanisierte Verfahren und Roboterschweißen<br />
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Nachdruck und unbefugte Weitergabe sind unzulässig und werden gesetzlich verfolgt
Kapitel Thema<br />
1.16 Hart- und Weichlöten<br />
1.17 Kunststoffschweißen<br />
Themenübersicht<br />
1.18 Schweißprozesse für moderne Werkstoffe<br />
1.19 Laborübungen<br />
• Praktische Übungen und Vorführungen mit den verschiedenen Schweißprozessen<br />
mit dem Ziel, die Einsatzmöglichkeiten der Prozesse und den Einfluss der<br />
Schweißparameter auf Schweißnahtgüte zu demonstrieren.<br />
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1.4.2 Lichtbogenhandschweißen (E; 111)<br />
Bild 7: Lichtbogenhandschweißen<br />
Allgemeine Einführung in die<br />
Schweißtechnik I/II<br />
<strong>SFI</strong><br />
1.01-1 u. 1.01-2<br />
Seite 10<br />
Der Lichtbogen brennt zwischen einer umhüllten abschmelzenden Stabelektrode (6) und dem Werkstück<br />
(8). Der Lichtbogen und das flüssige Schweißgut (16) werden vor dem Zutritt der Luft in das sich bildende<br />
Schutzgas und einer Schlacke geschützt.<br />
Stromquellen: Gleich- und Wechselstrom, fallende Kennlinie<br />
Stabelektroden: nach DIN EN 499 (für unlegierte Stähle und Feinkornbaustähle)<br />
Aufgaben der Umhüllung sind:<br />
– Leitfähigkeit der Lichtbogenstrecke verbessern<br />
– Bilden von Schlacke (Nahtformung, Schweißnaht abdecken)<br />
– Bilden eines Schutzgases<br />
– Desoxidierende und teilweise auflegierende Wirkung<br />
Anwendung: Vielseitig anwendbar, in allen Schweißpositionen bei einfacher Gerätetechnik und<br />
Zusatzwerkstoffen. Schweißerausbildung erforderlich. Sehr verbreitetes Schweißverfahren<br />
im Stahlbau, Maschinen- und Apparatebau, Fahrzeugbau und für Reparaturen<br />
auch sehr gut unter Montagebedingungen und im Freien.<br />
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Autogenschweißen und verwandte<br />
Verfahren<br />
Trockene Gebrauchsstellenvorlagen (Entnahmestelleneinrichtung)<br />
Temperaturgesteuert Druckgesteuert<br />
Bild 11: Gebrauchsstellenvorlagen<br />
<strong>SFI</strong> / 1.02<br />
Seite 18<br />
Bei der temperaturgesteuerten Gebrauchsstellenvorlage ist nach einem leichten Flammenrückschlag die<br />
weitere Brenngaszufuhr nicht unterbunden. Die Sicherung löst erst ab Temperaturen von etwa 90 bis<br />
100°C aus. Nach dem Auslösen kann diese nicht selbst entriegelt werden. Die druckgesteuerte<br />
Gebrauchsstellenvorlage hat gegenüber der Einzelflaschensicherung zusätzlich eine Gasnachströmsperre<br />
eingebaut. Schon bei leichtem Flammenrückschlag oder geringem Druckanstieg schließt nicht<br />
nur das Gasrücktrittventil, sondern es löst auch die druckgesteuerte Nachströmsperre aus. Nach dem<br />
Auslösen kann man diese mit einem Hebel wieder entriegeln.<br />
Einbauorte<br />
Einbauort<br />
Gebrauchsstellenvorlage Einzelflaschensicherung<br />
am Druckminderer am Druckminderer<br />
an der Entnahmestelle der Ring- oder Stichleitung<br />
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im Brenngasschlauch<br />
am Schweiß- bzw. Schneidgerät
Widerstandsschweißen I<br />
<strong>SFI</strong> / 1.11-1<br />
Seite 8<br />
Zu beachten ist, dass die Widerstände sich im Verlauf der Schweißzeit verändern. Dominieren zu Beginn<br />
die Übergangswiderstände, so treten diese im späteren Verlauf gegenüber den Stoffwiderständen<br />
in den Hintergrund. Die Stoffwiderstände nehmen mit der Temperatur zu.<br />
Dynamischer Widerstandsverlauf (unbeschichtetes Stahlblech)<br />
