ME-02-01.DSF

02-01Maschinenelemente:

Gestaltung von Schweiverbindungen- Grundlagen -

Die richtige Konstruktion einer Schweiverbindung und die fachgerechte Fertigung sind genauso wichtig wie Dimensionierung und Berechnung.

Es sind schon viele Schweiverbindungen gebro-chen, die aufgrund der rein rechnerischen Beurtei-lung gehalten haben sollten.

Das Problem bei der Berechnung ist, dass nicht alle Einflussgren auf den tatschlichen Spannungszu-stand, wie z. B. Werkstoffbeeinflussungen, im Be-rechnungsmodell erfasst werden knnen.

Insbesondere die Kombination von Bauteilform, Bela-stungsart und -richtung sowie die metallurgischen Werkstoffschdigungen fhren auf ein komplexes System, das wir durch ein einfaches Berech-nungsmodell nur in grober Nherung beschreiben knnen.

ME-02-02.DSF

02-02Maschinenelemente:

Je einfacher die Schweigruppe gestaltet ist, desto sicherer wird die Berechnung. Dabei kommt es insbesondere auf klare Kraftflussbilder an, die mglichst geringe Einschnrungen und/oder Umlenkungen aufweisen sollten.

Die Regeln zur Gestaltung von Schweiverbindungen werden leichter verstndlich, wenn schon Vorstellungen ber die rtlichen Spannungen in Bauteil und Schweinaht existieren. Diese notwendige Vorstellung wird anhand des Kraftflussbildes gewonnen.

ME-02-03.DSF

02-03Maschinenelemente:

Rahmen und Mittelstab bei Umgebungstemperatur

Elastische Dehnung des Mittelstabes bei dessen Erwrmung

Plastisches Nachgebendes Mittelstabes

Schrumpfung beimAbkhlen

Studie - Schrumpfspannungen

20 C =

20 C =

600 C <

600 C >

Zweiachsige Spannungszustnde infolge einer Stumpfnaht

sII

+

-sp

annu

ngsfr

eie Z

one

Verteilung der Lngsspannungen

Verteilung der Querspannungen

s I_+

Spannungsfreie Zone

-ME-02-04.DSF

02-04Maschinenelemente:

ME-02-05.DSF

02-05Maschinenelemente:

Bauteilversagen geschweiter Probenbeim Zugversuch

F

F

F

F

ME-02-06.DSF

02-06Maschinenelemente:

Freies Schrumpfen / Schrumpfrisse

Freies Schrumpfen

Schrumpfrisse

zz

Wrmeabfluss

Rissgefahr

Vor dem Schweien

zz

ME-02-07.DSF

02-07Maschinenelemente:

Die wichtigsten Stoformen

berlappungssto

Brdelsto

Stumpfsto

Laschensto

Ecksto

Stegsto

Schrgsto

Kreuzsto

Mehrblechsto

ME-02-08.DSF

02-08Maschinenelemente:

Beispiele von Stumpfnhten

I - Naht

Y - Naht

HV - Naht

DHV (K) - NahtV - Naht

DV - Naht

ME-02-09.DSF

02-09Maschinenelemente:

Stumpfnahtanschlsse -Grundregeln-

nicht zulssig

richtig

richtig

FF

F F F F

Wurzel unzugnglich: Hinterlegen

falschWurzel richtig

ME-02-10.DSF

02-10Maschinenelemente:

Stumpfnahtformen fr Steg- undWinkelste

HV (HY) - Naht mitKehlnaht fr statische

Beanspruchungen

I - Naht frdnne Stege

DHV = K - Naht mitKehlnaht

Einfache Kehlnaht frstatische Beanspruchung

DHY - Naht mitKehlnaht

Doppelkehlnaht

ME-02-11.DSF

02-11Maschinenelemente:

Hinweise zu Schrgsten

Verbindung von innen nicht zugnglich

Nahtwurzel auf Zug beansprucht

Schweinhte nicht in kaltverformte Bereiche legen

F ?

