Fügetechnik (Fach) / Einführung/Werkstoffliche Grundlagen (Lektion)

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• Lernziele der Vorlesungsreihe Wissen und Verstehen:  Was ist stoffschlüssiges Fügen? Welche Verfahren gibt es? Wie funktionieren sie? Ableiten können: Was sind Anwendungsgrenzen und Anwendungsszenarios (Im Hinblick auf das Verfahren, den Werkstoff, das Bauteil und die Wirtschaftlichkeit Zusammenfassendes Ziel: Für eine spezifische Anwendung ein sinnvolles stoffschlüssiges Fügeverfahren auswählen können.
• Definition von Fügen DIN 8593 Fügen ist das auf dauer angelegte Verbinden oder sonstie Zusammenbringen von zwei oder mehr Werkstücken mi geometrish bestimmter Form oder von eben solchen Werkstücken mit formlosem Stoff.  Dabei Wird Jeweils der Zusammenhalt örtich gescaffen und im Ganze vermehrt Vereinfachung: Das Verbinden von Werkstücken mit und ohne Hilfsmittel Diese Hilfsmittel können sowohl geometrisch bestimmt sein, Z.B. Schrauben, Nieten, als auch aus einem formlosen Stoff bestehen, Z.B. Schmelze, Klebstoff.  
• Drei Grudsätzliche Möglichkeiten des Zusammenhaltes Allgemein betractet existieren 3 Grundprinzipien  Kraftschluss Formschluss Stoffschluss
• Gründprinzip der Kraftschluss und BSP Beim kraftschluss übernimmt die Haftreibung die Aufgabe der Fixierung und der Kraftübertragung Dem Reibungsgesetzen folgend ist dazu eine Kraft senkrecht zur Trennebene erforderlich, deren Höhe in Kombinationmit dem Haftreibungsbeiwert, die Höhe der Übertragbaren Kräfte und Momente definiert Beispiel: Pressverbindung von Welle und Nabe
• Grundprinzip der Formschluss und BSP Die From gewährleistet der zusammengesetzten Einzelteile, das diese in einem oder mehreren der 6 Freihietsgrade des Raumes zusammenhalten D.h. Ihre relative Lage Zueinander behalten und Kräfte übertragen können Bsp: Passfederverbindung. Die Nabe verdrehsicher auf der Welle fixiert und so die Übertragung eines momentes ermöglicht Welllensicherungsring
• Grundprinzip der Stoffschluss Zusammenhalt wird durch zwischen molekulare Kräfte zwischen den Bauteilen hergestellt Sie werden auf atomare bzw. molekularer Ebene miteinander verbunden Im Gegensatz zu Form und Kraftschluss ist die Stoffschlussverbindug immer dauerhaft und kann nur druch Zerstören der Verbindungszone wieder getrennt werden
• Definition Stoffschluss Stoffschlüssige Verbindungen werden alle Verbindungen genannt, be denen die Verbndungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden.  Sie sind gleichzeitig nicht lösbare Verbindung, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen lassen
• Definition des Schweißen Schweißen ist das Fügen von Metallen oder Kunstoffen unter Anwendung von Wärme, Druck oder von beidem, und zwar mit oder ohne Zusetzen von Zusatzwerkstoff mit gleichem oder nahezu gleichen Schmeltzbereich Vereinfached: Schweißen ist nicht anderes als zwei oder mehere Bauteile lokal bis zum Schmelzfluss zu erwärmen, die so erzeugten Einzelschmelzen durch Zusammenfließen miteinander zu verbinden, und dann wieder durch Abkühlen Erstarren zu lassen Man kann sagen:Schweißen ist „Wärmemisshandlung“ des Werkstoffs. Die Kunst besteht darin, diese Misshandlung so in Grenzen zu halten, dass die Gebrauchsseigenschaften der Ver-bindung die der Grundwerkstoffe nicht unzulässig unterschreiten
