Elektrische Schweißtechnik

324 Pages·1943·21.04 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Paul Schimpke, Ober-Ing. Hans A. Horn (auth.)

Praktisches Handbuch der
gesamten Schweißtechnik
Von
Prof. Dr.-Ing. Paul Schimpke und Ober-Ing. HansA. Horn
Direktor der Staat!. Akademie für Technik Direktor der Schweißtechnischen Lehr-und
Chemnitz Versuchsanstalt Berlin
Zwei ter Band
Elektrische Schweißtechnik
Dritte
neubearbeitete und vermehrte Auflage
Mit 401 Textabbildungen
und 30 Tabellen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
1943
Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung
in fremde Sprachen, vorbehalten.
ISBN 978-3-662-37628-7 ISBN 978-3-662-38415-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-38415-2
V orwort zur ersten Auflage.
Die Aufgabe, welche die Verfasser sich bei der Niederschrift des ersten Bandes
(Autogene Schweiß- und Schneidtechnik) gestellt hatten, nämlich den Inhalt
übersichtlich anzuordnen und ohne weitgehende theoretische Erörterungen die
Praxis des Schweißens in allen Einzelheiten und für jeden auch weniger vor
gebildeten Handwerker leichtverständlich und sachlich zu behandeln, ist bei
dem vorliegenden zweiten Bande weiterverfolgt worden. Im Hinblick auf die
vielseitigen elektrotechnischen Fragen, die bei elektrischen Schweißmaschinen
und dem Elektroschweißen selbst auftreten, ließen sich allerdings wissenschaft
liche Einfügungen nicht vermeiden, um so weniger, als auch der Ingenieur und
Meister dem Buch die für sie notwendigen Unterlagen sollen entnehmen können.
Um beiden Teilen gerecht zu werden, wurden die elektrischen Grundgesetze
und die Eigenschaften des Lichtbogens in einer für die Kenntnis der Schweiß
verfahren ausreichenden Weise besprochen. Der Leser, der sich weiter in das
Gebiet der elektrischen Starkstromtechnik vertiefen will, muß auf die diesbezüg
liche reichhaltige Literatur ve'rwiesen werden. Damit der vorliegende Band ein
in sich abgeschlossenes Ganzes bildet, sind einige allgemeine Abschnitte des ersten
Bandes, wie "Allgemeines über Schweißen", "Die sonstigen neueren Schweiß
verfahren" und "Die wichtigsten Eigenschaften der schweißbaren Metalle" un
verändert bzw. ergänzt übernommen worden.
Die elektrischen Schweiß verfahren , insbesondere die Lichtbogenschweißung,
befinden sich im Zustande einer fortwährenden Entwicklung, so daß im Augen
blick als unwahrscheinlich Bezeichnetes schon in kurzer Zeit zur Tatsache ge
worden sein kann. Es sei nur an die Wechselstrom-Lichtbogenschweißung erinnert,
die noch vor wenigen Jahren fast allgemein abgelehnt wurde. Um diesen Verhält
nissen Rechnung zu tragen, wurde insbesondere den Angaben praktisch ermittelter
Werte und den Fragen konstruktiver Ausgestaltung der Maschinen weitgehend
Platz eingeräumt, sowie in einem Nachtrage. noch auf einige der wichtigsten
letzten Neuerungen hingewiesen.
Es wäre sehr zu begrüßen, wenn fachmännische Kreise Anregungen zur stoff
lichen Ausgestaltung und Verbesserung des vorliegenden Buches geben würden,
da durch das Zusammentragen umfassender praktischer Erfahrungen auf dem
jungen Gebiet der Elektroschweißung der Sache selbst wie dem Ingenieur und
Schweißer am besten gedient wird.
Chemnitz-Berlin, im April 1926.
Schimpke. Horn.
V orwort zur dritten Auflage.
Um vielfach geäußerten, dringenden Wünschen zu entsprechen, mußte die ur
sprüngliche Absicht, den seit zwei Jahren vergriffenen zweiten Band dieses Hand
buches erst nach dem Kriege wieder erscheinen zu lassen, aufgegeben werden.
Dem 'dankenswerten Bemühen des Springer-Verlages gelang es, die verbesserte
und erweiterte Neuauflage trotz der Kriegsschwierigkeiten in bewährter Aus
stattung herauszubringen.
