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Herausgeber Professor Dr.-Ing. E.-A. Cornelius, Hamburg
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12
SchweiBIkonstruktionen
Berechnung und Gestaltung
Von
Richard Hanchen
Dipl.-Ing.
Mit 349 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
ISBN 978-3-662-01215-4 ISBN 978-3-662-01214-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-01214-7
AIle Rechte, insbesondere das der Ubersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten.
Ohne ausdriickliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet,
dieses Buch oder Teile daraus auf photomechanischem vVege
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Copyright 1953 by Springer-Verlag Berlin Heidelberg
Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag ORG. in Berlin/Giittingen/Reidelberg 1953.
Inhaltsverzeidmis.
Seite
Vorwort ......... . IV
1. SchweiBverfahren. . . . . . . . . I
II GasschweiBung (autogene SchweiBung) I
12 Elektrische LichtbogenschweiBung mit Metallelektrode I
13 Sonstige Verfahren del' elektrischen I~ichtbogenschweiBung 2
14 Elektrische StumpfschweiBung . . . . . . . . . . . . . 2
15 Punkt. und RollennahtschweiBung . . . . . . . . . . . 3
2. Die Baustahle, ihre Festigkcit, SchweiBbarkeit und ihl'e Anliefel'ungs-
formen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
21 Grundbegriffe del' Dauerfestigkeit (Schwingungsfestigkeit) 3
22 Festigkeit und SchweiBbal'keit der Baustahle . . . . . 7
23 Anlieferungsformen der Werkstoffe . . . . . . . . . . 8
3. Die SchweiBnahte, ihre N ennspannungen und Festigkeitswerte 9
31 Stumpfnahte. . . . . . . . . . . . . . 10
32 Kehlnahte ....... . . . . . . . 12
4. Berechnung der SchweiBverbindungen 18
41 Berechnung bei ruhender Beanspruchung . 18
42 Berechnung auf Dauerhaltbarkeit 18
5. Gestaltung der geschweiBten Bauteile. 33
51 Bauweisen . . . . . . . . . . . . . . 33
52 Gestaltungselemente ......... 33
53 VerschweiBen von StahlguB. und Stahlteilen . 45
54 Beispiele fiir Abbrenn· (Abschmelz.) SchweiBung . 45
55 Elemente der Rohrkonstruktionen 46
56 Gestaltungsrichtlinien 48
6. Vorbereitung zum SchweiBen 49
61 Zuschneiden der Grundteile . . 49
62 Herstellung der Formen 50
7. Ausfiihrungsbeispiele aus dem allgemeinen Maschinenbau 51
71 Hebel .......... 51
72 Zahn· und Kettenriider . . . 53
73 Raderkiisten (Getriebekasten) 59
74 Scheiben . . . . . . . . . 62
75 Trommeln ........ 64
76 Lager, Lagerbi:icke und Konsollager 66
77 Stiitzungen 70
78 Maschinengehiiuse . 77
S chrifttumverzeichnis 79
Vorwort.
Das vorliegende Heft gibt eine kurze Einfuhrung in das Berechnen und Ent
werfen der SchweiBkonstruktionen des allgemeinen Maschinenbaus. Es wendet sich
in erster Linie an den Studierenden und an den mit dem SchweiBen noch nicht
vertrauten Konstrukteur.
Die fur KonstruktionsschweiBungen in Betracht kommenden "SchweiBverfah
ren" sind nur kurz behandelt. Naheres daruber findet der Leser in den im Schrift
tumverzeichnis aufgefUhrten 'Verken.
In dem Abschnitt uber die "Baustahle" wurde ein kurzer Unterabschnitt
"Grundbegriffe der Dauerfestigkeit (Schwingungsfestigkeit)" gebracht, da die
Kenntnis dieser Begriffe fur die Beurteilung der Dauerfestigkeit der Werkstoffe und
die Berechnung auf Dauerhaltbarkeit erforderlichist.
Da mit den Gestaltungselementen der SchweiBkonstruktionen noch nicht aus
reichend Versuchsergebnisse vorliegen, ist die "Berechnung auf Dauerhaltbarkeit"
zum Teil nur mit geschatzten Werten durchfuhrbar. Sie ermoglicht es aber, Ver
gleichsrechnungen aufzustellen, die fUr die praktischen Bedurfnisse ausreichen.