• Definition von Löten Löten is ein  thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen und Beschichten von Werkstoffen wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes oder durch Diffusion an den Grenzflächen ensteht
• Definition von Kleben Kleben ist  Fügen unter Verwendung eines Klebstoffes- d.h. eines nichtmetallischen Werkstoffes der Fügeteile durch Flächenhaftung und innere Festigkeit- d.h. Adhäsion und Kohäsion, verbinden kann
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• Vor und nachteil des stoffshlüsigen Fügeverfahren Vorteil: Hohe Festigkeiten  Vollanschluss möglich Unlösbar Dicht verglischsweise preiswer relativ hohe gestalterishe Freiheit Nachteil: Werkstoffveränderung Keine direkte Prüfung der Verbindungseigenschaften möglich Verzug und Eigenspannung hervorrufen Spezielle Prozesse (in Qualitätssicherungssystemen) Argument für den Einsatz stoffschlüssiger Fügeverfahren ist hauptsächlich die damiterzielbare hohen Festigkeit, was durch den vollflächigen Anschluss der Verbindungszonenerreicht wird. Die Verbindungen sind unlösbar und in der Regel dicht. Im Hinblickauf die erzielbaren Festigkeiten sind die Verfahren vergleichsweise preiswert.Ebenfalls aufgrund der erzielbaren vergleichsweise hohen Festigkeiten und der Tatsache,dass das Verbindungsmittel nicht geometrisch bestimmt ist, ergeben sich zumBeispiel im Vergleich zum Schrauben und Nieten hohe gestalterische Freiheiten, dienur im Hinblick auf die Herstellbarkeit der Verbindung begrenzt werden.Mit dem Schweißen, aber auch dem Löten geht aber auch eine unvermeidliche Werkstoffbeinflussungeinher, die nicht nur die direkten Werkstoffeigenschaften verändert,sondern auch Verzug und Eigenspannungen hervorrufen kann. Die Verbindungseigenschaften,namentlich ihre Festigkeit und Dauerhaftigkeit lassen sich nicht zerstörungsfreiprüfen, dieses geht nur durch Belasten der Verbindungen bis zum Versagen.Man ist zur Prüfung daher auf die Prüfung indirekter Merkmale angewiesen, wie beispielsweiseder geometrischen Fehlerfreiheit, d.h. die äußere Erscheinung entsprichtder erwarteten und es sind auch keine inneren Fehler wie Poren oder Risse nachzuweisen.Die stoffschlüssigen Fügeverfahren werden daher in den Qualitätssicherungssystemenals sog. spezielle Prozesse bezeichnet.
• Einflussfaktoren auf die Auswahl eines Fügeverfahrens Wirtschaftlichkeit Fügbarkeit Werstoff Fügeeigung Verfahren Fügemöglichkeit Konstruktion Fügesicherheit
• Fügeeignung - Was ist Schweißeignung? was was beinfluss es? und wozu Schweißeignugn ist eine Werkstoffeigenschaft. Sie wird im Wesentlichen von der Fertigung und in geringerem Maße von der Konstruktion beeinflusst  Sie ist vorhanden, wenn im verlauf des eingesetzten Schweißverfahrens aufgrund der Werkstoff gegebenen Eingenscaften eine jelweils den gestellten Anforderungen entsprechende Schweißnaht hergestellt werden kann Die Schweißeignung eines Werkstoffes ist umso besser, je weniger die werkstoffbedingten Faktoren beim Festlegen eines Schweißverfahrens berücksictigt werden muss
• Fügesicherheit - Einfluße auf die Schweißsicherheit Eigenschaft der Konstruktion Die Konstuktion definiert alle Randbedingungen, unter denen eine Fügeverbindung ensteht und hat daher entscheidenden Einfluss auf di Prozessesicherheit  Umfeld:  Verfügbarkeit der Maschinen und Anlagen Krankapazitäten Räumlichkeiten Transport Qualifizierung des personals Bauteil: Werkstoff Montierbarkeit Schweißfolge Vorwärmung Wärmenachbehandlung Zugänglichkeit Schweißzusätze Prozess: Nahtvorbereitung Toleranzen Nahtanordnung Scheißposition
