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Maschinenelemente 1 - Grenzspannung und Sicherheit einer Schweißverbindung

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Maschinenelemente 1

Grenzspannung und Sicherheit einer Schweißverbindung

Inhaltsverzeichnis

Die zulässige Spannung für Schweißnähte wird beim allgemeinen Spannungsnachweis nach DIN18800, DS952 und 15018 bestimmt. Für statische Beanspruchungen gilt dabei:

Methode

Hier klicken zum Ausklappenstatische Beanspruchungen: $\sigma_v \le \sigma_{zul} = \frac{R_{eH}}{\vartheta} $

Dabei stellt $\vartheta $ die zu berücksichtigende Sicherheit dar. Der Wertebereich für die Sicherheit liegt dabei zwischen $ 2 \le \vartheta \le 4 $.

Soll jedoch ein Festigkeitsnachweis für eine dynamische Beanspruchung durchgeführt werden, so hat sich im allgemeinen Maschinenbau durchgesetzt, dass die Beanspruchungen aufgeteilt werden. Man unterscheidet zwischen dem Mittelanteil $\sigma_m $ und dem Ausschlaganteil $\sigma_a $.
Vorzugsweise kann man hierfür Dauerfestigkeitsschaubilder heranziehen, die für verschiedene Schweißfälle erstellt wurden.

In der nachfolgenden Abbildung siehst du eine schematische Darstellung eines Dauerfestigkeitsschaubildes für eine Schweißnaht und im Vergleich dazu eines zugehörigen Grundwerkstoffs.

Smith-Diagramm für eine Schweißnaht
Smith-Diagramm für eine Schweißnaht

 

Man sieht direkt, dass die Dauerfestigkeit einer Schweißnaht viel geringer ist, als die des zu verschweißenden Grundwerkstoffs.

Merke

Hier klicken zum AusklappenAus diesem Grund orientiert sich der Maschinenbauer an den Grenzwerten der Schweißnaht, bei verschweißten Bauteilen und nicht an denen des Grundwerkstoffs.

SMITH-Diagramme

Diese SMITH-Diagramme  sind exemplarisch für zwei Fälle dargestellt. 

Im ersten Diagramm siehst du das SMITH-Diagramm für den Baustahl S235JR (alt: St37) mit den zugehörigen Werten.

 

Smith-Diagramm für eine Schweißnaht des Werkstoffs S35JR
Smith-Diagramm für eine Schweißnaht des Werkstoffs S35JR

In diesem Diagramm wurde eine Sicherheit von $\vartheta = 1,5 $ eingezeichnet und eine Qualifikation nach Kerbfällen $ K = 1, 2, 3, 4 $ vorgenommen worden. Die ertragbare Ausschlagspannung ist dabei um Verformungsbehinderungen und Eigenspannungen vermindert.  

Methode

Hier klicken zum AusklappenEine Darstellung der Kerbfälle findest du am Ende dieses Kurstextes.

Im zweiten Diagramm siehst du das SMITH-Diagramm für unlegierten Baustahl S355 (alt: St52). Dieser Stahl besitzt eine besonders gute Schweißbarkeit.  

Smith-Diagramm für eine Schweißnaht des Werkstoffs S355
Smith-Diagramm für eine Schweißnaht des Werkstoffs S355

Die abgebildeten Grenzkurven geben Hinweise auf die Konstruktion von Dauerfestigkeitsschaubildern anderer Werkstoffe. Dabei gilt es jedoch zu beachten, wie die Fließfestigkeit und damit Anwendung der beschriebenen Festigkeitshypothese beschaffen ist. 

Kerbfälle

Wie oben bereits angeschnitten, können die Kerbfälle einen Wert zwischen $ K = 1, 2, 3, 4 $ annehmen, wie diese Aussehen können, zeigen die folgenden Abbildungen.

Einordnung typische Schweißnahtkonstruktionen in Kerbfälle (Auswahl)
Einordnung typischer Schweißnahtkonstruktionen in Kerbfälle (Auswahl)

 

Einordnung typische Schweißnahtkonstruktionen in Kerbfälle (Auswahl)
Einordnung typischer Schweißnahtkonstruktionen in Kerbfälle (Auswahl)