02 Schmelzschweißen/Gasschmelzschweißen Flashcards
(38 cards)
1
Q
Schmelzschweißen - Definition
A
Schmelzschweißen ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von (meist metallischen) Werkstoffen, wobei lokal die Solidustemperatur der Grundwerkstoffe überschritten wird.
2
Q
Schmelzschweißen - Bedingungen (4)
A
- Benötigt wird eine lokal wirkende Wäremequelle
- Die Bauteile müssen über den gesamten Verbindungsquerschnitt aufgeschmolzen werden
- Evtl. notwendiger Zusatzwerkstoff muss ebenfalls von der Wärmequelle aufgeschmolzen werden
- Heißes und flüssiges Metall reagiert mit dem Luftsauerstoff -> Abschirmung der Schmelze vor Umgebungsluft notwendig
3
Q
Charakteristika des Schmelzschweißens (8)
A
- Wärmequelle zum Aufschmelzen des Werkstoffs/der Werkstoffe
- Lokal begrenzter Wärmeeintrag ins Werkstück
- Ausbildung eines thermischen Feldes mit sehr hohen Temperaturgradienten
- Entstehung eines meist sehr kleinen Schmelzbades in Relation zur Werkstückgröße
- Hohe Erstarrungsgeschwindigkeit
- Umwandlungsvorgänge/Gefügemodifikationen des Grundwerkstoffs
- Änderungen der chemischen Zusammensetzung möglich (z.B. Aufmischung, Abbrand von Legierungselementen, Zusatzstoffe)
- Änderung der mechanisch-technologischen Eigenschaften des Grundwerkstoffs
4
Q
Gasschmelzschweißen - Verfahrensprinzip
A
- Als Energieträger zum Aufschmelzen von Grund- und Zusatzwerkstoff dient die bei der Verbrennung eines Sauerstoff-Brenngas-Gemisches freiwerdende Energie
- Sauerstoff und Brenngas werden über Druckminderer den Vorratsbehältern entnommen und durch separate Schläuche (Zusammengefasst im Schlauchpaket) einem Brennergriffstück zugeführt
- Das Brennergriffstück besteht aus Absperrventilen und einer Mischvorrichtung für die beiden Gase -> Bauart ist abhängig von der Art des Brenngases
- Gasgemisch wird über eine auswechselbare Schweißdüse bis zur Schweißstelle geleitet, wo es mit hoher Geschwindigkeit ausströmt -> Verbrennt vor der Düsenmündung
- Die hohe Ausströmgeschwindigkeit (höher als Flammengeschwindigkeit) verhindert einen Flammenrückschlag
- Flammrückschlagsicherung (unmittelbar vor dem Griffstück in der Brenngaszuleitung) schützt die Leitung zusätzlich vor Flammenrückschlag
5
Q
Gasschmelzschweißen - Vorteile (3)
A
- Mobil
- Geringe Anschaffungskosten
- Einfache Handhabung
6
Q
Gasschmelzschweißen - Nachteile (3)
A
- Geringe Energiedichte
- Schlecht automatisierbar
- Geringe Abschmelzleistung
7
Q
Gasschmelzschweißen - Brenner: Bestandteile (4)
A
- Griffstück
- Brennerhals
- Brennerdüse/Düsenmündung
- Schweißeinsätze
8
Q
Gasschmelzschweißen - Aufgabe des Schweißbrenners
A
Einstellung des Mischungsverhältnisses zwischen Sauerstoff und Brenngas, deren konstante Mischung sowie die Anpassung des Gasvolumenstromes an den Wärmebedarf der Schweißaufgabe
9
Q
Gasschmelzschweißen - Schweißeinsätze: Anpassung der Flammleistung
A
Kleine Flammenleistungen
- kleine Düsenbohrungen
- hohe Ausströmgeschwindigkeit
Größere Flammenleistungen
- größere Düsenquerschnitte
- hoher Volumenstrom
10
Q
Notwendige Bedingung für Flammrückschlagssicherheit
A
Ausströmgeschwindigkeit > Flammengeschwindigkeit
11
Q
Gasschmelzschweißen - Daumenregelen
- Größe des Schmelzbades
- Dicke Bleche
A
Die Größe des Schmelzbades ist der pro Streckeneinheit und Zeit zugeführten Wärmemenge in etwa proportional.
