Handbuch der Schweißtechnik: Band I: Werkstoffe

304 Pages·1980·25.541 MB·German

by  Dr.-Ing. Jürgen Ruge (auth.)

J. Ruge
Handbuch
der Schweißtechnik
Zweite, neubearbeitete Auflage
Band I: Werkstoffe
Mit 122 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1980
Dr.-Ing. J[RGEN RüGE
o. Professor, Direktor des Instituts für Schweißtechnik
und Werkstofftechnologie der TU Braunschweig
C!P-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Ruge, Jürgen:
Handbuch der Schweißtechnik j J. Ruge.
Bd. I. Werkstoffe. 2., neubearb. Auf!.
Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 1980
ISBN 978-3-662-31689-4 ISBN 978-3-662-31688-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-31688-7
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1980
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1980
Softcoverreprint ofthe bardeover 2nd edition 1980
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Aus dem Vorwort zur ersten Auflage
Die Abfassung eines Handbuches der Schweißtechnik ist in gewissem Sinne ein
Wagnis. Es handelt sich um ein so breites und komplexes Gebiet, das sich zudem
in ständiger Entwicklung und Expansion befindet, daß man aus verschiedenen
Gründen im Zweifel über die Zweckmäßigkeit eines solchen Vorhabens sein kann.
Aufgabe eines Handbuchs ist ganz allgemein eine möglichst umfassende Informa
tion über ein bestimmtes Fachgebiet. Hier liegt bereits insofern eine Schwierigkeit,
als die Schweißtechnik Anleihen bei zahlreichen Fachgebieten macht und es nicht
der Sinn eines schweißtechnischen Handbuches sein kann, auch die Nachbargebiete
handbuchartig zu erfassen. Andererseits existiert vielfach der Wunsch, sich an einer
Stelle konzentriert über das Gesamtspektrum des Gebietes Schweißtechnik infor
mieren zu können. Man mußte sich daher um einen Kompromiß bemühen, wofür
der Autor um Verständnis bittet. Die erste nunmehr vorliegende Auflage stellt
einen Versuch dar. Der eine oder andere Gegenstand mag zu ausführlich, andere
Punkte mögen nicht eingehend genug behandelt worden sein. Für Vorschläge in
dieser Richtung, die in einer späteren Auflage berücksichtigt werden könnten, wäre
ich dankbar.
Das Buch behandelt Werkstoff-, Verfahrens- und Fertigungsfragen. Auf die
Aufzählung verfahrensabhängiger Schweißdaten (Schweißparameter) wurde ver
zichtet, zumal sie an anderer Stelle leicht zu finden sind. Möglichst viele Angaben
sind mit Literaturzitaten belegt worden, um dem Interessenten das Auffinden er
gänzender Einzelheiten zu erleichtern. Andererseits war es nicht möglich, eine
auch nur annähernd vollständige Bibliographie der Schweißtechnik zu erstellen,
weil dies den gesteckten Rahmen unzulässig überschritten hätte und für das an
gestrebte Ziel eines informativen Handbuchs auch nicht erforderlich war.
Das Handbuch wendet sich, obwohl es der Anlage nach kein Lehrbuch ist, auch
an Studenten des Maschinenbaus, der Verfahrenstechnik und des Bauingenieur
wesens, die sich einen Überliek über die Fügetechnik -nicht lösbare Verbindun
gen - verschaffen wollen. Es soll aber vor allem dem in Betrieb, Entwicklung und
Forschung stehenden Ingenieur eine Hilfe sein.
Braunschweig, im Februar 1974 J. Ruge
Vorwort zu Band I der zweiten Auflage
Für die zweite Auflage wurde das Ziel, eine möglichst umfassende Information
über das Gesamtgebiet der Schweißtechnik auf begrenztem Raum zu vermitteln,
beibehalten. Die vollständige Überarbeitung beschränkte sich nicht darauf, Nor
men, Richtlinien und Merkblätter auf ihre Gültigkeit zu überprüfen. Vielmehr
erschien es zweckmäßig, den Text vielfach zu ergänzen und dabei den Stand der
Technik gebührend zu berücksichtigen.
Um die Handlichkeit des Werkes nicht unter der daraus resultierenden Um
fangsvermehrung leiden lassen zu müssen, empfahl sich eine Teilung in zwei Bände.