Entsprechend der stetigen Entwicklung der Elektroschweißtechnik waren
einige Umstellungen und Ergänzungen notwendig. Inzwischen Überaltertes mußte
durch zeitgemäße Darstellungen abgelöst werden, wobei die Wichtigkeit der Licht
bogenschweißung als Technik besonders betont wurde. Andrerseits konnten die
Abschnitte, die sich mit der Widerstandsschweißung befassen, zum Teil gekürzt
werden, weil sich zwei letzthin erschienene Sonderschriften mit diesem Gebiet
ausschließlich und eingehend beschäftigen. Auf die neuesten Steuerungsmöglich
keiten bei Widerstandsschweißmaschinen wurde deshalb auch nur insoweit ein
gegangen, als sie für das Verständnis der oft verwickelten Vorgänge erforderlich
sind, ohne umfassende Kenntnisse auf dem Gebiete der elektrischen Starkstrom
technik vorauszusetzen.
Im Abschnitt "Lichtbogenschweißung" wurden die Schweißaggregate, selbst
tätige Schweißmaschinen, der Vorrichtungsbau und einige andere Kapitel neueren
praktischen Gesichtspunkten angepaßt und das inzwischen in größerem Ausmaße
angewendete Nichteisenmetallschweißen mehr als bisher herausgestellt. Wegen der
Wichtigkeit der Schweißspannungen und ihrer Auswirkungen und der Vergütung
der Rohschweiße wurde diesen Ausführungen mehr Raum gegeben. Dies trifft
auch für die Abschnitte "Konstruktion und Berechnung geschweißter Bauteile"
zu, die erweitert und gebietsmäßig unterteilt worden sind, ebenso für den Abschnitt
"Die Güte der Schweißnaht und ihre Prüfung".
Wir geben der Hoffnung Ausdruck, daß auch diese Auflage bei Lehrenden und
Lernenden, wie bei der Fachwelt ganz allgemein die gleich günstige und freund
liche Aufnahme finden möge, wie es bei der vorigen der Fall war, und daß sie an
ihrem Teil zur siegreichen Beendigung unseres deutschen Daseinkampfes beitrage.
Chemnitz-Berlin, im Januar 1943.
Schimpke. Horn.
Inhaltsverzeichnis.
Seite
I. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . .. 1
A. Allgemeines über Schweißen und elektrische Schweiß verfahren .. 1
Zusammenfügungsarbeiten S. 1. - Begriff des Schweißens S. 1. - Arten der
Schweißverfahren S. 1. - Wesen und Arten der elektrischen Schweißver
fahren S. 1.
B. Die sonstigen neueren Schweißverfahren . . . . . . . . . . . . .. 2
Die Wassergasschweißung S.2. - Die Thermitschweißung S. 3. - Die Gas
schmelzschweißung S.7.
C. Elektrische Grundlagen. . . . . . . 10
1. Wichtige elektrische Maßeinheiten. . . 10
2. Leitungswiderstand und Wärmewirkung . . . . . 11
3. Allgemeines über die Stromquellen elektrischer Schweißanlagen 13
D. Überblick über die elektrischen Schweißverfahren und ihre Ein-
richtungen . . . . . . . . . 18
1. Widerstandsschweißverfahren 18
2. Lichtbogenschweißverfahren 19
3. Schweißen durch Elektrolyse 20
E. Die wichtigsten Eigenschaften der schweißbaren Metalle 21
1. Allgemeiner Überblick . . . . . . . . . 21
2. Besonderes über Stahl und Eisen .... 24
3. Grundlagen der Metallographie des Eisens 28
4. Besonderes über die Nichteisenmetalle. 33
H. Die Widerstandsschweißverfahren 37
A. Allgemeines.. . . . . . . 37
B. Stumpfschweißung .... 38
1. Schweißbarkeit der Metalle. 38
2. Stumpfschweißmaschinen . . 39
3. Die Technik der Stumpfschweißung . 41
a) Vorarbeiten ..... 41
b) Das Schweißen selbst. 42
c) Das Abbrennverfahren 45
C. Punktschweißung .... 47
1. Schweißbarkeit der Metalle . 47
2. Punktschweißmaschinen '.' 47
a) Die elektrische Einrichtung der Maschinen 47
b) Die mechanische Einrichtung der Maschinen 48
3. Die Technik der Punktschweißung 50
D. Rollennahtschweißung .. 56
1. Schweißbarkeit dcr Metalle. . . . 56
2. Rollennahtschweißmaschinen . . . 56
a) Die elektrische Einrichtung der Maschinen 56
b) Die mechanische Einrichtung der Maschinen 57
3. Die Technik der Nahtschweißung .. 59
E. Das Weibel- oder Fesa-Verfahren '. 63
VI Inhaltsverzeichnis.