Je dicker die Bleche, umso mehr Wärmeenergie kann in den umgebenden Bauteilen aufgenommen werden.
- Für dickere Bleche wird mehr Wärmeenergie pro Streckeneinheit und Zeit benötigt
- Wärmeenergie wird beim Gasschweißen über die Menge des verbrannten Gases eingestellt
Zu beachten:
- Zu hohe Ausströmgeschwindigkeit: Abheben der Flamme von der Düsenmündung
- Zu kleine Ausströmgeschwindigkeit: Kann zu Flammrückschlag führen
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Q
Eigenschaften der Brenngase: Acetylen, Propan, Erdgas
A
Acetylen, Propan und Erdgas haben ungefähr denselben Brennwert -> Setzen bei der Verbrennung in etwa die gleiche Energiemenge frei
Acetylen kann unter vergleichbaren Bedingungen sehr viel höhere Flammentemperaturen und Flammenleistungen erreichen
- Grund: Sehr viel höhere Flammengeschwindigkeit des Acetylen-Sauerstoff-Gemisches
-> Höhere Flammengeschwindigkeit erlaubt es, über höhere Ausbreitungsgeschwindigkeiten vor der Düsenmündung erheblich mehr Brenngas zu verbrennen -> erreicht somit höhere Leistungsdichten
-> Aufgrund der hohen Flammenleistung und der hohen Flammentemperatur ist Acetylen das bevorzugte Brenngas in der Autogentechnik
13
Q
Flammeinstellung - Flammenarten
A
- Neutrale Flamme
- Reduzierende Flamme
- Oxidierend
14
Q
Flammeinstellung - Neutrale Flamme
A
- Schweißen von Stählen
- Aller Sauerstoff, der für die erste Verbrennungszone benötigt wird, wird aus der Sauerstoffflasche entnommen
- Flamme wirkt weder oxidierend noch reduzierend auf das Material
15
Q
Flammeinstellung - Reduzierende Flamme
A
- Geeignet für nicht-Eisen-Metalle
- Es kann zum Eintrag von unverbranntem Kohlenstoff in das Schmelzbad kommen -> Bei Gusseisenschweißen verhindert das die Entkohlung des Materials, Stähle können aufkohlen und aufhärten (i.d.R. unerwünscht)
- Einfluss auf metallurgische Eigenschaften der Schweißverbindung: Martensitbildung
16
Q
Flammeinstellung - Oxidierende Flamme
A
- Sauerstoffüberschuss in der ersten Verbrennungsstufe
- Höhere Wärmeeinbringung -> Steigerung der Schweißgeschwindigkeit
- Wird beim Schweißen von Messing eingesetzt
- Abbrand von Legierungselementen -> Schlackebildung
- Gefahr der Porenbildung -> Sauerstoff gelangt ins Schmelzbad und reagiert mit Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid. Bei schneller Erstarrung bleibt das CO in Form von Poren in der Naht eingeschlossen
17
Q
Gasschmelzschweißen - Gasdruck
A
Entsprechend der Anwendung, der zu schweißenden Blechdicke und der Viskosität der Schmelze, wird die Gasausströmgeschwindigkeit angepasst:
„Harte“ Flamme:
- Hohe Ausströmgeschwindigkeit
- Hohe Flammleistung
- Bis zu 200m/s
„Weiche“ Flamme:
- Geringe Ausströmgeschwindigkeit
- 80 – 130m/s
18
Q
Gasschmelzschweißen
- Wirkquerschnitt und Energiedichte
- Wäremtransportmechanismen
- Schweißbäder
A
- Gasschmelzschweißen: Flamme weist vergleichsweise großen Wirkquerschnitt bei relativ niedriger Energiedichte auf
- Wärmetransportmechanismen: Wärmeleitung und Konvektion (durch den Strömungsdruck der Flamme bewirkt) -> Großflächige Ausbreitung der Energie in den Grundwerkstoff -> Vergleichsweise große Schmelzbäder
- Schweißbäder können nur durch gezielte Variation der Wärmezufuhr und der Kühlung durch das Eintauchen des Schweißstabes unter Kontrolle gehalten werden
- Große Schweißbäder führen zu vergleichsweise hohem Verzug
19
Q
Gasschmelzschweißen - 2 verschiedene Arbeitstechniken
A
Bleche bis ca. 3mm Dicke: Nach-Links-Schweißen
- Schweißzusatz wird in Schweißrichtung gesehen vor der Flamme in das Schmelzbad gegeben
-> Schirmt den noch nicht aufgeschmolzenen Bereich der Schweißnahtvorbereitung von der unmittelbaren Flammeneinwirkung ab