• Fügemöglichkeit - Schweißmöglichkeit Eigenschaft des Fertigungsverfahrens Schweißmöglichkeit wird durch das Fertigungsumfelt definiert Sie beeinhaltet Faktoren wie  Verfügbarkeit geeigneter Maschinen und Anlagen Qualifizierten Personal Erforderlichen ferigungstechnischen Randbedingungen (Räumlichkeiten, inner- und außerbetrieblicher Transportmöglichkeiten)
• Definition von Stahl „Werkstoff, dessen Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elementes, dessen Kohlenstoffgehalt im Allgemeinen kleiner als 2,06 % ist und der andere Elemente enthält. Eine begrenzte Anzahl von Chromstählen kann mehr als 2,06 % Kohlenstoff enthalten. Aber 2,06 ist die übliche Grenze zwiechen Stahl und Gusseisen Legierte Stahl:Jede andere Eisenbasislegierung mit weniger als 2,06 % Kohlenstoff Unlegierte Stahl: Stahl bei dem Grenzwerte nicht überschritten werdenAl 0,30 Ni 0,30B 0,0008 Pb 0,40Bi 0,10Se 0,10Co 0,30 Si 0,60Cr 0,30 Te 0,10Cu 0,40 Ti 0,05La* 0,10 V 0,10Mn 1,65 W 0,30Mo 0,08 Zr 0,30 
• Schweißeignung von unlegierten Stählen und der Qualitätskriterium Formel für CEV wert berechnung CEV(%) = %C  +  %Mn / 6  +  (%Cu + %Ni) / 15  +  (%Cr+%Mo + %V) / 5 CEV ≤ 0,45 und C  ≤ 0,22 : gute SchweißeignungCEV = 0,45 % bis 0,6%: bedingte Schweißeignung, besondere Maßnahmen ( z.b. Vorwärmen erforderlichCEV ≥ 0,6 %: keine Schweißeignung ( nur mit außerordentlicher Fachkenntnis und erheblichen Aufwand schweißbar)
• Womit hängen die Aufhärtungsneigung beim Schweißen ab? Abkühlgeschwindigkeit Anteil von Kohlenstoffgehalt Anteil von andere Elemente wie Mn, Cu,Ni,Cr,Mo und V
• was is der t8/5 Konzept ist eine Konzept zur abschätzung der zurerwartend Abkühlzeit, so dass man eine Ausage über die Gefügehärte bekommen kann Die Gefügehärte ist gut geeignet, das Verformungsverhalten eines Stahles zu beschreiben
• Schritte zur t8/5 zeit Berechnung Energie berechnen Übergangsblechdicke berechnen, da Ubergangsblechdicke ≥ tatsächliche Blechdicker = 3-D formel anwendensonst, 2-D formel anwenden
• Streckenenergie des Schweißens berechnen, Es Es= (U⋅I/vs)⋅η‘  η‘: prozesswirkungsgrad
• Berechnung der Übergangsblechdicke da = √ (0,43-4,3*10-5*To) * η′ * E / (0,67-5*10-4*To) + (1/(500-To) - 1/(800-To))
• 3-D Wärmeableitung Formel t8/5 = (0,67 - 5*10-4 *To ) * η′ *E + (1/(500 - To) -1/(800-To)*F3
• 2-D Wärmeableitung Formel t8/5 = (0,043 - 4,3*10-5 * To ) * η′2 * E2 /d2 + ( (1/(500-T0)2 -(1/(500-T0)2)*F2
• was passiert when das Ergebnis der t8/5 mit dem vom Hersteller vorgegebenen Bereich nicht übereinstimmen Die Schweißparameter müssen angepasst werden.  Die finalen Schweißparameter werden dann im Schweißversuch mit anschließender zerstörender Prüfung verifiziert Dabei müssen alle Randbedingungen eingehalten werden, wie sie für die Abschätzung angenommen wurden und wie sie am späteren Bauteil geschweißt werden Wenn die Schweißparameter und Randbedingungen modifiziert werden, muss eine Schweißversuch erneut durchgeführt wird
• Fehlerbehaftung von Abschätzung der t8/5-Zeit, was tut man dagegen Schweißversuch mit gleiche den bei der Abschätzung angenommenen Schweißparaneters und Hilfstoffen sowie Vorwärmtemperaturen Schweißposition und Nahtvorbereitung wie am Originalbauteil Evtl. Wärmenachbehandlung wie am Originalbauteil Veruchsbauteil ausreichend größer Ausschnitt aus dem Originalbauteil Zerstörende Prüfung mittels Zugversuch und Kerbschlagbiegeversuch, Härteermittlung in der WEZ
