6 Schweißverbindungen – (Antworten zu den Kontrollfragen) 6.1 ...

6 Schweißverbindungen – (Antworten zu den Kontrollfragen)
6.1 Wesentliche Vor- und Nachteile von Schweißkonstruktionen sind: - Vorteile: Gewichtsersparnis,
Leichtbau (gegenüber Gusskonstruktionen: geringere Wanddicken und kleinere
Bauteilquerschnitte, gegenüber Schraub-, Niet-, Kleb-Konstruktionen: Wegfall von
Überlappungen und Laschen), glatte Oberflächen (erleichtern Reinigungs- und
Korrosionsschutzmaßnahmen, kleinere Wandreibung bei Strömungsvorgängen), größere
Formsteifigkeit gegenüber Gusskonstruktionen (GJL hat ungefähr nur den halben E-
Modul von Stahl), keine Bauteilschwächung durch Schrauben- und Nietlöcher, hohe
Schwingungsdämpfung durch Scheuerplattenbauweise. - Nachteile: Schweißvorgang
verursacht Schrumpfungen, Eigenspannungen und Gefügeveränderungen, Gefahr der
Rißbildung und des Sprödbruchs, Werkstücke müssen nach dem Schweißen meist gerichtet
werden, meist nur für artgleiche Werkstoffe geeignet, Nahtgüte ist oft nur schwer
prüfbar (z.B. Kehlnähte).
6.2 Nach DIN 8528 hängt die Schweißbarkeit hauptsächlich von folgenden Einflußgrößen
ab: Schweißeignung der Werkstoffe (z.B. Härte- und Alterungsneigung), Schweißsicherheit
der Konstruktion (z.B. Anordnung der Nähte, Kerbwirkung), Schweißmöglichkeit der
Fertigung (z.B. Schweißverfahren, Schweißfolge). - Der Baustahl E335 wird weitgehend
im Maschinenbau eingesetzt. Seine Eigenschaften hängen wesentlich vom nicht begrenzten
C-Gehalt ab. Die Schweißeignung wird durch hohe Härtungs- und Sprödbruchneigung
stark beeinträchtigt. Der Baustahl S355J2G4 weist eine unbeschränkte
Schweißeignung auf. Seine Neigung zu Sprödbruch, Alterung und Aufhärtung ist gering.
6.3 Es handelt sich um einen Doppel-T-Stoß (Kreuzstoß). - Bei dynamischer Zugbeanspruchzung
ist eine Stumpfnaht, Ausführung z.B. als DHV-Naht (K-Naht), zu wählen (glatter
ungestörter Kraftfluß, geringe Kerbwirkung, hohe Dauerfestigkeit). - Es besteht für das
Querblech die Gefahr durch Brüche parallel zur Oberfläche infolge nichtmetallischer
Einschlüsse im Grundwerkstoff (Terrassenbrüche). Die Rissgefahr wird durch die Blechempfindlichkeit
und Spannungen quer zum Schweißstoss beeinflußt. Querzugbeanspruchung
ist konstruktiv zu vermeiden. Günstig ist eine Vergrößerung der Schweißanschlußfläche
(Bindefläche), ein Werkstoff mit verbesserten Verformungseigenschaften
senkrecht zur Erzeugnisoberfläche, eine Ultraschallprüfung des terrassenbruchgefährdeten
Grundwerkstoffbereichs und eine Verkleinerung der Schrumpfspannungen (z.B.
durch Pufferlagen).
6.4 Die Auswahl der Fugenform richtet sich im Wesentlichen nach dem Werkstoff, der
Schweißposition und dem Schweißverfahren. - Bauteildicke 4 mm: I-Naht mit Badsicherung
(Symbol s. Lehrbuch TB 6-1a Nr. 2), Fugenform DIN EN ISO 9692-1.2-135. - Bauteildicke
10 mm: V-Naht mit Gegenlage (Symbol s. Lehrbuch TB 6-1b Nr. 3-9), Fugenform
DIN EN ISO 9692-2.3.9-135. - Bauteildicke 25 mm: DV-Naht (X-Naht), (Symbol
s. Lehrbuch TB 6-1b Nr. 3-3), Fugenform DIN EN ISO 9692-2.3.3-135.
