Fertigungstechnik (Subject) / Schweißen (Lesson)

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• Definition Schweißen Vereinigen von Werkstoffen durch Wärme und/oder Kraft mit oder ohne Schweißzusätze eventuell werden Schweißhilfsstoffe eingesetzt
• Warum schweißen? - keine oder geringe Festigkeitseinbuße ggü. dem Grundwerkstoff - günstiger Kraftfluss - Gewichtseinsparung - Formgestaltungsfreiheit
• Einteilung des Schweißens - Energieträger → Gasschmelzschweißen, Lichtbogenschweißen - Zweck des Schweißens → Verbindungs-, Auftragschweißen - Physikalischer Ablauf → Schmelz, Pressschweißen
• Wodurch definiert sich die Schweißbarkeit des Bauteils? - Schweißeignung des Werkstoffs - Schweißmöglichkeit der Ferigung - Schweißsicherheit der Konstruktion
• Was bedeuted Schweißeignung des Bauteils - Chemische Zusammensetzung C ≤ 0,2% → Martensitvermeidung (besonders hart und spröde) Phosphor, Schwefel ≤ 0,0035% → Fe-Verbindungen mit niegrigschmelzenden Phasen = Risse Auch andere Elemente (Cr, Cu, As,..) dürfen nur in sehr kleinen Mengen vorhanden sein Feinkornbaustähle (wichtig: Vorwärmen auf 80-250°C) - Metallurgie Erschmelzung: Thomas-Verfahren, Siemens-Martin-Verfahren, Sauerstoff-Blas-Verfahren, Elektrostrahl-Verfahren Vergießungsart: unberuhigt (Silicium → Desoxidationsmittel), beruhigt (Magnesium, Silicium), besonders beruhigt (Alu, Magnesium,Silicium) Wärmebehandlung: normalisiert → generelle Eignung für niedrig und unlegierte Stähle
• Was ist mit "Schweißmöglichkeit der Fertigung" gemeint? - Verfahren - Personal - Einrichtung - Werkstoffe
• Was ist mit "Schweißsicherheit der Konstruktion" gemeint? - Schweißnähte müssen gut zugänglich sein - Vermeiden von Schweißnähten in Querschnittsübergängen  
• Erläuterung Schmelzschweißen örtlich begrenztes Einwirken einer Brenngas-Sauerstoffflamme. Wärme und Schweißzusatz werden getrennt zugeführt → geringe Energiedichte (Flamme)
• Reaktion und Verbrennungsstufen Schmelzschweißen Reaktion: Acetylen (→hoher Heizwert, weiter Zündbereich) und Sauerstoff   1. Verbrennungsstufe (Schweißbereich): erzeugt Wärme (bis 3200°C) = 2 C2H2 + 2 O2 → 4 CO + 2 H2 2. Verbrennungsstufe (Streuflamme): schützt vor Umgebung = 4 CO + 2 H2 + 3 O2 → 4 Co2 + 2 H2O
• Einsatzgebiete des Schmelzschweißens - Rohrleitungsbau - Apparatebau - Kesselbau → bis d = 5-7mm aufgrund geringer Leistungsdichte der Flamme werden während des Schmelzschweißens ständig vorgewärmt
• Welche Stähle eignen sich fürs Schmelzschweißen? Ferritische Stähle → keine höher und hochlegierten Stähle Auftragschweißen mit geringem Aufschmelzgrad
• Beschreibung Lichtbogenschmelzschweißen Energiequelle: abschmelzende Stabelektrode und dem Grundwerkstoff gezogener Lichtbogen Leistungsdichte: wesentlich höher als beim Schmelzschweißen → kürzere Schweißzeiten, geringere Bauteilverzug Schutz vor Atmosphäre: Schutz vor atmosphärische Gase (Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff) durch verschiedene Bestandteile der Elektrodenumhüllung Werkstoffübergang in Form von mehr oder weniger feinen Tropfen (abhängig von Art und Dicke der Elektrode)
• Stromquelle Lichtbogenschweißen - Max. Spannung: 100V - Hohe Ströme, einstellbar - Kurzschlussfest
• Vorgänge im Lichtbogen → Stück stromdurchflossener Leiter → das zwischen den elektrischen Polen (Elektrode und Werkstück) vorhandene elektrisch neutrale Gas muss leitfähig (ionisiert) werden