In dem hier vorliegenden Band I werden die Werkstofffragen behandelt. Erweitert
wurden die Abschnitte über die Anwendung der technischen Bruchmechanik und
über das Schweißen hochlegierter Stähle. Der Abschnitt über nichtmetallische
Werkstoffe wurde durch eine eingehendere Behandlung der Kunststoffe sowie
durch die Aufnahme weiterer Stoffe wie Glas, Keramik, Graphit und biologischer
Substanzen ergänzt.
Braunschweig, im Juni 1980 J. Ruge
Inhaltsverzeichnis
1 Begriff der Schweißbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Aufgliederung des Begriffs der Schweißbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Schweißeignung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 Schweißsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
I. 1.3 Schweißmöglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Einflußgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Der Werkstoff.......................................... 3
1.2.2 Fertigungsbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.3 Konstruktive Ausbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Gewährleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Gewährleistung der Schweißbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2 Bescheinigung über die Prüfung von Werkstoffen (Werksattest) 5
1.3.3 Beanstandungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Prüfung der Schweißbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.1 Prüfung der Härtbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.2 Prüfung der Alterungsempfindlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.3 Prüfung der Sprödbruchempfindlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.4 Prüfung der Rißanfälligkeit von Schweißgut und wärmebeein-
:flußter Zone (WEZ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.5 Prüfung der Rißzähigkeit hochfester Werkstoffe . . . . . . . . . . . . 17
1.4.6 Prüfung der Heißrißempfindlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5 Aussagen der Bruchmechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 Werkstoffbeeinflussung durch den SchweißprozeH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.1 Vorgänge bei Erwärmung und Abkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.1.1 Die Abkühlgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1.2 Ausbildung der Schweißnaht und Eigenschaften der wärme
beein:flußten Zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2 Vorgänge bei und nach Kaltverformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.1 Gefüge und Festigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
VIII Inhaltsverzeichnis
2.2.2 Eigenspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.3 Alterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.4 Rekristallisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.5 Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.6 Zusammenfassende Beurteilung des Schweißens an kaltverform-
ten Bauteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3 Wärmebehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.1 Vorwärmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.2 Spannungsarmglühen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.3 Weichglühen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.4 Normalglühen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.5 Härten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.6 Vergüten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3. 7 Aushärten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.8 Flammentspannen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3.9 Stabilglühen, Lösungsglühen, Diffusionsglühen, Blauwärme . . 51
3 Urnegierte Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1 Erschmelzungs- und Vergießungsart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.1 Erschmelzungsart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.2 Vergießungsart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2 Einfluß der Begleitelernente auf Festigkeit und Schweißeignung der
unlegierten Baustähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.1 Kohlenstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.2 Silizium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.3 Mangan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.4 Phosphor ................................. ·. . . . . . . . . . . . . 63
3.2.5 Schwefel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.6 Stickstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.7 Aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.8 Kupfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.9 Vanadin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3 Das Sprödbruchproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3.1 Werkstoffbedingte Faktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.2 Konstruktiv bzw. beanspruchungsbedingte Faktoren . . . . . . . . 68
3.4 Die Massenbaustähle nach DIN 17100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.4.1 Gewährleistung der Sprödbruchunempfindlichkeit . . . . . . . . . . . 71
3.4.2 Schweißeignung der Massenbaustähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.4.3 Auswahl der Stahlsorten und Gütegruppen nach DIN 17100 . 74
3.5 Feinbleche aus unlegierten Stählen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.6 Unlegierte Einsatz- und Vergütungsstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.6.1 Unlegierte Einsatzstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.6.2 Unlegierte Vergütungsstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3. 7 Unlegierte Rohrstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Inhaltsverzeichnis IX
3.7.1 Nahtlose Rohre 81
3.7.2 Geschweißte Rohre .................................... . 83
