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Springer Vieweg - Maschinenbau - Roloff Matek | Roloff Matek Maschinenelemente Journals, Academic Books & Online Media

Fragen zum Kapitel 6

Frage 6.1 

Es sind drei wesentliche Vorteile und zwei wesentliche Nachteile von Schweißkonstruktionen zu nennen (z.B. gegenüber Guss- und Schraubkonstruktionen). - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 6.1.1.

Antwort zur Frage 6.1 

Wesentliche Vor- und Nachteile von Schweißkonstruktionen sind: - Vorteile: Gewichtsersparnis, Leichtbau (gegenüber Gusskonstruktionen: geringere Wanddicken und kleinere Bauteilquerschnitte, gegenüber Schraub-, Niet-, Kleb-Konstruktionen: Wegfall von Überlappungen und Laschen), glatte Oberflächen (erleichtern Reinigungs- und Korrosionsschutzmaßnahmen, kleinere Wandreibung bei Strömungsvorgängen), größere Formsteifigkeit gegenüber Gusskonstruktionen (GJL hat ungefähr nur den halben E-Modul von Stahl), keine Bauteilschwächung durch Schrauben- und Nietlöcher, hohe Schwingungsdämpfung durch Scheuerplattenbauweise. - Nachteile: Schweißvorgang verursacht Schrumpfungen, Eigenspannungen und Gefügeveränderungen, Gefahr der Rißbildung und des Sprödbruchs, Werkstücke müssen nach dem Schweißen meist gerichtet werden, meist nur für artgleiche Werkstoffe geeignet, Nahtgüte ist oft nur schwer prüfbar (z. B. Kehlnähte).

Frage 6.2 

Von welchen drei Einflussgrößen hängt die Schweißbarkeit eines Bauteils ab? Die Schweißeignung der Baustähle E335 und S355J2G4 ist zu beurteilen. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschnitt 6.2.1 bzw. 6.2.1-1.

Antwort zur Frage 6.2 

Nach DIN 8528 hängt die Schweißbarkeit hauptsächlich von folgenden Einflußgrößen ab: Schweißeignung der Werkstoffe (z.B. Härte- und Alterungsneigung), Schweißsicherheit der Konstruktion (z.B. Anordnung der Nähte, Kerbwirkung), Schweißmöglichkeit der Fertigung (z.B. Schweißverfahren, Schweißfolge). - Der Baustahl E335 wird weitgehend im Maschinenbau eingesetzt. Seine Eigenschaften hängen wesentlich vom nicht begrenzten C-Gehalt ab. Die Schweißeignung wird durch hohe Härtungs- und Sprödbruchneigung stark beeinträchtigt. Der Baustahl S355J2G4 weist eine unbeschränkte Schweißeignung auf. Seine Neigung zu Sprödbruch, Alterung und Aufhärtung ist gering.

Frage 6.3 

Zwei in einer Ebene liegende 16 mm dicke Bleche stoßen auf ein rechtwinklig dazwischen liegendes 20 mm dickes Blech (S235J2G3). Um welche Stoßart handelt es sich? Welche Nahtart ist bei dynamischer Zugbeanspruchung zu wählen? Welche Gefahr besteht für das Querblech und durch welche Maßnahmen kann der Gefahr begegnet werden? - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschnitt 6.2.2 mit Bild 6-10 und 6-11.

Antwort zur Frage 6.3 

Es handelt sich um einen Doppel-T-Stoß (Kreuzstoß). - Bei dynamischer Zugbeanspruchzung ist eine Stumpfnaht, Ausführung z.B. als DHV-Naht (K-Naht), zu wählen (glatter ungestörter Kraftfluß, geringe Kerbwirkung, hohe Dauerfestigkeit). - Es besteht für das Querblech die Gefahr durch Brüche parallel zur Oberfläche infolge nichtmetallischer Einschlüsse im Grundwerkstoff (Terrassenbrüche). Die Rissgefahr wird durch die Blechempfindlichkeit und Spannungen quer zum Schweißstoss beeinflußt. Querzugbeanspruchung ist konstruktiv zu vermeiden. Günstig ist eine Vergrößerung der Schweißanschlußfläche (Bindefläche), ein Werkstoff mit verbesserten Verformungseigenschaften senkrecht zur Erzeugnisoberfläche, eine Ultraschallprüfung des terrassenbruchgefährdeten Grundwerkstoffbereichs und eine Verkleinerung der Schrumpfspannungen (z.B. durch Pufferlagen).

Frage 6.4 

Für eine Schweißverbindung im Stahlbau sind Bleche (S235J2G3) der Dicken 4 mm, 10 mm und 25 mm stumpf zu stoßen. Welche Nahtform kommt beim MAG-Schweißen jeweils in Frage? Die Normbezeichnung der Fugenform ist jeweils anzugeben (s. DIN EN 29692). - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschnitt 6.2.2 und 6.2.5.

Antwort zur Frage 6.4 

Die Auswahl der Fugenform richtet sich im Wesentlichen nach dem Werkstoff, der Schweißposition und dem Schweißverfahren. - Bauteildicke 4 mm: I-Naht mit Badsicherung (Symbol s. Lehrbuch TB 6-1a Nr. 2), Fugenform DIN EN ISO 9692-1.2-135. - Bauteildicke 10 mm: V-Naht mit Gegenlage (Symbol s. Lehrbuch TB 6-1b Nr. 3-9), Fugenform DIN EN ISO 9692-2.3.9-135. - Bauteildicke 25 mm: DV-Naht (X-Naht), (Symbol s. Lehrbuch TB 6-1b Nr. 3-3), Fugenform DIN EN ISO 9692-2.3.3-135

Frage 6.5 

Wodurch werden während des Schweißens und des anschließenden Abkühlens Schweißeigenspannungen und Schweißverzug hervorgerufen? Welche Auswirkungen hat die Schweißnahtschrumpfung? Durch welche Maßnahmen lassen sich die Schweißeigenspannungen verringern? - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 6.1.3 und 6.2.5.