• Worauf muss man aufpassen, während der Verarbeitung schweißgeeigneter unlegierter Stähle. Zusatzwerkstoff in der Regel artgleich (d.h. mit einen Zusatzwerkstoff, der inseiner Legierung den Grundwerkstoffen ähnlich ist. So wird erreicht, dass die mechanischen und technologischen Eigenschaften der Verbindung in etwa denen der Grundwerkstoffe entsprechen. Schwächster Bereich der Verbindung ist die Grobkornzone, diese erfährt die ungünstigste Wärmemisshandlung, und kann nicht durch Legierungsoptimierungen beeinflusst werden. Der Zusatzwerkstoff wird nach Eignung für das Schweißverfahren und Festigkeit ausgewählt) t8/5-zeit im gemeinsamen Fenster von Grund und Zusatzwerkstoff Größere Blechdicken müssen zum Schweißen in der Regel vorgewärmt werden
• Was beeinfluss der Gefüge bei hochlegierte Stahl Chemischen Zusammensetzung Abkühlbedinung  Je höher die Legierungsgehalte werden umso höher wird auch der Einfluss der chemischen Zusammensetzung, während die Abkühlung weniger Einfluss auf die Art des Gefüges bekommen
• Voraussetzung für die Korrosionsbeständigkeit Stählen? Voraussetzung für die Korrosionsbeständigkeit ist die Bildung einer Passivschicht ausChromoxiden, die so beständig ist, dass weitere Korrosion verhindert wird. Fehlt dieseoder wird diese zerstört, können auch korrosionsbeständige Stähle korrodieren. bei entsprechend aggressiven Medien:• Korrosionsbeständige Stähle den Einsatzbedingungen entsprechend aussuchen.Nicht alle korrosionsbeständigen Stähle sind in allen Medien und bei allen Temperaturen beständig, die Stähle sind daher nach den vorgesehenen Einsatzbedingungen auszuwählen. bei Eisenoxidpartikeln auf der Oberfläche:• Schwarz / Weiß in der Fertigung räumlich trennen• Getrenntes Werkzeug• Im Einsatz Kontakt mit schwarzen Stählen vermeidenEisenoxidpartikel auf der Oberfläche fördern die Korrosion, sie bzw. Partikel vonschwarzen Stählen sind daher zu vermeiden. Eisen bzw. Eisenoxide werden oft beider Bearbeitung verschleppt. Aus diesem Grund sollten Weißes und schwarzes Materialin den Fertigungen möglichst vollständig getrennt verarbeitet werden. Dieses bedeutetgetrennte Räume, und getrenntes Werkszeug. Aber auch sonst sollte der direkteKontakt korrosionsbeständiger Stähle zu schwarzen Material vermieden werden.(Ursache bei den Verfärbungen der Rankgitter auf den Bildern sind Blumendrähte, diezur Befestigung der Pflanzen verwendet wurden). Auch Anlauffarben, die nichts anderesals Oxide sind, haben diese Wirkung. bei lokaler Chromverarmung• stabilisierte Stähle verwenden• kohlenstoffarme Qualitäten einsetzenEine weitere häufige Ursache von Korrosion bei Korrosionsbeständigen Stählen ist eine lokale Chromverarmung. Chrom hat eine hohe Affinität zu Kohlenstoff und bildet zusammen mit diesem Chromkarbide. Bei erhöhten Temperaturen diffundiert der ur-sprünglich gleichmäßig im Korn verteilte Kohlenstoff an die Korngrenzen und bindet dort das (weniger bewegliche) Chrom als Chromkarbid ab. Durch die chemische Bin-dung steht dort dann nicht mehr genug Chrom zur Bildung einer Passivschicht zur Verfügung, das korrosive Medium kann angreifen. Da dieses entlang der Korngrenzen