Seite
ID. Die Lichtbogenschweißung 65
A. Der Lichtbogen und seine Eigenschaften 65
1. Die Metall-Lichtbogen 65
a) Der Gleichstrombogen ... . 65
b) Der Wechselstrombogen .. . 68
2. Werkstoffübergang im Lichtbogen 70
3. Der Kohlelichtbogen ..... . 72
B. Die Einrichtungen für die Lichtbogenschweißung 74
1. Die Stromquelle~ ........ . 74
a) Allgemeiner Uberblick . . . . . . 74
b) Anforderungen an die Stromquellen 74
c) Verwendung von Netzstrom ... 76
d) Gleichstromschweißumformer . . . 78
e) Schweißumspanner mit einphasigem Anschluß 84
f) §chweißumspanner mit dreiphasigem Anschluß 88
g) Außeres und mechanische Ausführung der Umformer 92
h) Betriebstechnische Erläuterungen . . . . . . . . 97
2. Selbsttätige Schweißeinrichtungen (Schweißautomaten) 97
a) Allgemeines . . . . . . . . . . . . . 97
b) Einrichtungen für den Kohlelichtbogen 99
c) Einrichtungen für den Metallichtbogen . 102
d) Das Ellira-Verfahren . . 105
e) Das Kael-Verfahren ..... 107
3. Das Schweißzubehör . . . . . . 108
a) Meß- und Regeleinrichtungen . 108
b) Schweißkabel . . . . . . .. . . 109
c) Elektrodenhalter und Klemmen . 110
d) Strahlungsschutz und Bekleidung 112
4. Die Schweißwerkstatt . 115
5. Die Schweißelektroden 116
a) Kohleelektroden . . 116
b) Metallelektroden . . 117
C. Die Technik der Lichtbogenschweißung. 124
1. Einwirkung des Lichtbogens auf die Schweiße 124
a) Kohlelichtbogen . . . . . . . . . . . . . 124
b) Metallichtbogen . . . . . . . . . . . . . 124
2. Grundsätzliches über die Schweißung. von Stahl. 134
a) Die Vorbereitung des Werkstücks ..... . 134
b) Die Schweißung von Stahlblechen ..... . 137
c) Schrumpfungen und Spannungen ...... . 144
d) Nachbehandlung und Vergütung der Stahlschweiße 154
e) Die Berechnung von Schweißverbindungen ... 159
f) Das Messen von Schweißnähten. . . . . . . . 168
3. Wichtige Anwendungsgebiete der Stahlschweißung . 170
a) Schweißvorrichtungen . . 170
b) Rohrschweißung ..... 172
c) Behälter- und Kesselbau 177
d) Maschinenbau ..... . 189
e) Fahrzeugbau ..... . 198
f) Schiffbau . . . . . . . . 202
g) Stahl-, Stahlhoch- und Brückenbau 208
4. Die Schweißung von Stahlguß . . . 216
5. Die Schweißung von Sonderstählen 218
6. Die Schweißung plattierter Bleche . 227
7. Schweißung von Gußeisen. 229
a) Die Kaltschweißung . 229
b) Die Warmschweißung . 235
Inhaltsverzeichnis. VII
Seite
8. Die Schweißung der Nichteisenmetalle 242
a) Kupfer und seine Legierungen .. 243
b) Nickel und seine Legierungen. . . 249
. c) Blei ............. . 249
d) Aluminium und seine Legierungen. 250
IV. Die gas· elektrischen Schweißverfahren 254
A. Das Alexander-Verfahren . . . 255
B. Das Arcatomverfahren ..... 256
C. Das Arcogen-Schweißverfahren 259
V. Das elektrische Schneiden ..... . 260
VI. Elektrisches Unterwasserschweißen und -schneiden 261
Vll. Die Güte der Schweißnaht und ihre Prüfung . . . 263
A. Allgemeiner überblick. . . . . . . . . . . 263
B. Prüfungen ohneZerstör.ung der Schweißnaht 264
C. P:J;üfungen mit Zerstörung der Schweißnaht. 271
1. Festigkeitsprüfungen . . . . 271
2. Festigkeitsergebnisse . . . . 279
3. Metallographische' Prüfungen. 286
4. Chemische Prüfungen. . . . 291
D. Untersuchung von Schweiß spannungen 293
Vill. Leistungen und Kosten der elektrischen Schweißverfahren . 296
A. Widerstandsschweißungen ....... . 296
B. Lichtbogenschweißungen 299
C. Schweißen gegenüber Nieten und Gießen 306
IX. Förderung des elektrischen Schweißens . 307
Sachverzeichnis ............. . 312
Zeichen und Abkürzungen.
