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Zusammenfassung_Guimaraens_SS2008

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					Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik




             Zusammenfassung
Themen der Vorlesung


          Einführung


       Schweißbarkeit


           Verfahren


     Qualitätssicherung
                       Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik   Folie 2
Einführung        Schweißbarkeit                       Verfahren       Qualitätssicherung


              Historische Entwicklung des Metallschweißens
              Historische Entwicklung des Metallschweißens


              Schweißen und anderen Fertingungsprozessen
              Schweißen und anderen Fertingungsprozessen


             Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580
             Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580


                                    Normen

              Definition des Schweißens und Prozessbegriffe
              Definition des Schweißens und Prozessbegriffe

              Einteilung der Schweißprozesse nach DIN 1910
              Einteilung der Schweißprozesse nach DIN 1910

                      Wirkprinzipe beim Schweißen
                      Wirkprinzipe beim Schweißen



                          Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                Folie 3
Einführung   Schweißbarkeit                      Verfahren                    Qualitätssicherung

                                                                 Einteilung
                                                                 Einteilung

                                              Schweißeignung von Stählen
                                              Schweißeignung von Stählen

                                                 Schmelzschweißeignung
                                                 Schmelzschweißeignung

                                                    Pressschweißeignung
                                                    Pressschweißeignung

                                                       Schweißsicherheit
                                                       Schweißsicherheit

                                                      Schweißmöglichkeit
                                                      Schweißmöglichkeit

                                                            Vorbereiten
                                                            Vorbereiten

                                                             Schweißen
                                                             Schweißen

                                                           Nachbereiten
                                                           Nachbereiten
                    Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                             Folie 4
 Einführung          Schweißbarkeit                       Verfahren       Qualitätssicherung

Lasermaterialbearb./Schweißen mit Strahlen
Lasermaterialbearb./Schweißen mit Strahlen

        Schweißen mit Lichtbogen
        Schweißen mit Lichtbogen

  Schweißen mit Widerstandserwärmung
  Schweißen mit Widerstandserwärmung

   Schweißen mit induktiver Erwärmung
   Schweißen mit induktiver Erwärmung

   Schweißen durch Bewegungsenergie
   Schweißen durch Bewegungsenergie

      Schweißen durch festen Körper
      Schweißen durch festen Körper

     Schweißen mit Metallschmelzen
     Schweißen mit Metallschmelzen

        Schweißen durch Diffusion
        Schweißen durch Diffusion

  Beschichten durch Auftragsschweißen
  Beschichten durch Auftragsschweißen
                             Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                Folie 5
                                                                Fe
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                                                                                                   Altertum
                                                    en                          tah wei n                                             .Ch
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                                                                                               n                                          r.
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                                                             ch chtb                                                        00
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                                                                Wi zend nsch                                                  .1
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                                                                            an                                                     0v
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                                                                        Ac er we r.                                         90
                                                                     Ga etyle flüss ißen
                                                                          ssc n i igu
                                                                              h n             ng
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                                                                       Um nn br on
                                                                            hü sch enn                                    19
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                                                                                                                            10



                                                                       Un                                                 19
                                                                         ter                                                20
                                                                             pu
                                                                                                                                                                                        Schweißbarkeit




                                                                                lv
                                                                              WI ersc
                                                                                 G- hw
                                                                                     Sc eiß
                                                                                         hw en                            19
                                                                                           eiß                              30
                                                                                              en
                                                                         Ka G MI
                                                                            ltp -Sc
                                                                               res hw
                                                                        Ult    Re ssch eiße                               19
                                                                           ras ibschweiß n                                  40
                                                                 Ele           ch         we en
                                                                                  alls      iße
                                                            Pla ktr                    c
                                                                sm one MAG hwe n
                                                                    as                      i
                                                                                                     Industriezeitalter




                                                         La            ch nstra -Sch ßen
                                                           se             we       hls we                                 19
Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik
                                                              rst                                                           50
                                                                 rah D ißen chw ißen
                                                                     lsc iffus , -s eiß
                                                                        hw ion chn en
                                                                                                                                                                                        Verfahren




                                                                            eiß ss         e
                                                                                en chw iden
                                                                                   , -s e
                                                                                        ch iße                            19
                                                                                                                                                Entwicklung der Metallschweißprozesse




                                                                                          ne n                              60
                                                                                            ide
                                                                                               n


                                                                                                                          19
                                                                                                                            70

                                                                              Sc
                                                                                hw
                                                                                  eiß                                     19
                                                                                     rob                                    80
                                                                 Rü                     ote
                                                                   hrr                      r
                                                                      eib
                                                                         sch
                                                                            we
                                                                                  iße                                     19
                                                                                     n(                                     90
                                                                                          FS
                                                                                            W)
Folie 6




                                                                                                                          20
                                                                                                                                                                                        Qualitätssicherung




                                                                                                                            00
        Einführung                        Grundlagen                              Systeme                Qualitätssicherung

                      Schweißen in Konkurrenz zu anderen Fertigungsprozessen

  Verfahren               Vorteile des Verfahrens                   Nachteile des Verfahrens             Vorteile des Schweißens

                  Gestaltungsfreiheit Massenfertigung oft      Modelle und Werkzeuge erforderlich   Gewichtseinsparung bis zu 50%
   Gießen         billiger                                                                          höhere Robustheit
                                                                                                    Verbundkonstruktionen
  Spritzguß       Leichte Teile                                Geringere Festigkeit, geringere      Schweißen möglich Folien versiegeln
Platten, Folien   Verbundkonstr. möglich farbige               Steifigkeit, geringere
 (Kunststoff)     Ausführungen                                 Temperaturbeständigkeit

                  Günstiger Faserverlauf, beste Zähigkeit,     Aufbaumöglichkeit begrenzt,          Kürzere Lieferzeiten,
 Schmieden        unempfindlich gegen Schlag                   Werkzeuge/Gesenke notwendig          Werkstoffauswahl größer

                  Keine Wärmebeeinflussung, keine              Gewicht deutlich höher               Günstigerer Kraftfluss
    Nieten        Eigenspannungen gewisse Nachgiebigkeit       Korrosionsanfällig                   Weniger Einzelteile
                  Oft dekorativ

                  Niedrig Arbeitstemperatur                    Teilweise geringe Festigkeit         Keine Flussmittel erforderlich
                  Unterschiedliche Werkstoffe fügbar           Korrosion –Risiko durch diverse      Gleicher Werkstoff als Zusatz
    Löten                                                      Elemente
                  Geringer Lotverbrauch                                                             Stumpfstoß
                  Mechanisierbar
                  Arbeiten bei Raum-Temperatur                 Überlappungslänge erheblich          Prozesssicherheit größer
                  Leichte Bauweise                             großer Alterungsgefahr               Stumpfstoß
   Kleben                                                      Vorbereitung aufwendig
                  Gute Festigkeitswerte                                                             Günstigerer Kraftfluss
                  Untersch. Werkstoffe fügbar, isolierend      Einsatztemperatur begrenzt

                                                    Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                  Folie 7
       Einführung              Schweißbarkeit                         Verfahren                 Qualitätssicherung

                        Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580
                                                Fertigungstechnik


                                                                                                           Hauptgruppe 6
  Hauptgruppe 1    Hauptgruppe 2      Hauptgruppe 3             Hauptgruppe 4           Hauptgruppe 5
                                                                                                          Stoffeigenschaft-
    Urformen        Umformen            Trennen                    Fügen                Beschichten
                                                                                                               ändern
                                     Beispiele für schweißtechnische Verfahren
 Gießschmelz-     Kaltpressschw.     Brennschneiden           Verbindungsch.          Auftragsschweißen   Vorwärmen
 schweißen        Flammrichten       Plasmaschneiden          Löten                   Therm. Spritzen     Flammentspritzen




Fügen durch                        Fügen durch                                          Beschichten durch
Lichtbogenschweißen                Stanznieten/Stanznietkleben                          Thermisches Spritzen
                                         Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                               Folie 8
            Einführung                            Schweißbarkeit                             Verfahren                       Qualitätssicherung
Gruppe 1.1                    Gruppe 2.1               Gruppe 3.1                 Gruppe 4.1                 Gruppe 5.1                 Gruppe 6.1
Urformen aus dem gas-         Druckumformen            Zerteilen                  Zusammensetzen             Beschichten aus dem gas-   Stoffeigenschaftändern
oder dampfförmigen            DIN 8583 Blatt 1 bis 6   DIN 8588                   DIN 8593, Teil 1           oder dampfförmigen Zustand durch Umlagern von
Zustand                                                                                                                                 Stoffteilchen
Gruppe 1.2                    Gruppe 2.2               Gruppe 3.2                 Gruppe 4.2                 Gruppe 5.2                     Gruppe 6.2
Urformen aus dem              Zugdruckumformen         Spanen mit geometrisch     Füllen                     Beschichten aus dem            Stoffeigenschaftändern
flüssigen, breiigen oder      DIN 8584 Blatt 1 bis 6   bestimmt Schneide          DIN 8593, Teil 2           flüssigen, breiigen oder       durch Aussondern von
pastenförmigen Zustand                                 DIN 8589 Blatt 1 und 2                                pastenförmigen Zustand         Stoffteilchen

Gruppe 1.3                    Gruppe 2.3               Gruppe 3.3                 Gruppe 4.3                 Gruppe 5.3                     Gruppe 6.3
Urformen aus dem              Zugumformen              Spanen mit geometrisch     An- und Einpressen         Beschichten aus dem            Stoffeigenschaftändern
ionisierten Zustand durch     DIN 8585 Blatt 1 bis 4   unbestimmt Schneide        DIN 8593, Teil 3           ionisierten Zustand durch      durch Einbringen von
elektrolytisches Abscheiden                            DIN 8589 Blatt 1……                                    elektrolytisch oder chemisch   Stoffteilchen
                                                                                                             Abschichtung
Gruppe 1.4                    Gruppe 2.4               Gruppe 3.4                 Gruppe 4.4                 Gruppe 5.4
Urformen aus dem festen       Biegeumformen            Abtragen                   Fügen durch Urformen       Beschichten aus dem festen
(körnigen oder pulverigen     DIN 8586                 DIN 8590                   DIN 8593, Teil 4           (körnigen oder pulverigen)
Zustand)                                                                                                     Zustand
                              Gruppe 2.5               Gruppe 3.5                 Gruppe 4.5
                              Schubumformen            Zerlegen                   Fügen durch Umformen
                              DIN 8587                                            DIN 8593, Teil 5

                                                       Gruppe 3.6                 Gruppe 4.6
                                                       Reinigen                   Fügen durch Schweißen
                                                                                  DIN 8593, Teil 6
                                                       Gruppe 3.7                 Gruppe 4.7
                                                       Evakuieren                 Fügen durch Löten
                                                                                  DIN 8593, Teil 7
                                                                                  Gruppe 4.8
                                                                                  Kleben
                                                                                  DIN 8593, Teil 8

                                                                Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                              Folie 9
 Einführung                    Schweißbarkeit                        Verfahren                Qualitätssicherung

              Systematik der Hauptgruppe 4 „Fügen“ nach DIN 8593

                                                       HG 4
                                                      Fügen

              Gr. 4.4                   Gr. 4.5                   Gr. 4.6               Gr. 4.7             Gr. 4.8
…..         Fügen durch               Fügen durch               Fügen durch           Fügen durch         Fügen durch
             Urformen                  Umformen                  Schweißen               Löten              Kleben


                                          UG 4.5.1                 UG 4.6.1              UG 4.7.1            UG 4.8.1
                UG 4.4.1                                       Pressverbindungs-       Verbindungs-     Kleben im engeren
                                   Fügen durch Umformen
               Ausgießen                                          Schweißen             Weichlöten            Sinne
                                    drahtförmiger Körper
                                                                 DIN ISO 857-1

              UG 4.4.2                    UG. 4.5.2               UG 4.6.2
                                                                                         UG 4.7.2
          Umgießen,Einbetten       Fügen durch Umformen      Schmelzverbindungs-
                                                                                       Verbindungs-             ….
           Eingalvanisieren          nichtdrahtf. Körper         Schweißen
                                                                                        Hartlöten
                                                                DIN ISO 857-1

                UG 4.4.3
                                         UG 4.5.3
          Vergießen, Eingießen                                                           UG 4.7.3
                                   Fügen durch Umformen
         unter Entstehung eines                                                      Verbindungshoch-
                                     von Hilfsfügeteilen
             Formschlusses                                                            temperaturlöten


                UG 4.4.4
              Einschmelzen



               UG 4.4.5                                                                                 HG: Hauptgruppe
                                                                                                        Gr. : Gruppe
              Umpressen
                                                                                                        UG: Untergruppe
            Aufvulkanisieren

                                        Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                             Folie 10
     Einführung                   Schweißbarkeit                            Verfahren              Qualitätssicherung

                          Definition des Schweißens und Prozessbegriffe

                           „Schweißen ist Fügen durch Stoffverbinden“
             Schweißhilfsstoffe
         (Schutzgase, Schweißpulver,
                   Pasten)
              ermöglichen oder
                erleichtern….
                                                         Schweißzone

                                       Werkstück                                   Werkstück
                                          A                                           B


                                                           Vereinigen

                                                                                               Zusatz von Wärme
                  mit/ohne
                                                                                                   und/oder
               Schweißzusatz
                                                                                                    Kraft….



Definition des Begriffes Schweißen nach DIN 1910
„Schweißen ist das Vereinigen von Werkstoffen in der Schweißzone unter Anwendung
von Wärme und / oder Kraft ohne oder mit Schweißzusatz.“
                                               Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                         Folie 11
     Einführung                    Schweißbarkeit                               Verfahren                     Qualitätssicherung

                           Einteilung der Schweißprozesse nach DIN 1910

                                        Einteilung der Schweißprozesse
   nach Art des            nach der Art des                  nach dem Ziel                 nach dem Ablauf                 nach der Art
  Energieeintrags          Grundwerkstoffes                 des Schweißens                 des Schweißens                  der Fertigung
       z.B.                 z.B.                         z.B.                            z.B.                           z.B.
       Gas, Strom           Metalle, Kunststoffe         Verbindungsschweißen            Schmelzschweißen               Handschweißen,
                                                         Auftragsschweißen               Pressschweißen                 Automatenschweißen



Formen der Wärmeerzeugung

                                                          Wärmeenergie
 chem. Reaktion                     Elektrizität                      Reibung                   Strahlen/Wellen                     ……

            Metallthermische Reaktion              Elektrischer Lichtbogen                                           Schallwellen

            Gasflamme Verbrennung                  Elektrischer Widerstand                                          Lichtstrahlen

                                                          Induktion                                               Elektronenstrahlen

                                                                                                                    Ionenstrahlen

                                                                                                                    Atomstrahlen


                                                   Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                          Folie 12
 Einführung                   Schweißbarkeit                              Verfahren                      Qualitätssicherung

                                      Wirkprinzipe beim Schweißen


                                        Schweißverfahrensgruppe

                       Schmelzschweißverfahren                           Pressschweißverfahren


Energieform:                                                                    Druck
                                     Wärme                                       oder
                                                                            Wärme und Druck



        Werkzeugmaschinen
Stoffschluss durch:
                         ….Schmelzfluss der Fügeteile                  ….Plastifizierung und örtliches
                         und des Zusatzwerkstoffs                      Verformen der Fügeteile




                                                                    FD                                      FD



           Bereich der Schmelzzone                                  Bereich der Plastifizierung

                                             Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                              Folie 13
            Einführung                    Schweißbarkeit                                  Verfahren                       Qualitätssicherung

                                                                Pressschweißen
4.6.1 Pressschweißen


                                                                          Kaltpressschweißen


                                                                            Reibschweißen


                                                                           Feuerschweißen


                                                                          Gaspressschweißen


                                                                        Widerstandsschweißen


                Pressstumpfschweißen   Abbrennstumpfschweißen            Punktschweißen                 Buckelschweißen         Rollennahtschweißen


                                                                                                                                           Folienstumpfschw.


                                                                       Lichtbogenpressschweißen


                                                       Lichtbogenbolzenschweißen     Magnetisches Lichtbogenschw.


                                                                          Diffusionsschweißen




                                                         Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                         Folie 14
           Einführung                                  Schweißbarkeit                                           Verfahren                                Qualitätssicherung

                                                                            Schmelzschweißen
4.6.2 Schmelzschweißen

                                                                                               Gießschmelzschweißen


                                                                                   Gießschweißen                Aluminotherm. Schweißen


                                                                                              Gasschweißen (Autogen)


                                                                                            Widerstandsschmelzschweißen


                                                                                              Elektroschlackeschweißen


                                                                                                   Lichtbogenschweißen


                  Metall-Lichtbogen                 Unterpulverschweißen                                    Schutgasschweißen                            Wolfram-Schutzgasschweißen


                                         Handschweißen                           Metallschutzgas                         Schutzgasengspalt                                    Wolfram-Inertgasschw.