3. 7.3 Präzisionsstahlrohre .................................... . 83
3.7.4 Gewinderohre ......................................... . 83
3.7.5 Stahlmuffenrohre ...................................... . 84
3.7.6 Rohre für Fernleitungen ................................ . 84
3.8 Unlegierte Kessel- und Druckbehälterstähle .................... . 85
3.8.1 Einsatz unlegierter Stähle bei höheren Temperaturen ....... . 85
3.9 Schiffbaustähle, Schienenstähle, alterungsbeständige Stähle nach
DIN 17 135, Bewehrungsstähle nach DIN 488 ................... . 88
3.9.1 Schiffbaustähle ........................................ . 88
3.9.2 Schienenstähle ......................................... . 90
3.9.3 Alterungsbeständige Stähle nach DIN 17135 .............. . 91
3.9.4 Betonstahl ............................................ . 92
3.10 Perlitarme Feinkornstähle .................................... . 94
3.11 Zusatzwerkstoffe für unlegierte Stähle ......................... . 95
4 Niedriglegierte Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.1 Verwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.2 Einfluß der Legierungselemente auf die Werkstoffeigenschaften 97
4.2 Das Kohlenstoffäquivalent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.3 Das ZTU-Diagramm ......................................... 100
4.3.1 Das isotherme ZTU-Schaubild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.2 Das kontinuierliche ZTU-Schaubild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.3 Übertragung der aus dem ZTU-Diagramm gewonnenen Er-
kentnnisse auf die beim Schweißen ablaufenden Vorgänge ... 101
4.3.4 Die praktische Anwendung der ZTU-Schaubilder zur Beurtei
lung der Schweißbarkeit niedriglegierter Stähle . . . . . . . . . . . . . 104
4.3.5 Das STAZ-Schaubild .................................... 107
4.4 Die CTS-Probe von Cottrell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.5 Vorwärmtemperaturen und Energiezufuhr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.6 Legierungselemente und Schweißbarkeit ........................ 112
4. 7 Zusatzwerkstoffe für niedriglegierte Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.8 Schweißen der üblichen niedriglegierten Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.8.1 Niedriglegierte Einsatz- und Vergütungsstähle .............. 118
4.8.2 Niedriglegierte, hoch- und höchstfeste schweißbare Baustähle . 123
4.8.3 Niedriglegierte Kessel-, Rohr- und druckwasserstoffbeständige
Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.8.4 Niedriglegierte Flugzeugbaustähle ......................... 136
4.8.5 Niedriglegierte Tieftemperaturstähle ....................... 139
4.8.6 Kernreaktorstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.8.7 Wetterfeste Baustähle ................................... 142
X Inhaltsverzeichnis
5 Hochlegierte Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.1 Das Schaeffler-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.2 Ferritische Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.3 Austenitische Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.3.1 Metastabile austenitische Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.3.2 Stabile austenitische Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.4 Martensitische Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.5 Aushärtbare Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.6 Kaltzähe Tieftemperaturstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.7 Schweißverfahren für hochlegierte Stähle ........................ 163
5.7.1 Metallichtbogenschweißen mit Stabelektrode . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.7.2 Schutzgasschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.7.3 UP-Schweißen .......................................... 166
5.7.4 Gasschweißen .......................................... 166
5.8 Zusatzwerkstoffe für hochlegierte Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.9 Nachbehandlung ............................................. 167
6 Plattierte Stähle und Schweißplattierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.1 Plattierte Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.2 Schweißplattierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7 Eisen-Gußwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.1 Stahlguß .................................................... 171
7.1.1 Unlegierter Stahlguß .................................... 171
7 .1.2 Niedriglegierter Stahlguß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
7.1.3 Hochlegierter Stahlguß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
7.2 Temperguß ................................................. 179
7.2.1 Entkohlend geglühter (weißer) Temperguß (GTW) ........... 180
7.2.2 Nicht entkohlend geglühter (schwarzer) Temperguß (GTS) ... 180
7.3 Gußeisen mit Lamellengraphit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.3.1 Gußeisenschweißen mit Vorwärmen (Gußeisenwarmschweißen) 183
7.3.2 Gußeisenschweißen ohne Vorwärmen (Gußeisenkaltschweißen) 183
7.3.3 Legiertes Gußeisen mit Lamellengraphit ................... 185
7.4 Gußeisen mit Kugelgraphit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.4.1 Unlegiertes Gußeisen mit Kugelgraphit .................... 186
7.4.2 Legiertes Gußeisen mit Kugelgraphit ...................... 187
8 Nichteisenmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.1 NE-Schwermetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.1.1 Blei ................................................... 189
8.1.2 Gold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.1.3 Kobaltlegierungen ....................................... 190
8.1.4 Kupfer und Kupferlegierungen ........................... 191