Abb. = Abbildung at = Atmosphäre kWh = Kilowattstunde
bzw. = beziehungsweise atü = Atmosphären s = Sekunde
d. h. = das heißt Überdruck min = Minute
s. = siehe 10 = 1 Grad Celsius h = Stunde
sog. = sogenannt 1" = 1 Zoll englisch mm = Millimeter
u. dgl. = und dergleichen vH = vom Hundert mm2 = Quadratmilli
usw. = und so weiter (Prozent) meter
z. B. = zum Beispiel RM. = Reichsmark m = Meter
... = bis V = Volt mS = Kubikmeter
DRP. = Deutsches A=Ampere I = Liter
Reichspatent kVA = Kilovoltampere kg = Kilogramm
WE = Wärmeeinheit kW = Kilowatt t = Tonne
I. Einleitung.
A. Allgemeines übf'r Schweißen und elektrische
Schweißverfahren.
Zusammenfügungsarbeiten. Das elektrische Schweißen gehört zu den Zu
sammenfügungsarbeiten. Unter diesen verstehen wir lösbare oder unlösbare Ver
bindungen zweier oder mehrerer Metallstücke. Die lösbaren Verbindungen sind in
der Hauptsache die Verschraubungen und die Keilverbindungen. Zu den nicht
lösbaren oder starren Verbindungen sind vor allem die durch Falzen, Nieten, Löten
und Schweißen entstandenen zu rechnen. In Wettbewerb stehen hier miteinander
Nieten, Löten und Schweißen. Das Nieten erfordert zunächst Herstellung der
Nietlöcher und Niete und dann die eigentliche Nietarbeit einer Nietkolonne von
3···5 Mann. Beim Löten, der dem Schweißen verwandtesten Verbindungsart, wird
zur Zusammenfügung der Metallstücke das Lot, ein leicht schmelzbares Metall
oder eine Legierung (ein Gemisch mehrerer Metalle), benutzt. Beide Verbindungs
arten werden heute bei den meisten schweißbaren Metallen mehr und mehr durch
das Schweißen verdrängt.
Begriff des Schweißens. Man versteht unter Schweißen eine Zusammenfügung
zweier ähnlich zusammengesetzter Stofft eile derart, daß die Verbindungsstelle mit
den beiderseits benachbarten Teilen ein möglichst homogenes (gleichartiges)
Ganzes bildet. Man unterscheidet in der Hauptsache zwischen Preßschweißung,
bei der die Zusammenfügung der beiden Stofft eile unter Anwendung von Druck
in teigigem Zustande vor sich geht, und Schmelzschweißung, bei der sich die
Vereinigung in flüssigem Zustande der SchweißsteIle, im allgemeinen ohne An
wendung von Druck und mit oder ohne Hinzufügung neuen Werkstoffs, vollzieht.
Arten der Schweißverfahren. In der vorstehenden Begriffsbestimmung des
Schweißens sind bereits zwei neugeprägte Ausdrücke, Preßs chweißung und
Schmelzschweißung, benutzt worden, die heute allgemein Anwendung finden.
Unter weiterer Benutzung dieser Ausdrücke ergibt sich folgende Einteilung der
Schweißverfahren :
l. Preßschweißung (Druckschweißung, teigiger Zustand des Werkstoffs):
a) Hammerschweißung (als Koksfeuer- oder Wassergasschweißung) ;
b) elektrische Widerstandsschweißung;
c) Thermitpreßschweißung ;
2. Schmelzschweißung (flüssiger Zustand des Werkstoffs):
a) Gasschmelzschweißung (autogene Schweißung);
b) Elektroschmelzschweißung (elektrische Lichtbogenschweißung);
c) gas-elektrische Schweißung (Arcatom- und Arcogenschweißung);
d) Thermitgießschweißung und Gußeisenschweißung nach dem Gieß
verfahren.