                                      Schwerkraftschweißen                                               Inertgas                               Elektrogas                        Plasmaschw.


                                  Unterschienenschweißen                                                 Aktivgas                             Plasma-Metall                 Wolfram-Wasserstoffschw.


                                      Mit Fülldraht Schweißen

                                                                                                     Strahlschweißen


                                                                                                                       Lichtstrahlschweißen


                                                                                                                       Laserstrahlschweißen


                                                                                                                    Elektronenstrahlschweißen

                                                                           Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                                                 Folie 15
Einführung     Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

             Mechanisierungsgrade nach DIN ISO 857-1




                      Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 16
Einführung         Schweißbarkeit                                Verfahren                       Qualitätssicherung

                                             Einteilung



                                                Werkstoff




                                g




                                                                   Sc
                              un




                                                                      h
                                n




                                                                      we
                             eig




                                                                         ißs
                         e iß




                                                                            ich
                      hw




                                                                               er
                    Sc

                                            Schweißbarkeit




                                                                                 he
                                                                                    it
                                             des Bauteils



                                                                                       Kon-
             Verfahren
                                                                                     struktion
                                         Schweißmöglichkeit



 Abschätzung über Schweißbarkeit werden in folgende Stufen vorgenommen:
               Gut geeignet – bedingt geeignet - ungeeignet
                                    Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                               Folie 17
            Einführung                               Schweißbarkeit                                      Verfahren                              Qualitätssicherung

                                                    Einflussgrößen auf die Schweißeignung
                                                                              Schweißbarkeit
                                                                               des Bauteils

                           Schweißeignung                                    Schweißsicherheit                                    Schweißmöglichkeit

                               (Werkstoffbedingte                              (Konstruktivbedingte                                     (Fertigungsbedingte
                               Schweißeignung)                                 Schweißsicherheit)                                       Schweißmöglichkeit)


   Chemische                    Metallurgische         Physikalische                                      Vorbereitung zum                Ausführung der        Nachbehandlung
Zusammensetzung                Zusammensetzung         Eigenschaften                                         Schweißen                    Schweißbarkeit

z.B.                              z.B.                z.B.                                              z.B.                                 z.B.               z.B.
Härteneigung                      Seigerungen         Ausdehnungsverhalten                              Auswahl der Schweißverf.,            Wärmeführung       Wärmebehandlung
Alterungsneigung                  Einschlüsse         Wärmeleitfähigkeit                                von Zusätzen und Hilfsstoffen        Wärmeeinbringung   Schleifen
Sprödbruchneigung                 Korngröße           Schmelzpunkt                                      Stoßart                              Schweißfolge       Beizen
Heißrissneigung                   Gefüge              Festigkeit/Zähigkeit                              Fugenform                                               Richten
Schmelzbadverhalten               Anisotropie                                                           Vorwärmung
                                                                                                        Maßnahmen bei ungünstigen
                                                                                                        Witterungsverhältnissen



                                                                     Konstruktive              Beanspruchungs-
                                                                      Gestaltung                   zustand
                                                                z.B.                         z.B.
                                                                Kraftfluss im Bauteil        Art und Größe der
                                                                Anordnung der Schweißnähte   Spannungen
                                                                Werkstückdicke               Räumlichkeitsgrad der Sp.
                                                                Kerbwirkung                  Beanspruchungsgeschw.
                                                                Steifigkeitsuntersuchungen   Temperatur
             großer Einfluss                                                                 Korrosion

              geringer Einfluss



                                                                    Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                                         Folie 18
        Einführung             Schweißbarkeit                              Verfahren         Qualitätssicherung

                                     Einflussgrößen auf die Schweißeignung
                                             Chemische Zusammensetzung


                          Schmelzen, Gießen, Walzen, Glühen, Oberflächenbehandeln


           chemische                physikalische                              Gefüge-              Oberflächen-

                                                    Eigenschaften
Stähle                    Leitfähigkeit für Strom und Wärme      Gefügeart                 Glanz
Nicht-Eisen-Metalle       Spezifische Wärmekapazität             Korngröße                 Reflexion
Aufhärten                 Schmelztemperatur                      Kornstreckung             Rautiefe
Heißrisse                 Umwandlungswärme                       Kornorientierung          Beschichtung
Deckschichten             Übergangswiderstand                    Seigerungsverhalten       Verunreinigung
Lunker                    Zugfestigkeit                          Aufhärten                 Anlegierungsneigung
Korrosionsbeständigkeit   Steckgrenze                            Umwandlung                Absorptionsvermögen
                          Dehnung                                Einschlüsse



                                    Verarbeitungseigenschaft: Schweißeignung


                                                      Schweißprozess


                                Gebrauchseigenschaften der Schweißverbindung
                                              Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                           Folie 19
Einführung             Schweißbarkeit                         Verfahren       Qualitätssicherung

                            Schweißeignung von Stählen




     In Abhängigkeit vom Grad der Erwärmung an der Fügestelle, schmelzflüssig oder teigiger
     Zustand, ist zwischen Schmelzschweißeignung und Pressschweißeignung zu unterscheiden
                                 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                   Folie 20
     Einführung                Schweißbarkeit                          Verfahren                   Qualitätssicherung

                                    Schweißeignung von Stählen

Zur qualitativen Abschätzung der Schmelzschweißeignung haben sich drei Methoden bewährt:

1. Abschätzung der Schweißeignung von unlegierten Stählen
a) gut geeignet wenn C < 0,22%
b) bedingt geeignet, wenn 0,22% < C < 0,4% (TVW > 100 °C)

2. Abschätzung der Schweißeignung von niedrig legierten Stählen                            Kohlenstoffäquivalent:
a) gut geeignet bei Kohlenstoffäquivalent Cä < 0,4% beträgt                            Mn       Cr+Mo+V        Ni+Cu+Si
b) Liegen die Werte von Cä > 0,4% so ist entweder vorzuwärmen               Cä = C +        +             +                     %
oder der Wärmeeintrag (Streckenenergie) ist zu erhöhen                                 6           5                15
(Detaillierte Aussagen zur Schweißeignung von niedrig legierten
Stählen sind mit Hilfe von Schweiß-ZTU-Diagrammen möglich.
Schweiß-ZTU-Diagramme stellen die zu erwartenden
Gefügebestandteile des Schweißgutes in Abhängigkeit von der
jeweiligen

• chemischen Zusammensetzung

• der Austenitisierungstemperatur

• der Abkühlzeit TA8/5 im Temperaturbereich von 800 bis 500 °C
 dar.
                                          Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                     Folie 21
         Einführung      Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

               Schweiß-ZTU-Diagramm und seine Anwendungsmöglichkeiten



ZTU-Diagramm:
-Zeit;
-Temperatur;
-Umwandlungsschau
bild




                                Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 22
     Einführung                  Schweißbarkeit                      Verfahren                   Qualitätssicherung

                                 Schweiß-ZTU-Diagramm und Beispiele
Kontinuierliches ZTU-Schaubild                                                       Isothermisches ZTU-Schaubild


                                                Beider
                                                Unlegierten-
                                                Stahl mit
                                                C=0,45%




                                        Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                  Folie 23
Einführung   Schweißbarkeit                      Verfahren             Qualitätssicherung

                      Schweißen - Stahl


                                                             Die schematische Darstellung
                                                             der temperatur- und
                                                             zeitabhängigen
                                                             Umwandlungsbereiche


                                               A
                                                           (A) Langsame Abkühlen: Perlit
                                              B
                                                           (B) Abkühlen auf Perlit
                                                           (1) Abschrecken auf Martensit
                                                           (2) Zwischenstufenvergüten
                                                                     (Bainit tempering)
                                                           (3) Abkühlen auf Bainit
                                                           (4) Perlitbereich
                                                           (5) Bainitbereich


                    Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                       Folie 24
    Einführung               Schweißbarkeit                         Verfahren       Qualitätssicherung

                                  Schweißeignung von Stählen

Die Schweißeignung von hochlegierten Stählen kann mit dem Cr-Ni-Aquivalent ausreichend abgeschätzt werden




   Das Schaeffler-Diagramm ermöglicht die Bestimmung der Grundwerkstoffe, des Schweißzusatzes und der Lage
   des Schweißgutes. Entscheidend für die Schweißeignung ist die Lage de Schweißgutes.

                                       Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                   Folie 25
Einführung   Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

                Schweißeignung von Stählen

                   Schaeffler-Diagramm
                    mit Gefahrenzonen




                                                                         (FeCr –tetragonal)




                    Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                   Folie 26
        Einführung               Schweißbarkeit                          Verfahren         Qualitätssicherung

                                       Schweißeignung von Stählen

Einfluss von Legierungselemente auf die Eigenschaften und Schweißeignung von Stählen (Eisen):

 Aluminium:

 + ist ein starkes Desoxidationsmittel zur Stahlberuhigung; verbessert die Festigkeit und Zährigkeit von Stählen.
 Berylium:

 − senkt die Zährigkeit;
 + schnürt das γ-Gebiet (Austenit) ab; wirkt als starkes Desoxidationsmittel; erhört die Ausscheidungshärtung.
 Bor:

 + erhört Streckgrenze und Festigkeit;                   − senkt die Korrosionsbeständigkeit.
 Chrom:

 + schnürt das γ-Gebiet (Austenit) ein, wirkt aber auch Austenit-Stabilisierend. Ab 12,2% Massengehalt steigt es
   die Korrosionsbestandigkeit;

 − verringert die Kerbsschlagarbeit und Schweißeignung; senkt Wärme- und elektrische Leitfähigkeit.
                                            Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                       Folie 27
     Einführung                 Schweißbarkeit                          Verfahren         Qualitätssicherung

                                     Schweißeignung von Stählen

Einfluss von Legierungselemente auf die Eigenschaften und Schweißeignung von Stählen (Eisen):

Kohlenstoff:

 + senkt den Schmeltzpunkt; erhört Härte und Zugfestigkeit (durch Fe3C bildung);
 − und Kerbschlagarbeit. die Sprödigkeit und senkt deshalb Schmiedbarkeit, Schweißeignung, Bruchdehnung
   erhört bei höheren Gehalten



Kupfer:

 + erhört die Witterungsbeständigkeit;                  − senkt die Festigkeit und Schweißeignung.
Molybdän:

 + verbessert Härtbarkeit und Zugfestigkeit;            − senkt Schmiedbarkeit und Dehnung.
Phosphor:

 + erhört Zugfestigkeit und Härte;                     − Versprodung, negative Beeibflussung von Schweißeignung.

                                           Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                   Folie 28
      Einführung                Schweißbarkeit                          Verfahren          Qualitätssicherung

                                      Schweißeignung von Stählen

Einfluss von Legierungselemente auf die Eigenschaften und Schweißeignung von Stählen (Eisen):

Schwefel:

 + erhört die Zerspanbarkeit;                          − mindert die Duktilität (Heißrissbildung, Sprödbruch).
Silicium:

 + ist ein Desoxidationsmittel zur Stahlberuhigung, macht die Schmelze dünnflüssiger;
 − mindert die Zähigkeit.




                                           Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                        Folie 29
Einführung            Schweißbarkeit                      Verfahren             Qualitätssicherung

             Schmelzschweißeignung – Schweißbarkeitsdreiecke




   Laserstrahlschweißen                                 Elektronenstrahlschweißen

                             Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                     Folie 30
Einführung              Schweißbarkeit                         Verfahren            Qualitätssicherung

                Pressschweißeignung – Schweißbarkeitsdreiecke




Punktschweißbarkeit von Stahlkombinationen                   Punktschweißbarkeit von NE-Metall-Kombinationen

                                  Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                        Folie 31
Einführung              Schweißbarkeit                         Verfahren           Qualitätssicherung

                Pressschweißeignung – Schweißbarkeitsdreiecke




Reibschweißbarkeit von Werkstoffkombinationen           Ultraschallschweißbarkeit von Werkstoffkombinationen

                                  Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                        Folie 32
    Einführung                 Schweißbarkeit                          Verfahren             Qualitätssicherung

                         Schweißsicherheit – Konstruktive Gestaltung

Die Schweißsicherheit einer Konstruktion ist gegeben, wenn das zu fügende Bauteil auf Grund seiner konstruktiven
Gestaltung unter den vorgesehenen Belastungskollektiv funktionsfähig bleibt.
Die Schweißsicherheit wird beeinflusst von der konstruktiven Gestaltung und dem Beanspruchungskollektiv
(vergleiche Folie 23!)

Kraftfluss im Bauteil

                                                             Stumpfnaht (Normalgüte)




                                                               Nietlaschenstoß


 Kraftfluss bei stoffschlüssigen Verbindungen            Einfluss des Kraftflusses auf die Schwellfestigkeit (Werkstoff
                                                         St38)


                                          Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                           Folie 33
Einführung        Schweißbarkeit                        Verfahren       Qualitätssicherung

               Schweißsicherheit – Konstruktive Gestaltung

Die Wirkung von Kerben und Nahtüberhöhung auf die Schwellfestigkeit



                    Schwellfestigkeit von Stumpfnähten in Abhängigkeit von Einbrandkerben
                    a) Stumpfnaht unbearbeitet, Wurzel gegengeschweißt; Nahtübergang ohne
                       Kerbe
                    b) mit größerer Kerbe
                    c) Kerben verlaufend geschliffen




                         Schwellfestigkeit von Stumpfnähten unbearbeitet in Abhängigkeit von der
                         Nahtüberhöhung, t=10mm




                           Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                     Folie 34
         Einführung                 Schweißbarkeit                       Verfahren       Qualitätssicherung

                              Schweißsicherheit – Beanspruchungszustand

   Unter Beanspruchungszustand versteht man das Zusammenwirken aus
   •   Belastungsart
   •   Beanspruchungsgeschwindigkeit (schwellend, schlagend)
   •   Temperatur
   •   Medium

Schweißsicherheit kann leichter erreicht
werden bei:
• statischer Beanspruchung
• Betriebstemperatur bei ca. 20 °C
• als Medium trockene Luft vorliegt


 Schweißsicherheit schwierig zu erreichen
 bei:
 • dynamischen Belastungen
 • niedere Betriebstemperaturen
 • aggressive Medien




                                            Belastungsarten mit zugehörigen Spannungs-Zeit-Diagramm

                                            Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                Folie 35
      Einführung                  Schweißbarkeit                          Verfahren                  Qualitätssicherung

                                              Schweißmöglichkeit

Die Schweißmöglichkeit ist vorhanden, wenn die vorgesehenen Schweißungen unter den gewählten Fertigungsarten
fachgerecht hergestellt werden können.
Die Schweißmöglichkeit wird u.a. von folgenden Faktoren beeinflusst:
 •   Vorbereiten zum Schweißen (Auswahl von Stoßart, Schweißverfahren, Fugenform und
     Schweißzusätzen, Heften und Vorwärmen)
•    Ausführen des Schweißens (Wärmeeinbringung, Wärmeführung, Schweißfolge)
•    Nachbereiten/Nachbehandeln der Schweißverbindung (Wärmebehandlung, Richten, Schleifen, Beizen)


Ziele bei der Ausführung von Schweißarbeiten sind:

•    Erzielung einer hohen Nahtwertigkeit
•    Verformungs- und spannungsarme Schweißverbindungen                                         Aufstellen und Anwenden
•    Geringe Bauteilendverformung                                                               von Schweißfolgeplänen


Das Vorbereiten der Fügestelle ist in erster Linie abhängig von:
                                                                                                Rm   Verbindung
•    der Stoßart der Bauteile                                                Nahtwertigkeit =                     möglichst 1
                                                                                                Rm   Werkstoff
•    der Bauteilform
•    den Bauteilabmessungen
•    dem Schweißverfahren


                                             Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                Folie 36
Einführung              Schweißbarkeit                          Verfahren       Qualitätssicherung

                                           Vorbereiten




 Stoßarten von Bauteilen nach DIN 1912, Teil 1
                                   Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 37
     Einführung                Schweißbarkeit                         Verfahren             Qualitätssicherung

                                                 Vorbereiten
Typische Fugenformen für das Schmelzschweißen bei unterschiedlicher Blech- bzw. Wanddicke sowie verschiedenen
Stoßarten




                                                                                           R: Radius
                                                                                           b: Spaltbreite
                                                                                           c: Steghöhe
                                                                                           h: Flankenwinkel
                                                                                           t: Blech-/Wanddicke
                                                                                           α: Öffnungswinkel
                                                                                           β: halber Öffnungswinkel




                                                                                  Fugenarten nach DIN 8551
                                         Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                          Folie 38
Einführung    Schweißbarkeit                          Verfahren             Qualitätssicherung

                                  Schweißen

                               Gegenüberstellung der Leistungsdichten bei ausgewählten
                               Schmelzschweißverfahren

                                    Temperaturfelder bei unterschiedlichen Leistungsdichten




                                                   Die Temperaturverteilung ist abhängig von Art der
                                                   Energieeinbringen (Leistungdichte) aber auch von:
                                                   -Wärmezufuhr;

             Einfluss der Leistungsdichte          -Wärmeableitung;
             auf die                               -Schweißgeschwindkeit;
             Aufschmelzquerschnitte und
             die Nahtformen beim                   -Werkstoff;
             Schweißen                             -Bauteilform.
                         Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                           Folie 39
Einführung            Schweißbarkeit                      Verfahren                 Qualitätssicherung

                                      Schweißen

                                     Temperaturfelder für verschiedene Werkstoffe bei gleicher
                                     Wärmeleistung




                                         Einfluss der Leistungsdichte unterschiedlicher Schweißverfahren
                                         auf die Maximalhärte in der WEZ und auf ihre Breite, dargestellt
WEZ: Wärme Einfluss Zone                 für umwandlungsfähige Stähle


                             Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                     Folie 40
Einführung               Schweißbarkeit                         Verfahren       Qualitätssicherung

                                            Schweißen




 Abkühlgeschwindigkeit wird im wesentlichen durch bauteilbedingte Wärmeableitung bestimmt.
 Wärmeableitung erfolgt entweder 2- (Dünnblech) oder 3-Dimensional (Dickblech, Mehrfachstöße)

                                   Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                   Folie 41
Einführung                Schweißbarkeit                         Verfahren                   Qualitätssicherung

                                             Schweißen

Grundsätzlich gilt:
Der Wärmeeintrag und die Wärmeableitung sind ebenso aufeinander abzustimmen wie
Schweißzusatz und Grundwerkstoff.
Ziel muss es sein, günstige Gefügezusammensetzungen zu erzielen, die optimale
Gebrauchseigenschaften sichern.