?x

r

t

gut: x > 5t

r 10t fr alle tr t fr t 4 mm

ME-02-12.DSF

02-12Maschinenelemente:

Kehlnhte

Ecknaht Flankenkehlnaht

Formen

Stirnkehlnaht Lochschweiung

FlankenformenFlachkehlnaht Wlbkehlnaht Hohlkehlnaht

ME-02-13.DSF

02-13Maschinenelemente:

berlappungssto mit Kehlnhten

F

F

Stirnkehlnaht

Flankenkehlnaht

gut!

ME-02-14.DSF

02-14Maschinenelemente:

Brdel- und Ecknhte

Anwendungen im Leichtbehlterbau

a) Brdelnaht am Boden

b) Brdelnaht am Schuss

c) Ecknaht

Bei Innendruckungnstig

Bei Innendruckungnstig

besser

a b c

ME-02-15.DSF

02-15Maschinenelemente:

Die wichtigsten Nahtformen (Stumpfnhte)

geeignet fr Steganschlsse*

I - Naht(dnne Bleche)

Y - Naht

HV - Nahthalbe V-Naht

V - Naht

HU - Nahthalbe U-Naht= J - Naht

HY- Nahthalbe Y-Naht

U - Naht

DV (X) - NahtDoppel - V - Naht

DHY - Naht

DU - Naht

DHU - Naht

UV - Naht (VU - Naht)

DHV (K) - Nahtdoppelte, halbe V - Naht

DY - Naht

*

*

*

*

*

*

ME-02-16.DSF

02-16Maschinenelemente:

Darstellung von Schweinhten inZeichnungen

Stahlbau

Fr die verschiedenen Nahtformen werden Symbolein den Zeichnungen verwendet.

Nahtstrke und Nahtlnge sind zu bemaen.

Maschinenbau

Der Nahtquerschnitt wird gezeichnet und bemat (siehe Arbeitsblatt 1.4). Ferner sind Angaben ber die Qualittsanforderungen an die Schweinaht in der Zeichnung anzugeben, auch

Eventuelle Vorwrmung

Spannungsarmglhen

Nahtbearbeitung

Riss- und Rntgenprfungen

ME-02-17.DSF

02-17Maschinenelemente:

Grundstze zur Gestaltung vonSchweiverbindungen

Mglichst wenig Schweinhte anstreben

Schweinhte nicht an Stellen groer und ungnstiger Beanspruchung legen

Nahtwurzel nicht auf Zug beanspruchen

Vorzugsweise handelsbliche Materialienverwenden

Kraftumlenkungen im Nahtbereich mg-lichst vermeiden

Elastisch nachgiebige Knotenpunkte ge-stalten

Konstruktionen bevorzugen, die mg-lichst wenig Aufwand zur Nahtvorbe-reitung erfordern

Wrmeleitquerschnitt und Vorwrmungbeachten

Manahmen zum Korrosionsschutztreffen

Gut schweibare Werkstoffe verwenden

ME-02-18.DSF

02-18Maschinenelemente:

Schweikonstruktion eines Gehuses

Viele Teile - viele Schweinhte

Gnstigere Konstruktion

ME-02-19.DSF

02-19Maschinenelemente:

Verschiedene Verbindungen vonAluminiumstben

100

%10

8,5

%10

4 %

97 %

48 %

59 %

63 %

90 %

ME-02-20.DSF

02-20Maschinenelemente:

Nahtanordnung im Behlterbau

falsch richtig

falsch

ME-02-21.DSF

02-21Maschinenelemente:

Nahtanhufungen / Nahtkreuzungen

Ruhende Belastung

AussteifungSteg

Gurt

Dynamische Belastung

ME-02-22.DSF

02-22Maschinenelemente:

Trgeranschluss fr statische unddynamische Beanspruchung

Im Stahlbau

Im Kranbau

ME-02-23.DSF

02-23Maschinenelemente:

Gestaltungsmglichkeiten von Boden-anschlssen an Druckbehltern

p = 0,5 MPaB

Berstdrcke (p )B

p = 1,2 MPaB

p = 0,5 MPaB

p = 3,0 MPaB tt

t t

Druckbehlter-bersicht

D

Boden Rohr

p

t = Wanddicke

p = BerstdruckB

ME-02-24.DSF

02-24Maschinenelemente:

