KONSTRUKTIONSLEHRE Schweißverbindungen Prof. Dr.-Ing. M. Reichle DHBW STUTTGART Studiengang Mechatronik Blatt 1 Pressschweißverfahren Entscheidungshilfe zur Wahl des geeigneten Schweißverfahrens 2. Semester KONSTRUKTIONSLEHRE Schweißverbindungen Prof. Dr.-Ing. M. Reichle Blatt 2 Stoßformen nach DIN 1912-1 DHBW STUTTGART Studiengang Mechatronik 2. Semester KONSTRUKTIONSLEHRE Schweißverbindungen Prof. Dr.-Ing. M. Reichle DHBW STUTTGART Studiengang Mechatronik Blatt 3 2. Semester Stumpfnahtformen an Stahl und deren Vorbereitung nach DIN 29692 (Auswahl) KONSTRUKTIONSLEHRE Schweißverbindungen Prof. Dr.-Ing. M. Reichle Blatt 4 Allgemeine Konstruktionsrichtlinien DHBW STUTTGART Studiengang Mechatronik 2. Semester KONSTRUKTIONSLEHRE Schweißverbindungen Prof. Dr.-Ing. M. Reichle Blatt 5 Gestaltungsbeispiel für Schweißkonstruktionen DHBW STUTTGART Studiengang Mechatronik 2. Semester KONSTRUKTIONSLEHRE Schweißverbindungen Prof. Dr.-Ing. M. Reichle DHBW STUTTGART Studiengang Mechatronik Blatt 6 2. Semester Gestaltungsbeispiel für Schweißkonstruktionen (Fortsetzung) KONSTRUKTIONSLEHRE Schweißverbindungen Prof. Dr.-Ing. M. Reichle DHBW STUTTGART Studiengang Mechatronik Blatt 7 Gestaltungsbeispiel für Schweißkonstruktionen (Fortsetzung) 2. Semester KONSTRUKTIONSLEHRE Schweißverbindungen Prof. Dr.-Ing. M. Reichle Blatt 8 Schweißfehler (Auszug aus EN 25817 : 1992) DHBW STUTTGART Studiengang Mechatronik 2. Semester KONSTRUKTIONSLEHRE Schweißverbindungen Prof. Dr.-Ing. M. Reichle DHBW STUTTGART Studiengang Mechatronik Blatt 9 Schweißfehler (Auszug aus EN 25817 : 1992), Fortsetzung 2. Semester KONSTRUKTIONSLEHRE Schweißverbindungen Prof. Dr.-Ing. M. Reichle Blatt 10 Beispiel für eine Schweißzeichnung DHBW STUTTGART Studiengang Mechatronik 2. Semester KONSTRUKTIONSLEHRE Schweißverbindungen Prof. Dr.-Ing. M. Reichle DHBW STUTTGART Studiengang Mechatronik Blatt 11 2. Semester Berechnung von Schweißverbindungen Im allgemeinen Maschinenbau gibt es keine verbindlichen Berechnungsvorschriften für die Auslegung von Schweißverbindungen. Für die Güte und Festigkeit der Schweißverbindung ist der Hersteller allein verantwortlich. Für die Festigkeitsberechnungen von Schweißnähten können die Nennspannungen nicht direkt mit den Festigkeitswerten des geschweißten Werkstoffes verglichen werden. Die Festigkeit von Schweißnähten wird durch: • Einbrandkerben, Lunker, Schlackeneinschlüsse • Kerbwirkung aus Naht- und Stoßform • Werkstoffveränderungen durch Wärmeeinwirkung negativ beeinflusst. I) Praktisches Vorgehen: 1. Nahtverlauf konstruktiv festlegen. 2. Erforderliche Nahtdicke schätzen, falls diese nicht durch den Bauteilquerschnitt bzw. der Stoßform vorgegeben ist. Bei Stumpfnähten: a=t t = Bauteildicke Bei Kehlnähten: t < 3 mm: a ≥ 1,5 mm t ≥ 3 mm: amin = 3 mm amax = 0,7 * t 3. Ermittlung der angreifenden Belastungen. 4. Ermittlung der zulässigen Spannungen. 5. Nahtdicke oder Nahtlänge gegebenenfalls korrigieren. II) Ermittlung der Nennspannungen F Aw Zug, Druck: σ w, z( d) = Biegung: σ w,b = Mb Wb Schub: τ w, s = F Aw Torsion: τ w, t = T Wt KONSTRUKTIONSLEHRE Schweißverbindungen Prof. Dr.