1.7 Wärmebilanz<br />
Wärmebilanz einer Punktschweißung<br />
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Themenübersicht<br />
Hauptgebiet 2: Werkstoffe und deren Verhalten beim Schweißen<br />
Kapitel Thema<br />
2.01 Herstellen und Bezeichnen der Stähle<br />
2.02 Prüfen der Werkstoffe und der Schweißverbindung<br />
2.03 Gefüge und Eigenschaften reiner Metalle<br />
2.04 Legierungen und Zustandsschaubilder<br />
2.05 Eisen-Kohlenstoff-Legierungen<br />
2.<strong>06</strong> Wärmebehandlung von Grundwerkstoff und Schweißverbindung<br />
2.<strong>07</strong> Aufbau der Schweißverbindung<br />
2.08 Kohlenstoff und Kohlenstoff-Manganstähle<br />
2.09 Feinkornbaustähle<br />
2.10 Thermomechanisch gewalzte Stähle (M-Stähle)<br />
2.11 Rissbildung bei Stählen<br />
2.12 Anwendung von Baustählen und hochfesten Stählen<br />
2.13 Niedrig legierte Stähle für Tieftemperaturanwendungen<br />
2.14 Niedrig legierte warmfeste Stähle<br />
2.15 Korrosion (Einführung)<br />
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Kapitel Thema<br />
Themenübersicht<br />
2.16 Hoch legierte (korrosionsbeständige) Stähle<br />
2.17 Verschleiß (Einführung)<br />
2.18 Schutzschichten<br />
2.19 Hoch legierte , kriechfeste und hitzebeständige Stähle<br />
2.20 Gusseisen und Stahlguss<br />
2.21 Kupfer und Kupferlegierungen<br />
2.22 Nickel und Nickellegierungen<br />
2.23 Aluminium und Aluminiumlegierungen<br />
2.24 Sonstige NE-Metalle und deren Legierungen<br />
2.25 Fügen unterschiedlicher Metalle<br />
2.26 Metallographische Werkstoffübungen<br />
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Legierungen und Zustandsschaubilder II<br />
<strong>SFI</strong> / 2.04-2<br />
Seite 1<br />
0 Inhaltsverzeichnis 1<br />
1. Das System Fe - C 1<br />
2. Peritektische Umwandlung 2<br />
3. Eutektische Umwandlung 2<br />
4. Eutektoide Umwandlung 3<br />
1. Das System Fe - C<br />
Eisen weist temperaturabhängig unterschiedliche Kristallstrukturen auf, die allotropen Modifikationen.<br />
Der bei Raumtemperatur vorliegende α-MK (Ferrit) kristallisiert in der krz.-Struktur, der γ-MK (Austenit)<br />
liegt in der kfz.-Struktur vor und der δ-MK (δ Ferrit) ist wiederum krz. Bei der β-Modifikation wurde anfänglich<br />
angenommen, dass es sich um eine weitere Kristallstruktur handelt, es erfolgt jedoch nur eine<br />
Veränderung des magnetischen Verhaltens, d. h. der δ-MK wird ab 769 °C unmagnetisch.<br />
Bild 1: Die Kristallarten des reinen Eisens Bild 2: Die Raumgitterformen des Eisens<br />
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Verschleiß (Einführung)<br />
<strong>SFI</strong> / 2.17<br />
Seite 3<br />
In der Praxis unterscheidet man die Verschleißarten danach, wie tief der Verschleißvorgang im Reibsystem<br />
in die Oberfläche des Grundwerkstoffes eingreift (Bild 4).<br />
Schicktdicke max.:<br />
Bild 4: Werkstoffoberfläche und Verschleißarten<br />
Bei hydrodynamischer Reibung werden die beiden Reibpartner durch das Zwischenmedium (z.B.<br />
Schmiermittel) vollständig getrennt und es tritt praktisch kein Verschleiß auf. Bei steigender Belastung P<br />
oder abnehmender Geschwindigkeit v oder Zähigkeit des Schmiermittels kommt man jedoch in den Bereich<br />
der Mischreibung (Bild 5).<br />
v = Geschwindigkeit<br />
η = Zähigkeit<br />
p = Belastung<br />
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Bild 5: Reibungsbereiche im erweiterten Stribeck-<br />
Diagramm
Schmelztemperatur<br />
[°C]<br />
Wärmeleitfähigkeit<br />
[W/m ⋅ K]<br />
Sonstige NE-Metalle und deren<br />