Nahtwurzel nicht auf Zug beanpruchen

Biegemoment M

F,M = zulssige Belastungungsrichtungenbei dynaimscher Belastung

F,M = unzulssige Belastungungsrichtungenbei dynamischer Belastung

Druckkraft FF

F Zugkraft F

Biegemoment M

MF F

ggf. geschliffen

M

Abhilfe

ME-02-25.DSF

02-25Maschinenelemente:

Nahtwurzel nicht auf Zug beanpruchen

F

F

F

ggf.geschliffen

FF

ME-02-26.DSF

02-26Maschinenelemente:

Anschweien von Flanschen

Unterlegen einer von innen unzugnglichen Naht

F gutDruck

Zug

F

nicht gut

F geeignetF

F gnstigerF

F

sehr gut

ggf. geschliffen

Wurzelunterlage

ME-02-27.DSF

02-27Maschinenelemente:

Sttze einer TankstellenberdachungVorzugsweise handelsbliche Halbzeuge verwenden

Halbzeuge:

Vierkant-RohrBlechL-Stahl

ME-02-28.DSF

02-28Maschinenelemente:

Anschlu an den Gesamtquerschnittgestalten

Mb

Sttze Quertrger

Stegblech zur steifen Verbindungder beiden Trgerflansche

Steg

ME-02-29.DSF

02-29Maschinenelemente:

Leichtbau in geschweiter Zellenbauweise

ME-02-30.DSF

02-30Maschinenelemente:

Geschweites Zahnrad mit Schrg-verzahnung

Axialkraft

Aussteifungenmit Rippen

ME-02-31.DSF

02-31Maschinenelemente:

Elastische Anschlsse im Fahrzeugbau

Elastischer AnschlussEcksteifung in der Nheder Biegespannungs-Nullinie

Kastenfrmiger Anschluss- zu steif Kerbwirkung

Elastischer AnschlussSchweinaht in der neutralen Zone

Mb

Anschluss zu steif,Rippen behindernWlbung -- Rissgefahr>

Mb

ME-02-32.DSF

02-32Maschinenelemente:

Kraftumlenkungen im Nahtbereich

Stumpfsto symmetrisch (anschlussmomentenfrei)

Stumpfsto asymmetrisch (Anschlussmoment)

berlappungssto mit Stirnkehlnhten

Senkrechtsto symmetrisch

Senkrechtsto asymmetrisch

F F t 2t1

F F

( )2A

1t

2M

tF

=

t 2

t 1

FF

( )1A

2t2

Mt

F+=

ME-02-33.DSF

02-33Maschinenelemente:

Gestaltung von Querschnittsbergngen

am besten

besser angeschrgt

Kerbwirkung gro

ME-02-34.DSF

02-34Maschinenelemente:

Konstruktionen bevorzugen, die mg-lichst wenig Aufwand zur Nahtvorbe-reitung erfordern.

Den geringsten Aufwand zur Nahtvorbereitung erfordert die Kehlnaht im Stahlbau (meistens keinen).

Das bedeutet nun nicht, dass wir ohne Rcksicht auf die Haltbarkeit berall Kehlnahtverbindungen vorsehen sollen.

Dieser Grundsatz fordert uns auf, Kosten und Nutzen abzuwgen.

Auch bei Stumpfnhten gibt es noch einige Tricks, bei der Nahtvorbereitung Einsparungen zu erzielen, die nicht auf Kosten der Qualitt der Verbindung gehen.

02-35Maschinenelemente:

Nahtvorbereitung durch Brennschneiden

ME-02-35.DSF

Ferritischer Stahl verbrennt, wenn er auf Zndtem-peratur von etwa 1100C erwrmt wird und mit rei-nem Sauerstoff in Berhrung kommt. Dabei ent-stehen Wrme und Schlacke. Im Unterschied dazu schmilzt Stahl bei etwa 1500C, wenn er von Luft umgeben ist.