Eine groBere Anzahl von Beispielen erlautert den Berechnungsgang, der mit den
Sicherheitswerten oder mit zulassigen Spannungen durchfuhrbar ist.
1m Abschnitt "Gestaltung der geschweiBten Bauteile" wurden die schweiB
technischen Gestaltungselemente als Grundlage fur das Entwerfen der Bauteile
ausfiihrlich gebracht. Bezuglich der Grundlagen des Stahlleichtbaues, der ohne das
SchweiBen nicht durchfiihrbar ist, konnte auf das Heft 1 der Konstruktionsbucher.
das demnachst in zweiter Auflage erscheinen wird, verwiesen werden.
1m Abschnitt "Ausfuhrungsbeispiele aus dem allgemeinen Maschinenbau"
wurden nur die wichtigsten, am meisten vorkommenden Konstruktionsteile ge
bracht. Die Bauteile von Werkzeugmaschinen und Brennkraftmaschinen wurden
nicht behandelt, da diese in dem Heft 1 der Konstruktionsbucher ausfuhrlich ent
halten sind.
Von den Abbildungen konnte eine Anzahl aus dem vor kurzem im Springer
Verlag erschienenen III. Band des Praktischen Handbuches der gesamten SchweiB
technik entnommen werden.
Das am Ende des Heftes gebrachte Schrifttumverzeichnis wurde ausfUhrlich
gehalten, so daB sich der Leser uber Naheres sowie uber Sonderfragen unterrichten
kann.
Den Firmen, die fUr das Heft zeichnerische Unterlagen zur VerfUgung stellten,
wird hiermit verbindlichst gedankt.
Braunlage, im April 1953 Rimard Hanmen.
10 Smwei6verfahreno
Fur KonstruktionsschweiBungen kommen folgende Verfahren in Betracht.
11 Gassruwei6ung (autogene Sruwei6ung)0
Anwendung hauptsachlich beim SchweiBen von Fein- und Mittelblechen, dunn
wandigen Rohren und zum SchweiBen der verschiedenen NE-Metalle.
IF.
Weiteres uber GasschweiBung s. [33, Bd.
12 Elektrisrue Liruthogensruwei6ung mit Metallelektrode (n. SLAVIANOFF).
Dieses Verfahren steht fur KonstruktionsschweiBungen an erster Stelle.
Arbeitsweise (Abb. 1): Die Stromquelle a ist mit dem einen Pol an das Werkstiick b bzw.
den Arbeitstisch und mit dem anderen an die Elektrode (den SchweiBdraht) c gelegt. Zum
Fiihren der Elektrode dient eine isolierte Zange, der Elektrodenhalter d. Durch Beriihren der
Elektrode an das Werkstiick wird der Lichtbogen gezogen, der Werkstoff an der SchweiBstelle
wird infolge der starken Erwarmung fliissig und die ebenfalls abschmelzende Elektrode fiillt die
SchweiBfuge aus.
Stromart: Gleich- oder Wechselstrom. SchweiBtemperatur bei Stahl 3500° C.
N
Werkstoffdicke beim StahlschweiBen: 1···80 mm.
tiber den EinfluB der Elektrode (blank, mit Seele oder umhullt) auf die SchweiB
gute s. S. 9.
Bei regelmaBiger Ausfuhrung langerer Nahte tritt an Stelle der HandschweiBung
die selbsttatige SchweiBung mit einem Automaten.
Das SchweiBen ist dann von der Geschicklichkeit und SorgfaIt des SchweiBers
unabhangig, und man erhalt Nahte von hoher Gute und groBer RegelmaBigkeit.
Auch fallen die beim HandschweiBen beim Ansetzen einer neuen Elektrode auf
tretenden Kerbstellen fort.
Abb. 2 zeigt als Beispiel fiir selbsttatige SchweiBung das Ziehen der Halsnahte eines unter
45° geneigten, d. h. in die Wannenlage gebrachten Vollwandtragers. Der Automat lauft auf
dem Trager selbst ab, wobei die Gurtkante als Fiihrungsschiene dient.
Abb.l. Abb.2.
Auch beim SchweiBen von Kessel. und Behiiltertrommeln ist das selbsttatige SchweiBen
zum Ziehen der Langs- und Rundnahte vorteilhaft [22].
1 Die im Text bei Namen und Begriffen angegebenen Zahlen ,(in eekigen Klammern) be
ziehen sich <tuf das Schrifttumverzeichnis (S. 79).