-> Begrenzt den Einbrand in die Tiefe - Regelmäßiges Eintauchen des Schweißstabes in die Schmelze wird dieser nach und nach abgeschmolzen und gleichzeitig die Schmelze gekühlt -> Bleibt gut beherrschbar
- Leichtes Pendeln des Brenners nach links und rechts verteilt die Wärme und nimmt den Flammendruck von der Mitte des Schmelzbades -> Vermeiden des Absackens der Nahtwurzel
Bleche > 3mm Blechdicke: Nach-Rechts-Schweißen
- Schweißzusatz in Schweißrichtung gesehen hinter der nicht gependelten Flamme
- Hoher Strömungsdruck der Flamme
-> Tiefer Einbrand in den Grundwerkstoff
-> Wird beim vollständigen Aufschmelzen des Querschnitts als Schweißöse am vorderen Rande des Schmelzbades sichtbar - Schweißstab wird kreisend abgeschmolzen -> Begrenzt durch kühlende Wirkung die Breite der Naht
20
Q
Gasschmelzschweißen - Auswirkung der Energiedichte
A
Je größer die Energiedichte der Energiequelle, desto konzentrierter und lokaler erfolgt die Wärmeeinbringung
- Bei gleicher Leistung der Energiequelle muss weniger Material bis zum Aufschmelzen erhitzt werden -> Insgesamt benötigte Energiemenge sinkt
- Schmelzbäder bleiben schmaler und werden heißer, da die Schmelze zunehmend überhitzt
- Energiedichte kann auch durch den Abstand des Brenners zum Werkstück beeinflusst werden (Brenner weiter weg geringere Energiedichte)
21
Q
Gasschmelzschweißen - Auswirkung der Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs
A
Je größer die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs (und je größer die Temperaturdifferenz), desto schneller und weiter breitet sich die Wärme im Bauteil aus
- Wirkt dem Effekt einer höheren Energiedichte entgegen leitet die eingebrachte Energie weiter
- Maßgebliche Eigenschaft: Wärmeleitkoeffizient des Grundwerkstoffs
-> Je größer der Wärmeleitkoeffizient, desto schneller und weiter breitet sich die Wärme aus
-> Wärme verteilt sich auf ein größeres Volumen und Wärmeverluste werden größer -> Schmelzbäder werden breiter und „kälter“ - Je besser ein Werkstoff die Wärme leitet, umso höher müssen Energiedichte und Leistung der Wärmequelle sein.
22
Q
Wärmetransport - Einflussgrößen auf den Wärmetransportmechanismus
A
- Wärmetransportmechanismen hängen im Wesentlichen von der Energiedichte ab
- Schmelzfluss noch nicht erreicht: Ausschließlich Wärmeleitung im festen Material in die Tiefe des Materials
23
Q
Wärmetransport - Flüssige Phase
A
Energiedichte klein:
Wärmeleitung überwiegt -> Flache, breite Einbrände
Energiedichte höher:
Konvenktion zusätzlich zur reinen Wärmeleitung
- Konvektion: Wärmtransport durch Schmelzbadströmung
- Getrieben durch Temperaturgradienten oder durch mechanische Anregung des Schmelzbades (z.B. durch den Strömungsdruck der Energiequelle hervorgerufen)
- Schmelzbadströmungen transportieren heiße überhitzte Schmelze in die Tiefe des Bauteils, wo sie ihre Wärme abgeben und dort zusätzliches Material aufschmelzen
- Effektiver als reine Wärmeleitung -> höhere Einbrände
Energiedichte sehr hoch:
Lokales Verdampfen des Materials unter der Wärmequelle
- Entstehender Dampfdruck verdrängt das umgebende flüssige Metall und öffnet einen Kanal, über den die Wärmequelle sehr effektiv in die Tiefe vordringen kann
- Sehr tiefe und gleichzeitig schmale Nähte
- Tiefenwirkung ist verfahrenstechnisch begrenzt
24
Q
Wärmetransport - Schweißung besonders dicker Bleche
A
Sollen dickere Bleche verarbeitet werden, als es möglich ist in das Bauteil einzudringen, müssen andere Wege zum Transport der Wärme gefunden werden
- Nahtvorbereitung beim Schmelzschweißen: Erlaubt durch Wegnehmen von Material den direkten Angriff der Wärmequelle im Bereich der Nahtwurzel.