Der Wärmeeintrag beim Schmelzschweißen kann mit Hilfe der Streckenenergie E bestimmt werden.

Die Streckenenergie E berechnet sich für das Lichtbogenschweißen:


                                 IS x US x η x 60                                       IS
                           E=                                                    vS ~
                                          vS                                            de

                        IS: Schweißstrom in A
                        US: Schweißspannung in V
                        de: Elektrodendurchmesser
                        vS: Schweißgeschwindigkeit in cm/min
                        η: relativer thermischer Wirkungsgrad


                                    Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                           Folie 42
Einführung   Schweißbarkeit                      Verfahren                  Qualitätssicherung

                             Schweißen



                                                                 Einfluß der Schweißpara-
                                                                 meter auf die resultierenden
                                                                 Eigenspannungen:

                                                                 Hohe Streckenenergie
                                                                 ⇒ Geringer Wärmeeintrag
                                                                 ⇒ Hohe Abkühlgeschwindigkeit
                                                                 ⇒ Martensitische Umwandlung
                                                                 ⇒ Druckeigenspannungen

                                                                 Geringe Streckenenergie
                                                                 ⇒ Hoher Wärmeeintrag
                                                                 ⇒ geringe Abkühlgeschw.
                                                                 ⇒ ferrit./perlit. Umwandlung
                                                                 ⇒ Zugeigenspannungen




                    Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                  Folie 43
      Einführung                 Schweißbarkeit                        Verfahren                Qualitätssicherung

                                                   Schweißen

                                                                                Wärmebilanz beim....
Schweißverfahren   Elektroden-   Steckenenergie
                   dmr. [mm]     [J/cm]

E-Schweißung       3,25          7000…11000
                   4,0           9000…13000
                   5,0           11000…18000
MAGC-              1,2           5500…8000
Langlichtbogen     1,6           7000…11000
                   2,0           11000…16000
MAGC-              0,8…1,2       4000…7000
Kurzlichtbogen

UP-Schweißen       2,5           9000…14000
                   3,0           10000…18000
                   4,0           12000…30000
                   5,0           18000…42000

                                                             Lichtbogenhandschweißen             Unterpulverschweißen
  Richtwerte für die Streckenenergie



                                          Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                           Folie 44
    Einführung                Schweißbarkeit                          Verfahren              Qualitätssicherung

                                                  Schweißen




                                                                         Zeit-Temperaturverlauf für das Schweißen mit
                                                                         Vorwärmen




                                                                        Zeit-Temperaturverlauf für das Schweißen mit
                                                                        konstanter Arbeitstemperatur




Die gezielte örtliche und zeitliche Folge von Wärmeeintragungen führt zu komplexen Erwärmungs- und
Abkühlvorgängen, die häufig nur empirisch ermittelt werden können
                                         Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                            Folie 45
Einführung            Schweißbarkeit                         Verfahren            Qualitätssicherung

                                         Schweißen




                                                                             PE




      a) Schweißpositionen nach DIN EN 26947 und deren b) Korrekturfaktoren für Schweißzeiten
      bezogen auf die Wannenposition PA (th... Brenndauer des Lichtbogens)
                                Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                      Folie 46
         Einführung                               Schweißbarkeit                                    Verfahren                Qualitätssicherung

                                                                      Nachbearbeitung

    Das Nachbearbeiten umfasst:
•        das Säubern der Naht (mechanisch oder chemisch)
•        das Bearbeiten der Naht durch vorzugsweise Schleifen, um Spannungsspitzen im Nahtbereich aufgrund
         der Kerbwirkung abzubauen
•        das Richten der Bauteile (mechanisch oder thermisch)
•        das Wärmebehandeln in Verbindung mit dem Schweißen



                                                                  Wärmebehandlung in Verbindung mit Schweißen


               vorher                            während                                                         nachher


                                                                           Normal-            Spannungs-          Flamm-        Härten
Normalglühen        Spannungsarmglühen          Vorwärmen                                                                                  Aushärten
                                                                           glühen              armglühen        entspannen     Vergüten

                                                        Vorwärmen des
                                örtliches Vorwärmen
                                                       gesamten Bauteils



         von besonderer Bedeutung sind...
     •     für die Schweißnaht einschließlich der Wärmeeinflusszone das Normalisieren, das heißt das
           Umwandeln von grobkörnigen in feinkörniges Gefüge, um damit eine zähe Schweißverbindung zu
           erzielen
     •     für das Bauteil der Abbau von Schweißeigenspannungen durch Spannungsarmglühen


                                                                 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                               Folie 47
Einführung   Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

                       Nachbearbeitung




                    Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 48
    Einführung                           Schweißbarkeit                                Verfahren                  Qualitätssicherung

                                                     Lasermaterialbearbeitung
Trends in der Lasersystemtechnik

        System: Laserquelle - Strahlführung - Strahlformung - Werkstückhandhabung
                                                                                                   Roboter-Arm mit
                                                                                                   4 kW-Diodenlaser




      18 kW - CO2-Laser
      1 Leistungsmodule, 2 Aerodynamisches Fenster, 3 Strahlkabinett
      4 Strahlweiche, 5 Portalsystem, 6 CNC-Steuereinheit, 7 Schutzkabine                                         Roboter-Arm mit
                                                                                                                  4,4 kW Nd:YAG-Laser


                              kleiner, flexibler und besserer Wirkungsgrad
                                                          Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                Folie 49
    Einführung                                         Schweißbarkeit                                           Verfahren               Qualitätssicherung

                                                                Lasermaterialbearbeitung
Eigenschaften von Licht – Licht im Spektrum der elektromagnetischen Wellen




                                 sichtbares Licht




                                                                Mikrowellen
                                                                                                                           Kennzeichnung von Licht:




                                                                                 Television
       strahlung



                     strahlung
                     Röntgen-
       Gamma-




                                                                                                                            Wellenlänge, Frequenz (λ . f = c)




                                                                                              Radio
                                                                                                                            Leistung P [W]

        10 -12           10 -9                      10 -6      10 -3                      1           10 3 m                Leistungsdichte E [W/m²]

                                                                                                                            Strahlungsdauer [s]
                                                                                              Wellenlänge
          UV              Infrarot                                                                                          Wiederholrate [1/s]

        10 -1               1                           10 1                   10 2                   10 3 µm               Impulsenergie [J]


   Excimer                Nd:YAG
                   CVL                              CO2-Laser


                                                                              Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                   Folie 50
    Einführung                Schweißbarkeit                         Verfahren            Qualitätssicherung

                                     Lasermaterialbearbeitung

Spontane Emission normaler Lichtquellen




                                                         2                           2


                                                   ΔE
                                                         1                           1

                                                Anregung durch Elektronenstoß        spontane Emission




    Normale Lichtquelle (z.B. Gasentladungslampe):
    nach Elektronenstoßanregung erfolgt der Übergang in den Grundzustand statistisch (spontan)
    zu einer nicht vorhersagbaren Zeit in eine nicht festgelegte Richtung.


                                        Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                       Folie 51
    Einführung                     Schweißbarkeit                          Verfahren                Qualitätssicherung

                                           Lasermaterialbearbeitung
Eigenschaften von Licht

  Eigenschaften des Laserlichts:
  • Monochromasie:                                                                     Fokussierbarkeit:
       Geringe spektrale Breite;
   • Kohärenz:
       Feste räumliche und zeitliche Phasenbeziehung im
       Strahlungsfeld Strahlung ist interferenzfähig.
   • Geringe Divergenz:
       Räumlich gerichtete Strahlung;
   • Sehr hohe Leistungs- und Energiedichten:
       Fokussierbare Strahlung;
       Zeitlich modulierbar.




                                              Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                        Folie 52
    Einführung                    Schweißbarkeit                       Verfahren         Qualitätssicherung

                                        Lasermaterialbearbeitung

Grundlegender Aufbau einer Laserstrahlquelle



                                  Verlust-Energie

                                                                                       Eigenschaften:
                                                                                       Wellenlänge
                                                                                       Leistung
                                                                                       Strahlqualität
    Resonator                   laseraktives Medium                     Laserstrahl    Wirkungsgrad
                                                                                       Betriebsweise
                                                                                       Bauform
                                                                                       Herstellungskosten
          vollreflektierender                           teilreflektierender            Lebensdauer
                Spiegel                                       Spiegel


                                Anregungs-Energie




                                          Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                        Folie 53
Einführung           Schweißbarkeit                           Verfahren               Qualitätssicherung

                             Lasermaterialbearbeitung


  Laseraktive Medien und Pumpquellen für Materialbearbeitungs-Laser

 Festkörperlaser   Kristalle oder        optisch,                  Nd:YAG (1064 nm)
                   Gläser, die mit       mit Blitzlampen           Nd:YLF (1047 nm)
                   optisch aktiven       oder Dioden               Ti:Saphir (700-1050 nm)
                   Ionen dotiert sind,
                   Halbleiter            elektrisch                GaAlAs (780-940 nm)




 Gaslaser          Gas oder Dampf        elektrisch,               CO2-Laser
                                         mit angeregter            Excimere:    ArF (193 nm)
                                         Gasentladung                           KrF (248 nm)
                                                                                XeCl (308 nm)
                                                                                XeF (351 nm)
                                                                   Metalldampf: Kupfer (578 + 511 nm)
                                                                                Gold (628 nm)
                                                                   Ionen:       Ar+-Laser (514 nm)


                                 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                             Folie 54
 Einführung                  Schweißbarkeit                             Verfahren                  Qualitätssicherung

                                        Lasermaterialbearbeitung


   Betriebsarten, Ausgangsleistungen, Wirkungsgrade und Anwendungen

Lasermikromaterialbearbeitung

 Excimerlaser     gepulst (30ns)          bis 120W             1-10%         Oberfl.bearbeitung, Schockhärten, Abtragen
 Kupferdampf-
 Laser (CVL)      gepulst (10-70ns)       1-200W               1-3%          Bohren, Schneiden, Oberflächenstrukturieren
 Diodengepumpter
 Nd:YAG/YLF      gepulst (ps-ns)          bis 100 W            1-3%          Bohren, Schneiden, Oberflächenstrukturieren
 Ti:Saphir        gepulst (fs-ns)         bis 10 W                           Bohren, Oberflächenstrukturieren


Lasermakromaterialbearbeitung

 CO2-Laser        kontinuierlich (cw)     0,5 - 50 kW          5-10%         Schneiden, Schweißen, Oberflächenbehandlung
 Nd:YAG-Laser     cw                      0,1 - 4 kW           1-3%          Bohren, Schneiden, Schweißen, Oberfl.beh.
                  gepulst                 0,01 - 0,5 kW        1-3%          Bohren, Schneiden, Schweißen, Oberfl.beh.
                  Q-switch                0,01 - 0,5kW         1-3%          Bohren, Schneiden, Schweißen, Oberfl.beh.
 Diodenlaser      cw                      bis 4 kW             30-40%        Schweißen, Oberflächenbehandlung


                                          Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                      Folie 55
    Einführung            Schweißbarkeit                         Verfahren       Qualitätssicherung

                                 Lasermaterialbearbeitung

Strahleigenschaften – Größen zur Beschreibung des Laserstrahls

       • mittlere Leistung
                  Skalierung der Bearbeitungsfleckgröße bei vorgegebener Leistungsdichte
                  bei flächiger Bearbeitung

       • bei gepulsten Lasern: Pulsleistung, Pulsdauer, Pulsfolgefrequenz
                 Möglichkeit der Regelung der Energieeinbringung
                 wichtig zum Auffinden des Prozeßfensters einer spezifischen Bearbeitung
       • Strahlqualität (Strahlparameterprodukt, Divergenz, Stabilität)
                 wichtig z.B. beim Abtragen und Schweißen, da Strahlparameterprodukt die
                 Fokussierbarkeit beschreibt
       • Wellenlänge
                 beeinflußt die Wechselwirkung des Strahls mit dem Werkstoff über den
                 Einkopplungsgrad (Absorption, Reflexion)
       • Polarisationszustand
                 wichtig z.B. beim Schneiden und bei Verwendung elektro-optischer
                 Komponenten (z.B. Pockelszelle zum Pulsabschneiden)

                                    Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 56
    Einführung        Schweißbarkeit                            Verfahren                       Qualitätssicherung

                             Lasermaterialbearbeitung
Wichtige Systemkomponenten

                                                                                St
                                                                                  ra
                                                                                    hl
                                                                                       fü
                                                                                            hr
                                                                                               un
                                                                                                 g
                                                                                                     (S
                                                                                                       pi
                                                                                                          eg
                                                                                                            el
                                                                                                               )
                    Strahlquelle
                                                                                                          Strahlformung




                                                               Werkstückhandhabung


                                   Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                       Folie 57
    Einführung           Schweißbarkeit                           Verfahren       Qualitätssicherung

                                Lasermaterialbearbeitung
Strahlführungskonzepte


         Strahlführung
         in freier
         Propagation



         Strahlführung in
         flexibler Faser

                 Art der Strahlführung und Abstand Laser-Bearbeitung hängen stark
                 vom verwendeten Lasersystem ab:

                 CO2-Laser:            Umlenkspiegel aus poliertem Kupfer
                 Nd:YAG-Laser:         Glasfaser (hohe mittlere Leistung), Spiegel
                 Kupferdampflaser:     Glasfaser, aluminiumbeschichtete Spiegel
                 Excimerlaser:         Glasfaser, aluminiumbeschichtete Spiegel

                                     Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 58
     Einführung               Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

                                   Lasermaterialbearbeitung

Strahlformung



Prinzipielle Möglichkeiten:

• reflektiv: Spiegel
• transmittiv: Linsen
• Wasserstrahl




                                     Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 59
                                             Einführung                         Schweißbarkeit                           Verfahren                   Qualitätssicherung

                                                                                         Lasermaterialbearbeitung

            Einteilung der Laserverfahren nach Laserleistung
                                           1.000                                                                                                  Die Schweißeignung eines
Strahlparameterprodukt (θf·ω0) [mm mrad]




                                                                                                                                                  Werkstoffes beim
                                                                                                                     Transf.härten                Laserschweißen ist abhängig
                                                                                                                     Erwärmen                     von:
                                                                                         Knst. Schw.
                                                                                                        Hartlöten    Beschichten                  -Chemische
                                            100
                                                                                         Schw. Metallfolie                                        Zusammensetzung;
                                                                              Weich-     Sintern
                                                                                                                  Schweißen                       -Metallurgische
                                                                              löten     Schneiden
                                                                                                                  Bleche                          Eigenschaften;
                                                                                  Nichtmetalle
                                             10                                                                                                   -Physikalische Eigenschaften
                                                       Drucktechnik
                                                                                                                                 lle     )
                                                                                                                 Schneiden (Meta
                                                          Beschriftung
                                                                                                                                                  -Absorbtionsgrad
                                               1
                                                                                        Markieren
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                                             0.1
                                                   1                     10                  100                  1.000                  10.000
                                                                                        Laserleistung [W]

                                                                                            Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                 Folie 60
    Einführung           Schweißbarkeit                       Verfahren       Qualitätssicherung

                               Lasermaterialbearbeitung

Einfluss der Leistungsdichte




                                 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 61
   Einführung    Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

                 Schweißen mit Strahlen - Laserstrahl
Laserschweißen




                        Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 62
    Einführung            Schweißbarkeit                       Verfahren       Qualitätssicherung

                          Schweißen mit Strahlen - Laserstrahl

Schweißtiefe als Funktion der Intensität




                                  Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 63
   Einführung         Schweißbarkeit                       Verfahren       Qualitätssicherung

                       Schweißen mit Strahlen - Laserstrahl
Laserschweißen - Vorgänge beim Tiefschweißen




                              Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 64
    Einführung            Schweißbarkeit                         Verfahren       Qualitätssicherung

                        Schweißen mit Strahlen - Elektronenstrahl

Physikalische Grundlagen

                                            Definition
  Unter einem Elektronenstrahl versteht man einen Strom von Elektronen, die sich mit annähernd
   gleicher Geschwindigkeit von einer Strahlquelle aus in eine Richtung bewegen.

