Die elektrischen Schweißverfahren 9783111365602, 9783111008431

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SAMMLUNG

GÖSCHEN

BAND

1020

Die elektrischen Schweiß verfahren Von Berat. iDg.

Hans Niese

Zweite

Vßi

Auflage

Neu bearbeitet von

Ing. Hans Dienst VDI Mit 58 Abbildungen

WALTER DE G R U Y T E R & CO. v o r m a l e G. J . G ö s c h e n ' » c h e V e r l a g s h a n d t u n g . J . G u t t e n t a g , Verlagsbuchhandlung. Georg Reimer.

Karl J . Trübner.

Berlin 1955

Veit & C o m p .

Alle

Rechte, und

einschl.

Mikrofilmen,

der

Rechte

von der

der

Herstellung

Verlagshandlung

Archiv-Nr. 111020 Druck: Buchkunst, Berlin W 35 Printed in G e r m a n y

von

Photokopien

vorbehalten.

INHALTS - VERZEICHNIS Seite

Einführung

6

I. Einteilung der Schweißverfahren

7

II. Elektrische Widerstandschweißung

8

A . Allgemeines

8

B Elektrische und mechanische Einrichtung der Maschinen

9

1. Stumpfschweißmaschinen

9

7. Punktsdiweißmaschinen

13

3. Nahtsdiweißmasdiinen

16

III. Lichtbogenschweißung A. Der Lichtbogen B. Verfahren ßenardos

der —

und

seine

20 Eigenschaften

20

Lichtbogenschweißung Zerener

—

Schutzgasschweißverfahren — Fesa-Weibel

Slavianoff —

23 —

Arcatom

—

Bolzenschweißverfahren

IV. Maschinen und Geräte für die Lichtbogenschweißung A. Allgemeines

27 27

B. Stand- und Stoß-Kennlinien

28

C. Mechanischer

Aufbau

31

Ausführung

33

D. Elektrische

H. Betiieb und Pflege F. Schweißumspannei (Transformator)

36 36

G. Mehrstellen-Schweißanlagen

40

H. Schweißgleichrichter

41

V. Schweißzubehör VI. Verhalten der Stähle beim Schweißen

41 42

A. Einteilung, Eigenschaften und Prüfverfahren d e r Stähle

42

B. Einfluß

44

der Legierungselemente

C. Warmbehandlung

46

4 Seite

VII. Schweißelektroden A. Verschiedene nackte,

51

Elektrodenarten

Seelen-,

dünn

umhüllte Elektroden, B. N o r m u n g C. L e g i e r t e

51

umhüllte,

mitteldick

und

dick

Sondertypen

der Elektroden

59

Stahlelektroden

D. E l e k t r o d e n

für

61

Auftragsdiweißung

62

E. S o n d e r e l e k t r o d e n Gußeisen-,

63

Leichtmetall-,

Kupfer-

und

Bronze-Elek-

troden

VIII. Konstruktionselemente A. Verbindungsformen

der

63

Schweißnähte

63

B. Schweißzeichen

67

C. K e r b w i r k u n g e n

67

IX. Die Technik der Lichtbogenschweißung A. Schweißausführung B

U r s a c h e n und V e r m e i d u n g v o n S c h w e i ß f e h l e r n

C. D i e B l a s w i r k u n g

68

— Elektrodenführung

68 ...

75

des Lichtbogens

D. S c h r u m p f s p a n n u n g e n

beim

78

Schweißen

81

X. Automatische Schweißverfahren

86

A. Allgemeines

86

B

87

Kohlelichtbogen-Automat

C Nacktdraht-Automat D. M a n t e l d r a h t - A u t o m a t E. V e r d e c k t e

89

Lichtbogenschweißung

(Ellira-Verfahren)

...

92

F. S c h u t z g a s - S c h w e i ß v e r f a h r e n

97

G. E l i n - H a f e r g u t - V e r f a h r e n

97

H. Einlege-Schnellschweißverfahren J.

Humboldt-Meller-Verfahren

98 100

XI. Schweißen der Werkstoffe

100

A Sfahlschweißung

100

1. U n l e g i e i t e

100

2. N i e d r i g

Stähle

legierte

Stähle

(St 52)

102

3. M a s c h i n e n b a u s t ä h l e

103

4. K e s s e l b a u s t ä h l e

106

5 Seite 5. L e g i e r t e S t ä h l e a) Niedrig bis mittelhoch b) H o d i l e g i e r t e

legierte

Stähle

Stähle

108 108 108

Rostsichere S t ä h l e — Hitze- und z u n d e r b e s t ä n d i g e Stähle ß . Schweißen von S t a h l g u ß C. Auftragschweißung

110 112

D. Schweißen von G u ß e i s e n

113

H. Schweißen

118

von

Nichteisenmetallen

1. Leichtmetallschweißung 2. Kupferschweißung

118 119

XII. Das elektrische Brennen und Schneiden mit

Sonderelektroden

119

Das

Brennen

De.s

Lichtbogen-Sauerstoff-Schneidverfahren

....,

120

Das

Unterwasserschweißen

....