1 Han c hen, SchweiBkonstruktionen
2 Schwei13verfahren.
13 Sonstige Verfahren der elektrismen LimthogensmweiSung [8u.33].
Es sind zu nennen: die Kohlelichtenbogenschweillung 'von BERNADOS, das Verfahren 'von
ZERENER, das ALEXANDER-Verfahren mit Schutzgas, das Arcatom-Verfahren nach SANDE
LOWSKY und die gas-elektrische SchweiBung (Arcogen-Verfahren), die aber heute nicht mehr
angewendet wird.
Ein neues selbsttatiges SchweiBverfahren ist das Ellira1-Ver/ahren. Es arbeitet
mit hohen Stromstarken und einer sehr groBen Elektrodenvorschubgeschwindigkeit.
Das Verfahren wurde hauptsachlich ffir das SchweiBen dicker Bleche entwickelt und
bedingt hohe Anlagekosten. Durch die groBe Energieaufnahme und die Wirlmng
eines besonderen SchweiBpulvers wird eine auBerordentlich hohe SchweiBleistung
erreicht. Weiteres tiber das Ellira-Verfahren s. [33].
Neben dem ELLIRA- und dem EUN-HAFERGuT-Schweillverfahren sind an neueren Ver
fahren noch das H.-M.-{HuMBOLD-MELLER-)Verfahren (SchweiBen und Schneiden 1952 S.163)
und das ARGONARc-Verfahren (H. KOCH: Schutzgasschweillung. Schwei13en und Schneiden
1951, Sonderheft S. 11) zu nennen.
[14 Elektrisme Stumpfsmwei8ung [33].
141 WulststumpfsmweiBung.
Arbeitsweise: Die zu verbindenden Teile (z. B. zwei Rundstahlteile) werden in den kupfer
nen Spannbacken der Stumpfschweillrrutschine eingespannt. Der an die Spannbacken (Klem
men) gelegte Strom von niedriger Spannung und hoher Stromstiirke findet an der StoBstelle
einen groBen Widerstand (OHMschen Widerstand). Er erzeugt eine so groBe Wiirme, daB der
Werkstoff an den StoBfliichen in teigigen Zustand geriit. Die beiden Arbeitsteile werden nun
stark zusammengepreBt und in kurzer Zeit 'verschweillt.
Wesentlich ffir den SchweiBvorgang sind gleiche Querschnitte und glatte StoB
flachen.
GroBter schweiBbarer Querschnitt: etwa 40000 mm2 entsprechend einem Durch
messer von 225 mm.
Der durch das SchweiBen entstehende SchweiBwulst muB durch Bearbeitung
entfernt werden.
Die Festigkeit der SchweiBung ist nahezu gleich der des Grundwerkstoffes.
142 Abbrenn- (Absdunelz-) SmweiBung.
Sie wird heute bei groBeren Querschnitten an Stelle der WulststumpfschweiBung
allgemein angewendet.
Arbeitsweise: Die zu 'verbindenden Teile 'von gIeichem Querschnitt werden auf der Maschine
eingespannt. Nach Einschalten des Stromes werden sie dann in Beriihrung gebracht, und durch
kurzes Entfernen wird der Lichtbogen gezogen. Dies wird so oft wiederholt, bis sich der Licht
bogen tiber den ganzen Querschnitt gebildet hat. Durch die Wiirmewirkung wird der Werk
stoff an den StoBfliichen unter starkem Funkenspriihen abgeschmolzen, und der Werkstoff
wird auf Schweilltemperatur gebracht. Nun wird der Strom abgeschaltet, und die beiden Teile
werden schnell und mit der erforderlichen Kraft zusammengepreBt~
Infolge Fortschleuderung des abgeschmolzenen Werkstoffes wird der SchweiB
wulst klein, hat ein perlartiges Aussehen und ist leicht zu entfernen. Das Verfamen
wird hauptsachlich zum StumpfschweiBen schwieriger Querschnitte (z. B. Form
stahl, Rohre, Kraftwagenfelgen und dergleichen) angewendet. Es laBt auch das
SchweiBen legierter Stahle und solchen mit hohem C-Gehalt zu.
Die Festigkeit des StumpfstoBes erreicht ebenfalls nahezu die des Werkstoffes.
Beispiele ffir AbbrennschweiBung s. S. 45.