                                         Strahlerzeugung
   Ein Wolframband wird im Stromdurchgang unter Vakuum so erhitzt, daß Elektronen austreten
   können. Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes, bei dem der Glühfaden zur Katode wird,
       werden die Elektronen zur Anode hin beschleunigt. Nach “Durchfallen” der Spannung U
                            erreicht das Elektron die kinetische Energie:
                                       Ekin= e · U= mv /2 · v2
                                   U = elektrische Spannung [V]
                                     v = Geschwindigkeit [m/s]
                            mv = Bewegungsmasse des Elektrons [kg]
    Beim Auftreffen des Elektrons auf einen festen Körper wird die Bewegungsenergie in andere
                                     Energieformen umgesetzt.


                                    Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 65
    Einführung             Schweißbarkeit                        Verfahren              Qualitätssicherung

                        Schweißen mit Strahlen - Elektronenstrahl

Physikalische Grundlagen

  Der auf das Werkstück (Bild a) auftreffende
  Elektronenstrahl erhitzt es an seiner
  Oberfläche auf Verdampfungstemperatur.
  Das spontan verdampfende Material drückt
  zusammen        mit     dem     Druck   des
  auftreffenden       Strahles      das   den
  Schweißfleck umgebende flüssige Material             a)                        b)
  zur Seite (Bild b). Es entsteht ein
  Dampfkanal, der sich bis zur Unterseite des
  Werkstückes erstreckt (Bild c). Wandert der
  Elektronenstrahl über die zu schweißende
  Naht, so öffnet sich vorn dieser
  Dampfkanal, während hinter ihm das
  flüssige Material wieder zusammenläuft
  und die Verschweißung der Stoßkanten
  (Bild d) bewirkt (Stichlocheffekt).                  c)                        d)
                                                                                      BD=50 mm, X20Cr13

                                    Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                            Folie 66
   Einführung            Schweißbarkeit                        Verfahren       Qualitätssicherung

                      Schweißen mit Strahlen - Elektronenstrahl

Strahlerzeugung

    Diodensystem
    Mit Katode und Anode ist der
    einfachste Aufbau eines Strahl-
    erzeugers erreicht. Der Strahlstrom
    läßt sich aber nur durch Verändern
    der Beschleunigungsspannung bzw.
    der Katodentemperatur steuern und
    regeln.

    Triodensystem
    In     Schweißbearbeitungssystemen
    werden Triodensysteme mit Anode,
    Katode und Steuerkatode eingesetzt.
    Die Steuerelektrode erhält über eine
    separate Stromversorgung eine noch
    höhere negative Spannung als die
    Katode.

                                  Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 67
   Einführung        Schweißbarkeit                       Verfahren       Qualitätssicherung

                   Schweißen mit Strahlen - Elektronenstrahl

Elektromagnetische Linse

                               Das elektrische Feld im Triodensystem formt den Strahl
                               zu einem ersten Fokus (Crossover) von dem aus die
                               Elektronen    als   gleichpolige  Ladungsträger   sich
                               gegenseitig abstoßend durch die Anode bewegen.
                               Mit Hilfe einer Ringspule nutzt man dazu die Möglichkeit,
                               die Bewegungsrichtung der negativ geladenen Elektronen
                               durch Magnetfelder zu beeinflussen. Der Ring besteht
                               aus einer großen Zahl von Drahtwicklungen. Die
                               Ringwicklung wird von einem Gleichstrom durchflossen;
                               es entsteht dabei ein Magnetfeld, das innen zur
                               Strahlseite den Eisenmantel verläßt und auf den
                               Elektronenstrahl, wie eine Sammellinse auf den
                               Lichtstrahl, fokussierend einwirkt.
                               Mit diesem System ist es möglich Leistungsdichten von
                               etwa 107 W/cm2 zu erzielen.


                             Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 68
   Einführung             Schweißbarkeit                         Verfahren        Qualitätssicherung

                       Schweißen mit Strahlen - Elektronenstrahl

Wirkung der Steuerkathode
                                                         Die Steuerkatode ist bei ausreichender
                                                         Spannung in der Lage die Elektronen völlig
                                                         zur Katode zurückzudrängen, das heißt, den
                                                         Strahlstrom zu sperren (Bild a).
                                                         In dem Maße, wie nun die Steuerspannung
                                                         verringert   wird,    nimmt      die     zur
                                                         Elektronenemission beitragende Fläche zu,
                                                         und der Strahlstrom wird größer (Bild b und
                                                         c).




  Bei weiterem Verringern der Steuerspannung
  vergrößert sich die Emissionsfläche bis an die
  Ränder der Katodenstirnfläche, erfaßt auch
  die Katodenschenkel (Bild d) und es entsteht
  eine erhebliche Verzerrung des Strahles.
                                    Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                   Folie 69
   Einführung         Schweißbarkeit                       Verfahren       Qualitätssicherung

                    Schweißen mit Strahlen - Elektronenstrahl

Aufbau einer Elektronenstrahlanlage




                              Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 70
   Einführung          Schweißbarkeit                       Verfahren             Qualitätssicherung

                    Schweißen mit Strahlen - Elektronenstrahl

Einfluss der Beschleunigungsspannung und des Fokusabstandes




                                                                              U           F
                                                                  a                 150        350
                                                                  b                  60        350
                                                                  c                 150       1200
                                                                  d                  60       1200



                                                                      10 mm



   Querschliffe von Schweißnähten mit unterschiedlicher Beschleunigungsspannung und
   Fokusabständen. Einfluß auf Schmelzzonentiefe s und Nahtbreite b bei konstanter
   Strahlleistung (5 kW).


                               Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                      Folie 71
   Einführung          Schweißbarkeit                       Verfahren         Qualitätssicherung

                     Schweißen mit Strahlen - Elektronenstrahl
Anwendungsbeispiel

                                                      Getriebewelle mit elektronenstrahl-
                                                      geschweißtem Planetenträger.
                                                      Unten: Makroschliff der Schweißnaht.
                                                      Werkstoff Planetenträger RRSt 4
                                                      Werkstoff Getriebewelle 20MnCr4




                               Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                    Folie 72
   Einführung       Schweißbarkeit                       Verfahren           Qualitätssicherung

                  Schweißen mit Strahlen - Elektronenstrahl
Nonvacuum-Elektronenstrahlschweißen

                                                       Der Elektronenstrahl wird generell in einem
                                                       Hochvakuumraum des Generators erzeugt.
                                                       Damit der beschleunigte und magnetisch
                                                       fokussierte   Elektronenstrahl     in    die
                                                       Atmosphäre austreten kann, schließen sich
                                                       an dieses Hochvakuum sog. Druckstufen
                                                       an. Diese sind separat abgepumpte kleine
                                                       Kammern mit feinem Trenndüsen für den
                                                       Strahldurchgang.
                                                       Durch Streuung der Elektronen an der
                                                       Atmosphäre     wird     der    Strahl   mit
                                                       zunehmenden       Weg     verbreitet.  Um
                                                       möglichst schmale Nähte zu erzielen, wird
                                                       deshalb meist mit Arbeitsabstände von 6 bis
                                                       30 mm gearbeitet. Die Leistungsdichte kann
                                                       bei 20 kW Strahlleistung noch weitgehend
                                                       über 6·105 W/cm2 liegen.

                            Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                      Folie 73
    Einführung              Schweißbarkeit                        Verfahren          Qualitätssicherung

                                   Schweißen mit Lichtbogen

Schweißlichtbogen




                                                Plasma




      Ladungsfluss im Lichtbogen
                                                          Spannungsverteilung in einem Hochstrom-Lichtbogen

Merke:
 Merke:
Jeder Schweißlichtbogen ist eine Gasentladung mit Energie und Massentransport
 Jeder Schweißlichtbogen ist eine Gasentladung mit Energie und Massentransport
zwischen zwei Polen eines Stromkreises
 zwischen zwei Polen eines Stromkreises
Ladungsträger entstehen durch Ionisation des Gases
 Ladungsträger entstehen durch Ionisation des Gases
                                     Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                       Folie 74
     Einführung               Schweißbarkeit                          Verfahren                 Qualitätssicherung

                                     Schweißen mit Lichtbogen

                                                                                      Kurzschluss
Lichtbogenerzeugung


       Zünden des Schweißlichtbogens


                Kurzschluss      Hochfrequenz


  Berühren       Zündpille      Zündpulver



                                                                      Mechanischer Ablauf des Zündvorgangs
Hochfrequenzzünden: Hochspannung mit hoher
                                                            a) Elektrode hat Werkstück noch nicht berührt
Frequenz ermöglicht Feldemission aus der                    b) Elektrode hat Werkstück berührt, durch die starke Erhitzung der
Elektrode. Erhöhung der Anzahl von                             Brücken entsteht Metalldampf,
Ladungsträgern durch Stoßionisation, bei                    c) Elektrode hat die zu erwartende Lichtbogenlänge erreicht, Kathode
ausreichender Anzahl von Ladungsträgern entsteh                emittiert Elektronen (der Metalldampf liefert die Ladungsträger)
der Lichtbogen.                                             d) Die emittierten Elektronen werden durch ansteigende Spannung
                                                               beschleunigt, es bildet sich ein thermisches Plasma

                                         Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                  Folie 75
   Einführung                    Schweißbarkeit                         Verfahren            Qualitätssicherung

                                       Schweißen mit Lichtbogen
                                                                    Hochstromkohlelichtbogen, 200 A
Lichtbogentemperatur


      Die Lichtbogentemperaturen werden
      hauptsächlich vom Ionisierungsgrad                                                          Isotherme
      des Plasmagases bestimmt.
      Vereinfacht gilt:

      TLB~ 700 ... 800 x uieff

      TLB: Lichtbogentemperatur in K
      uieff: effektive Ionisationsspannung der
      im Plasma vorhanden Stoffe



 Mittlere Temperaturen für Schweißlichtbögen

 Metalllichtbogenschweißen mit Stabelektrode                    ca. 6000 K
 WIG-Schweißen                                                  10.000 – 20.000 K
 Metall-Schutzgasschweißen                                      5.000 – 7.000 K
 Plasma-Schweißlichtbogen                                       > 20.000 K


                                           Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                         Folie 76
    Einführung                  Schweißbarkeit                       Verfahren       Qualitätssicherung

                                     Schweißen mit Lichtbogen

Schweißstromquellen
Erzeugung von....


         Gleichstrom                Einphasen-Wechselstrom mit Netzfrequenz          Mehrphasenwechselstrom
oder pulsierenden Gleichstrom          oder Mittelfrequenz von 150 bis 50kH             (2 oder 3 Phasen)



                Anforderungen an Stromquellen:
                •    Leichtes Zünden des Schweißlichtbogens
                •    stufenlose Einstellung der Schweißparameter (US, IS)
                •    Kurzschlusssicherheit
                •    schnelles Ändern der Schweißdaten bei Änderung der Lichtbogenlänge
                •    geringe Wartung
                •    robuster Aufbau
                •    geräuscharm
                •    geringer Stromverbrauch im Leerlauf
                •    hoher Wirkungsgrad
                •    dreiphasige Netzbelastung
                •    gutes Zusammenwirken von Belastungs- und Lichtbogenkennlinie


                                        Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                  Folie 77
      Einführung                 Schweißbarkeit                           Verfahren                   Qualitätssicherung

                                         Schweißen mit Lichtbogen

Schweißstromquellen
                                                    Schweißstromquellen


 Schweißumformer            Schweißtransformator             Schweißgleichrichter           elektronische Stromquelle
   nicht regelbar              nicht regelbar                   nicht regelbar                       regelbar
    Gleichstrom                Wechselstrom                      Gleichstrom                Gleich- oder Wechselstrom


                                                                          sekundär getaktete Stromquelle   primärgetaktete Stromquelle
                                                                                    (Shopper)                       (Inverter)




Elektronisch gesteuerte Schweißstromquellen ermöglichen es, den Schweißstrom IS zeitlich definiert zu variieren,
 Elektronisch gesteuerte Schweißstromquellen ermöglichen es, den Schweißstrom IS zeitlich definiert zu variieren,
um damit die thermischen Vorgänge im Lichtbogen, insbesondere den Tropfenübergang (bei der abschmelzenden
 um damit die thermischen Vorgänge im Lichtbogen, insbesondere den Tropfenübergang (bei der abschmelzenden
Elektrode) günstig zu beeinflussen.
 Elektrode) günstig zu beeinflussen.




                                             Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                   Folie 78
   Einführung             Schweißbarkeit                        Verfahren       Qualitätssicherung

                                Schweißen mit Lichtbogen
Lichtbogenhandschweißen



           Verfahrensprinzip




      Anwendungsbereiche:
       Anwendungsbereiche:
      Abmesssungen: Stumpfnähte an Blechdicken von 22bis 100mm und Kehlnähte mit 33bis 100mm
       Abmesssungen: Stumpfnähte an Blechdicken von bis 100mm und Kehlnähte mit bis 100mm
      Werkstoffe: Baustähle, niedrig- und hochlegierte Stähle, Stahlguß und Gußeisen
       Werkstoffe: Baustähle, niedrig- und hochlegierte Stähle, Stahlguß und Gußeisen

                                   Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                  Folie 79
    Einführung        Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

                           Schweißen mit Lichtbogen
Lichtbogenhandschweißen – Aufbau einer Elektrode




                             Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 80
        Einführung                 Schweißbarkeit                             Verfahren                            Qualitätssicherung

                                           Schweißen mit Lichtbogen
  Lichtbogenhandschweißen - Stoffe und ihre Wirkung in der Elektrodenumhüllung
   Umhüllung der Elektrode dient zur:
   • Stabilisierung des Lichtbogens
   • Sicheres Zünden und gute
     Leitfähigkeit der Lichtbogenstrecke
   • Schutz der übergehende
     Metalltropfen und des
     Schmeltzbades vor Luftzutritt

Vier Umhüllungstypen               Umhüllungsrohstoff                        Wirkung auf Schweißeigenschaften
                                   Quarz- SiO2                               Erhöhte Strombelastbarkeit, Schlackenverdünner
Sauerumhüllte Elektroden (A):      Rutil-TiO2                                Verb. Schlackenabgang und Nahtzeichnung, gutes Wiederzünden
Hauptbestandteil Erz               Magnetit-Fe3O4                            Verfeinert den Tropenübergang
Rutilumhüllte Elektrode (R):       Kalkspat-CaCO3                            Setz die Lichtbogensp. herab, Schutzgas- und Schlackenbildner
Hauptbestandteil TiO2
                                   Flussspat-CaF2                            Schlackenverdünner bei basischen Elekt. verschlechtert die Ionisation
Basischumhüllte Elektrode (B):
Hauptbestandteil Flussspat         Kali-Feldspat-K2O·Al2O3·6SiO2             Leicht ionisierbar, verb. die Lichtbogenstabilität