- Entferntes Material muss bei der Schweißung durch Zusatzwerkstoff wieder aufgefüllt werden
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Arbeitssicherheit - Gefährdungen aus dem Arbeitsumfeld und Schutzmaßnahmen (5)
- **Lärm**: Gehörschutz
- **Quetschen, Anstoßen**: Sicherheitsschuhe, Kopfschutz
- **Schneiden**: Handschuhe
- **Herumfliegende Teilchen**: Schutzbrille
- **Abstürzen**: Absicherung, Absturzsicherung
**Grundsätzlich**: Gefährdungen, wo möglich vermeiden, ansonsten Persönliche Schutzausrüstung (PSA)
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Arbeitssicherheit - Gefährdungen Schmelzschweißen allgemein und Schutzmaßnahmen (zus. zu Gefährdungen aus dem Arbeitsumfeld)
**Hitze**
- **Verbrennungen**: Schweißerschutzanzug, vor heißen Teilen warnen
- **Körperliche Belastung**: Arbeitsorganisation
**Strahlung**
- **Verbrennung**: Schweißerschutzanzug
- **Augenschädigung**: Schweißermaske, Schweißschirm
**Allgemeine Brandgefahr:**
- Schweißgenehmigung, Brandwache
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Arbeitssicherheit - Verfahrensspezifische Gefährdungen: Gasschmelzschweißen
**Brand- und Explosionsgefahr**
- Räume ausreichend lüften
- Gasflaschen in gut belüfteten Räumen lagern
- Nie mit reinem Sauerstoff belüften
- Keine Öle und Fette an Sauerstoff führende Teile bringen
- Acetylenflaschen nur stehend verwenden, Acetylendruck begrenzen
- Für Acetylen keine Kupfer oder Messing (> 70% CU) verwenden, Armaturen nicht mit Silberlot löten
- Flammrückschlagssicherungen und Gebrauchsstellenvorlagen verwenden
**Arbeitssicherheit**
- Vergiftungsgefahr durch CO -> ausreichend lüften
- Erstickung durch CO2 -> ausreichend lüften
- Schweißrauche
- Öle und Beschichtungen entfernen, lüften, Schweißräuche absaugen
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Arbeitssicherheit - Verfahrensspezifische Gefährdungen: Untere Explosionsgrenze
- 2,3% Acetylen in Umgebungsluft
- Wird diese überschritten, reichen bereits geringe Energien zur Zündung aus
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Gasschmelzschweißen - Flammrückschlagsicherung: Aufgaben (3)
- Vermeiden der Bildung von explosionsfähigen Gemischen in der Gasversorgung
- Löschen von Flammrückschlägen
- Löschen von Flammenrückbränden
Montage in der Entnahmestelle oder am Handstück
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Gasschmelzschweißen - Flammrückschlagsicherung: Funktion
**Verhinderung des Rückströmens von Gasen** (besonders Sauerstoff, der dem Handstück bei höheren Drücken zugeführt wird als das Brenngas) in den jeweils anderen Schlauch:
- Enthält ein **Rückschlagventil**, das anspricht, wenn sich die Fließrichtung des Gases umkehrt
Verhinderung des **Zurückschlagens oder -brennens der Flamme in die Schläuche**:
- **Zylinder aus porösem Stahl** -> Heiße Gase der Flamme werden so weit heruntergekühlt, bis sie nicht mehr in der Lage sind, das nachfließende Gas zu entzünden
- Flammsperre heizt sich dabei auf -> Nach gewisser Zeit kann sie ihre Funktion nicht mehr erfüllen
- Um in diesem Fall ein Weiterlaufen der Flamme zu verhindern, **schmilzt ein Kunststoffelement** und schließt ein **federbelastendes Absperrventil**, das den Gasnachfluss endgültig stoppt
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Weitere Anwendungsbereiche des Prinzips des Gasschmelzschweißens
- Autogenes Hartlöten/Flammlöten
- Autogenes Brennschneiden
-> Stahl wird durch die Flamme auf Entzündungstemperatur gebracht und dann durch einen konzentrierten Strahl in der Schnittzone verbrannt
- Fugenhobeln -> Erstellen von Nuten und Fugen (Prinzip wie Brennschneiden)
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Sicherheitsaspekte - Schweißen
**Sicherheitseinrichtungen** sind zum einen **direkt mit der Schweißausrüstung verbunden**, um im Falle eines technischen Fehlers **schwerwiegende Folgen zu verhindern**, andererseits zählt hierzu auch die **persönliche Schutzausrüstung** (PSA) des Schweißers, welche ihn **vor schädlichen Einflüssen des Schweißprozesses schützt**.