passiert, zerfällt der Stahl in seine Körner, man spricht von interkristalliner Korrosion. Als Gegenmaßnahme ist das Kohlenstoffangebot zu verringern, entweder durch Re-duzierung des Kohlenstoffgehaltes im Stahl selber, oder durch zulegieren von z.B. Ti-tan, welches eine noch höhere Affinität zum Kohlenstoff hat und diesen als Titankarbid abbindet. Titanlegierte korrosionsbeständige Stähle werden als stabilisierte Stähle be-zeichnet. Ferner muss drauf geachtet werden, keinen zusätzlichen Kohlenstoff (z.B. aus CO2-haltigen Schutzgasen oder durch Öle und Fette) in das Schweißgut einzutra-gen
• Besonderheiten bei der Verarbeitung hochlegierte Stähle Was sind anlauffarben und die Abhangigkeiten? Anlauffarben sind farbige Oxide and der Metalloberfläche Die Farbe ist abhängig von der Dicke und chemischen Zusammensetzung Sie können beim Schweißen durch ungenügende Schutzgasabdeckung entstehen Anlauffarben sind Ausgangspunkte für Korrosion Anlauffarben werden daher durch eine anschließende Behandlung entfernt Mögliche zu vermeiden durch gute Schutzgasabdeckung
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• Kriterien für die Werkstoffauswahl Schweißeignung Zähigkeit Beanspruchbarkeit Korrosionsbeständigkeit Temperaturbeständigkeit
• was ist Zähigkeit und warum ist es eine wesentlichen Auswahlkirterien? Einfach formuliert ist Zähigket den Widerstand eines Werkstoffes gegen den Bruchfortschritt. Messgröße ist die Energie, die beim Brechen einer gekerbten Normprobe verbraucht wird Der Bruchfortschritt verbraucht vergleichsweise viel Energie Zähe Werkstoffe reagieren also bei lokaler Überbelastung zunächst mal mit deutlicher Verformung ohne Ausbildung eines Risses. In einer Konstruktion ermöglicht dieses den Abbau lokaler Spannungsspitzen durch lokale Verformung, die Spannungen werden auf andere weniger hoch belastete Bereiche umgelagert Ausreichende Zähigkeit oder Duktilität ist eine der Grundvoraussetzungen dafür das Schweißen, bei dem thermische Eigenspannungen, d.h. innere Spannungen aufgrund lokaler Erwärmung, prinzipbedingt auftreten, überhaupt funktioniert. Diese Eigenspannungen können lokal die Streckgrenze des Materials erreichen, ohne eine Umlagerung durch Plastifizierung könnten keine Betriebsspannungen übertragen werden. Spröde Brüche sind gelkennzeichnet durch wenig verformte kristalline Bruchflächen
• Mehrachsige spannungszustände 1- achsig: Verformung gut möglich2- achsig: Verformung erschwert 3 - achsig: Verformung unmöglich Im Extremfall versagt ein sonst duktiler Werkstoff absolute spröde unter eines 3 - achsigen Spannungszustandes mit gleichen Spannungen in jeder Raumrichtung 
• Schweißpositionen und mögliche Stoßarten Stumpfstoß Uberlapstoß T-stoß Eckstoß Schrägstoß Kreutzstoß Schweißposition  PA: WannenpositionPB: HorizontalpositionPC: QuerpositionPD horizontal überkopfpositionPE : überkopfposition
• Aufmischungsgad (geometrish) Aufmishung = Grundwerkstof/Gesamtschweißgut Figure 
• Schweißfehler Heißrisse Erstarrungsriss•Vorkommen im SG•Ursache: Einschlüsse niedrig schmelzender Phasen zwischen den Dendriten können Schrumpfkräfte nicht aufnehmenWiederaufschmelzungsriss•Vorkommen in der WEZ (oder SG)•Ursache: Korngrenzenausscheidungendes Grundwerkstoffs werden aufgeschmolzen•Rissbildung entlang des Korngrenzenfilmsdurch Zugeigenspannungen