Zelluloseumhüllte Elektrode (C):   Ferro-Mangan/Ferro Silizium               Desoxidationsmittel
Hauptbestandteil Zellulose         Zellulose                                 Schutzgasbildner
                                   Kaolin-Al2O3•2SiO2•2H2O                   Gleitmittel
                                   K- oder Na-Wasserglas K2SiO3/Na2SiO3      Bindelmittel

                                                 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                              Folie 81
    Einführung       Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

                          Schweißen mit Lichtbogen
Lichtbogenhandschweißen – Verwendungseigenschaften von Stabelektroden




                            Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 82
   Einführung        Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

                          Schweißen mit Lichtbogen
Lichtbogenhandschweißen – Normung von Stabelektroden




                            Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 83
   Einführung       Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

                         Schweißen mit Lichtbogen
Lichtbogenhandschweißen - Zusammenfassung




                           Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 84
    Einführung       Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

                          Schweißen mit Lichtbogen
Schutzgasschweißen - Einordnung




                            Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 85
    Einführung       Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

                          Schweißen mit Lichtbogen
MSG-Schweißen – Prinzip




                            Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 86
     Einführung                 Schweißbarkeit                         Verfahren       Qualitätssicherung

                                       Schweißen mit Lichtbogen
MSG-Schweißen
Prinzip
Das Prinzip des MSG-Schweißens besteht darin, dass ein Metalldraht
durch die Schweißpistole geführt und in einem Lichtbogen geschmolzen
wird. Der Schweißdraht hat dabei zwei Aufgaben zu erfüllen, einerseits ist
er die stromführende Elektrode und andererseits gleichzeitig das
einzubringende Schweißgut. Der elektrische Strom wird über eine
Schweißstromquelle dem Kontaktrohr in der Schweißpistole zugeführt.
Ein durch die Gasdüse fließendes Schutzgas schützt den Lichtbogen und
das Schmelzgut. Das Schutzgas ist entweder inert (MIG) oder aktiv (MAG).
Inerte Gase gehen keine Reaktion mit dem Schmelzgut ein. Beispiele für
Gase dieser Kategorie sind Argon und Helium. Aktive Gase sind
andererseits an den Prozessen zwischen dem Lichtbogen und dem
Schmelzgut beteiligt. Argon mit einem kleinen Anteil von Kohlendioxid oder
Sauerstoff ist ein Beispiel für ein aktives Gas. Die aktive Komponente
beeinflußt z.B. den Einbrand und/oder die Schweißbadtemperatur.
 Anwendungen
 Das MSG-Schweißen weist gute Handhabung und große Abschmelzleistungen auf und ist damit ein
 wirtschaftliches und schnelles Verfahren. Es eignet sich ausgezeichnet zum mechanischen Bahnschweißen mit
 Schweißautomaten oder mit Robotern. Das Verfahren ist in allen Anwendungsbereichen (Fahrzeug-, Stahl-,
 Maschinenbau) einsetzbar. Besonders auch dünne Bleche ab 0,5mm können in allen Positionen gut und
 verzugsarm geschweißt werden. Das MIG-Schweißen findet besondere Anwendung für das Schweißen von Al.

                                          Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                   Folie 87
   Einführung               Schweißbarkeit                         Verfahren       Qualitätssicherung

                                  Schweißen mit Lichtbogen
MSG-Schweißen – Gase


     Folgende Schutzgas werden häufig verwendet:

     MAG-Schweißen von un- und niedriglegierten Stählen:
     MG aus Ar+18% CO2 + 8% O2 oder reines CO2

     MAG-Schweißen von nichtrostenden hochlegierten Stählen:
     MG aus Ar + 2,5% CO2 oder Ar + 3% O2

     MIG-Schweißen von NE-Metallen:
     100% reines Ar oder
     Gemische aus Ar+30-60% He
     Einteilung der Schutzgase zum Schutzgasschweißen erfolgt nach DIN 439




                                      Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 88
   Einführung   Schweißbarkeit                      Verfahren             Qualitätssicherung

                    Schweißen mit Lichtbogen
MSG-Schweißen
                                                             Unterschiedliche Kräfte im
                                                              Unterschiedliche Kräfte im
                                                             Lichtbogen wirken auf den
                                                              Lichtbogen wirken auf den
                                                             abschmelzenden Zusatzwerkstoff und
                                                              abschmelzenden Zusatzwerkstoff und
                                                             bestimmen damit den
                                                              bestimmen damit den
                                                             Werkstoffübergang.
                                                              Werkstoffübergang.




                       Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                        Folie 89
    Einführung         Schweißbarkeit                       Verfahren              Qualitätssicherung

                             Schweißen mit Lichtbogen
MSG-Schweißen - Lichtbogenarten



                                                                            Zu jeder vorgegebenen
                                                                             Zu jeder vorgegebenen
                                                                            Spannungskennlinie U gehört ein
                                                                             Spannungskennlinie U gehört ein
                                                                            entsprechender Schweißstrom I,I,
                                                                             entsprechender Schweißstrom
                                                                            der bei diesem Schweißverfahren
                                                                             der bei diesem Schweißverfahren
                                                                            über die Drahtgeschwindigkeit vv
                                                                             über die Drahtgeschwindigkeit
                                                                            eingestellt wird. Die richtige
                                                                             eingestellt wird. Die richtige
                                                                            Geräteeinstellung läßt sich am
                                                                             Geräteeinstellung läßt sich am
                                                                            Lichtbogengeräusch erkennen.
                                                                             Lichtbogengeräusch erkennen.




          Nur in einem bestimmten Arbeitsbereich brennt ein stabiler Lichtbogen
          Nur in einem bestimmten Arbeitsbereich brennt ein stabiler Lichtbogen

                               Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                           Folie 90
    Einführung         Schweißbarkeit                         Verfahren        Qualitätssicherung

                              Schweißen mit Lichtbogen
MSG-Schweißen - Kurzlichtbogen


                                                    Beispiele für den Werkstoffübergang




                  Kennzeichen:
                   Kennzeichen:
                  relativ energiearm (U,I klein). Der Tropfenübergang (50 bis 100 Tropfen/s) erfolgt bei
                   relativ energiearm (U,I klein). Der Tropfenübergang (50 bis 100 Tropfen/s) erfolgt bei
                  kleinen Lichtbogenleistungen im Kurzschlussbetrieb
                   kleinen Lichtbogenleistungen im Kurzschlussbetrieb
                  Anwendung:
                   Anwendung:
                  Schweißen von Wurzellagen, Zwangslagen (Positionen PC, PF, PG, PE), Schweißen von
                   Schweißen von Wurzellagen, Zwangslagen (Positionen PC, PF, PG, PE), Schweißen von
                  Dünnblechen
                   Dünnblechen

                                 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                     Folie 91
    Einführung        Schweißbarkeit                          Verfahren         Qualitätssicherung

                             Schweißen mit Lichtbogen
MSG-Schweißen – Übergangslichtbogen

                                                               Beispiele für den Werkstoffübergang




                 Kennzeichen:
                  Kennzeichen:
                 mittlere Lichtbogenleistung, Zusatzwerkstoff ist dünnflüssiger. Tropfenübergang (100
                  mittlere Lichtbogenleistung, Zusatzwerkstoff ist dünnflüssiger. Tropfenübergang (100
                 Tropfen/s) teils im Kurzschluss, teils berührungslos.
                  Tropfen/s) teils im Kurzschluss, teils berührungslos.
                 Anwendung:
                  Anwendung:
                 mittlerer Blechdicken unter Argon-Mischgasen bevorzugt, für Kehlnähte oder für Füll- und
                  mittlerer Blechdicken unter Argon-Mischgasen bevorzugt, für Kehlnähte oder für Füll- und
                 Decklagen bei Stumpfnähten in den Positionen PB und PA, nur begrenzt für Zwangslage
                  Decklagen bei Stumpfnähten in den Positionen PB und PA, nur begrenzt für Zwangslage


                                 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                       Folie 92
      Einführung                 Schweißbarkeit                         Verfahren           Qualitätssicherung

                                        Schweißen mit Lichtbogen
MSG-Schweißen - Sprühlichtbogen


                                                                              Beispiel für den Werkstoffübergang




Kennzeichen:
 Kennzeichen:
hohe Lichtbogenleistung, kurzschlussfreier, feintropfiger (150-300 Tropfen/s), Werkstoffübergang ohne Spritzer und
 hohe Lichtbogenleistung, kurzschlussfreier, feintropfiger (150-300 Tropfen/s), Werkstoffübergang ohne Spritzer und
ohne Kurzschlüsse.
 ohne Kurzschlüsse.
Anwendung:
 Anwendung:
Besonders für Füll- und Decklagen. Erlaubt unter Ar, He oder Ar-haltige Schutzgase große Abschmelzleistungen und
 Besonders für Füll- und Decklagen. Erlaubt unter Ar, He oder Ar-haltige Schutzgase große Abschmelzleistungen und
höhere Schweißgeschwindigkeiten bei größeren Wanddicken, unter reinem CO22-Schutzgasoder bei Anteilen von
 höhere Schweißgeschwindigkeiten bei größeren Wanddicken, unter reinem CO -Schutzgas oder bei Anteilen von
mehr als 20% CO22kann der Sprühlichtbogen nicht erreicht werden
 mehr als 20% CO kann der Sprühlichtbogen nicht erreicht werden
                                           Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                      Folie 93
      Einführung               Schweißbarkeit                          Verfahren       Qualitätssicherung

                                      Schweißen mit Lichtbogen
MSG-Schweißen - Impulslichtbogen

                                           Beispiele für den
                                           Werkstoffübergang




Kennzeichen:
 Kennzeichen:
Die zusätzlichen Geräteeinstellungen stellen hohe Anforderungen an den Schweißer. Bei programmierbaren Anlagen
 Die zusätzlichen Geräteeinstellungen stellen hohe Anforderungen an den Schweißer. Bei programmierbaren Anlagen
kann dies durch Einstellprogramme erfolgen
 kann dies durch Einstellprogramme erfolgen
Anwendung:
 Anwendung:
an dünnen Blechen lassen sich Spritzer vermeiden und dickere Drahtelektroden verschweißen. Beim MIG-Schweißen
 an dünnen Blechen lassen sich Spritzer vermeiden und dickere Drahtelektroden verschweißen. Beim MIG-Schweißen
von Al-Werkstoffen wird die Schweißbadbewegung gefördert und damit die Porenbildung verringert.
 von Al-Werkstoffen wird die Schweißbadbewegung gefördert und damit die Porenbildung verringert.
Bei Stahl erreicht man eine minimale Aufmischung der Werkstückflanken bei ausreichendem Einbrand (zum Beispiel
 Bei Stahl erreicht man eine minimale Aufmischung der Werkstückflanken bei ausreichendem Einbrand (zum Beispiel
schwarz-weiß-Verbindungen oder beim Auftragsschweißen
 schwarz-weiß-Verbindungen oder beim Auftragsschweißen
                                          Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                   Folie 94
   Einführung   Schweißbarkeit                      Verfahren        Qualitätssicherung

                    Schweißen mit Lichtbogen
MSG-Schweißen


                                         Regelung
                                          Regelung      der
                                                         der    Lichtbogenlänge
                                                                 Lichtbogenlänge   bei
                                                                                    bei
                                         gleichbleibender Drahtvorschubgeschwindigkeit
                                          gleichbleibender Drahtvorschubgeschwindigkeit
                                         und nahezu gleichbleibender Spannung durch
                                          und nahezu gleichbleibender Spannung durch
                                         Änderung
                                          Änderung     der
                                                        der  Stromstärke
                                                              Stromstärke    und
                                                                              und  der
                                                                                    der
                                         Abschmelzleistung durch interne Regelung der
                                          Abschmelzleistung durch interne Regelung der
                                         Schweißstromquelle.
                                          Schweißstromquelle.
                                         Voraussetzung:
                                          Voraussetzung:
                                         -möglichst konstante Drahtvorschubgeschwindigkeit
                                          -möglichst konstante Drahtvorschubgeschwindigkeit
                                         -Zunahme der Abschmelzgeschwindigkeit mit der
                                          -Zunahme der Abschmelzgeschwindigkeit mit der
                                         Stromstärke
                                          Stromstärke
                                         -möglichst flache Charakteristik der Stromquelle
                                          -möglichst flache Charakteristik der Stromquelle




                                    Merke:
                                     Merke:
                                    Lichtbogenlängenregelung gewährleistet Qualität
                                     Lichtbogenlängenregelung gewährleistet Qualität

                       Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                    Folie 95
   Einführung   Schweißbarkeit                       Verfahren       Qualitätssicherung

                     Schweißen mit Lichtbogen
MSG-Schweißen
                 Drahtelektroden für das MIG/MAG-Schweißen




                        Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 96
     Einführung               Schweißbarkeit                         Verfahren       Qualitätssicherung

                                     Schweißen mit Lichtbogen
WIG-Schweißen
Im Gegensatz zu den Metall-Schutzgasverfahren MIG/MAG brennt der Lichtbogen beim WIG-Schweißen zwischen
einer nicht abschmelzenden Wolframelektrode und dem Grundwerkstoff. Zum Schutz von Wolframelektrode und
Schmelzbad sind inerte Gase wie Argon oder Helium bzw. Gasgemische mit nicht oxidierenden Komponenten
notwendig.
Das WIG-Schweißen ist bei allen schmelzschweißbaren Metallen anwendbar. Die Auswahl von Stromart, Polarität
und Schutzgas richtet sich nach dem Grundwerkstoff.




                                        Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                 Folie 97
    Einführung        Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

                           Schweißen mit Lichtbogen
WIG-Schweißen – Polung der Elektrode




                             Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 98
   Einführung   Schweißbarkeit                       Verfahren       Qualitätssicherung

                    Schweißen mit Lichtbogen
WIG-Schweißen
                 Aufbau eines WIG-Schweißbrenners




                        Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 99
     Einführung                 Schweißbarkeit                          Verfahren        Qualitätssicherung

                                       Schweißen mit Lichtbogen
WIG-Schweißen
Anwendungsbereiche:
Das WIG-Schweißen ist ein weit verbreitetes und leistungsfähiges Verfahren. Es verbindet die Beweglichkeit eines
einfachen handlichen Schweißgerätes mit der hohen Leistungsdichte des elektrischen Lichtbogens. Die in weiten
Grenzen regelbare Lichtbogenleistung (Lichtbogenspannung x Stromstärke), unabhängig von einem unter
Umständen erforderlichen Schweißzusatzwerkstoff, verleiht dem Verfahren universale Anwendungsmöglichkeiten.
Nahezu alle Metalle lassen sich in Dicken von 0,1mm (Stahl) bis zu mehreren cm WIG-Schweißen.

Vorteile:
•   kein Einfluss des Schutzgases auf das Schweißgut
•   keine Spritzer und Schlacken
•   fester Kontakt an der Elektrode, kein Gleitkontakt wie beim Metall-Schutzgasschweißen
•   gut beherrschbares Ansetzen
•   gute Spaltüberbrückung in allen Positionen
•   leichtes Finden geeigneter Schweißwerte
•   einfachere Lösung für veränderliche Lichtbogenleistungen beim Schweißen

Werkstoffe: NE-Metalle wie Al, Cu, Ni sowie deren Legierungen, hoch legierte Stähle, ‚Sondermetalle wie Ti, Zr, Ta

Werkstückdicken: 0,5 bis 5mm

Nahtarten: I-, V-, Bördel- und Kehlnähte in allen Positionen, vorzugsweise bei kurzen Nahtlängen

                                           Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                     Folie 100
     Einführung                 Schweißbarkeit                         Verfahren         Qualitätssicherung

                                       Schweißen mit Lichtbogen
WIG-Schweißen
                          Schutzgases für das WIG-Schweißen                              IS: 240A, Werkstoff: 1.4301




    Argon-Lichtbogen                             Varigon-Lichtbogen                    Helium-Lichtbogen
                                                (Linde Handelsname)
Argon in einer Menge von 55bis 10l/min ist ein brauchbares Schutzgas für alle schweißgeeigneten Metalle. Leicht-
 Argon in einer Menge von bis 10l/min ist ein brauchbares Schutzgas für alle schweißgeeigneten Metalle. Leicht-
und Nichteisenmetalle werden aber besser mit einem Argon/Helium-Gemisch (bis 75% He) geschweißt.
 und Nichteisenmetalle werden aber besser mit einem Argon/Helium-Gemisch (bis 75% He) geschweißt.

Beim WIG-Schweißen wird eine Hochfrequenzzündung angewendet, um den Lichtbogen zu zünden. Weil die
 Beim WIG-Schweißen wird eine Hochfrequenzzündung angewendet, um den Lichtbogen zu zünden. Weil die
Wolframelektrode darf nicht durch Berührung verschmutzt werden.
 Wolframelektrode darf nicht durch Berührung verschmutzt werden.