Legierungen<br />
spezifische<br />
Wärme<br />
[kJ/kg ⋅ K]<br />
Längenausdehnungskoeffizient<br />
[10 –6 /K]<br />
Bild 2:<br />
<strong>SFI</strong> / 2.24<br />
Seite 6<br />
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Für das schweißtechnische Verhalten wichtige physikalische<br />
Werte von Titan, Titanlegierungen und dem<br />
austenitischen Stahl X 12 CrNi 19 9<br />
Bild 3:<br />
Schutzvorrichtung zum Schweißen von Titan
Themenübersicht<br />
Hauptgebiet 3: Konstruktion und Gestaltung<br />
Kapitel Thema<br />
3.01 Grundlagen der Statik der Tragkonstruktionen<br />
3.02 Grundlagen der Festigkeitslehre<br />
3.03 Schweißverbindungen, Schweißnahtdarstellung<br />
3.04 Grundlagen der Schweißnahtberechnung<br />
3.05 Verhalten geschweißter Verbindungen bei unterschiedlichen<br />
Beanspruchungen<br />
3.<strong>06</strong> Gestaltung von Schweißkonstruktionen mit vorwiegend ruhender<br />
Beanspruchung<br />
3.<strong>07</strong> Verhalten geschweißter Verbindungen unter dynamischer Beanspruchung<br />
3.08 Gestaltung dynamisch beanspruchter Schweißkonstruktionen<br />
3.09 Gestaltung geschweißter Druckgeräte<br />
3.10 Gestaltung geschweißter Aluminiumkonstruktionen<br />
3.11 Schweißen von Betonstählen<br />
3.12 Bruchmechanik (Einführung)<br />
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Grundlagen der Festigkeitslehre II<br />
Merksatz:<br />
Jedes Moment lässt sich als ein Kräftepaar darstellen.<br />
Bild 3: Analogie für die Beanspruchung durch ein Biegemoment<br />
1.3 Spannungen bei gleichzeitigem Auftreten von Normalkraft und Biegemoment<br />
Bild 4: Spannungen bei gleichzeitigem Auftreten von Normalkraft und Biegemoment<br />
<strong>SFI</strong> / 3.02-2<br />
Seite 2<br />
Biegemomente und Normalkräfte rufen gleichartige Spannungen (Normalspannungen ) in einem Bauteil<br />
hervor, die resultierenden Spannungen werden durch Addition ermittelt.<br />
1.4 Spannungen infolge Querkraft<br />
Während die auftretenden Spannungen bei Normalkraft- und Biegebeanspruchung leicht nachzuvollziehen<br />
sind, ist dies bei den Spannungen die durch Querkraftbeanspruchung hervorgerufen werden nicht<br />
der Fall.<br />
Querkraftbeanspruchungen führen:<br />
a) zu Scherspannungen τ wenn zwei gleichgroße, entgegengesetzt gerichtete Kräfte, die nahezu in<br />
einer Ebene wirken, einen Querschnitt etwa gleichmäßig beanspruchen.<br />
Bild 5: Scherbeanspruchung einer Bolzenverbindung<br />
Vereinfacht kann von einer gleichmäßigen Verteilung der Scherspannungen über den Querschnitt ausgegangen<br />
werden.<br />
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2.1 Fahrbahnplatte<br />
Gestaltung dynamisch beanspruchter<br />
Schweißkonstruktionen I<br />
<strong>SFI</strong> / 3.08-1<br />
Seite 2<br />
Ein besonderes Konstruktionsdetail bildet die sogenannte orthotrope Fahrbahnplatte. Sie besteht aus<br />
den 3 Hauptbauteilen Deckblech, Fahrbahnlängsträgern und den Querträgern.<br />
Längsrippe<br />
Querträger<br />
Deckblech<br />
Bild 2: Querschnitt Straßenbrücke mit orthotroper Fahrbahnplatte<br />
© 20<strong>06</strong> Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH Konstruktion und Gestaltung<br />
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Bild 1: Orthotrope Fahrbahnplatte<br />
Ein darin enthaltenes wichtiges Detail - bei der Ausbildung von Längsträgern als Trapezhohlsteifen - ist<br />
der Fensterstoß wie in Bild 3 dargestellt.<br />
1 Baustellennaht<br />
2 Werkstattnaht<br />
Bild 3: Längsrippenstoß mit Fenster
