Grundlagen der Schweißtechnik

Schweißen ist das Verbinden von Metallen gleicher oder ähnlicher Zusammensetzung unter Einwirkung von Wärme, mit oder ohne Zusatz von Metall gleicher oder ähnlicher Zusammensetzung. Durch Schweißen werden die Teile untrennbar miteinander verbunden, sodass eine einheitliche Ganzheit entsteht. Gutes Schweißen setzt eine innige Verbindung voraus, die nur dann erreicht wird, wenn an der Schweißstelle auch das Grundmaterial schmilzt (Schmelzzone).

Lichtbogenschweißen

Für Stahlkonstruktionen kommt in erster Linie das Lichtbogenschweißen in Betracht, bei dem die erforderliche Wärme durch einen elektrischen Lichtbogen erzeugt wird. Der Lichtbogen bildet sich zwischen dem Grundwerkstück und der sogenannten Elektrode, die dabei schmilzt und Zusatzwerkstoff liefert. Die richtige Auswahl des Zusatzwerkstoffs (der Elektrode) hat den größten Einfluss auf die Eigenschaften der Schweißverbindung. Die Elektroden werden nach den charakteristischen Festigkeiten des zu schweißenden Grundwerkstoffs ausgewählt. Die Auswahl der Elektroden und die Festlegung der Schweißbedingungen setzen Fachkenntnisse voraus, weshalb die Institution speziell ausgebildeter „Ingenieure, Spezialisten für Schweißtechnik“ geschaffen wurde, deren Aufgabe es unter anderem ist, die Schweißarbeiten zu überwachen und die Abnahmen der Schweißer regelmäßig zu wiederholen.

Gasschweißen und -schneiden

Beim Gasschweißen wird die erforderliche Wärme durch Verbrennung des Gases erzeugt, sodass Grund- und Zusatzwerkstoff schmelzen. Wichtiger ist das Schneiden. Der Schneidbrenner besitzt neben dem Heizrohr, das ebenso wie beim Schweißen arbeitet, noch ein Schneidrohr für Sauerstoff. Der mit der heißen Flamme erwärmte Stahl wird durchgebrannt und mit dem Sauerstoffstrom ausgeblasen. Das Schneiden liefert glatte und präzise Oberflächen, die für viele Zwecke von Stahlkonstruktionen ohne weitere Bearbeitung ausreichen.

Schweißbarkeit

Bei der Beurteilung von Schweißverbindungen ist zu berücksichtigen, dass sich während des Schweißprozesses die Zusammensetzung des Zusatzwerkstoffs ebenso wie des Grundwerkstoffs erheblich verändern kann. Von großer Bedeutung ist auch die Strukturänderung – zwischen der aufgeschmolzenen Schweißnaht und dem unveränderten Grundwerkstoff befindet sich, je nach Grad der Wärmeeinwirkung, eine Zone mit unterschiedlicher Struktur und damit unterschiedlichen Eigenschaften. An die Naht schließt sich der Bereich an, in dem der Grundwerkstoff aufgeschmolzen ist (Aufschmelzzone) und in dem die Verbindung zwischen Schweißzone und Grundwerkstoff erfolgt. Die umliegende Materialzone ist ebenfalls noch stark erwärmt, obwohl dort der Schmelzpunkt nicht mehr erreicht wird. In dieser Überhitzungszone treten erhebliche Strukturveränderungen auf, sodass sie oft entscheidend für die Eigenschaften der gesamten Schweißverbindung ist.

Unter Rissigkeit der Schweißnaht versteht man das Auftreten von Rissen in der Schweißnaht, die unmittelbar nach dem Schweißen noch bei hoher Temperatur oder erst beim Abkühlen im Bereich des Blauglühens (bei etwa 300°C) entstehen. Die Rissigkeit ist in hohem Maße eine Eigenschaft der Elektroden; sie tritt fast nur bei umhüllten Elektroden auf, wie sie gerade für Stahlkonstruktionen wichtig sind. Für das Auftreten von Rissen müssen zwei Bedingungen erfüllt sein, nämlich hohe Spannungen infolge des Schweißprozesses oder anderer äußerer Einwirkungen sowie eine Erhöhung der Steifigkeit des Materials.

Neben den metallurgischen Veränderungen in Zusammensetzung und Struktur des Materials sind auch physikalische Prozesse von Bedeutung, die mit den großen Wärmemengen zusammenhängen, die beim Schweißen dem Material zugeführt werden, sowie mit den dabei erreichten hohen Temperaturen. Die Erwärmung erfolgt nicht gleichmäßig, sondern nur in eng begrenzten Bereichen. Die mit der Erwärmung verbundene Wärmeausdehnung wird durch die innere Beanspruchung der erwärmten Zone durch das nicht erwärmte Material verhindert. Hinzu kommt eine äußere Beanspruchung, da die Teile beim Schweißen fest eingespannt werden müssen; daher treten beim Erwärmen plastische Stauchungen auf. Beim Abkühlen ziehen sich die Naht und ihre Umgebung am stärksten zusammen (Schwindung). Beim Abkühlen müssen infolge der verhinderten Dehnung Zwangsspannungen (Schwindspannungen) entstehen. Durch vorheriges Erwärmen der zu verschweißenden Teile auf 200 oC bis 300 oC kann die Abkühlung erheblich verlangsamt werden. Durch die verringerte Wirkung der Härtung entsteht eine bessere Gefügebildung, die Verhärtung bleibt geringer.