1 Abkiirzung fiir "Elektro-Linde-Rapid" -SchweiBung.
Grundbegriffe der Dauerfestigkeit (Schwingungsfestigkeit). 3
15 Punkt- und Rollennahtsmweil3ung [33].
Anwendung der PunktschweifJung hauptsachlich bei Blecharbeiten, im Maschlnenbau zum
Schwei13en von Verschalungen, Schutzkiisten und dergleichen. Es lassen sich Stahlbleche mit
einer Gesamtdicke bis etwa 20 mm punkten. Bei richtiger Wahl der Elektroden und der Strom
starke lassen sich zwei verschieden dicke Bleche sowie ein ganzes Blechbiindel miteinander ver
binden. Auch konnen diinne Bleche auf Flach. Quadrat-und Winkelstahl aufgepunktet werden.
ROTH: Die elektrische VielpunktschweiBung (MehrpunktschweiBung - BuckelschweiBung
Wanderkopf - Punktzeit-Diagramm - MultipunktschweiBung mit Sekundarstromum
schaltung). SchweiBen und Schneiden 1952, S. 194.
Die RollennahtschweifJung kommt nur fiir diinne Bleche bei einer Gesamtdicke von 3 mm
in Betracht. Es lassen sich auBer dekapierten und hochwertigen Stahlblechen auch Schwarz
und WeiBblech sowie andere Bleche mit Metalliiberzug verbinden.
Weiteres iiber SchweiBverfahren s. [8, 33 u. 38].
2. Die Baustahle, ihre F estigkeit, Schwei6harkeit
und ihre Anlieferungsformen.
21 Grundhegriffe der Dauerfestigkeit (Smwingungsfestigkeit).
Die Kenntnis der Grundbegriffe der Dauerfestigkeit ist zur Beurteilung der Festigkeit der
Werkstoffe und zur Durchfiihrung der Berechnung auf Dauerhaltbarkeit (s. Abschn. 42)
erforderlich; Begriffe und Zeichen der Dauerfestigkeit s. DIN-Vornorm 50100.
211 Nennspannungen und Grenzspannungen.
Die Grundbegriffe der Dauerfestigkeit werden fiir Zug-Druck und Biegung
(Abb. 3 u. 4) erlautert. Fiir Verdrehung gelten die Ausfiihrungen sinngemaB.
Es bezeichnen (Abb. 3): P r eine
ruhende Kraft und Peine Schwin
gungskraft (oftmals wiederholt und
kurzzeitig wirkende Kraft) in kg.
Die Schwingungskraft ist eine
+
Schwellkraft (Zugkraft P bzw.
eine Druckkraft - P) oder eine
Wechselkraft ± P.
Die N ennspannungen in den Bau
teilen an bzw. Tn werden aus dem
Kraftangriff (s. S. 23) nach den all
gemeinen Regeln der Festigkeits
Iehre [7] berechnet.
Fiir die verschiedenen Belastungs
arten - a ruhend, b schwellend,
c rein schwellend, d wechseInd und
e rein wechselnd - ist der Span.
nungs'verlauf in Abhiingigkeit von
der Zeit fiir ein Lastspiel in Ab
bildung 3a .. · e 'vereinfacht dar
gestellt.
Die Nennspannungen a .. · e
und die ihnen entsprechenden
Grenzspannungen A ... E sind in
das Dauerfestigkeits-Schaubild
von SMITH (Abb. 4), das in der
Werkstoffpriifung und im Ma
schinenbau allgemein angewen Abb. 3. Kriifte und Nennspannungen bei Zug-Druck und Biegung.
det wird, eingetragen. a ruhend (I); b schwellend; c rein schwelleud (cru = 0; II) ;
d wechselnd; e rein wechselnd (crm = 0; III).
1·
4 Die Baustahle, ihre Festigkeit, Schwei13barkeit und ihre Anlieferungsformen.
Bei SchweIlzugbeanspruchung mit positiver Vo rspannung (Spannungszustand b in Ab b. 3)
pendelt die Spannung zwischen der Unterspannung au und der Oberspannung ao. Da aIle
Spannungen Nennspannungen sind, wird der Zeiger n fortgelassen.
Unterspannung (bei Zug und Druck): au = Pr/F;
Schwingungsbreite (bei Zug und Druck): abr = P IF;
" (beiBiegung): abr=PC/Wb;
Spannungsausschlag (Amplitude): aa = abr /2;
Mittelspannung: am = (au + ao)/2.
