DE3741655A1 - Verfahren zum erzeugen von schweissverbindungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Schweißverbindungen, bestehend aus einer mit Schweißgut ausgefüllten Hohlkehle an der Berührungsstelle der zu verbin­ denden Teile mit den Merkmalen des Verfahrensschrittes a) im Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, Schweißnähte bzw. Schweißver­ bindungen der eingangs erwähnten Art mit erhöhter Dauerfestig­ keit zu schaffen.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung die Verfahrens­ schritte zur Erzeugung einer Schweißverbindung bzw. -naht, die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 unter b) und c) aufge­ führt sind. Eine besonders vorteilhafte, auf diese Art er­ zeugte Schweißnaht ist in den Merkmalen des Kennzeichens im Patentanspruch 2 aufgeführt.

Bei einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführten Schweißverbindung wird ein sich in der Grenzzone zwischen Grundmaterial und Schweißgut bildender und sich ihr entlang ausbreitender Riß so umgelenkt, daß er weniger auf Zug und mehr auf Druck bzw. Schub belastet wird. Dadurch läßt sich das Rißwachstum verzögern oder stoppen und damit die Festigkeit der Verbindung erhöhen.

Einzelheiten des Verfahrens werden im folgenden und anhand der Fig. 1 bis 9 näher erläutert. Es zeigen die:

Fig. 1, 2 und 3 mögliche Rißbildungen an konventionellen Schweißnähten bei Stumpfnahtverbindung und die

Fig. 3a die Spannungen an dem Riß gem. Fig. 3, die Fig. 3 einen von unten sich ausbildenden Riß in der Wärme­ zone eine von unten durch geschweißten Stumpfnaht, die

Fig. 4 und 5 die veränderte Ausbildung der Schweiß­ fugenränder von Stumpfnahtverbindungen, die

Fig. 6 und 7 die Rißbildung an Schweißnähten gemäß Fig. 4 und 5, die

Fig. 8 die Spannungen an solchen und die

Fig. 9 die Ausbildung der Schweißfugenränder mit Nuten in verschiedener Anordnung bei einer Kehlnahtverbindung.

Bei der Belastung 6 von Schweißnähten durch Zug und Biegung, wie bei der Stumpfnahtverbindung gemäß der Fig. 1 zeigen sich gelegentlich Ermüdungsrisse 1 im Bereich der Grenzfläche der Schweißnaht, etwa im Übergangsbereich zwischen Schweißgut 3 und Grundmaterial 4. Auch im Randbereich der Wärmeeinflußzone 5 können sich Riße 2 zwischen Schweißgut 3 und Grundmaterial 4 bilden (Fig. 2, 3), die etwas weiter im Grundmaterial 4 verlaufen. Die Belastung an einem rein zugbelasteten Riß 7 zeigt die Fig. 3 d.h. einen durch Zugspannungen 9 belasteten Einmündungsriß der sich immer weiter öffnet. Die Schweißnaht­ geometrie wird nun nach dem neuen Verfahren so modifiziert, daß das Ermüdungsrißwachstum verzögert wird. Dies wird nun da­ durch erreicht, daß der Riß 1, 2 und 7 gemäß der Fig. 1, 2 und 3 so umgeleitet wird, daß er einer Art Mischbelastung un­ terliegt, d.h. daß er weniger auf Zug und mehr auf Druck bzw. Schub belastet wird. Dieses neue Belastungsprinzip ist in der Fig. 8 dargestellt, d.h. der ursprüngliche Riß 7 ändert seine Richtung im Verhältnis zu der Zugspannung 9 und verläuft als umgelenkter Riß 8 weiter bzw. stoppt ab.

Dieser Mechanismus wird nun dadurch erreicht, daß konkave oder auch konvexe Nuten in den Grundwerkstoff bzw. in die Seiten­ flächen der vorbereiteten, mit Schweißgut aufzufüllenden Hohl­ kehle parallel zur Schweißnaht eingebracht werden. Diese Nuten werden dann beim Schweißen mit Schweißgut gefüllt. Ein Grenz­ flächenriß im Grundmaterial bzw. in der Grenzschicht wird an den gebildeten Wülsten der Grenzschicht umgelenkt, der ab­ geknickte Riß wird dadurch mehr durch Druck- und Schubspannun­ gen belastet. Durch die Wechselbelastung wächst er nun wesent­ lich langsamer als bei einer reinen Zugbeanspruchung.

Einige Formen für die Nuten bzw. die Wülste sind in den Fig. 4 bis 7 dargestellt:

Die Fig. 4 zeigt einen etwa kreisbogenförmigen Nutquerschnitt 10, der mit dem Schweißgut 3 gefüllt ist. Die Nut 10 ist etwa in der Mitte der Seitenhöhe der Schweißnahtflanke bzw. der Hohlkehle gelegen, wobei gelten soll:

1/10t<1<t1/2 und

t die Tiefe der Schweißnaht bzw. Hohlkehle und 1 die Breite der Nut 10 ist.