• Vorgang: Zünden des Lichtbogens 1. auftippen der Elektrode → Kurzschluss → max Strom → Schmelzen und Verdampfen der Elektrodenspitze 2. Bildung des Plasmas
• Beschreibung Plasma Gas bestehend aus Atomen, Ionen und Elektronen Hohe Temperatur bis 40000K im Plasmastrahl An Anode und Kathode herrschen unterschiedliche Temperaturen → Elektronenfluss: Von + zu -
• Beschreibung Elektrode besteht aus Kern (Metall) und Umhüllung (Keramik) Aufgaben der Umhüllung: bildet Schutz unterstützt Ionisation der Atmosphäre bildet Schlacke beeinfluss Tropfenübergang (Tropfengröße) Wärmeführung nimmt Verunreinigungen auf
• Eletrodenumhüllungsarten Saurer Typ Rutiltyp Zellulosetyp Basischer Typ Mischtyp
• Vorteil vom Gleichstrom beim Lichtbogenschweißen Ausnutzen der anodischen und kathodischen Wirkung → Anode (Werkstück) ca. 500-1000°C heißer als Kathode (Elektrode)        ( kinetische Energie → schnellere Elektronen)
• Einsatzgebiete Lichtbogenhandschweißen mittlere Blechdicken ab 3mm kein optimaler Gasschutz bei hochlegierten Stählen und Nichteisenmetallen lange Schweißnähte unwirtschaftlich → Elektrodenwechsel Baustelleneinsatz
• Beschreibung Schutzgasschweißen Lichtbogen brennt zwischen einer abschmelzenden Drahtelektrode oder einer nicht abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück Zuführung des Schutzgases (Edelgas) von außen, um Schmelzbad Elektrodenspitze hoch erhitzen Bereiche der Schweißnaht vor der Atmosphäre zu schützen
• Beschreibung WIG Schweißen nicht abschmelzende Wolframelektrode Verwendung von Edelgasen höchster Reinheit (Argon) geringste Sauerstoffgehalte führen zu starkem Abbrand der hoch erhitzen, teuren Wolframelektrode (→ Zerstörung) hervorragende metallurgische Qualität und mechanischer Gütewert bei inerten (chmisch trägen) Gasen Edelgaslichtbogen → reine "Wärmequelle"; nimmt keine Verunreinigungen auf (z.B. Schlacken) → vollständige Beseitigung der Verunreinigungen
• Merkmale WIG Schweißen hohe Qualität Dünnblechschweißen bis 5mm Lichtbogen mit hoher Energiedichte → präzise Gleichstrom: Elektrode - und Werkstück + relativ große Abschmelzleistung = lange Nähte und dickere Bleche
• Anwendung und Grenzen des WIG Schweißen alle Metalle, die nicht im Lichtbogen verdampfen (kein Blei, Zinn, sowie keine höhergekohlten Stähle → neigen zur Rissbildung) hohe Bedeutung fürs Schweißen der Leichtmetalle →"Reinigungseffekt" Eignung: Fügen hochlegierter rost-, säure-, und hitzbeständiger Stähle nahezu universelle Anwendbarkeit
• Arten des Metallschutzgasschweißens - MIG = Metall inert Gas → Argon, Helium - MAG = Metall aktiv Gas → Sauerstoff (O2), Kohlenstoffdioxid (CO2)
• Einsatzgebiete MSG Schweißen lange Nähte dünne und dicke Bleche sehr universell
• Werkstoffe die mit dem MSG Schweißen bearbeitet werden können MIG = hochlegierte Stähle, Nichteisenmetalle keine Reaktion des Gases an den Grenzflächen zwischen Schutzgas und Schmelze Gas sehr teuer MAG = un-, und niedriglegierte Stähle Oxidation des Werkstoffes
• Beschreibung UP Lichtbogen brennt unter einer Schicht körnigen Pulvers (nicht einsehbar) → abschmelzende Drahtelektrode und dem Werkstück, in einem mit Gasen und Dämpfen erfüllten Hohlraum ("Schweißkaverne") Spritzer treten hier nicht auf Kontrolle des Schweißvorgangs nur mit elektrischen Messinstrumenten