Die SpannungsweIlen sind in Abb. 3 (fur ein Lastspiel) vereinfacht dargesteIlt. In der Dauer
prufmaschine verlauft
die Spannung sinus-
8 A f6rmig (Abb. 84 S. 26).
u-~~~~~.-~~~~ Bei dem Dauerfestig
keits -Schaubild 'von
D SMITH (Abb. 4) wird
die Mittelspannung auf
der Abszissenachse (Zug
nach rechts) aufgetra
gen. Die Ober- und Un
terspannungen werden
als Ordinaten (Zug nach
oben, Drucknach unten)
aufgetragen. Die Ordi-
natenendpunkte der
Mittelspannungen lie
gen auf der unter 45°
Om [kg/mmZj 0uoO Oer=O
verlaufenden am-Linie.
Abb. 4. Dauerfestigkeits Der dem Nennspan
J
Schaubild (Zug-Druck). au Un nungszustand b (au, abr'
atemr s=p a(nan"u +ng ;a oa)o: O 2b eMrspitatenlnsupnang ; ao und am) entsprechen
nung. as Streckgrenze (I); aSch de ahnliche Grenzspan-
reine SchweUfestigkeit (au = 0; nungszustand B
'--_-"'-"_ _- ---"~ ___- _ II); ±aw reine Wechselfestig- ( Schwellzugfestigkeit
0(1-.- - keit (am = 0; III). mit positiver Vorspan
nung) ist in dem Schau
bild Abb. 4 eingetragen, wobei die Spannungsgr6Ben groBe Zeiger erhalten (au, a B" ao und aM).
In Tabelle 1 sind die Spannungsarten (a ···e), die wirksamen Krafte, die Nenn
spannungen, das Verhaltnis am/ao, die Grenzspannungen und die priifmaBigen
Festigkeiten zusammengestellt. Ausgezeichnete Spannungsarten sind: a ruhend
(Belastungsfall I nach BACH); c rein schwellend (au = 0, Belastungsfall II) und d
rein wechselnd (am = 0, Belastungsfall III).
212 Bestimmung der Dauerfestigkeit.
DIN-Vornorm 50100: Versuchsdurchfiihrung.
Das Verfahren, nach dem die Dauerfestigkeit am gcnauesten ermittelt werden kann, besteht
in der Aufnahme des WOHLER-Schaubildes.
Mehrere (mindestens 6) hinsichtlich Werkstoff, Gcstaltung und Bearbeitung v6llig gleich
artige Proben werden nacheinander in der Dauerpriifmaschine schwingender Belastung unter
worfen. Je nach dem angestrebten Ergebnis (Schwell£estigkeit oder Wechsel£estigkeit) wird die
Mittelspannung oder die Unterspannung fUr aIle Proben gleich gewahlt, wiihrend der Spannungs
ausschlag oder die Oberspannung von Probe zu Probe so geiindert wird, daB im Fortgang der
Versuche schlieBlich die Beanspruchung gefunden wird, die die Probe "unendlich oft" ertragt.
Fur jede Probe wird die der eingestellten Belastung entsprechende Lastspielzahl bestimmt.
Die zeichnerische Darstellung der Spannungswerte ao [kg/mm2] in Abhangigkeit
von der Lastspielzahl (Schwingungszahl) N 'wird als WOHLER-Linie bezeichnet.
Die beim WOHLER-Versuch erhaltenen Spannungswerte streuen oft so stark,
daB man statt einer Linie ein bandartiges Streufeld, das sogenannte WOHLER-Bild
(Abb.5 S. 6) erhiilt. Bei diesem sind folgende Gebiete zu unterscheiden:
Grundbegriffe der Dauerfe:=;tigkeit (Schwingungsfestigk..e it). 5
a Gebiet der statischen bzw. ''W" 'W bn
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kleiner Schwingungszahl del' .~... ~ ~~... . ~.. . II. .. I~ ~
Dberlast (Vorlast) nicht ver I I
minIdne rdte wmi rSdc. haubild (Abb. 6) 1l-Iu-J'S ~ucuo~ sulas: I .." ,..... / I I ",,...."....'.. I I /1 HH,... ..
bezeichnen (J 11 die fiber d.er Dauer .,C-,o: I~ d I ..0 I " I ~ I C)
festigkeit liegende Dberspan 1
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[10] die sogenannte Schadens
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