Die Rißbildung 11 an einer solchen Nut 10 ist in der Fig. 6 schematisch dargestellt, der Spannungszustand entspricht dem der Fig. 8. Weitere Nutenformen 12 und 13 zeigen die Fig. 5 und 7, wobei die Nutflanke 14 gemäß der Fig. 7 so gerichtet ist, daß die Richtung des abgelenkten Rißes 15 in etwa in die Richtung des Kraftflusses bzw. der Hauptzugbeanspruchung 16 zeigt. Die Fig. 9 zeigt eine Kehlnahtverbindung, die an der Berührungsstelle der zwei winkelig aufeinandergesetzten Grund­ materialplatten 17 und 18 gebildet wird. Das Herstellungsver­ fahren bzw. die Funktion der Schweißnaht entspricht dem anhand der vorhergehenden Figuren beschriebenen.

Dabei ist in der Fig. 9 eine schematische Kehlnahtverbindung mit verschiedenartiger Nutanordnung dargestellt. Die eigentli­ che Schweißnaht, d.h. das Schweißgut 3 ist strichpunktiert ge­ zeichnet, die eine Art von Nuten, d.h. die Längsnuten 19 ver­ laufen parallel zur Schweißnaht, ähnlich wie in der Fig. 4-7 gezeigt. Um nun auch parallel dazu verlaufende Riße in Druck­ zonen umlenken zu können, sind weitere Quernuten 20 ange­ bracht, die quer zum Schweißgut in beliebigen Abständen ver­ laufen. Die Lage der Nuten 19 und 20 zueinander kann senkrecht sich überkreuzend, wie gezeichnet, sein oder aber auch schräg­ winklig oder mit teilweiser Überkreuzung. Wichtig ist dabei, daß jeder sich in der Übergangszone vom Grundmaterial 17, 18 und Schweißgut sich bildende Riß immer auf eine Nut 19, 20 bzw. eine diesen entsprechende Ausbuchtung trifft.

Das Fertigungsverfahren für die Schweißnaht besteht nun aus den folgenden Schritten:

• a) Erzeugen der Hohlkehle durch anfasen der Werkstoffkanten von der Schweißseite her bei stirnseitigen Verbindungen oder winkeligem Aneinandersetzen der zu verbindenden Teile,
• b) Einbringen der Nuten bzw. Ausbuchtungen 10, 12, 13 oder Er­ zeugen von Wülsten an den Seiten der für die Schweißnaht vorgesehenen Hohlkehle, bzw. der aneinandergesetzten Teile, die mit dem Schweißgut in Berührung kommen bzw. mit ihm verschmelzen,
• c) Ausfüllen der Hohlkehle mit geschmolzenem Schweißgut 3 bis über die Ausdehnung der Ausbuchtungen 10, 12, 13 bzw. Wül­ ste hinweg um mindestens einmal deren Breite.

Auf diese Weise werden an den Grenzen des Schweißgutes zum Grundwerkstoff lokale Ausbuchtungen erzeugt, die wie Halbin­ seln in den Grundwerkstoff ragen und mit Schweißgut vollstän­ dig gefüllt sind. Die Ausbuchtungen können, also als Längs­ wulst entlang der vollen Schweißnahtlänge oder aber als Quer­ wulst nur von einem Querschnitt der Schweißnaht ausgehend an­ gebracht werden. Längswulste sollen Riße stoppen, die durch die Wand laufen. Querwulste sollen Oberflächenrisse oder wand­ durchdringende Riße stoppen, die parallel neben der Schweißnaht längs einherlaufen. Kombinationen von Längs- und Querwulsten sind möglich bzw. ratsam (Abb. 9).

Bezugszeichenliste

 1 Riß
 2 Riß
 3 Schweißgut
 4 Grundmaterial
 5 Wärmeeinflußzone
 6 Belastungsrichtungen
 7 Riß
 8 umgelenkter Riß
 9 Zugspannung
10 kreisförmige Nut
11 Riß
12 rechteckige Nut
13 gerichtete Nut
14 Nutflanke
15 abgelenkter Riß
16 Kraftfluß
17 Platte
18 Platte
19 Längsnuten
20 Quernuten

Claims (5)

1. Verfahren zum Erzeugen von Schweißverbindungen, bestehend aus einer mit Schweißgut ausgefüllten Hohlkehle an der Be­ rührungsstelle der zu verbindenden Teile mit den Verfah­ rensschritten:

• a) Erzeugen der Hohlkehle durch Anfasen der Werkstoffkanten von der Schweißseite her bei stirnseitigem Verbinden oder winkeligem Aneinandersetzen der zu verbindenden Teile,

gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte:

• b) Einbringen von Nuten bzw. Ausbuchtungen oder Erzeugen von Wülsten an den Seiten der Hohlkehle bzw. der anein­ andergesetzten Teile, die mit dem Schweißgut in Berüh­ rung kommen bzw. mit ihm verschmelzen,
• c) Ausfüllen der Hohlkehle mit geschmolzenem Schweißgut bis über die Ausdehnung der Ausbuchtungen bzw. Wülste hinweg um mindestens einmal deren Breite.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten bzw. Ausbuchtungen gem. Schritt b) parallel, senk­ recht oder schrägwinklig zur Längsachse der Schweißnaht verlaufen.

3. Durch ein Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3 erzeugte Schweißnaht, dadurch gekennzeichnet, daß die im Verfahrens­ schritt b) eingebrachten Nuten (10, 12, 13) oder Wülste eine Breite (1) aufweisen, die etwa zwischen 1/10 und 1/2 der Schweißnahttiefe bzw. -höhe (t) liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Nuten bzw. Ausbuchtungen überkreuzen.