02-36Maschinenelemente:

Durch Plasmaschneiden knnen Schweinahtvorbereitungen und Formschnitte an Werkstoffen erfolgen, die nicht brenn-geschnitten werden knnen.

ME-02-36.DSF

Plasmaschneiden (Schmelzschneiden)

Plasmagase: Stickstoff, Stickstoff-Wasserstoff- und Argon-Wasserstoff-Gemische

Der zwischen Wolframelektrode und Werkstck brennende Lichtbogen erwrmt das Plasmagas zum Plasmastrahl (30.000C). Der geschmolzene Werkstoff wird aus der Fuge geblasen.

02-37Maschinenelemente:

ME-02-37.DSF

Wrmeinflusszone WEZ

Tem

pera

tur

Tem

pera

tur

berhitzungs-(Grobkorn-)Zone

Schweizone Schmelze

Liquidus-Linie

Solidus-Linie

A -Linie3

A -Linie1

Schmelzlinie

Feinkorn- Zone

Zone unvollstnd.Perlitumwandlung

GrundwerkstoffWEZ

Schweizone

02-38Maschinenelemente:

ME-02-38.DSF

Aufhrtungen des Werkstoffes in derWEZ unterbinden

Die Hrte ist stark von der Abkhlgeschwindigkeit abhngig!

Steuern der Wrmestrme

Der Wrmestrom folgt dem Temperatur-geflle von der Schweizone in Richtung der kalten Grundwerkstoffbereiche.

Die Gre des Wrmestroms hngt von der Hhe des Temperaturgeflles und vom Wrmeleitwiderstand (Querschnitt) ab.

02-39Maschinenelemente:

ME-02-39.DSF

Wrmeabflussquerschnitte an Bandagen-/Scheibenverbindungen

Q.

Q = Wrmestrom.

Rascher Wrmeabfluss

Q.

Wrmestrom gebremst

02-40Maschinenelemente:

ME-02-40.DSF

Korrosion beachten

Durch Korrosion an Behltern, Bauwerken und Fahr-zeugen werden die Querschnitte geschwcht.

Je dnner die Wandstrke ist, desto schwerwiegen-der ist die Schwchung.

Durch Manahmen der Oberflchentechnik, wie z.B. Verzinkung, Schutzanstriche etc. knnen flchige Korrosionsangriffe abgewehrt werden.

Enge Spalte sind oft heimtckische Korrosionsnester (Treibrost).

02-41Maschinenelemente:

ME-02-41.DSF

Beispiel: Vermeidung von Spaltkorrosion im Behlterbau

02-42Maschinenelemente:

ME-02-42.DSF

Rundumschweiung im Stahlbau

A A

A - A

02-43Maschinenelemente:

ME-02-43.DSF

Vor- und Nachteile des Schweiens

Vorteile:

Viele Gestaltungsmglichkeiten, auch Verbund-konstruktionen:

Stahlguss + BlechSchmiedestcke + StahlgussSchmiedestck + Walzmaterial

Kostengnstiges Ausgangsmaterial bei Walzer-zeugnissen.

Rohteile liegen meistens auf Lager (leicht zu be-schaffen) -- rasche Lieferzeit.>

Geringes Konstruktionsgewicht (gegenberGieen und Nieten).

Bei Einzel- und Kleinserienfertigung ist dieSchweikonstruktion am kostengnstigsten.

02-44Maschinenelemente:

ME-02-44.DSF

Vor- und Nachteile des Schweiens

Nachteile:Schweiverzug

Qualitt abhngig vom Schweier

Hohe Eigenspannungen

Gefgebeeinflussung

Kerben

Nicht alle Werkstoffe schweibar

Gtesicherung:

Gnstige Gestaltung

Werkstoff- und Zusatzwerkstoff - Auswahl

Schweifolgeplne

Elektroden trocknen

Schweier prfen

Spannungsarmglhen

Nahtprfung DIN 8563

Die Nachteile sind bedingt heilbar durch Manah-men der Qualittssicherung (diese sind teuer!)