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Sicherheitsaspekte - Brenner
- In der Regel **Saugbrenner** -> Brenngas wird vom Sauerstoffgasstrom mitgerissen -> Zündreihenfolge beachten!
-> Erst Sauerstoff aufrehen, dann Acetylen
-> Beim Abstellen des Brenners umgekehrte Reihenfolge
- Acetylenbrenner weisen **verschiedene Griffstücke** auf, die für **unterschiedliche Gasdrücke und damit Blechdickenbereiche** geeignet sind. -> Auf korrekte Auswahl achten!
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Sicherheitsaspekte: PSA-Schutzbrille
Thermisch emittierte IR-Strahlung birgt die Gefahr einer schleichenden Trübung der Augenlinsen (Feuerstar). Im Gegensatz zur sehr intensiven UV-Strahlung beim Lichtbogenschweißen führt die IR-Strahlung, beispielsweise des glühenden Werkstücks nicht zu einem reflexartigen Verschließen der Augen.
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Sicherheitsaspekte: Gasflasche - Lagerung von Acetylen
- Explosionsartiges Zersetzen unter hohen Drücken -> Poröse Calciumsilicathydrat-Füllung um große Mengen bei niedrigen Drücken zu speichern.
- Bei Brand besonderes Vorgehen erforderlich, da Zersetzungsprozess zeitverzögert auftreten kann
- IGV Merkblatt zur Verhütung von Acetylenflaschen-Explosionen beachten
- Nicht in geschlossenen Räumen lagern
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Flammrichten
- **Formänderung durch schnelle lokale Erwärmung**
-> Schnelles lokales Erwärmen führt zur Absenkung der Streckgrenze und plastischer Verformung
- Anschließende Abkühlung und Schrumpfung führt zu gewünschter Verformung
- Anwendbar bei allen schweißgeeigneten Werkstoffen
- Anwendungsgebiete
-> Stahlbau
-> Maschinenbau
-> Schweißtechnik (Ausgleich von Schweißverzug)
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Brennschneiden/Fugenhobeln
**„Verbrennen“ des Werkstoffs zum Schneiden dicker Bleche**
- Material wird auf Zündtemperatur erwärmt
- Fokussierter Sauerstoffstrahl führt zum Verbrennen des Werkstoffs
- Verbrennungswärme führt zu selbstverstärkendem Effekt
- **Voraussetzungen:**
-> Tzünd < Tschmelz
-> geringe Wärmeleitfähigkeit
-> dünnflüssige Schlacke
- Materialien: Hauptsächlich Baustahl, reaktive Metalle
- Anwendung im Schiffbau, Stahlbau, Maschinenbau, Schweißtechnik (Nahtvorbereitung)
**Autogenbrennschneiden und Fugenhobeln vom Prinzip gleicher Prozess**
- Allein Brenneranstellung macht den Unterschied
- Fugenhobeln: Brenner wird fast parallel zur Werkstückoberfläche angestellt geringer Einbrand und definierter Materialabtrag
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Flammwärmen
**Thermische Vor- und Nachbehandlung** des Bauteils
- Örtliche Warmformgebung
- Vor- und Nachwärmen beim Schweißen z.B. um Aufhärtung zu vermeiden
- Glühbehandlung z.B. um Wasserstoffeffusion bei hochfesten Stählen zu ermöglichen