                                          Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                        Folie 101
    Einführung                Schweißbarkeit                         Verfahren                 Qualitätssicherung

                                      Schweißen mit Lichtbogen
WIG-Schweißen
                                            Elektrodenwerkstoffe
  Elektrodentyp         Bestandteil     Kurzzeiche       Farbkenn-              Bemerkung
                        in Gew. %       n                zeichnung


  Rein-Wolfram          0               W                grün                   Geringe Gleichrichterwirkung bei
                                                                                Wechselstromschweißen


  Wolfram mit           0,35..0,55      WT4              blau                   Verstärkte Elektronenemission
  Thoriumoxid           0,8..1,20       WT10             gelb                   (besseres Zünden, längere Standzeit,
  (ThO2)                1,70..2,20      WT20             rot                    höhere Stromblastung
                        2,80..3,20      WT30             violett
                        3,80..4,20      WT40             orange
  Wolfram mit           0,15..0,50      WZ3              blau                   Besser als W-Elektrode aber Zünden ist
  Zirkonoxid            0,70..0,90      WZ8              weiß                   schlechter
  (ZrO2)
  Wolfram mit Ceroxid   1,80..2,20      WC20             grau                   Ähnlich wie WT-Elektroden aber
  (CeO2)                                                                        umweltfreundlicher


                                        Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                 Folie 102
       Einführung                Schweißbarkeit                          Verfahren       Qualitätssicherung

                                        Schweißen mit Lichtbogen
Plasmaschweißen
Ähnlich wie beim WIG-Schweißen bildet sich auch beim
Plasmaschweißen ein Lichtbogen zwischen einer nicht
abschmelzenden Wolframelektrode und dem Grundwerkstoff.
Im Gegensatz zum WIG-Schweißen wird der Lichtbogen hier aber
durch    die     Schweißbrenner-Konstruktion (wassergekühlte
Kupferdüse) gebündelt, was eine vergleichsweise höhere
Leistungsdichte bewirkt.

Das Plasma-Verbindungsschweißen wird in drei Verfahrens-
varianten eingesetzt:
Mikroplasma-Schweißen für dünne und dünnste Blechdicken - ab
ca. 0,1mm bei Stromstärken ab ca. 0,3A.
Durchdrücktechnik für Blechdicken von 1 - 3 mm.
Stichlochplasma-Schweißen für größere Wanddicken bis ca. 8
mm in einer Lage - darüberhinaus mehrlagig.
Beim Plasmaschweißen werden immer zwei Schutzgase benötigt:
Plasmagas (Zentrumsgas), vorwiegend Argon teilweise mit
Wasserstoff- oder Heliumzusätzen.
Schutzgas (Außengas), das Zumisch-Komponenten zu Argon
aufweisen kann, z.B.: Wasserstoff für CrNi-Stahl, Nickelwerkstoffe
oder Helium für das Schweißen von Aluminium oder Al-
Legierungen, Titan und Kupferwerkstoffen.

                                            Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik              Folie 103
    Einführung        Schweißbarkeit                       Verfahren       Qualitätssicherung

                            Schweißen mit Lichtbogen
Plasmaschweißen - Prinzip




                              Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik              Folie 104
    Einführung                Schweißbarkeit                         Verfahren             Qualitätssicherung

                                      Schweißen mit Lichtbogen
Plasmaschweißen – Schaltung von Plasmabrennern




        Plasmastrahlschweißen
         Plasmastrahlschweißen
   (nicht übertragenen Lichtbogen)                                                       Plasmalichtbogenschweißen
                                                                                          Plasmalichtbogenschweißen
    (nicht übertragenen Lichtbogen)                                                       (übertragenen Lichtbogen
                                                                                           (übertragenen Lichtbogen




                                                                                     Vergleich zwischen Plasma-
                                                                                     und WIG-Lichtbogen und dem
                                                                                     Aufschmelzquerschnitt




                                        Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                        Folie 105
    Einführung         Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

                            Schweißen mit Lichtbogen
Plasmaschweißen – Gegenüberstellung des Plasma- zum WolframInertGas-Verfahren




                              Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik              Folie 106
    Einführung               Schweißbarkeit                          Verfahren            Qualitätssicherung

                                    Schweißen mit Lichtbogen
Plasmaschweißen - Stichlochtechnik




                                                                 Vergleich der Schweißgeschwindigkeit Plasma-
       Schema des Sticklochschweißens
                                                                 und WIG-Verfahren bei Schweißen von CrNi-
     bietet einbrandfreie Einschweißungen                        Stählen
     für größer Bleckdicken



                                        Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                        Folie 107
    Einführung       Schweißbarkeit                       Verfahren       Qualitätssicherung

                          Schweißen mit Lichtbogen
Plasmaschweißen – Prinzip Plasmaheißdrahtschweißen




                             Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik              Folie 108
    Einführung        Schweißbarkeit                           Verfahren             Qualitätssicherung

                            Schweißen mit Lichtbogen
Plasmaschweißen – Fügestellengestaltung und Schutzgase
          Fügestellengestaltung                                         Schutzgase




                                  Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                    Folie 109
Einführung   Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

                   Widerstandsschweißen




                    Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik              Folie 110
Einführung   Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

                   Widerstandsschweißen




                    Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik              Folie 111
Einführung              Schweißbarkeit                        Verfahren       Qualitätssicherung

                                Widerstandsschweißen

                             Prinzip und Verfahrensvarianten




 a) Punktschweißen b) Doppelpunktschweißen c) Rollennahtschweißen d) Buckelschweißen



                                 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik              Folie 112
   Einführung         Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

                            Widerstandsschweißen

Widerstandspunktschweißen (RP-Schweißen)




                             Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik              Folie 113
    Einführung          Schweißbarkeit                       Verfahren       Qualitätssicherung

                               Widerstandsschweißen

Scherzugfestigkeit als Funktion des Schweißstroms




                                Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik              Folie 114
    Einführung         Schweißbarkeit                       Verfahren       Qualitätssicherung

                              Widerstandsschweißen

Einflussgrößen beim Punktschweißen




                               Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik              Folie 115
      Einführung                 Schweißbarkeit                         Verfahren       Qualitätssicherung

                                          Widerstandsschweißen

 Rollnahtschweißen (RR-Schweißen)

Die Werkstücke werden an den Stoßflächen erwärmt
und unter Anwendung von Kraft geschweißt. Strom un
dKraft werden von beiden Werkstückseiten (zweiseitig)
durch ein Rollenelektrodenpaar oder eine Rollen-
elektrode und einem Dorn übertragen.
Besonderheit des Verfahrens:
Das Rollnahtschweißen ist vom Punktschweißen
abgeleitet. Das Rollenpaar berührt ebenso wie die
Punkteletroden das Werkstück mit einer kleinen Fläche.
Die    Rollen     drehen      sich  entsprechend   der
Weiterbewegung          des        Werkstückes.    Die
Elektrodenabnutzung ist gegenüber dem RP-Schweißen
wesentlich geringer. Da das Auf- und Abbewegen der
Elektroden          entfällt,        sind       höhere
Schweißgeschwindigkeiten möglich.
Anwendungen:
Herstellung von Massenbedarfsgütern wie:
Kraftstofftanks, Radiatoren, Konserven, Getränkedosen,
Fässern Schalldämpfer, Töpfe, längsnahtgeschweißte
Rohre, Behälterfertigung

                                           Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik              Folie 116
    Einführung            Schweißbarkeit                      Verfahren            Qualitätssicherung

                                Widerstandsschweißen

Rollnahtschweißen (RR-Schweißen)        Schweißstromart und Stromkontaktprogramme
      Dauerwechselstrom




                                Stromkontaktprogramme




      Dichtnaht                                               Unterbrochene Naht
                                 Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                   Folie 117
    Einführung          Schweißbarkeit                      Verfahren         Qualitätssicherung

                              Widerstandsschweißen

Buckelschweißen (RB-Schweißen)
                                         Besonderheit des Verfahrens:
                                         Beim Buckelschweißen wird der Strompfad nicht durch die
                                         Elektrodengeometrie, sondern durch die Form des Fügeteils
                                         bestimmt. Der Schweißstrom und die Erwärmung werden auf die
                                         Buckel konzentriert. Bei einem Elektrodenniedergang können
                                         mehrere Buckel gleichzeitig verschweißt werden. Die Buckel
                                         werden in eines der zu verschweißenden Teile durch einen Zieh-
                                         oder Pressvorgang eingeprägt. Während des Schweißens
                                         werden die Buckel nach der Plastifizierung des Werkstoffes
                                         weitgehend zurückverformt. Die Teile haben so nach dem
                                         Schweißen ein gutes Aussehen. In der Regel werden mehrere
                                         Buckel gleichzeitig geschweißt, so dass sich der Schweißstrom
                                         mit der Anzahl der zu schweißenden Buckel multipliziert. Es
                                         können mehr als 20 Buckel gleichzeitig verschweißt werden.
                                         Gesamtschweißströme größer als 150 kA sind deshalb keine
                                         Seltenheit.
                                         Einsatzmöglichkeiten
                                         Das Buckelschweißen ist für die Fertigung von zahlreichen
                                         Massenartikeln das wirtschaftlichste Fertigungsverfahren.

 Schema Buckschweißen


                               Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                     Folie 118
    Einführung            Schweißbarkeit                         Verfahren          Qualitätssicherung

                                  Widerstandsschweißen

Buckelschweißen (RB-Schweißen)            Anwendungen




           Gaszählergehäuse (Quelle Dalex)            Gehäuse für Hybridschaltung mit umlaufenden
                                                      Schweißbuckel



                                    Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                      Folie 119
    Einführung              Schweißbarkeit                          Verfahren               Qualitätssicherung

                                       Widerstandsschweißen

Buckelschweißen (RB-Schweißen)               Verfahrensvarianten



  Zweiseitiges Buckelschweißen (RBZ)                                       Einseitiges Buckelschweißen (RBE)




                                       Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                              Folie 120
    Einführung            Schweißbarkeit                        Verfahren              Qualitätssicherung

                                  Widerstandsschweißen

Abbrennstumpfschweißen (RA-Schweißen)
                                                      Besonderheiten des Verfahrens
                                                      Der Abbrennprozess ist gekennzeichnet durch eine
   Schema des Abbrennstumpfschweißen                  große Spritzerbildung und große Längenzugabe vor
                                                      dem Schweißen. Eine besondere Vorbereitung der
                                                      Werkstücke         ist      nicht     erforderlich. Die
                                                      Schweißverbindung enthält bei einer sorgfältig
                                                      ausgeführten Schweißung keine Verunreinigungen.
                                                      Die Schweißverbindung weist hohe Festigkeitswerte
                                                      auch bei dynamischer Beanspruchung auf.
                                                      .Der       Stauchgrat wird nach dem Schweißen
                                                      beseitigt. Er ist relativ leicht entfernbar.




                                                      Stauchgrad

                                   Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                            Folie 121
    Einführung        Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

                            Widerstandsschweißen

Abbrennstumpfschweißen (RA-Schweißen)

 Arbeitsschritte




                             Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik              Folie 122
    Einführung               Schweißbarkeit                         Verfahren                 Qualitätssicherung

                                     Widerstandsschweißen

Abbrennstumpfschweißen (RA-Schweißen)
                                                                             Gestaltungsbeispiele Fügestelle




  Ketten, Drähte ……




   Gelenkkugel Zugstange, Felgen Ventile ….

                                       Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                              Folie 123
    Einführung             Schweißbarkeit                         Verfahren            Qualitätssicherung

                                     Widerstandsschweißen

Pressstumpfschweißen (RPS-Schweißen)
                                                           Verfahrensprinzip/ -beschreibung
                                                           Die zu verbindenden Teile werden in wassergekühlten
                                                           Kupferbacken eingespannt, zusammengefahren und
                                                           über Stromdurchfluss an der Kontaktstelle auf
                                                           Schweißtemperatur gebracht (bei Stahl: 1100 ... 1300
                                                           °C). Anschließend wird der Druck auf Stauchdruck
                                                           erhöht und der Strom abgeschaltet. Die Erwärmung
                                                           erfolgt durch den Übergangswiderstand zwischen den
                                                           beiden zu verbindenden Werkstücken.

                                                           Besonderheiten des Verfahrens
                                                           Die Schweißverbindungen sind gekennzeichnet durch
                                                           eine Wulst an der Verbindungsstelle. Das Abarbeiten der
                                                           Schweißwulste       ist    schwieriger     als    beim
                                                           Abbrennstumpfschweißen. Die Schweißnaht kann auch
                                                           bei einer sorgfaltig ausgeführten Schweißung noch
                                                           Verunreinigungen enthalten. Die Festigkeit der
                                                           Schweißverbindung beträgt 90 ... 100 % der
                                                           Grundwerkstofffestigkeit bei statischer Beanspruchung,
                                                           bei dynamischer Beanspruchung ist sie jedoch geringer.

   Schema des Pressstumpfschweißen

                                     Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                         Folie 124
         Einführung                     Schweißbarkeit                           Verfahren                Qualitätssicherung

                                                    Induktionsschweißen

  Induktionsschweißen (RI-Schweißen)
      Schweißen mit stabförmigen Induktor (RIS)                                   Schweißen mit umschließenden Induktor (RIU)




Werkstücke werden an den Stoßflächen erwärmt und unter Wirkung äußerer Kräfte geschweißt. Der Strom für die Widerstandserwärmung
wird durch einen oder mehrere Induktoren induziert, die Kraft durch Druckrollen übertragen. Wechselnde Magnetfelder erzeugen im
Werkstück Wirbelströme, die eine Widerstandserwärmung im Schlitzrohr bewirken. Infolge des Skineffektes (der Strom fließt bevorzugt in den
Oberflächenzonen des Leiters) werden die zu verschweißenden Flächen schnell erwärmt. Durch hohe Schweißgeschwindigkeiten kann das
Abfließen der Wärme an den Bandkanten verhindert werden. Dabei entsteht außen und innen ein Stauchgrat, der in einem weiteren
Arbeitsgang entfernt werden muss. Zur Verringerung der Verluste durch unerwünschte Strombahnen können magnetische Werkstoffe
(wassergekühlter Magnetkern) in das Rohrinnere eingeführt werden.

                                                    Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                               Folie 125
      Einführung                 Schweißbarkeit                         Verfahren        Qualitätssicherung

                                           Induktionsschweißen

Induktionsschweißen (RI-Schweißen)

 Besonderheiten des Verfahrens
• Kein Verschleiß des Energieträgers, da berührungsloses Werkzeug.
• Vorlaufendes Entzundern des Rohres ist nicht notwendig.
• Entstehung einer schmalen schmelzflüssigen Zone durch die sehr geringen Erwärmungszeiten, dadurch
  geringe Wärmebeeinflussung des Grundwerkstoffes.
• Geringe Faserumlenkung an der Schweißfuge, da nur geringe Drücke an den Druckrollen erforderlich sind.
• Die beim Zusammendrücken des Schlitzrohres entstehende Gratbildung ist sehr klein.
• Es werden sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten erreicht.
• Die hohe Schweißgeschwindigkeit wirkt einer Oxidation der erhitzten Rohrzonen entgegen.

Einsatzmöglichkeiten
Hauptanwendungsgebiet ist die Herstellung dünnwandiger, längsnaht geschweißter Rohre aus in Rollsätzen zu
Schlitzrohren geformten Stahl- und Aluminiumbändern sowie das Stumpfschweißen von Rohren und Profilen beim
Schweißen mit umschließendem Induktor.
Abmessungen:
Rohrschweißen mit stabförmigen Induktor: Rohrdurchmesser: D = 10... 350 mm, Rohrwanddicke: t = 1,5 ... 7 (13) mm
Rohrschweißen mit umschließendem Induktor: Rohrdurchmesser: D = 10 ... 1000 mm Rohrwanddicke: t =0,2... 15mm




                                           Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                      Folie 126
    Einführung             Schweißbarkeit                          Verfahren            Qualitätssicherung

                           Schweißen durch Bewegungsenergie

Grundlagen

                                                         Statischer oder dynamischer Druck, der auf die zu
             Kaltpressschweißen                          verbindenden Teile einwirkt (Kaltpressschweißen,
                                                         Sprengschweißen).       Reibung,    die   durch    eine
                                                         oszillierende translatorische Relativbewegung der zu
                                                         verbindenden Teile unter Einwirkung eines statischen
                                                         Drucks entsteht (Ultraschallschweißen). Reibung, die
                                                         vorwiegend durch eine rotierende oder oszillierende
                                                         Relativbewegung der zu verbindenden Teile unter
                                                         Einwirkung     eines     statischen   Drucks   entsteht
                                                         (Reibschweißen).