• Eigenschaften UP hohe Abschmelzleistung (ca. 10 kg/h) Lichtbogen brennt geschützt in einer Pulverkaverne sehr hohe Stromdichte nur in Wannenlage einzusetzen
• Aufgabe des Pulvers beim UP unterstützt die Ionisaiton der Atmosphäre bildet Schlacke beeinflusst Tropfengröße Wärmeführung nimmt Verunreinigungen auf → Vergleich zum Elektrodenumhüllunng (Lichtbogenschweißen): Bessere Schutzwirkung aufgrund der dickeren Schlacke
• Werkstoffeignung UP un- niedrig und hochlegierte Stähle keine Nichteisenmetalle
• Anwendung und Grenzen UP Eignung für lange, gerader Schweißnähte hohe Abschmelzleistung, hohe Schweißgeschwindigkeit (bis 4m/min) Große Poren- und Risssicherheit sind herausragende Merkmale des Verfahrens Einsatzgebiete: Kessel- und Apparatebau Tankbau Fahrzeugbau (Chassis) Brückenbau (Träger)  
• Ablauf Elektronenstrahlschweißen Auftreffen des Elektronenstrahls Verdampfen des Grundwerkstoffs Dampf durchdringt die gesamte Werkstückdicke Dampf erzeugt eine Schmelze über die gesamt Flankentiefe und läuft zusammen → "Tiefschweißeffekt" Eignung für Schweißteile bis 200mm dicke
• Vor- und Nachteile des Elektronenstrahlschweißens Vorteile: sehr hohe Energiedichte Werkstoffvielfalt kleine Wärmeeintrittszone kaum Verzug glattes Oberflächenaussehen bei I-Naht hohe Schweißgeschwindigkeit bei dünnen Blechen Nachteile: Vakuum Röntgenstrahlung Nahtvorbereitung erforderlich Aufhärtungsneigung
• Eigenschaften Laserstrahlschweißen - hohe Temperaturen - sehr hohe Energiedichte (> Elektronenstrahlschweißen) - parallel → gut fokussierbar - kohärent → gleiche Wellenart, ohne Phasenverschiebung monochromatisch
• Vor- und Nachteil des Laserstrahlschweißens Vorteil: Tiefschweißeffekt (Stahl: bis 10mm, Alu bis 3mm) Nachteil: hoher Reflexionsgrad (vor allem bei Aluminium → über 90%) → nimmt ab sobald Werkstoff schmilzt, daher: Pulsen um Schmelze zu erzeugen
• Unterscheidung Pressschweißverfahren - Kraft allein → Kaltpressschweißen - Kraft und Wärme → Reibschweißen (Stauchen)  
• Beschreibung Widerstandsschweißen stoffschlüssige Verbindung durch Stromfluss → genauer den elektrischen, der Schweißzone erzeugt. Schweißen mit oder ohne Kraft in den meisten Fällen ohne Schweißzusatz
• Verfahren des Widerstandpressschweißen → Zuführung des Stroms über kondukitve Erwärmung der Elektroden Verfahren: Punktschweißen: Schmelzzeit < 1 sec bei hohem Stromfluss, Anwendung bei niedrig legierten Blechen, aber auch Al- und Cu- Bleche Rollnahtschweißen: Elektroden: 2 Kupferrollen, Über Einstellung der Stromimpulse kann der Abstand der Schweißpunkt bis hin zur Dichtnaht verändert werden; Anwendung: Behälterbau Buckelschweißen: zu verbindende Werkstücke berühren sich an eingeprägten Buckeln (werden aufgrund der Erwärumg durch Strom eingeebnet) → Paralleles Einschweißen möglich; Anwendung: Schweißmuttern Pressstumpfschweißen: zu verbindende Werkstücke sind zwischen Spannbacken eingeklemmt → Elektroden dienen der Strom- als auch Kraftübertragung; Stauchung durch Vorschub Abrennstumpfschweißen: Verschweißung leichförmiger Querschnitte, wiederholtes berühren/trennen bei hohem strom; anschließendes Zusammenpressen beim Erreichen der Schweißtemperatur; Anwendung: Großkurbelwellen
• Verfahren und Anwendung Reibschweißen - Reibungswärme durch hohen Anpressdruck und Drehzahl - nach Erreichen der Plastizität, Abrennen und Stauchen - Abdrehen der Wulst Anwendung: Antriebs- und Gelenkwellen

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