Antwort zur Frage 6.5 

Schweißeigenspannungen und Schweißverzug entstehen durch ungleichmäßige Erwärmung und plastische Formänderungen. Die durch den Schweißvorgang verursachten, örtlich konzentrierten thermischen Formänderungen werden durch angrenzende kalte Querschnittsteile sowohl beim Erwärmen als auch beim Abkühlen behindert, was zu plastischen Verformungen führt. In der erwärmten Zone entstehen durch Dehnbehinde-rung Druckspannungen, die sich beim Abkühlen in Zugspannungen umkehren. - Bezogen auf die Schweißnaht lassen sich am Schweißteil folgende Bewegungsrichtungen der Schrumpfung unterscheiden: Längsschrumpfung, Querschrumpfung, Dickenschrumpfung (ohne Bedeutung), Winkelschrumpfung. Eine Behinderung des Schweißverzugs kann durch steife Einspannung erfolgen, dies hat aber höhere Schweißeigenspannungen zur Folge. - Maßnahmen zur Verringerung der Schweißeigenspannungen sind: Einsatz von Werkstoffen mit geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, kleinem Streckgrenzenverhältnis, geringer Festigkeit und mit großem Formänderungsvermögen, Spannungsarmglühen (alle Spannungen, die oberhalb der Warmstreckgrenze liegen, werden durch plastisches Fließen abgebaut), Kaltverformen durch gezieltes Plastifizieren der Eigenspannungen (z. B. durch Überlast bzw. Prüfdruck bei Kranen bzw. Druckbehältern), Vibrationsentspannen, Oberflächenverformung (Erzeugung von Druckeigenspannungen, die den Zugeigenspannungen entgegen wirken, z. B. Kugelstrahlen, Hämmern), konstruktive Maßnahmen, (z. B. Nahtanhäufungen und Nahtkreuzungen vermeiden, Abkanten statt Schweißen), fertigungstechnische Maßnahmen (z. B. Verminderung des Wärmeeintrags, schrumpfgerechte Schweißfolge, schrittweises Schweißen).

Frage 6.6 

In geschweißten Bauteilen erreichen die Schweißeigenspannungen örtlich die Streckgrenze. Es ist kurz zu begründen, warum sie durch die Betriebskräfte überhaupt noch belastet werden können, ohne sofort zu versagen. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 6.1.3-3.

Antwort zur Frage 6.6 

Bei Baustählen mit ausreichend hohem Formänderungsvermögen (S235, S355) werden die lokalen Eigenspannungsspitzen durch plastisches Fließen gemindert. Bei dynamischer Belastung erübrigt sich die Berücksichtigung der Eigenspannungen, wenn die Kennwerte der Regelwerke (DS 952) an eigenspannungsbehafteten Proben ermittelt wurden. In der Schweißnaht selbst, als zuletzt erkaltetem Bereich, stellen sich Zugeigenspannungen ein. Ergibt die Belastung nur Druckspannungen, können die Eigenspannungen sogar als zusätzliche Sicherheit angesehen werden. Bei höherfesten Stählen sollten die Eigenspannungen bei der Festigkeitsberechnung berücksichtigt oder Maßnahmen des Eigenspannungsabbaus getroffen werden.

Frage 6.7 

Welche Bedeutung haben bei Schweißverbindungen die Bewertungsgruppen? Nach welchen Gesichtspunkten werden sie festgelegt. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 6.2.3-1.

Antwort zur Frage 6.7 

Für Unregelmäßigkeiten an Schweißverbindungen sind drei Bewertungsgruppen festgelegt und zwar niedrig (D), mittel (C) und hoch (B). Sie beziehen sich auf die Fertigungsqualität und gelten für die jeweilige Schweißnahtart. Sie sind eine Basis zur Gewährleistung vergleichbarer Anforderungen an die Schweißnaht als Verbindungselement und an den ausführenden Fertigungsbetrieb. - Bei der Festlegung der Bewertungsgruppen sind die konstruktiven Gegebenheiten, die nachfolgenden Verfahren, die Beanspruchungsart und Beanspruchnungshöhe, die Betriebsbedingungen, die Folgen beim Versagen der Schweißverbindung (Sicherheitsbedürfnis) und vor allem wirtschaftliche Faktoren zu berücksichtigen.

Frage 6.8 

An einer wechselnd beanspruchten Schweißkonstruktion mit starker Kerbwirkung treten bereits einige Monate nach der Inbetriebnahme Risse auf. Man bschließt, für ein Folgeteil nur den Werkstoff zu ändern. Statt dem bisherigen Werkstoff S235J2G3 soll ein hochfester Feinkornbaustahl eingesetzt werden. Die Entscheidung ist im Hinblick auf die Dauerhaltbarkeit des Bauteils zu beurteilen. - Lösungshinweise s. Lehrbuch Abschn. 6.2.5-4.

Antwort zur Frage 6.8 

Diese Maßnahme ist ungeeignet, da bei Schweißkonstruktionen mit wechselnder Beanspruchung und starker Kerbwirkung die zulässigen Spannungen kaum mehr von der statischen Festigkeit (Rm, Re) des Bauteilwerkstoffs abhängig sind. Abhilfe wäre durch Verbesserung der Schweißsicherheit (Konstruktion) und/oder der Schweißmöglichkeit (Fertigung) erreichbar.

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