DE3741655C2

DE3741655C2 -

Info

Publication number: DE3741655C2
Application number: DE19873741655
Authority: DE
Inventors: C. Dr. 6729 Leimersheim De Mattheck; Joerg 7500 Karlsruhe De Heitzer
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1987-12-09
Filing date: 1987-12-09
Publication date: 1989-11-23
Also published as: DE3741655A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Schweißverbindungen von stirnseitig oder winkelig aneinan dergesetzten Teilen mit einer mit Schweißgut ausgefüllten Hohlkehle an der Berührungsstelle der zu verbindenden Teile mit den Merkmalen des Verfahrensschrittes a) im Oberbegriff des Patentanspruches 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine nach dem Verfahren erzeugte Schweißnaht.

Aus der US-PS 17 54 721 ist eine Schweißverbindung zwischen zwei stumpf aneinandergesetzten Werkstücken bekannt. Die Werk stücke werden stirnseitig aneinandergesetzt, wobei die Ausbil dung der Schweißnahtseite nicht ersichtlich ist. Es sind je doch von den Rändern der Schweißnaht schräg von der Schweißnaht wegverlaufende Schlitze ins Vollmaterial vorhan den, die beim Schweißen mit Schweißgut ausgefüllt werden. Bei dieser Schweißverbindung ist somit keine Hohlkehle vorhanden.

Aus der US-PS 12 68 980 ist, ähnlich der vorbeschriebenen eine weitere Schweißverbindung bekannt. Jedoch auch bei dieser Schweißverbindung laufen Kanäle senkrecht von der jeweiligen Schweißnaht weg und erstrecken sich in das Grundmaterial.

Eine weitere, ähnliche Schweißverbindung ist in der FR-PS 22 78 449 beschrieben. Hierbei handelt es sich um die Erzeugung einer Schweißnaht zwischen zwei aufeinanderliegenden Teilen, wobei die Überlappungsstelle mit Schlitzen bzw. Löchern verse hen ist. Die Richtung dieser Schlitze bzw. Löcher ist jedoch auch wieder quer zur Richtung der Schweißnaht. Es ist auch bei dieser Verbindung keine Hohlkehle mit einer Seitenwand vorhan den.

Ausgehend von diesem Stand der Technik hat nun die Erfindung zur Aufgabe, Schweißnähte bzw. Schweißverbindungen der ein gangs erwähnten Art mit erhöhter Dauerfestigkeit 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, vor. Eine besonders vorteilhafte, auf diese Art er zeugte Schweißnaht ist in Patentanspruch 4 aufgeführt.

Bei der 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:

¹/₁₀ t < l < t ¹/₂ und

t die Tiefe der Schweißnaht bzw. Hohlkehle und l 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 Grundmateral 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 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 die 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).

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen von Schweißverbindungen von stirn seitig oder winkelig aneinandergesetzten Teilen, mit einer mit Schweißgut ausgefüllten Hohlkehle an der Berührungs stelle der zu verbindenden Teile mit den Verfah rensschritten:

a) Erzeugen der Hohlkehle durch Anfasen der Werkstoffkanten von der Schweißseite her bei stirnseitigem Verbinden oder durch winkeliges Aneinandersetzen der zu verbinden den Teile,

gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte:

b) Einbringen von Nuten oder Ausbuchtungen in die Seiten flächen oder Erzeugen von Wülsten auf den Seitenflächen der Hohlkehle bzw. der aneinandergesetzten Teile, die mit dem Schweißgerät in Berührung kommen und mit ihm ver schmelzen,
c) Ausfüllen der Hohlkehle mit geschmolzenem Schweißgut bis über die Ausdehnung der Ausbuchtungen und Wülste hinweg um mindestens einmal deren Breite.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten bzw. Ausbuchtungen so angebracht werden, daß sie in der Seitenwand der Hohlkehle gem. Schritt b) parallel, senkrecht oder schrägwinklig zur Längsachse der Schweißnaht verlaufen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten bzw. Ausbuchtungen überkreuz angelegt werden.

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