2.2 Anwendungskriterien<br />
Gestaltung geschweißter<br />
Aluminiumkonstruktionen I/II<br />
<strong>SFI</strong><br />
3.10-1 u. 3.10-2<br />
Seite 4<br />
• Ist ein Mehrpreis gegenüber dem gleichen Produkt aus einem anderen Werkstoff durch die Einsatzaufgaben<br />
vertretbar?<br />
• Kann eine Massenersparnis z. B. von mindestens 40 % gegenüber dem gleichen Produkt aus Stahl<br />
erreicht werden?<br />
• Führt die Masseverringerung zu weiterem wirtschaftlichem Nutzen, z. B. Treibstoffersparnis bei<br />
Fahrzeugen, geringere Belastung der Unterkonstruktion bei Kranfahrbahnen von Kranbrücken, Verbesserung<br />
der Schwerpunktlage bei Schiffsaufbauten und Montageerleichterungen sowie Transport<br />
und Aufstellung bei schwer zugänglichen Stellen?<br />
• Ist eine für die Masseverringerung notwendige Volumenvergrößerung gegenüber dem gleichen<br />
Bauteil aus Stahl beim Einsatz möglich?<br />
• Ist die korrosive Belastung des Aluminiumbauteils auch ohne Korrosionsschutz unbedenklich?<br />
• Bringt die Korrosionsbeständigkeit besondere Vorteile, z. B. Wegfall von Kosten der Instandhaltung<br />
bei Straßengeländern oder Vermeiden eines Außerbetriebsetzens bei Kläranlagen?<br />
• Können optische Gesichtspunkte wesentlich sein, z. B. in der Architektur?<br />
• Bleiben beim Einsatz im Bauteil die dauernd auftretenden Temperaturen unter 100 °C?<br />
• Bestehen für das Produkt keine besonderen Brandschutzauflagen?<br />
• Ist eine Kosteneinsparung in der Fertigung durch den Einsatz von für diesen Zweck entwickelten<br />
Strangpressprofilen möglich, z. B. von Systemprofilsätzen für Nutzfahrzeuge oder Wagenkästen?<br />
• Können weitere Kriterien maßgebend sein, z. B. günstige Festigkeitseigenschaften bei Tiefsttemperaturen,<br />
günstigeres Stoßverhalten durch den gegenüber Stahl um zwei Drittel geringeren Elastizitätsmodul,<br />
hohe elektrische- oder Wärmeleitfähigkeit, magnetisch neutrales Verhalten, geringe<br />
Halbwertzeit nach radioaktiver Bestrahlung, hohes Reflektionsvermögen?<br />
2.3 Anwendungsbeispiele<br />
Bild 2: Fahrleitungsausleger Bild 3: Aluminium-Straßengeländer<br />
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Gestaltung geschweißter<br />
Aluminiumkonstruktionen I/II<br />
<strong>SFI</strong><br />
3.10-1 u. 3.10-2<br />
Seite 5<br />
Bild 4: Autobahn-Schilderbrücke Bild 5: Lkw mit Dreiseitenkipperaufbau aus Al<br />
Bild 6: Wagenkasten-Rohbau aus Al Bild 7: Einsatz von Al für Pkw-Bauteile<br />
Bild 8: Schiff-Volumensektion aus Al<br />
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Themenübersicht<br />
Hauptgebiet 4: Fertigung und Anwendungstechnik<br />
Kapitel Thema<br />
4.01 Einführung in die Qualitätssicherung geschweißter Konstruktionen<br />
4.02 Qualitätskontrolle während der Fertigung<br />
4.03 Eigenspannungen und Verzug<br />
4.04 Werkstatteinrichtungen, Schweißeinrichtungen und Haltevorrichtungen<br />
4.05 Gesundheitsschutz und Arbeitssicherheit<br />
4.<strong>06</strong> Messen, Kontrollieren und Aufzeichnen von Schweißdaten<br />
4.<strong>07</strong> Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung<br />
4.08 Wirtschaftlichkeit<br />
4.09 Reparaturschweißen<br />
4.10 Fehlerbewertung<br />
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Einführung in die Qualitätssicherung<br />
geschweißter Konstruktionen III<br />
<strong>SFI</strong> / 4.01-3<br />
Seite 11<br />
Die DIN 8563 schaffte eine einheitliche Grundlage mit dem Ziel, die Eignung des Betriebes zur fachgerechten<br />