-Ing. M. Reichle DHBW STUTTGART Studiengang Mechatronik 2. Semester Blatt 12 Bei Längsnähten ist von der tatsächlichen Nahtlänge jeweils einmal die Nahtdicke abzuziehen, da die Anfangs- und Endkrater nichts zur Festigkeit beitragen. Der Abzug kann unterbleiben, wenn beim Schweißen Auslaufbleche verwendet werden und die Naht anschließend sauber bearbeitet wird. Für kurze endliche Nähte gilt: L ≤ 15 * a III) Zusammengesetzte Nahtflächen Bei zusammengesetzten Nahtflächen gilt der Satz von Steiner. J = Jäq + A · r2 Jäq r A = Trägheitsmoment der betrachteten Fläche um ihre Schwerelinie = Abstand der Schwerelinie der Teilfläche von der Hauptschwerelinie des zusammengesetzten Profils. = Fläche der Teilfläche Ermittlung des Gesamtflächenschwerpunktes: ys = ∑ A i ⋅ yi ∑ Ai = A1 ⋅ y1 + A 2 ⋅ y 2 + A 3 ⋅ y 3 A1 + A 2 + A 3 x Ermittlung des Flächenträgheitsmoments: Jges = J1 + J 2 + J3 J1 = l1 ⋅ a13 + l1 ⋅ a1 ⋅ (y s − y1 )2 12 J2 = l32 ⋅ a 2 + l2 ⋅ a 2 ⋅ (y s − y 2 )2 12 l33 ⋅ a3 J3 = + l3 ⋅ a3 ⋅ (y s − y 3 )2 12 x KONSTRUKTIONSLEHRE Schweißverbindungen DHBW STUTTGART Prof. Dr.-Ing. M. Reichle Studiengang Mechatronik Blatt 13 IV) 2. Semester Vergleichsspannungen: Die Naht wird nach den Vergleichspannungshypothesen berechnet. 2 σ ⎛σ⎞ + ⎜ ⎟ + τ2 2 ⎝2⎠ Normalspannungshypothese (NH): σV = Gestaltänderungsenergiehypothese (GEH): σ V = σ2 + 3 ⋅ τ2 V) Ermittlung der zulässigen Spannungen 1. Statische Beanspruchung: Lastspiele < 20 000 Lastfall H: berücksichtigt alle Hauptlasten (äußere Last, Eigenlast, Schneelast, Massenkräfte) Lastfall HZ: berücksichtigt zusätzlich zu H Zusatzlasten wie Windlast, Bremskräfte usw. Die zulässigen Spannungen sind aus Tabellen zu entnehmen. 2. Dynamische Beanspruchung Grenzspannungsverhältnis : κ= σmin Unterspannung = σmax Oberspannung Bei stoßartiger Beanspruchung ist die Kraft bzw. das Moment mit dem entsprechenden Stoßfaktor zu multiplizieren. Für höherfestige Stahlsorten als E295 (St50) ist mit den gleichen Werkstoffkennwerten wie für St50 zu rechnen, da diese Werkstoffe kerbempfindlicher sind. KONSTRUKTIONSLEHRE Schweißverbindungen Prof. Dr.-Ing. M. Reichle DHBW STUTTGART Studiengang Mechatronik Blatt 14 2. Semester Ausführung von Schweißverbindungen im Maschinenbau nach DS 952 Ausführung von Schweißverbindungen im Maschinenbau nach DS 952 (Fortsetzung) KONSTRUKTIONSLEHRE Schweißverbindungen Prof. Dr.-Ing. M. Reichle DHBW STUTTGART Studiengang Mechatronik Blatt 15 2. Semester Zulässige Spannungen (Oberspannungen) für Schweißverbindungen im Maschinenbau KONSTRUKTIONSLEHRE Schweißverbindungen Prof. Dr.-Ing. M. Reichle DHBW STUTTGART Studiengang Mechatronik Blatt 16 2. Semester nach DS 952 (Werkstückdicke ≤ 10 mm, Sicherheit gegen Dauerbruch SD = 1,5) VI) Sicherheit KONSTRUKTIONSLEHRE Schweißverbindungen Prof. Dr.-Ing. M. Reichle DHBW STUTTGART Studiengang Mechatronik Blatt 17 2. Semester Aufgrund der Ungenauigkeiten der Belastungsannahmen und der Streuung der Festigkeitswerte muss eine genügende Sicherheit gegenüber Verformung und Dauerbruch nachgewiesen werden. Die in den Tabellen angegebenen zulässigen Werkstoffkennwerte enthalten in der Regel folgende Sicherheitsfaktoren: Bei statischer Belastung gegenüber plastischer Verformung: S = 1,5 bis 2,0 Bei dynamischer Beanspruchung gegenüber Dauerbruch: S = 2,0 bis 3,0 VII) Vorschriften für die Berechnung von Schweißnähten Für die Berechnung von Schweißnähten existieren teilweise Fachbereichsvorschriften: • • • Für den Stahlbau nach der Grundnorm DIN 18800 T1 und T7 Für den Druckbehälterbau nach den Merkblättern der Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter. Für den Bereich der Deutschen Bundesbahn DS 952. Im Maschinenbau gibt es keine allgemeingültige Vorschrift. Es besteht somit immer dann eine Vorschrift, wenn die Schweißkonstruktion in irgendeiner Weise vom TÜV geprüft werden muss. Für den Maschinenbau wird empfohlen, bei statischer Beanspruchung nach DIN 18800 und bei dynamischer Beanspruchung nach DS 952 vorzugehen.
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