Wesen und Arten der elektrischen Schweißverfahren. Diese Verfahren zer
fallen in der Hauptsache in zwei große Gruppen. In das Gebiet der Preßschweißung
Schimpke-Horn, Schweißtechnik H. 3. Aun. 1
2 Einleitung.
gehören die Widerstandsschweißverfahren. in das Gebiet der Schmelzschweißung
fallen die Lichtbogenverfahren.
Bei den elektrisch~n Widerstandsschweißverfahren wird die Eigen
schaft des elektrischen Stromes ausgenutzt, daß er den stromleitenden Körper
an Stellen, die größeren Widerstand bieten (in der Hauptsache sind dies die Be
rührungsflächen der SchweißsteIlen), stark erwärmt. Man stieß zunächst zwei
Werkstücke stumpf aneinander und preßte die auf Schweißhitze gebrachten
Stoßenden nach Ausschaltung des elektrischen Stromes von Hand oder maschinell
zusammen. Aus dieser auch heute noch gebräuchlichen Stumpfschweißung
entstand später die Punktschweißung, bei der dünne, übereinander gelegte
Bleche mit Punktelektroden punktweise, ähnlich der Vernietung, verschweißt
werden, und weiter die Nahtschweißung, bei der die Punkts chweißung dünner
Bleche durch Anwendung von Rollenelektroden zur Schweißung längerer Nähte
. ausgestaltet wurde. In allen Fällen schweißt man mit niedrig gespanntem
Wechselstrqm.
Bei den elektrischen Lichtbogenschweißverfahren wird der zwischen
zwei Elektroden gezogene Lichtbogen zur Erzeugung der Schweißhitze benutzt.
Da der Lichtbogen eine Temperatur von 3500···4000° besitzt, wird die Schweiß
steIle dünnflüssig; die Lichtbogenschweißung ist also eine ausgesprochene Schmelz
schweißung~ Je nach dem für die Elektroden verwendeten Werkstoff und je nach
Anordnung der Elektroden unterscheidet man im einzelnen die Lichtbogen
schweißverfahren von Benardos, Slavianoff und Zerener. Da man seit
vielen Jahren nicht nur mit Gleichstrom, sondern auch mit Wechselstrom schweißen
kann, unterteilt man die Lichtbogenschweißeinrichtungen noch in solche für
Gleichstrom und solche für Wechselstrom.
Auch die neuerdings in Aufnahme gekommenen Gas-Elektro-Schweiß
verfahren gehören zur Gruppe der Schmelzschweißung. Man hat zu unter
scheiden zwischen der atomaren Wasserstoffschweißung (Arcatom) und der
Azetylen-Lichtbogenschweißung (Arcogen). Bei erster wird der Lichtbogen
zwischen zwei Wolframelektroden in einer Wasserstoffflammenhülle gebildet, bei
letzter arbeiten der normale Metallichtbogen und eine Azetylen-Sauerstoff-Flamme
gemeinsam.
B. Die som'ltigen neueren Schweißverfahren
1.
Altbekannte Schweißverfahren sind die Hammerschweißung (Feuer
schweißung) von Stahl und das Anschweißen, richtiger Angießen abgebrochener
Gußstücke: Die Feuerschweißung findet noch immer Anwendung bei Schmiede
arbeiten, bei der Herstellung stumpf und überlappt geschweißter Rohre und oei
der Fertigung einiger weniger Werkstücke. In Graugießereien, in denen man ja
immer flüssiges Gußeisen zur Verfügung hat; wird das Ausbessern von Gußstücken,
an denen z. B. kleine oder größere Teile abgebrochen sind, meist noch durch Auf
setzen einer Form auf die Bruchstelle und Aufgießen hocherhitzten Gußeisens
ausgeführt. Im folgenden soll noch ein kurzer Überblick über die neben dem elek
trischen Schweißen wichtigsten neueren Schweißverfahren gegeben werden.
Die Wassergasschweißung. Wenn man durch einen schachtartigen, mit
glühendem Koks oder Anthrazit gefüllten Generator (Gaserzeuger) Wasserdampf
bläst, so wird dieser zerlegt, und es entsteht das sog. Wassergas, dessen brenn
bare Bestandteile zu etwa je 50 vH Wasserstoff und Kohlenoxyd sind. Technisch
1 Siehe auch Schimpke: Die neueren Schweißverfahren. Heft 13 der Werkstattbucher,
4. Auf!.· Berlin : Springer 1940.