6.5 Schweißeigenspannungen und Schweißverzug entstehen durch ungleichmäßige Erwärmung
und plastische Formänderungen. Die durch den Schweißvorgang verursachten,
örtlich konzentrierten thermischen Formänderungen werden durch angrenzende kalte
Querschnittsteile sowohl beim Erwärmen als auch beim Abkühlen behindert, was zu
plastischen Verformungen führt. In der erwärmten Zone entstehen durch Dehnbehinderung
Druckspannungen, die sich beim Abkühlen in Zugspannungen umkehren. -
Bezogen auf die Schweißnaht lassen sich am Schweißteil folgende Bewegungsrichtungen
der Schrumpfung unterscheiden: Längsschrumpfung, Querschrumpfung,
Dickenschrumpfung (ohne Bedeutung), Winkelschrumpfung. Eine Behinderung des
Schweißverzugs kann durch steife Einspannung erfolgen, dies hat aber höhere
Schweißeigenspannungen zur Folge. – Maßnahmen zur Verringerung der Schweißeigenspannungen
sind: Einsatz von Werkstoffen mit geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten,
kleinem Streckgrenzenverhältnis, geringer Festigkeit und mit großem
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Formänderungsvermögen, Spannungsarmglühen (alle Spannungen, die oberhalb der
Warmstreckgrenze liegen, werden durch plastisches Fließen abgebaut), Kaltverformen
durch gezieltes Plastifizieren der Eigenspannungen (z.B. durch Überlast bzw. Prüfdruck
bei Kranen bzw. Druckbehältern), Vibrationsentspannen, Oberflächenverformung (Erzeugung
von Druckeigenspannungen, die den Zugeigenspannungen entgegen wirken,
z.B. Kugelstrahlen, Hämmern), konstruktive Maßnahmen, (z.B. Nahtanhäufungen und
Nahtkreuzungen vermeiden, Abkanten statt Schweißen), fertigungstechnische Maßnahmen
(z.B. Verminderung des Wärmeeintrags, schrumpfgerechte Schweißfolge,
schrittweises Schweißen).
6.6 Bei Baustählen mit ausreichend hohem Formänderungsvermögen (S235, S355) werden
die lokalen Eigenspannungsspitzen durch plastisches Fließen gemindert. Bei dynamischer
Belastung erübrigt sich die Berücksichtigung der Eigenspannungen, wenn die
Kennwerte der Regelwerke (DS 952) an eigenspannungsbehafteten Proben ermittelt
wurden. In der Schweißnaht selbst, als zuletzt erkaltetem Bereich, stellen sich Zugeigenspannungen
ein. Ergibt die Belastung nur Druckspannungen, können die Eigenspannungen
sogar als zusätzliche Sicherheit angesehen werden. Bei höherfesten Stählen
sollten die Eigenspannungen bei der Festigkeitsberechnung berücksichtigt oder
Maßnahmen des Eigenspannungsabbaus getroffen werden.
6.7 Für Unregelmäßigkeiten an Schweißverbindungen sind drei Bewertungsgruppen festgelegt
und zwar niedrig (D), mittel (C) und hoch (B). Sie beziehen sich auf die Fertigungsqualität
und gelten für die jeweilige Schweißnahtart. Sie sind eine Basis zur Gewährleistung
vergleichbarer Anforderungen an die Schweißnaht als Verbindungselement und
an den ausführenden Fertigungsbetrieb. - Bei der Festlegung der Bewertungsgruppen
sind die konstruktiven Gegebenheiten, die nachfolgenden Verfahren, die Beanspruchungsart
und Beanspruchnungshöhe, die Betriebsbedingungen, die Folgen beim Versagen
der Schweißverbindung (Sicherheitsbedürfnis) und vor allem wirtschaftliche Faktoren
zu berücksichtigen.
6.8 Diese Maßnahme ist ungeeignet, da bei Schweißkonstruktionen mit wechselnder Beanspruchung
und starker Kerbwirkung die zulässigen Spannungen kaum mehr von der
statischen Festigkeit (Rm, Re) des Bauteilwerkstoffs abhängig sind. Abhilfe wäre durch
Verbesserung der Schweißsicherheit (Konstruktion) und/oder der Schweißmöglichkeit
(Fertigung) erreichbar.
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