Werkstoffprüfung und Schweißarbeiten

Allgemeines: Da die Qualität der Schweißarbeiten von einer Reihe von Umständen abhängt und nicht zuletzt auch von der Geschicklichkeit und Zuverlässigkeit des Facharbeiters, ist eine genaue Überwachung und Prüfung aller Schweißarbeiten erforderlich. Zu den Prüfungen zählen jene zur Feststellung der Schweißfähigkeit von Materialien und Elektroden, zum Vergleich der Schweißbedingungen und Schweißverfahren für einen gegebenen Fall, Prüfungen von Proben usw.

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Abb. 1 - Biegeversuch der Schweißnaht

Biegeversuch der Schweißnaht: Dies ist der Biegeversuch eines einfach gelagerten Balkens mit rechteckigem Querschnitt (Abb. 1), bei dem eine halbkreisförmig bearbeitete Längsnut in der Zugfaser erneut mit einer Lage und zwar bei Raumtemperatur verschweißt wird. Die Schweißnaht bewirkt eine starke Verringerung der Verformbarkeit, so dass die Proben oft völlig spröde und plötzlich brechen. Der Biegewinkel ist bei dünnen Platten größer; er nimmt mit der Plattendicke ab.

Kerbschlagzähigkeit: Bei der Biegeprobe der Schweißnaht treten die Risse meist zuerst in der Schweißnaht auf, sodass ein spröder Bruch eintritt. Das Grundmaterial muss in der Lage sein, die plötzlich auftretende Belastung beim spröden Aufreißen der Schweißnaht aufzunehmen. Es ist zu fordern, dass sich der Riss in der Schweißzone nicht rasch durch das Grundmaterial ausbreitet, sondern nur langsam fortschreiten darf. Das Grundmaterial muss hinreichend zäh sein, um diese plötzliche Belastung aufzunehmen, und diese Fähigkeit muss auch bei niedrigen Temperaturen in ausreichendem Maße erhalten bleiben. Die Kerbschlagzähigkeit sowie andere mechanische Eigenschaften hängen in hohem Maße von der Temperatur ab, bei der die Probe durchgeführt wird. Bei niedrigen Temperaturen, z. B. unter 0 °C, kann sie auf einen Bruchteil des Wertes bei 20 °C absinken. Die Lage dieses plötzlichen Abfalls ist für die Beurteilung eines Materials wichtig. Für geschweißte Stahlkonstruktionen wird heute ein Material mit guter Alterungsbeständigkeit verlangt, d. h. mit hoher Kerbschlagfestigkeit bei Kaltverformungsproben.

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Abb. 2 - Verformung bei Spannungszuständen an Kerben

Härte: Große Bedeutung haben Härteerscheinungen in der Schweißzone. Wichtig ist die Kenntnis des Härteanstiegs, da die Dehnung beim Bruch mit zunehmender Härte rasch abnimmt (Abb. 3), während die Zugfestigkeit σB nahezu proportional zur Brinell-Härte HB ansteigt. Für Baustähle gilt näherungsweise σB = 0,36*HB. Ein Beispiel für die Härte der Hauptkantschweißnaht eines I-Trägers ist in Abb. 4 dargestellt. In der Übergangszone bestehen auf sehr kleinen Abständen große Härteunterschiede. Der Verlauf der Härte hängt von der gebildeten Struktur ab. Die σ-ε-l-Linie verändert sich mit der Härte ähnlich wie der Spannungszustand an einer Kerbe (Abb. 2).

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Abb. 3 - Brinell-Härte und Dehnung

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Abb. 4 - Härte im Schweißnahtbereich im Steg eines geschweißten I-Trägers

Zerstörungsfreie Prüfung fertiger Schweißverbindungen

Belüftung – Bei der Durchstrahlung kleiner Dicken kann das Röntgenbild auf einem Bildschirm sichtbar gemacht werden. Anstelle von Röntgenstrahlen können Gammastrahlen radioaktiver Stoffe verwendet werden. Das Röntgenbild erlaubt Rückschlüsse auf die Qualität der Schweißnaht. Eingeschlossene Schlacke oder Poren sowie Bindefehler und Risse können so festgestellt und gegebenenfalls beseitigt werden.

Magnetische Durchströmung – Im zu prüfenden Stahlteil wird ein Magnetfeld erzeugt, und dann ordnen sich die aufgebrachten Späne entsprechend dem Feld an. Aus eventuellen Unregelmäßigkeiten im Magnetfeld können Risse erkannt werden. Das Verfahren ist besonders wirksam zum Auffinden von Oberflächenrissen, jedoch relativ unempfindlich gegenüber Schlackeneinschlüssen und Poren sowie gegenüber Rissen im Inneren dickerer Bleche.

Ultraschallprüfung – Ultrakurze Schallwellen werden nicht nur an Grenzflächen, sondern auch an Trennflächen im Inneren reflektiert, wie z. B. an Rissen oder Doppellagen.