Wärmewirkungen des Schweißens

Die nachfolgende Abhandlung über Wärmewirkungen des Schweißens bezieht sich auf Temperaturfelder, Eigenspannungen und Verzug beim Schweißen und thermischen Schneiden. Schweißen ist das unlösbare Verbinden oder Beschichten von Bauteilen oder Grundwerkstoff unter (meist lokaler) Anwendung von Wärme oder Druck, ohne oder mit Zusatzwerkstoff (siehe DIN 1910 [251]). Das Verbinden geschieht vorzugsweise im plastischen oder flüssigen Zustand der Schweißzone. Thermisches Schneiden ist das Trennen von Bauteilen oder Grundwerkstoff unter lokaler Wärmewirkung. Die nachfolgende Abhandlung bezieht sich vornehmlich auf (Gas- und Lichtbogen-) Schmelzschweißverbindungen (Schweißnähte) sowie auf (Widerstands-) Preßschweißverbindungen (Schweißpunkte). Daneben sind Reib-und Bolzenschweißverbindungen, Plattierungen und Brennschnitte berücksichtigt.

Ursache der Schweißeigenspannungen und des Schweißverzuges ist die örtlich und zeitlich konzentriert eingebrachte Wärme, mit der an der Schweißstelle eine Schmelzzone erzeugt wird (Schmelzschweißen). Bei Hinzunahme örtlich plastifizierenden Druckes genügt auch Erwärmung bis knapp unterhalb der Schmelztemperatur (Preßschweißen). Nur in Sonderfällen wird allein unter örtlichem Druck kaltgeschweißt. Die hohe Wärmekonzentration ist notwendig, weil metallische Werkstoffe die Wärme rasch ableiten. Die Temperaturfelder beim Schweißen sind somit äußerst inhomogen und instationär. Die Grundtemperatur des Bauteils liegt im ungünstigsten Fall bei — 40°C (starker Frost), die örtliche Höchsttemperatur im Schweißbad bei der Verdampfungstemperatur des Werkstoffs (bei Stahl etwa 3 000°C). In diesem Temperaturbereich schmelzen Grund- und Zusatzwerkstoff, verlaufen metallurgische Vorgänge im Schweißbad, erstarren und rekristallisieren Werkstoffbereiche und finden Gefügeumwandlungen während der Erwärmung und Abkühlung statt. Das Temperaturfeld bestimmt daher die Schweißeigenspannungen nicht nur direkt über die Wärmedehnungen, sondern auch indirekt über die Umwandlungsdehnungen der Zustands- und Gefügeänderungen, Bild 2. Das Temperaturfeld ist in beiderlei Hinsicht zu bewerten. Es ist darüber hinaus bei Werkstoff- und verfahrenstechnischen Fragen von Interesse.

Kennzeichnend für die anwendungsnahe Analysis der Schweißeigenspannungen und des Schweißverzugs ist die entkoppelte Darstellung der thermischen, mechanischen und gefügeändernden Vorgänge (veranschaulicht durch die ausgezogenen Pfeile in Bild 2). Ausgangsbasis ist das rechnerisch oder experimentell bestimmte Temperaturfeld beim Schweißen sowie die durch das Temperaturfeld verursachten Gefügeänderungen (dargestellt in Kapitel 2).

Schweißeigenspannungen wirken sich je nach Art, Vorzeichen, Richtung und Verteilung negativ oder positiv auf die Festigkeit des Bauteils aus. Dreiachsige Zugeigenspannungen im Verbund mit rißartigen Fehlstellen begünstigen den Sprödbruch. Ein- oder zweiachsige Zugeigenspannungen vermindern die Korrosionsfestigkeit und erhöhen die Instabilitätsgrenze, Druckeigenspannungen verbessern die Schwingfestigkeit. Einzelheiten dazu werden in Kapitel 5 und in [362] (dort Abschnitt 2.3.2 und 3.4) mitgeteilt. Bauteile mit Schweißeigenspannungen können sich während nachfolgender Bearbeitung, Auslagerung und Betriebsbelastung verziehen. Besonders störend ist das Rückfedern beim spanenden Bearbeiten. Schweißverzug vermindert Schwingfestigkeit und Traglast. Auch vorgeschriebene Fertigungstoleranzen können durch Schweißverzug überschritten werden. Es ist daher notwendig, Schweißeigenspannungen und Schweißverzug klein zu halten bzw. nach bestimmten Gesichtspunkten (soweit möglich) zu steuern.

Das als Schweißen bezeichnete unlösbare Verbinden bzw. Beschichten von Bauteilen bzw. Werkstoffen hat ausreichende Festigkeit der Verbindung zum Ziel. Unter Festigkeit versteht der Ingenieur den Widerstand des Bauteils gegenüber funktionsstörenden Versagensmöglichkeiten wie mangelnde Steifigkeit, lokales oder globales Fließen oder Kriechen, Instabilitätserscheinungen (Knicken, Kippen, Beulen, Durchschlagen), Rißbildung (Heiß- und Kaltrisse), Bruchvorgänge (Zähbruch, Sprödbruch, Kriechbruch, Ermüdungsbruch), Verschleiß und Korrosion [361].