• Kaltrisse Aufhärtungsriss•Vorkommen in SG oder WEZ•Ursache: keine ausreichende Duktilität des erstarrten Schweißgutes, um Spannungen plastisch abzubauen (siehe Abb.)Wasserstoffinduzierter Kaltriss•Vorkommen im SG•Ursache: Wasserstoff wird ins Schweißgut eingetragen und kann wegen der schnellen Erstarrung nicht entweichen; Rekombination zu H2bewirkt innere Spannungen, die zum Riss führen können
• Bindefehler •Mögliche Ursachen: •Mögliche Ursachen:ungeeignete Nahtvorbereitungfalsche RaupenanordnungEnergieeintrag zu geringSchweißen auf vorlaufender SchmelzeUnpräzise Führung der Wärmequelleunzureichende Nahtzugänglichkeit
• Poren Mögliche Ursachen:Zugluftverschmutzte Oberflächenzu langer Lichtbogen (MSG)expandierende HohlräumePoren „eingefroren“ bei ErstarrungBlaswirkung (Anziehung durch Stahlmasse, siehe Abb. unten links)
• Die Metallurgiebefasst sich neben weiterem mit der Untersuchung der Gefüge-und Mikrostrukturen innerhalb von Metallen. Warum ist die Metallurgie von entscheidender Bedeutung für die Schweißtechnologie? die Werkstoffeigenschaften (z.B. Kristallstruktur, Gefüge, chemische Zusammensetzung) beeinflussen maßgeblich die mechanisch-technologischen Eigenschaften eines BauteilsSchweißwärme erzwingt Gefügeveränderungenund hat somit direkten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaftenchem. Zusammensetzung/ Legierungselementverteilung im Schweißgut und nahtnahen Grundwerkstoff kann durch Schweißprozess verändert werden „Schweißen = angewandte Werkstofftechnik“
• Mögliche Überlegungen zur Beurteilung der Schweißbarkeitdes Bauteils: Schweißeignung (Werkstoff)Welche Werkstoffe liegen vor? Artgleiche/ -fremde Verbindung?Wärmebehandlungszustand? Gefüge?Besondere Empfindlichkeit? z.B. Aufhärtungoder Heißrisse Schweißmöglichkeit (Fertigung)Welche Schweißverfahren stehen zur Verfügung?Nahtvorbereitung? Fugenform?Nahtvolumen? Zusatzwerkstoff? Ein-oder Mehrlagentechnik?Nachbearbeitung nötig? Verfügbare Verfahren dazu? Schweißsicherheit (Konstruktion)Bauteilabmessungen und -gewicht? Zugänglichkeit Fügestelle?Spätere Beanspruchung des Bauteils? Kerbwirkung?
• Die WEZlässt sich in mehrere Gefügezonenunterteilen. Weshalb wird oftmals die Grobkornzoneals besonders kritisch eingestuft? Grobkornzone:Temperaturen liegen deutlich oberhalb Ac3(ca. 1100 –1500ºC)Ausbildung eines grobkörnigen Gefüges, wodurch in dieser Zone die maximale Härte der WEZ resultiertAufhärtungbedeutet Zähigkeitsverlust!!!Folge: Verschlechterung der Gebrauchseigenschaften!
• Warum sollte die Aussagekraft des Kohlenstoffäquivalentsstets hinterfragt werden? Wichtige Einflussfaktoren auf die Rissneigung unberücksichtigt GefügeartGefügeausbildung, KorngrößeDesoxidationszustandMögliche Wärmebehandlung vorher/ nachherVerunreinigungen in Art, Menge und VerteilungWerkstückdicke (Eigenspannungen?)Schweißbedingungen (Wärmeführung, Zusatzwerkstoff, Lagenaufbau, …)Atomarer Wasserstoff in WEZ und SG? (Kaltrissneigung!)
• Weshalb stellen Schweißverbindungen mögliche Schwachstellen einer Konstruktion dar? Position der Schweißnähte oft an gestörten Geometrien (Übergänge, Versatz, Winkel, Steifigkeitssprünge, …)Schweißbedingte EigenspannungenZusätzliche Spannungen durch potentielle Fehler in der NahtBeeinflussung des Grundwerkstoffs („Wärmemisshandlung“)GefügeveränderungenSchweißnaht als metallurgische Kerbe

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