121

und

-schneiden

119

XIII. Die Wirtschaftlichkeit der elektrischen Schweißverfahren

122

XIV. Ausbildung der Elektroschweißer

124

A. Schweißerausbildung

124

B. Sdiweißerprüfung

126

XV. Schweißvorschriften

127

XVI. Unfall-Verhütungsvorschriften XVII. Schweißnahtprüfung

128 129

Schrifttumsverzeichnis

134

Sachverzeichnis

135

6

Einführung

Einführung Die Anwendung elektrischer Schweißverfahren, deren Einführung kaum mehr als fünfzig Jahre zurückliegt und die nach dem Ersten Weltkrieg in verstärktem Maße einsetzte, gewann infolge der technischen Entwicklung im Stahlhoch- und Brückenbau, Schiffbau, Maschinenbau usw. immer mehr an Bedeutung. In den letzten Jahren ist eine große Zahl neuer Schweißverfahren entwickelt worden, die einerseits eine erhebliche Erweiterung der Schweißtechnik bewirkten, andererseits geeignet sind, ältere Verfahren allmählich zu verdrängen. Aus diesem Grunde bedurfte die bereits 1930 erschienene erste Auflage dieses Buches einer völligen Neubearbeitung. Die Entwicklung der Schweißtechnik geht aber laufend weiter. Die neueren Verfahren konnten dabei noch nicht alle abschließend dargestellt werden; manche Ergänzung wäre hier noch erforderlich. Es war lediglich möglich, einen Querschnitt durch das umfangreiche Gebiet der Schweißtechnik zu geben, um so die interessierten Kreise mit den verschiedenen zur Zeit gebräuchlichen Verfahren bekannt zu machen und sie zu einer Ausweitung und Vervollkommnung ihrer Arbeitsmethoden anzuregen. Das umfangreiche Gebiet der Schweißkalkulation wurde fallen gelassen, um eine weitere Einengung der einzelnen Verfahren und ihrer praktischen Anwendungsmöglichkeit zu vermeiden.

7

I. EINTEILUNG DER SCHWEISSVERFÄHREN Die Anwendungsmöglichkeiten der verschiedenen Schweißverfahren sind sehr vielseitig. Ihr Anwendungsbereich ist u. a. abhängig von der Art des zu schweißenden Werkstoffes, der Werkstoffdicke, der verlangten Schweißnahtgüte und der Konstruktion. Die Vielgestaltigkeit der Schweißausführung in Form, Ausführung und Anwendung hat die Entwicklung vieler Schweißverfahren nach sich gezogen. Zweckentsprecherrde und w i r t schaftliche Anwendung des jeweils günstigsten Verfahrens setzt die Kenntnis seiner Arbeitsweise und Eigenarten voraus. Die gesamten Schweißverfahren werden in zwei Hauptgruppen — Preß - Schweißung und Schmelz-Schweißung — eingeteilt. Bei der Preß-Schweißung erfolgt die Verbindung meist im teigigen Zustand unter Druckanwendung. Geht die Vereinigung im schmelzflüssigen Zustand vor sich, so spricht m a n von Schmelz-Schweißung. Die den beiden Hauptgruppen zugehörigen Verfahren sind aus Bild 1 ersichtlich. Bei einigen neueren Schweißverfahren ist / c h t ^ ß r e r f a h r e n

P r e ß j c h u e i ß v e r f o h r e n

Feuertcfiteißung

Uamner-

Gcupreß-

etekfr.i&terjtam-

jzhseifiuny

fa/rergafrrhurißunq

sch«e,ßuneh

Therm/-

Lichtbogen-

Sas-

fahren

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Höht' jrhvei/luiq

KO/lfirUV- It/Ol/Iittf YerdMtt I j^W/ya.'-/ toatn-r beevn-V uci>ftootnJ nicht übersteigen. Durch Anwesenheit von Sauerstoff, in chemischer Verbindung mit dem Eisen als Eisenoxyd auftretend, tritt eine erhebliche Minderung der Zähigkeit ein. Außerdem wird der Stahl rotbrüchig, so daß die Schmiedbarkeit herabgesetzt oder sogar verhindert wird. Stickstoff mindert ebenfalls die Dehnung und Zähigkeit, die Festigkeit wird dagegen gesteigert. Die Größenordnung dieser unerwünschten Stahlbegleiter kann beim Schweißprozeß sehr verschieden sein und ist abhängig vom angewendeten Schweißverfahren und von der Art des Zusatzwerkstoffes (Elektroden). C. Warmbehandlung Wie alle Metalle zeigt auch der Stahl Kristall-Struktur, d. h. eine Menge kleinster Kristalle bilden den Aufbau und das Gefüge. Die Legierungsbestandteile im Stahl treten mit diesem in chemischer Verbindung auf, wodurch der Gefügeaufbau wesentliche Änderungen er-