                    US-
                    Schweißen     Reibschweißen          Während das Kaltpressschweißen durch überwiegend
                                                         statische Merkmale gekennzeichnet ist, sind das
                                                         Ultraschall- und Reibschweißen aufgrund der ihnen
                                                         eigenen     Reibgeschwindigkeiten als dynamische
                                                         Schweißverfahren einzuordnen.


       Vergleich ausgewählter Schweißverfahren

                                      Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                        Folie 127
   Einführung               Schweißbarkeit                         Verfahren         Qualitätssicherung

                            Schweißen durch Bewegungsenergie

Reibschweißen
                   rotatorische – translatorische Bewegungsabläufe bzw. Kombinationen




       a)   Rotationsbewegung eines Bauelelmentes, ein Bauelement fest eingespannt
       b)   gegenläufige Rotationsbewegung
       c)   rotierende Zwischenstücke
       d)   oszillierende Reibbewegung
       e)   exzentrische Reibbewegung
       f)   Radialreibschweißen
                                      Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                Folie 128
    Einführung                 Schweißbarkeit                          Verfahren                    Qualitätssicherung

                               Schweißen durch Bewegungsenergie

Reibschweißen           Grundaufbau einer Reibschweißmaschine                                1 Motor
                                                                                             2 Kupplung/Bremse beim Reib-
                                                                                                schweißen mit kontinuierlichem
                                                                                                Antrieb, Schwungmasse beim
                                                                                                Schwungradreibschweißen
                                                                                             3 Spindelkopf
                                                                                             4 Spanneinrichtung für rotierendes
                                                                                                Werkstück
                                                                                             5a Werkstück rotierend; 5b Werkstück
                                                                                                feststehend
                                                                                             6 Spanneinrichtung für feststehendes
                                                                                                Werkstück
                                                                                             7 Schlitten
                                                                                             8 Hydraulikzylinder zur Erzeugung der
 Kraft-Drehzahl-Zeit-Verläufe für verschiedene Verfahren                                        Axialkraft




                                                                                       a)   Reibschweißen mit kontiniurlichem Antrieb
                                                                                       b)   Reibschweißen mit Schwungradantrieb
                                                                                       c)   Kombiniertes Reibschweißen


                                          Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                                   Folie 129
   Einführung   Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

                Schweißen durch Bewegungsenergie

Reibschweißen          Anwendungsbeispiele




                       Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik              Folie 130
    Einführung                 Schweißbarkeit                         Verfahren         Qualitätssicherung

                               Schweißen durch Bewegungsenergie

Reibschweißen

 Konstruktive Gestaltung der Fügeteile
 Die konstruktive Gestaltung der reibzuschweißenden Bauteile hat aufgrund der spezifischen Vorgänge an der
 Fügestelle, der Realisierung eines bestimmten Druck-Zeit-Programms und der damit verbundenen speziellen
 Konstruktion der Reibschweißmaschine eine große Bedeutung. Mit der Gewährleistung einer
 reibschweißgerechten Konstruktion werden vorrangig solche die Verbindungsqualität maßgeblich
 beeinflussenden Faktoren,
 •ausreichend sichere Spannmöglichkeiten
 •ausreichende Steifigkeit an der Fügestelle
 •günstige Reibbedingungen gesichert.


 Eigenschaften von Reibschweißverbindungen:
 •   schmale Wärmeeinflusszone
 •   sehr gute Festigkeitseigenschaften aufgrund rekristallisiertem und damit feinkörnigen Gefüge
 •   statische Festigkeit entspricht der des Grundwerkstoffs
 •   sehr gutes Schwingfestigkeitsverhalten teilweise besser als das des Grundwerkstoffs




                                         Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                 Folie 131
     Einführung                 Schweißbarkeit                          Verfahren        Qualitätssicherung

                                Schweißen durch Bewegungsenergie

Kaltpressschweißen




        a) Überlappschweißen            b) Stumpfschweißen

Mit dem Kaltpressschweißen können gleichartige oder ungleichartige Metalle bei Raumtemperatur gefügt werden.
Eine durch hohe Anpresskräfte hervorgerufene plastische Verformung der zu fugenden Teile führt zu deren
Annäherung bis in atomare Bereiche, so dass atomare Bindekräfte wirksam werden. Voraussetzung sind eine
sorgfaltige Reinigung der Fügeflächen und ein möglichst großer Härteunterschied zwischen Grundmetall und Oxid,
damit ein Aufreißen der Oxidschicht ermöglicht wird.
Anwendungsbereiche
•Metall- und Metallkombinationen mit guten Kaltverformungseigenschaften
•Vorzugsweiser Einsatz in der Elektrotechnik z.B. Bimetallkontakte, Fügen von Cu-Al-Drähten auch sehr kleiner Dmr.



                                           Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                     Folie 132
     Einführung               Schweißbarkeit                          Verfahren              Qualitätssicherung

                              Schweißen durch Bewegungsenergie

Kaltpressschweißen

 Bauteilgestaltung beim
 Kaltpressschweißen




                          a) unterschiedlich freie Stauchlänge        b) Ringnut an der freien Stauchlänge des
                                                                      härteren Werkstoffs
                                         Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                              Folie 133
     Einführung                Schweißbarkeit                          Verfahren       Qualitätssicherung

                               Schweißen durch Bewegungsenergie

Ultraschalschweißen
  Beim Schweißen von Thermoplastischen Kunststoffen mit Ultraschall, wird im Generator die eingehende
  Netzspannung in ochfrequente Energie verwandelt. Diese hochfrequente, elektrische Energie wird über den
  Schallwandler (Konverter) in mechanische Schwingungsenergie gleicher Frequenz umgewandelt, durch das
  Amplituden-Transformationsstück übersetzt und über die Sonotrode (Schweißwerkzeug) den zu verbindende
  Werkstücken zugeleitet. Die gesamte Resonanzeinheit (Schwinggebilde) besteht aus Generator, Konverter,
  Amplituden-Transformationsstück und Sonotrode. Sie arbeitet in Resonanz.
  Beim Ultraschallschweißen wird zu plastifizieren benötig Wärme durch die Umwandlung von
  Ultraschallschwingungen in mechanische Schwingungen erzeugt und mit einem bestimmten Anpressdruck über
  die Sonotrode dem schweißendem Werkstück zugeleitet. Die Kunststoffbauteile fungieren hier als Energieträger.
  Die auf das Werkstück auftreffenden mechanischen Schwingungen werden absorbiert und an der Grenzfläche
  reflektiert. Aufgrund der entstehenden Grenzflächen- und Molekularreibung entsteht Wärme, die den Kunststoff
  anschmelzen lässt.
  Die durch die stark dämpfende Kunststoffschicht entstehende Schallsperre führt zu einem zusätzlichen
  Aufschmelzen des Kunststoffes und so zu einer Beschleunigung der Reaktion. Es findet eine Verschweißen durch
  innere Reibung statt. Nach einer bestimmten Halte- bzw. Abkühlzeit unter Beibehaltung der Anpresskraft ist die
  Schweißverbindung geschaffen.
  Beim Ultraschallschweißen wird zwischen Fernfeldschweißen und Nahfeldschweißen unterschieden. Von
  Fernfeldschweißen wird gesprochen, wenn die Auflage der Sonotrode weiter als 6 mm von der eigentlichen
  Schweißzone entfernt ist. Bei diesem Verfahren wird die Energie über eine Werkstückhälfte übertragen. Geeignet
  sind all die Kunststoffe, die die mechanische Schwingungsenergie bis zur Fügefläche weitgehend verlustarm
  übertragen. Hierzu gehören Polystrol und seine Mischpolymerisate, Polycarbonat, Methacrylate und andere.

                                          Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                    Folie 134
    Einführung        Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

                      Schweißen durch Bewegungsenergie

Ultraschalschweißen




                             Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik              Folie 135
    Einführung        Schweißbarkeit                      Verfahren           Qualitätssicherung

                           Schweißen durch Diffusion
Diffusionsschweißen (D-Schweißen)             Das Diffusionsschweißen ist ein Schweißen im festen
                                              Zustand. Die Verbindung wird mit geringen
                                              Anpressdrücken und Verformungen bei Temperaturen
                                              oberhalb der Rekristallisationstemperatur durch
                                              Diffusion erzeugt. Die Schweißzeit beträgt einige
                                              Minuten bis mehrere Stunden. Die Anordnung beim
                                              Diffusionsschweißen zeigt Bild 11.1 schematisch. Die
                                              Belastbarkeit einer Diffusionsschweißverbindung an
                                              metallischen    Werkstoffen    wird    einer  durch
                                              Platzwechsel von Atomen beider Verbindungspartner
                                              über die frühere Bindeebene hinweg entstandenen
                                              neuen Struktur zugeschrieben. Die für das
                                              Diffusionsschweißen      erforderliche    Gesamtzeit
                                              beinhaltet die Einbauzeit der zu verbindenden Teile,
                                              die Zeit für die Erzeugung der für das Schweißen
                                              benötigten Atmosphäre, die Aufheizzeit, die
                                              Temperaturhaltezeit, die Abkühlzeit und die für den
                                              Ausbau der Verbindung erforderliche Zeit.
                                              Anwendung:
                                              Für das Schweißen gleichen und von gleichartigen
                                              metallischen Werkstoffen
                                              Einsatz für Sonderfälle z.B. Titan, Metall-Keramik-
                                              Verbindungen …..
                             Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                       Folie 136
     Einführung              Schweißbarkeit                        Verfahren       Qualitätssicherung

                                        Schmelzschweißen

 Gasschmelzschweißen

Beim umgangssprachlich auch Autogenschweißen, korrekt jedoch Gasschmelzschweißen oder auch
Acetylenschweißen genannten Verfahren werden Werkstücke aus Metall mittels offener Flamme, die
bei der Verbrennung von Acetylen (C2H2) mit Sauerstoff (O2) entsteht, erhitzt und direkt oder mittels
speziell legiertem Schweißdraht miteinander verbunden.
Darüber hinaus wird je nach Anwendung dem Schweißbad Zusatzwerkstoff in Form eines
Schweißstabes zugeführt. Wird dabei von rechts nach links und mit tupfendem Stab und pendelnden
Brenner gearbeitet, so spricht man vom Nachlinks-Schweißen. Wird hingegen von links nach rechts
und mit rührendem Stab und Brenner vorgegangen, so wird dies als Nachrechts-Schweißen
bezeichnet. Letzteres findet in der Praxis bei dickeren Blechen Anwendung.




                                      Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik               Folie 137
     Einführung                 Schweißbarkeit                          Verfahren        Qualitätssicherung

                                            Schmelzschweißen

Beschreibung des Verfahrens
Zu einem Schweißgerät gehören mindestens je eine Stahlflasche mit Acetylen und eine mit Sauerstoff. Für stationäre
Schweißanlagen können mehrere Flaschen zu einer Batterie zusammengeschlossen werden. Das Acetylen kann
direkt vor Ort mit Calciumcarbid und Wasser erzeugt werden. In industriellen Anwendungen gehören aber
Gasflaschen, in denen Acetylen in Kieselgur gebunden ist (Dissousgas) zum Standard.
Auf den Flaschen ist jeweils ein Druckminderventil aufgeschraubt, um den Flaschendruck auf den jeweiligen
Arbeitsdruck zu reduzieren. Danach sind Absperrventile und Flammensicherungen (auch Gebrauchsstellenvorlagen
genannt) angeordnet, damit die Flamme nicht in die Flaschen zurückschlagen kann.

Die Schweißflamme wird am Schweißbrenner eingestellt, wobei Acetylen und Sauerstoff im Verhältnis 1:1 gemischt
werden. Diese Flamme nennt man neutrale oder normale Flamme. Wenn die Flamme einen Sauerstoffüberschuss
hat ist dies eine oxidierende Flamme und wenn sie einen Acetylenüberschuss hat dann ist dies eine reduzierende
Flamme. Die Flamme kann auch „hart“ oder „weich“ sein, je nach der Geschwindigkeit, mit der das Gasgemisch aus
der Brennermündung strömt - je härter die Flamme, desto höher die Temperatur.
Die Flamme wirkt beim Mischverhältnis von 1:1 reduzierend, sodass kein Luftsauerstoff an das Werkstück gelangt
und somit keine Oxidschicht entsteht, die eine gute Verschweißung verhindern würde. Das Acetylen-Sauerstoff-
Gemisch verbrennt in zwei Stufen. In der ersten Stufe findet am Schweißmundstück (Brennerspitze) eine
unvollständige Verbrennung statt. Die dadurch entstandenen Gase Kohlenmonoxid und Wasserstoff brauchen zu
ihrer restlosen Verbrennung weiteren Sauerstoff aus der umgebenden Luft. Dadurch bildet sich eine sauerstofffreie
Zone etwa 2 bis 5 mm vor dem Flammenkegel. In dieser sogenannten „Schweißzone“ herrscht die höchste
Temperatur der Flamme mit etwa 3200 °C.


                                           Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                     Folie 138
    Einführung                 Schweißbarkeit                             Verfahren           Qualitätssicherung

                                              Schmelzschweißen

Anwendungsgebiete
- Rohrleitungsbau und Installationsbereich
- Instandsetzung                                                                          Injektor-Brenner:
- Auftragschweißen
- bis ca. 7mm Blechdicke
                                                                                          Öffnung:
                                                                                          1. Sauerstoff
geeignete Werkstoffe                                                                      2. Acelylengas
- unlegierte Stähle
- niedriglegierte Stähle                                                                  Zu machen:
- Gusseisen                                                                               1. Acetylen
- Nichteisenmetalle                                                                       2. Sauerstoff

Vorteile:
- Unabhängigkeit vom Strom, überall einsetzbar
- gutes Dünnblechschweißen
- günstige Anlage


Nachteile:
- geringe Leistungsdichte
- schlechter Energieübergang

                                             Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                       Folie 139
    Einführung                 Schweißbarkeit                          Verfahren                 Qualitätssicherung

                                    Methoden und Normen

   Zerstörungsfrei                                               Zerstörend

• Sichtprüfung                       DIN EN 970
                                                            • Werkstatt-Prüfung                                  BS 1295


• Eindringprüfung                   DIN EN 1289
                                                            • Labor-Prüfung

• Magnetische Rissprüfung                                          • Makro- und mikroskopische
                                                                                          DIN V 1739, DIN EN 1321, BS 6285
• Ultraschallprüfung
                   DIN EN 54123, 1712, 1713, 1714
                                                                   • Chemische, analytische

• Durchstrahlprüfung         DIN EN 1435, 12517
                                                                   • Mechanische
                                                                           - Zugprüfung                       DIN 123, 124
     • Röntgenstrahl
                                                                           - Kerbschlagbiegetest               DIN EN 875
     • Gammastrahl                                                         - Härtemessung          DIN163-2, DIN EN 1043-1

                                                                           - Dauerschwingtests
Weitere DIN EN Normen:
12062, 27963, 1290, 1291, 2000-3                            Weitere DIN Normen: 50121-3, 129, 164
                                                            und DIN EN Normen: 895, 910

                                          Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                             Folie 140
      Einführung                  Schweißbarkeit                         Verfahren        Qualitätssicherung

                                         Zerstörungsfreien Methoden

• Sichtprüfung
Während und nach dem Schweißen gibt die Sichtprüfung einen guten Eindruck über die voraussichtliche mechanische
Stärke der Schweißnaht. Bei der Sichtprüfung muss einige Erfahrung gesammelt worden sein.


Inspektion während des Schweißens
wichtige Punkte sind zu beachten:
• beim Lichtbogenschweißen
     • Schmelzgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffs und der Fortschritt der Schweißnaht;
     • Einbrandtiefe und Schmelzvorgang;
     • wie das Schweißgut fließt (keine Schlackenaufnahme);
     • Geräusch des Lichtbogens zeigt an, ob korrekter Strom und Spannung vorliegt.
• beim Gasschmelzschweißen
     • richtige Flamme für die Arbeit;
     • richtiger Winkel von Blasrohr und Stab, abhängig von der verwendeten Methode;
     • Schmelztiefe und Einbrandmenge;
     • Fortschritt längs der Fügenaht.