Durchführung von Schweißarbeiten nach gleichen Merkmalen zu beschreiben und nach gleichen<br />
Grundsätzen beurteilen zu können.<br />
DIN 8563 Teil 1 und Teil 2 wurde zurückgezogen und durch DIN EN 719 und 729 ersetzt worden.<br />
11. Bedeutung von Gesetzen, Verordnungen, Erlassen, Normen und Richtlinien<br />
Bild 10: Bedeutung von Gesetzen, Verordnungen usw.<br />
Bild 11: Rechtsbegriffe bzw. Formulierungen des Gesetzgebers; Schutz vor verschieden gearteten Gefahren und<br />
Schäden.<br />
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Ursachen für Bindefehler (1)<br />
Beispiel: Probe Nr. 1<br />
Beispiel: Probe Nr. 2<br />
Qualitätskontrolle während der Fertigung VI/VII<br />
Praktische Übung zu DIN EN 287 I/II<br />
Fehler<br />
Brennerhaltung zu flach<br />
Fehler<br />
Brennerabstand zu groß<br />
Öffnungswinkel zu klein<br />
Richtig: 40 ° bis 60°<br />
Steghöhe zu groß,<br />
Stegabstand zu groß<br />
Kantenversatz zu groß<br />
<strong>SFI</strong><br />
4.02-6 u. 4.02-7<br />
Seite 8<br />
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Folge<br />
Einsaugen von Luft, Poren in<br />
der Schweißnaht<br />
Überschweißen stark überwölbter Raupen<br />
Folge<br />
ungenügender Gasschutz, Poren<br />
in der Schweißnaht<br />
Richtig: vor dem Überschweißen untere Raupe muldenförmig<br />
ausschleifen<br />
Ansatzbindefehler beim Schweißen mit geringer Lichtbogenleistung,<br />
Ansatzstelle nicht geschliffen, zu wenig überlappend<br />
geschweißt<br />
Richtig: Nahtende schleifen, vor dem Nahtende zünden<br />
und weiterschweißen; Überhöhung gegebenenfalls abschleifen
Sekundärflamme<br />
Gesundheitsschutz und<br />
Arbeitssicherheit I/II<br />
Tabelle 3: Anhaltswerte zur Bestimmung brandgefährdeter Bereiche<br />
Brand- und explosionsgefährdeter<br />
Bereich<br />
Horizontale Reichweite<br />
(bei den üblichen Arbeitshöhen<br />
von ca. 2 bis 3 m)<br />
<strong>SFI</strong><br />
4.05-1 u. 4.05-2<br />
Seite 29<br />
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Vertikale Reichweite<br />
Arbeitsverfahren: nach oben nach unten<br />
Löten bis zu 2 m bis zu 2 m bis zu 10 m<br />
Schweißen<br />
(Manuelles Gas- und<br />
Lichtbogenschweißen)<br />
Manuelles<br />
Brennschneiden<br />
bis zu 7,5 m bis zu 4 m bis zu 20 m<br />
bis zu 10 m bis zu 4 m bis zu 20 m<br />
Vor Arbeitsbeginn ist durch eingehende Besichtigung der Arbeitsstelle und ihrer Umgebung zu prüfen,<br />
ob Brand- oder Explosionsgefahr besteht. Ist die Brand- oder Explosionsgefahr nicht völlig auszuschließen,<br />
so sind folgende Maßnahmen durchzuführen:
Kostenfaktor „Bauteiltoleranz“<br />
Kosten<br />
Wirtschaftlichkeit IV<br />
Wirtschaftlicher Einsatz von Robotern in der Schweißtechnik<br />
Gesamtkosten<br />
Bereich<br />
optimaler<br />
Fertigung<br />
Bauteiltoleranz<br />
Bereichsgrenzen verschiedener Schmelzschweißkonzepte<br />
- in Abhängigkeit von der Loshäufigkeit bei Vollauslastung -<br />
Stückkosten<br />
€<br />
teilmechanisches<br />
Schweißen S t<br />
berechnete Werkstücke:<br />
verschiedene „Walzen“<br />
automatisches<br />
Schweißen in<br />
SondereinrichtungSa<br />
Umrüsthäufigkeit pro Jahr<br />
Schweißkosten<br />
Vorbereitungskosten<br />
<strong>SFI</strong> / 4.08-4<br />
Seite 6<br />
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Nachdruck und unbefugte Weitergabe sind unzulässig und werden gesetzlich verfolgt<br />
vollmechan.<br />
Roboterschweißen<br />
S IR<br />
Kurve mit minimalen<br />
Stückkosten<br />
S a S IR S t
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