Warmbehandlung

47

fährt. Z.B. tritt, der Kohlenstoff in Verbindung mit dem Eisen als sogenanntes Eisenkarbid auf. Die Zusammensetzung einer chemischen Verbindung ist gesetzmäßig, so setzt sich Eisenkarbid (mit 6.67 °/o C) — Fe» C — aus drei Teilen Eisen und einem Teil Kohlenstoff zusammen. Bei einem Kohlenstoffgehalt unter 0,9 %> besteht das Gefüge aus reinen Eisenkristallen, Ferrit genannt, zwischen dem ein anderer Gefügebestandteil, der den Kohlenstoff enthält, eingelagert ist. Dieser Bestandteil ist kein reines Eisenkarbid, sondern ein feines Gemenge aus Eisenkarbid und Ferrit. Seines perlmutterartigen Glanzes wegen hat dieses Gemenge die Bezeichnung Perlit erhalten. Bei steigendem C-Gehalt wächst der Anteil an Perlit so lange, bis bei 0.9 °/o das ganze Gefüge nur noch Perlit aufweist. Uber diese Grenze hinaus entsteht neben dem Perlit freies Eisenkarbid. Zementit genannt. Dies gilt bis zu einem Kohlenstoffgehalt von 1,7 %>, darüber hinaus beginnt der Bereich des Gußeisens, in dem ein weiterer Gefügebestandteil, Ledeburit, auftritt. Die Eigenschaften dieser Bestandteile in den jeweiligen Gefügeformen sind grundverschieden. Ferrit ist sehr weich, Perlit härter, jedoch gut bearbeitbar, Zementit dagegen sehr hart. Entsprechend steigern sich die Festigkeitswerte. Die=e Zustandsform gilt f ü r gewöhnliche Temperaturen. Bei der Erwärmung ändern die Kristalle nicht nur ihre Form und Größe, sondern auch ihre chemischen Zustandsformen. Bei höheren Temperaturen steigert sich die Lösungsfähigkeit des Kohlenstoffes im Eisen. Dadurch entsteht oberhalb einer bestimmten Temperatur ein neuer Gefügezustand, der mit Austenit bezeichnet wird. Diese gesetzmäßigen Zusammenhänge sind aus dem EisenKohlenstoff-Schaubild ersichtlich, das gewissermaßen als „Fahrplan" f ü r den Eisenhütten- und Schweißfachmann anzusehen ist. Näher darauf einzugehen, würde hier zu weit führen, zumal eingehende Abhandlungen über dieses Gebiet vorliegen (1, 2, 3, 4). Zur Erläuterung dieser Vorgänge sei angeführt, daß die Temperaturhöhe der Umwandlungspunkte vom Gehalt an Kohlenstoff abhängig ist. Mit steigendem C-Gehalt sinken diese sogenannten Umwandlungspunkte, bei reinem Eisen beträgt dieser 910° C und sinkt bei einem

48

Verhalten der Stähle beim Schweißen

C-Gehalt von 0,9 °/o auf 720° C. Erläutert sei, daß es sich hier um den oberen Umwandlungspunkt, AC S Punkt genannt, handelt, zum Unterschied von dem unteren Umwandlungspunkt, der weniger große Bedeutung hat. Zum Verständnis dieser Änderungsvorgänge sei dieser chemische Umwandlungsprozeß erörtert: Oberhalb dieser Temperaturlinie ist der Kohlenstoff gleichmäßig im Eisen in Lösung gegangen, obwohl sich der Stahl noch im festen Zustand befindet. Dieser neue • Gefügezustand, Austenit, hat wesentlich andere Eigenschaften als der Gefügezustand, der im abgekühlten Zustand bei einem Stahl gleicher Zusammensetzung vorliegt, u. a. ist er weich und unmagnetisch. Bei einem im austenitischen Bereich befindlichen Stahl ergibt sich der ursprüngliche Gefügezustand nur nach langsamer Abkühlung (Ausglühen), die zur Gefügeumwandlung erforderlich ist. Bei rascher Abkühlung haben die einzelnen Kristallkörper keine Möglichkeit zur Umbildung und werden mehr oder weniger in einem Zwangszustand festgehalten. Den sich hierbei bildenden neuen Gefügezustand bezeichnet man mit Martensit, der sehr hart und spröde ist. Den Vorgang beschleunigter Abkühlung nach vorangegangener Erhitzung eines Stahles über seinen oberen Umwandlungspunkt, AC,-Punkt, nennt man Härten. Das Abschrecken erfolgt je nach Härtebedingungen, Stahlart usw. entweder in Wasser, ö l oder Luft. Die Bildung von Martensit und somit eine Härtung des Stahles ist von einer Mindestmenge an Kohlenstoff abhängig, diese beträgt etwa 0,2—0,3 °/o. Für den Härtegrad ist außerdem die Schnelligkeit der Abkühlung von großem Einfluß. Bei verzögerter Abschreckung entstehen dann Gefügearten, die nicht die Härte des Martensit erreichen, sie werden als Troostit und Sorbit bezeichnet. Alle bisher genannten Gefügebestandteile treten beim Erhitzen und Abkühlen im festen Zustand des Stahles auf. Bei Abkühlung aus schmelzflüssigem Zustand, ein Vorgang, der sich bei der Herstellung von Stahlguß und auch von Schmelzschweißungen abspielt, scheiden sich Ferrit und Perlit nicht mehr in regelmäßig begrenzten Körnern ab, sondern in strahligen, gruppenförmigen Schichten mit zackiger, unregelmäßiger Gestalt. Es ent-