                                            Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                Folie 141
     Einführung                 Schweißbarkeit                          Verfahren         Qualitätssicherung

                                      Zerstörungsfreien Methoden

• Sichtprüfung
Inspektion nach den Schweißen
Die Prüfung der fertigen Schweißnaht zeigt z.B die folgenden Punkte auf:
     • War das Aufschmelzen zwischen Schweißnaht und Grundmetall korrekt?
     • Gibt es einen Spalt oder Poren zwischen der Schweißnaht und dem Grundmetall?
     • Hat die Einbrandtiefe durch das Schweißgut die gewünschte V- oder U-Fügenaht erzielt?
     • Hat sich die Fügenaht auf ihrer Oberseite verstärkt (konvexe Oberfläche der Naht), oder hat die
       Schweißnaht eine konkave Oberfläche, was einen Mangel an Nahtmaterial und mechanische Schwäche
       bedeutet?
     • Ist die Oberflächenstruktur glatt und gleichmäßig oder voll von Fehlern und Defekten? Ist die Oberfläche
       verbrannt (Farbenbildung)?
     • Gab es Spritzer während des Schweißens, die ebenso danach
       zu sehen sind? Dies zeigt einen zu hohen Strom oder zu hohe
       Spannung im Lichtbogen oder einen zu langen Lichtbogen an.                       Test-Lehre
     • Sind die Abmessungen der Schweißnaht korrekt, wie sie
       anhand einer Lehre getestet werden können?



                                           Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                       Folie 142
      Einführung                 Schweißbarkeit                          Verfahren             Qualitätssicherung

                                       Zerstörungsfreien Methoden

• Eindringprüfung
Die Oberfläche wird gereinigt und das Farbeindringmittelsystem wird aufgemalt oder auf die zu prüfende Fläche
gesprüht. Die Flüssigkeit dringt in alle Defekte, wie Risse und Spalten, ein. Nach einer Zeit muss der Überschuss
an Farbe dann mit einem Lappen entfernt werden. Ein Entwicklerpulver muss auf die Oberfläche gespritzt werden
und saugt das Farbeindringmittel auf. Das zeigt, ob ein Defekt existiert. Die Oberfläche kann auch unter UV-Licht in
einem abgedunkeltem Raum mit einem fluoreszierenden Eindringmittelsystem untersucht werden, das dann
leuchtet und einen Riss anzeigt.
Oberflächenkratzer können das Ergebnis beeinflussen. Die Methode wird als Ergänzung zur Röntgen- oder
Gammastrahl-Prüfung benutzt.



• Magnetische Rissprüfung
Nur für Oberflächen-Defekte und Defekte nahe der Oberfläche.
Es gibt verschiedene Methoden für magnetisierbare Proben.
Dabei wird die Probe mit einer niedrigen Spannung magnetisiert.
Eine Methode ist in der Abbildung beschrieben.


                                                                           Standpunkt der Sonden mit magnetischem Fluss
                                            Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                         Folie 143
     Einführung                 Schweißbarkeit                          Verfahren         Qualitätssicherung

                                      Zerstörungsfreien Methoden

• Ultraschallprüfung
Der Ultraschall-Tests benutzt akustische Wellen (in der Regel im Frequenzbereich von 0,6 bis 5 MHz, oberhalb des
für Menschen hörbaren Bereichs). Ein Impuls, bestehend aus einer Reihe dieser Wellen, wird in Probe abgegeben.
Wenn ein Fehler in der Probe besteht, wird ein Echo von ihm reflektiert. Von der Art des Echos kann die Art des
Fehlers abgeleitet werden.
Es gibt drei Sorten von Messsonden:
     • Eine einzelne Sonde, die sowohl Sender als auch Empfänger ist. Das Design der Sonde ist kompliziert, um
       interne Reflektionen innerhalb der Sonde zu verhindern.
     • Die Sender-Empfänger-Sonden sind entweder zusammen Seite an Seite oder hintereinander gebaut. Sie
       sind akustisch und elektrisch voneinander getrennt, so dass es keine Probleme mit Interferenzen gibt. Die
       Sender-Empfänger-Sonden sind sehr beliebt.
     • Ebenso gibt es getrennte Sender und Empfänger, die jeweils unabhängig voneinander benutzt werden
       (zwei Hände im Betrieb).




                                           Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                      Folie 144
    Einführung                 Schweißbarkeit                          Verfahren          Qualitätssicherung

                                     Zerstörungsfreien Methoden

• Durchstrahlprüfung
   • Mit Röntgenstrahlen
   Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Strahlen. Sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit in geraden
   Linien. Röntgenstrahlen sind unsichtbar und werden nicht durch eine elektrische Linse beeinflusst. Sie
   ionisieren oder befreien Elektronen von der Materie, die sie passieren. Diese Strahlen können auch lebende
   Zellen zerstören.
   Röntgenstrahlen werden von einer Röntgenröhre, die z.B. aus einer Wolframanode in einem evakuierten
   Glaskolben besteht, produziert. Die Strahlen können feste Materialien durchdringen. Dabei wird ein
   bestimmter Anteil der Strahlen absorbiert, wobei die Höhe der Absorption von der Dicke des Materials und
   ihrer Dichte abhängt. Je dichter und dicker das Material, desto geringer der Anteil der Röntgenstrahlen, die
   transmittiert werden.
   Ein Röntgentrahl-Film ist in einer starren oder flexiblen Seitenkassette platziert. Die Schweißnaht oder das zu
   untersuchende Objekt wird auf die Kassette in den Pfad der Strahlen gelegt. Nach der Exposition für eine
   kurze Zeit, abhängig von der Dicke des Objekts, wird der Film entweder manuell oder automatisch entwickelt.
   Man kann dann Defekte, wie Poren, auf dem Film erkennen.




                                          Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                       Folie 145
    Einführung                Schweißbarkeit                          Verfahren         Qualitätssicherung

                                    Zerstörungsfreien Methoden

• Durchstrahlprüfung
   • Mit Gammastrahlen
   Gammastrahlen sind mit Röntgenstrahlen vergleichbar, unterscheiden sich aber in ihrer Wellenlänge.
   Während Röntgenstrahlen ein kontinuierliches oder breites Spektrum besitzen, bestehen die Gamma-Strahlen
   aus isolierten Wellenlängenpaketen und haben je nach verwendetem Element (Iridium, Kobalt, Thulium) ein
   Linienspektrum.
   Gammastrahlen werden produziert, wenn instabilen Isotope sich radioaktiv zersetzen. Ein instabiles Isotop
   (Iridium-193 oder Iridium-192) kann z.B. aus einem stabilen Isotop (Iridium-191) das mit Neutronen in einem
   Kernreaktor bombardiert wurde, entstehen. Ein zusätzliches Neutron wird in den Atomkern induziert, das
   Isotop wird instabil und wird dann radioaktives Isotop oder Radioisotop genannt.
   Ähnlich wie bei Röntgenstrahlen benutzt man bei Gammastrahlen einen sensitiven Film und interpretiert das
   resultierende Bild auf ähnliche Weise. Die Vorteile von radioisotopen Quellen für radiologisch Zwecke sind,
   dass sie weder Stromversorgung noch Kühlsystem benötigen. Ihr kleiner Fokus macht sie sehr geeignet für
   Schweißnähte in engen Rohren. Da einige Radioisotopen eine große Eindringtiefe besitzen, können dicke
   Exemplare bei verkürzter Belichtungszeit analisiert werden. Sie verlieren jedoch, über einen längeren
   Zeitraum gesehen, an Intensität, so dass dann das Bild weniger Kontrast hat und die Interpretation
   schwieriger ist. Wenn die Radioisotope eine kurze Halbwertszeit haben, muss die Zeit-Wirkungs-Kurve
   konsultiert werden. Es muss auch darauf hingewiesen werden, dass die Radioaktivität der Quelle nicht
   geändert oder angepasst werden kann. Da die Strahlung nicht abgeschaltet werden kann, muss sie wirksam
   abgeschirmt werden.

                                         Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                      Folie 146
    Einführung             Schweißbarkeit                      Verfahren       Qualitätssicherung

                               Zerstörungsfreien Methoden

• Durchstrahlprüfung

       Elektromagnetisches
       Spektrum der Röntgen-
       und Gamma-Strahlen




            Röntgenröhre


                                  Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik              Folie 147
   Einführung                 Schweißbarkeit                          Verfahren           Qualitätssicherung

                                        Zerstörende Methoden

• Werkstatt- Erprobung
   Diese Tests sind sehr begrenzt und ihre hauptsächlich Vorteil besteht die wenig Zeit um ihnen genommen.
   Sie sind nützlich während der Ausbildung von Schweißern, aber wenig Wissen über die Schweißnaht kann
   aus ihnen.




• Laboratoriums-Erprobung
   • Mikroskopische Tests
   Die Verwendung von Mikroskop ist sehr wichtig bei der Bestimmung der tatsächlichen Struktur der
   Schweißnaht und Grundmetall. Wenn ein poliert Abschnitt der Schweißnaht ist beobachtet mit dem Auge,
   es wird völlig homogene aussehen, wenn keine Gasblase oder eingeschlossene Schlacken da sind. Aber,
   wenn der Abschnitt ist gut vorbereitet und die gesamte Kristall-Struktur sichtbar ist, die genaue metallischen
   Zustand der Schweißnaht kann geprüft werden, zusammen mit, dass der umliegenden Grundwerkstoff.
   Zum Beispiel, Untersuchung von Mikro-Fotografien auf 150 bis 200-fache Vergrößerung wird die Größe des
   Kornes und die Anordnung von Ferrit und Pearlite zeigen. Erhöhung der Vergrößerung zu 1000-fache
   Vergrößerung wird auf das Vorhandensein von Oxiden oder Nitride, Oxide wird gezeigt wie feine Risse
   zwischen den Kristallen (Erzeugung von Schwäche), Eisen Nitride als nadelig Kristalle (Erzeugung von
   Sprödigkeit). Von diesem, Metallurge können die Eignung des Schweißgutes, wie gut die Struktur vergleicht
   mit die von Grundmetall, und seine voraussichtliche Stärke sagen.

                                         Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                         Folie 148
   Einführung                Schweißbarkeit                          Verfahren       Qualitätssicherung

                                       Zerstörende Methoden

• Laboratoriums-Erprobung
   • Mikroskopische Tests
   Probenaufbereitung Schritte sind die folgenden:
   • Probe ausschneiden, besser mit einer Metallsäge weil jede Anwendung von Wärme kann zerstören Teil
   der Struktur.
   • Schleifen und Polieren, die beste Zubereitungs-Methode ist zum Schleifen sorgfältig das Gesicht der
   Probe auf einer wassergekühlten langsam laufen bereits Schleifscheibe mit großem Durchmesser. Polieren
   kann dann fortgesetzt werden, mit feiner Schleifmittel (Eisen- oder Aluminiumoxid).
   • Ätzen, um die Struktur der Probe-Oberflache deutlicher zu machen. Die benutzt Ätzens-Mittel hängen von
   der Probe-Werkstoff. Für Stahl und Eisen ein 1-2% Lösung von Salpetersäure in Alkohol verwendet wird.




                                        Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                    Folie 149
   Einführung                 Schweißbarkeit                          Verfahren          Qualitätssicherung

                                        Zerstörende Methoden

• Laboratoriums-Erprobung
   • Makroskopische Tests
   Diese Methode besteht, wie bisher, von der Vorbereitung einen Querschnitt der Schweißnaht durch Polieren
   und Ätzen. Es ist dann geprüfte entweder mit einem Mikroskop mit niedrig Vergrößerung (3-20x) oder mit einer
   Lupe. Dies wird zeigen Rissen, eingeschlossene Schlacken, Pin-Größe Schlag oder Gas-Loch-Platz, und wird
   auch jede grobe Struktur präsentieren. Ätzmitteln für Eisen und Stahl sind: 10% Iodid, 20% Kaliumiod und 70%
   destilliertes Wasser; 10 bis 20% Salpetersäure in Wasser; 8% Kupfer-Ammoniumchlorid in Wasser.
   • Baumann‘sche Schwefelprobe
   Dies ist eine alte und einfache Methode, mit der die Anwesenheit von Schwefel, Sulfide und andere
   Verunreinigungen können in Stahl erkannt werden. Es ist nicht geeignet für Nichteisenmetall und hochlegierten
   Stählen.
   Den Grundsatz der Schwefelgehalt Druck ist, dass eine verdünnte Säure (Schwefelsäure) wird Schwefel
   angriffen, und ein Gas (H2S) ist dann befreiende. Diesen Gas lasst dunkler Drucke in den Fotopapier. Zu einem
   Baumannabdruck, die Probe wird durch Schneiden und dann Schleifen, um eine kratzfreie Oberfläche
   bearbeitet. Ein Stück Fotografisch Papier ist eingeweicht in verdünnter Schwefelsäure für ca. 3 bis 4 Minuten
   und dann das Papier wird vorsichtig auf die vorbereitete Oberfläche der Stahl-Probe perfekt flach gelegt. Es ist
   gelassen auf der Probe für ca. 4 bis 5 Minuten. Nach dem Entfernen, das Papier wird nämlich gespült, dann
   mitten in einem 20% Hypo-Lösung für ein paar Minuten gespult und dann noch einmal gründlich gewaschen
   werden. Je dunkler die Flecken auf dem Papier desto höher ist der Schwefelgehalt.


                                         Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                       Folie 150
   Einführung                Schweißbarkeit                          Verfahren       Qualitätssicherung

                                      Zerstörende Methoden

• Laboratoriums-Erprobung
   • Chemische Tests
   Analytischen Tests werden zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung des Schweißgutes. Von
   seiner Zusammensetzung, die physikalischen Eigenschaften des Metalls werden kann vorausgesagt.
        • Korrosionstest
   Sie werden benutzt, um zu voraussagen das Verhalten des Schweißgutes unter Bedingungen, die erfüllt
   werden mit viele Dienst-Jahren. Die Aktion von Säuren und Laugen, die in die Atmosphäre der großen
   Industriegebieten und die Mai haben eine deutliche Wirkung auf das Leben der Schweißnähte, kann
   beobachtet werden, die Wirkung des Labors konzentrieren, um gleich in ein paar Tagen auf die Jahre der
   normalen Exposition.

   • Mechanische Prüfungen
          Zugprüfung: Zugfestigkeit, Streckgrenze, Dehngrenze und Bruchdehnung,
         Kerbschlagbiegetest (Charpy und Izod): Zähigkeit,
          Härtemessung (Brinell, Rockwell C und Vickers): Aufhärtungen oder Entfestigungen versuchen,
         Dauerschwingversuch (Haigh und Wöhler): Dauerschwingfestigkeit in Abhängigkeit der Mittelspannung
        und Spannungsamplitude
          und noch Risstest (Reeve), Biegetest und Torsionsversuch.

                                        Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                    Folie 151
   Einführung                 Schweißbarkeit                          Verfahren       Qualitätssicherung

                                         Zerstörende Methoden

• Laboratoriums-Erprobung
   •Zug- und Biegtest –
   Probenpräparation
   Die Tests durchgeführt in
   geschweißte Proben ist wie bei
   Tests für nicht geschweißte
   Proben. Der Unterschied liegt in
   die Probenpräparation und in der
   Interpretation der Ergebnisse, weil
   Mann muss einige Überlegungen
   berücksichtigen.




                                         Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik              Folie 152
   Einführung              Schweißbarkeit                        Verfahren             Qualitätssicherung

                                    Zerstörende Methoden

• Laboratoriums-Erprobung                                                        nach Izod
   • Kerbschlagbiegetest - Proben

                       nach Charpy




                                    Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                    Folie 153
   Einführung               Schweißbarkeit                          Verfahren       Qualitätssicherung

                                      Zerstörende Methoden

• Laboratoriums-Erprobung
   • Dauerschwingversuch – Probenpräparation
   Dauerschwingversuche sind äußerst nützlich für die Beobachtung der Widerstand gegen Ermüdung von
   geschweißten Wellen, Kurbeln und andere rotierende Teile, die unter unterschiedlichen Wechsel-Ladung
   lasten.




                                       Wöhler-Test


                                       Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik                    Folie 154
   Einführung                Schweißbarkeit                         Verfahren       Qualitätssicherung

                                      Zerstörende Methoden

• Laboratoriums-Erprobung
   • Härtemessung
   Diese sind nützlich, um den Widerstand der
   Metall-Verschleiß- und Abriebfestigkeit, und
   geben einen groben Hinweis auf die
   Schweißeignung von Stählen. Sofern Teile, wie
   z. B. Straßenbahnen Kreuzungen, Bagger Eimer
   Lippen, Pflug Aktien oder Stahl-Zahnräder,
   wurden verstärkt oder aufgebaut, ist es wichtig
   zu wissen, der Grad der Härte in der
   Hinterlegung.




                                          5182 Aluminium Legierung
                                             Laser geschweißte




                                       Theoretische Grundlagen der Schweißtechnik              Folie 155

				
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