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Maschinenelemente 1 - Einflussfaktoren einer Schweißnahtverbindung

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Maschinenelemente 1

Einflussfaktoren einer Schweißnahtverbindung

Wir werden nun die drei Einflussfaktoren näher untersuchen.

Werkstoffkennwerte der Naht

Im Bereich der Schweißnaht kommt es infolge des Schweißens zu einer Veränderung der Werkstoffkennwerte des Grundwerkstoffs. Im günstigen Fall liegt eine Verbindung vor, die die Ungleichung

$\sigma_{G Schweißnaht} > \sigma_{V Schweißnaht} $ 

erfüllt. Dies bedeutet, dass die zulässige Spannung über der auftretenden Spannung liegt. Oft ist es jedoch so, dass in Folge des Schweißens eine martensitische Versprödung in der wärmebeeinflussten Zone auftritt. Dann ändert sich die Ungleichung zu

$\sigma_{G Schweißnaht} \le \sigma_{V Schweißnaht} $.

Gleichzeitig treten auch Anrisse auf, wo zwischen Schweißnaht und Grundwerkstoff unterschiedliches Verformungsverhalten herrscht. Weil letzteres von der  Schweißverbindung, der Konstruktiven Gestaltung und der Belastungsrichtung abhängt, existieren für besonders wichtige Anwendungen Wöhler-Linien und Smith-Diagramme, die speziell auf Schweißverbindungen zugeschnitten sind. 

Qualität der Ausführung

Wie tragfähig eine Schweißverbindung in der Praxis wirklich ist, hängt nicht zuletzt von der Ausführungsklasse der Schweißnaht ab. Bei der Einteilung orientiert man sich an den Kriterien Durchführung und Prüfung des Schweißvorgangs, die beide einen Einfluss auf den Grenzwert haben. 

Man unterscheidet für gewöhnlich drei Güteklassen von Schweißvorgängen.

  • Güteklasse 1: Der Schweißvorgang wird von einem geprüften Schweißer durchgeführt, der seine Prüfung nicht im Werk abgelegt hat. Nach dem Schweißen erfolgt dann eine vollständige Schweißnahtprüfung mit Durchstrahlung, wie z.B. Ultraschallverfahren. Bei Bedarf werden die Nähte anschließend bearbeitet. 

$\rightarrow $ Schweißprofi

  • Güteklasse 2: Der Schweißvorgang wird auch hier von einem geprüften Schweißer durchgeführt, der seine Prüfung nicht im Werk abgelegt hat. Nach dem Schweißen erfolgt eine Prüfung, die aber nicht vollständig vollzogen wird. Auch werden die Schweißnähte nicht nachbearbeitet. Schweißarbeiten, die sich an dieser Güteklasse orientieren, sind der Normalfall in der Praxis. 

$\rightarrow $ Gelernter Schweißer, mit ausreichenden Schweißkenntnissen

  • Güteklasse 3: Hier werden weder der Schweißer noch die Schweißnaht einer Prüfung unterzogen. Die Ergebnisse sind vergleichsweise bescheiden. 

$\rightarrow $ Studentischer Praktikant, nach kurzer Einweisung vom Vorarbeiter. 

Um sich die Unterschiede der Güteklassen in Bezug auf ihre Festigkeit besser vor Augen halten zu können, ein kurzes Zahlenbeispiel:

Beispiel

Gegenüber Güteklasse 2 weist Güteklasse 1 eine 20%-höhere Festigkeit auf.
Gegenüber Güteklasse 1 weist Güteklasse 3 eine 50%-niedrigere Festigkeit auf. 

An diesen Unterschieden lässt sich bereits ermessen, dass bestimmte Bauteile nur einer bestimmen Klasse zuordnet werden könne. 

  • Eindeutig der Güteklasse 1 zuzuordnen sind: Kolbenstangen, Kranhaken, Turbinenläufer oder Druckbehälter
  • Der Güteklasse 2 können zugeordnet werden: Getriebegehäuse, Radkränze oder Behälter
  • In Güteklasse 3 finden sich einfachste Bauteile wie: Gestelle, Ständer oder Kästen.

Kerbwirkung der Naht

Infolge des Schweißvorgangs entstehen Eigenspannungen und Kerbwirkungen, wie sie Ihnen vielleicht aus der Fertigungstechnik bekannt sind. Eigenspannungen und Schweißverzug sind in erster Linie von der Bauteilgeometrie und dem Schweißverfahren abhängig. Dennoch können sie durch Anwendung von Schweißfolge-Technologien, also der Durchführungsreihenfolge, günstig beeinflusst werden. Eine Möglichkeit besteht darin, zuerst punktuell zu Schweißen [Heften] und anschließend durchzuschweißen.

Aus den gegebenen Einflüssen wurden anwendungsspezifische Berechnungsverfahren entwickelt, die teilweise genormt sind und unterschiedliche Regelungen beinhalten.  

Die Regelungen betreffen 

  • die Festlegung von $ \sigma_{zul} $ und $ \tau_{zul} $ 
  • die Vorschriften für die Auswahl der anzuwendenden Hypothese. 
  • die Höhe, der zu berücksichtigenden Sicherheiten.