Warmbehandlung

49

steht ein Gußgefüge, welches man wie die meisten Gefügearten nach dem Entdecker als Widmannstättensches Gefüge bezeichnet. Ein solches Gefüge ist gegen Stoßund Schlagbeanspruchung empfindlich, die Kerbschlagzähigkeit wird stark herabgemindert. Aus dem Bisherigen geht hervor, daß die Beachtung dieser beim Erhitzen und Abkühlen eines Stahles geschilderten Vorgänge nicht nur bei der Erzeugung und Weiterverarbeitung des Stahls von großer Wichtigkeit sind, sondern gleich große Bedeutung f ü r den Schweißfachmann haben. Bei der Herstellung einer Schweißverbindung werden bei der Betrachtung der gesamten Verbindung in den jeweiligen Zonen sämtliche Temperaturen vom Schmelzfluß bis zur Raumtemperatur erreicht. Unterschiedliche Eigenschaften sind die Folge. Man unterscheidet drei verschiedene Zonen: 1. die Schmelzzone, 2. die wärmebeeinflußt.e Zone im Grundwerkstoff, 3. den wärmeunbeeinflußten Grundwerkstoff. Betrachtet man den jeweiligen Gefügezustand, so findet man im Schweißgut Gußgefüge vor, anschließend ein sehr grobes Korn (Temperaturbereich oberhalb 900° C bis zum Schmelzpunkt), das mehr und mehr in ein feineres Gefüge (Temperatur um 900° C) und alsdann in das unbeeinflußte Walzgefüge des Grundwerkstoffes übergeht. Wenn der AC,-Umwandlungspunkt, bei normalen Baustählen etwa 900° C, wesentlich überschritten wird, tritt eine Kornvergröberung (Kornwachstum) ein. Man spricht dann von Überhitzung des Stahles, die nach Möglichkeit vermieden werden muß, da Grobkornbildung ungünstige Festigkeitseigenschaften zur Folge hat. Beim Schweißen ist sie ohne Wärmenachbehandlung zwar nicht vermeidbar, kann jedoch durch die Art des Schweißens (Stromstärke, Wahl des Elektrodendurchmessers, Schweißgeschwindigkeit, Anzahl der Schweißlagen) stark beeinflußt werden. Von der Überhitzung eines Stahles ist die Verbrennung zu unterscheiden. Hierbei, d. h. bei Einwirkung noch höherer Temperaturen, treten ein Ausbrennen von C und eine Verbindung der Kristallkörner mit dem Sauerstoff ein, die Oxyde und Niese-Dienst, Die elektrischen Schweißverfahren

4

50

Verhalten der Stähle beim Schweißen

Verbrennungsprodukte lagern sich an den Korngrenzen ab. Ein solch „mißhandelter" Stahl ist nicht mehr verwendbar (geringe Festigkeit) und läßt sich durch keine Nachbehandlung wieder brauchbar machen. Durch nachträgliche Wärmebehandlung ist es möglich, die Güteeigenschaften einer Schweißverbindung wesentlich zu verbessern. Hiervon wird bei Er/ielung höchster Schweißgüte vor allem im Kessel- und Rohrleitungsbau Gebrauch gemacht. Beim N o r m a l g l ü h e n , auch Normalisieren genannt, wird die gesamte Schweißverbindung einer Glühbfhandlung oberhalb der AC„ - Umwandlung (etwa 900° C) unterworfen. Dadurch wird über den gesamten Querschnitt der Schweißverbindung ein gleichmäßiges, feines Gefüge erzielt. Gesteigert werden dadurch vor allem Dehnung und Kerb