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Verfahren zur Herstellung von Stahlbauwerken aus Stählen hoher Festigkeit
mittels elektrischer Lichtbogen-Schweißung Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung von Stahlbauwerken aus niedrig legiertem Stahl, der in geglühtem
Zustand eine Mindestzugfestigkeit von 52 kg/mm2 hat, bei welchem mittels elektrischer
Lichtbogenschweißung durch übereinandergelegte Schweißraupen Stahlprofile od. dgl.
von einer Mindeststärke von io mm verbunden werden.
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Es ist bekannt, daß die Schweißbarkeit von Walzstahl mit zunehmender
Stärkedes Profils, d. h. mit abnehmendem Warmformänderungsgrad und zunehmender Korngröße,
abnimmt. Es ist ebenfalls bekannt, daß schwach legierte Stähle hoher Festigkeit
bei dünnen Profilabmessungen (unter io mm) nur mittelmäßig schweißbar sind, während
kein Stähl dieserArt bei einer Stärke von über 25 mm eine brauchbare Schweißbarkeit
aufweist.
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Unter Ställen .hoher Festigkeit werden in dieser Beschreibung Stähle
verstanden, deren Zugfestigkeit mindestens 52 kg/mm2 in geglühtem Zustand beträgt.
Wegen der mangelhaften Schweißfähigkeit von Stählen hoher Festigkeit, die um so
größer ist, je größer ihr Gehalt an Kohlenstoff, Mangan oder
anderen
Legierungsmetallen ist, weisen die gegebenenfalls aus ihnen hergestellten Bauwerke
eine geringe Sicherheit auf. Es wird deshalb vorgezogen, dieseStähle nicht zur Herstellung
schwerer -geschweißter Bauwerke zu verwenden, wie z. B. zu großen Brücken oder großen
Schiffen.
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Die mangelhafte Schweißfähigkeit der Stähle hoher Festigkeit bei größeren
Profilstärken folgt aus drei zusammenwirkenden Hauptursachen, nämlich: z. In einer
geschweißten Konstruktion fallen die durch den Schweißvorgang erzeugten Spannungen
meist nachteiligerweise mit den von der äußeren Belastung herrührenden Spannungen
zusammen. Es treten daher an vielen Punkten des Bauwerkes vervielfachte Spannungen
auf. Die an verschiedenen Punkten auftretenden Spannungsspitzen können üblicherweise
in der Festigkeitsrechnung nicht berücksichtigt werden, weil ihr tatsächlicher Wert
nicht bekannt ist. Diese vervielfachten Spannungen können Brüche .zur Folge haben,
ohne daß eine plastische Verformung des Stahles vorausgeht. Diese Gefahr ist um
so größer, je größer die Härte des den vervielfachten Spannungen unterworfenen Werkstoffs
ist, insbesondere in den gehärteten bzw. getemperten Zonen in der Nähe der Schweißraupen.
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Es ist wesentlich, @daß :die vervielfachten gefährlichen Spannungen
in einer geschweißten Konstruktion in der Nähe der Oberflächen der durch Schweßung
verbundenen Profile auftreten. Tatsächlich erreichen einmal die Biege- und Torsionsspännungen
:ihre Höchstwerte nahe der Oberfläche, und weiterhin werden die Schweißspannungen
in Schweißverbindungen, welche aus mehreren Schweißraupen :bestehen, durch die letzte
Schweißraupe der Verbindung verursacht und erreichen ihren Höchstwert in der Nähe
:dieser Schweißraupe. Diese Erscheinung ist so zu erklären, daß die von .den unteren
Schweißraupen herrührenden Spannungen großenteils durch die Wärmeeinwirkung beim
Darüberlegen der folgenden Schweißraupen vermindert werden. Es ergibt sich daraus;
,daß die nachteilige Verstärkung der durch die Belasturig hervorgerufenen Spannungen
durch die Schweißspannungen in der Nähe der Oberfläche der durch Schweißurig verbundenen
Bauteile auftritt.
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a. Der Werkstoff .der durch Schweißurig verbundenen Profile unterliegt
in der Nähe der Schweißraupen infolge des, Vorbeiführens des elektrischen Lichtbogens
einer Wärmebehandlung. In der Nähe einer mittels eines elektrischen Lichtbogens
hergestellten Schweißraupe tritt also in dem Werkstoff der zusammengeschweißten
Stücke eine gehärtete. -bzw. getemperte und weiter. nach außen eine durch Anlasseen
ausgeglühte Zone auf.
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Bei einem besonders weichen Stahl von niedrigem Kohlenstoffgehalt
ist der Werkstoff der gehärteten Zone .kaum 'härter und der Werkstoff der angelassenen
Zone kaum weicher alis der Werkstoff vor dem Schweißvorgang. Wenn der Stahl dagegen
nennenswerte Anteile von Kohlenstoff, Mangan, Chrom, Nickel, Molybdän oder anderen
die Festigkeit erhöhenden Metallen enthält, ist die getemperte Zone .unvermeidlich
gehärtet und brüchig: Es ist weiterhin zu bemerken, däß bei einer in mehreren Lagen
hergestellten Schweißverbindung die getemperte Zone einer Schweißlage zur angelassenen
Zone der folgenden Schweißlage wird. Diese Anlaßwirkung vermindert die Härte und
Brüchigkeit der zuvor gehärteten bzw. getemperten Zone. Nur idie gehärtete Zone
der letzten Schweißlage,der Schweißverbindung wird nicht ausgeglüht. Die brüchigsten,
gehärteten Zonen eines aus Stahl hoher Festigkeit geschweißten Bauwerkes liegen
daher in der Nähe -der Schweißnähte nahe der Oberflache der miteinander verbundenen
Bauteile.
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3. Schweißkonstruktionen enthalten stets zahlreiche Kerben, entweder
infolge der konstruktiven Ausbildung (bei einer T-Verbindung oder einer Überlappung)
oder durch Schweißfehler (Schlackeneinschlüsse oder sonstige Fehlstellen). Es ist
bekannt, daß Kerben in einem belasteten Teil dessen Festigkeit vermindern. Diese
Festigkeitsverminderung ist ,bei einem sehr weichen Stahl weniger bemerkbar, aber
sehr bedeutend bei härteren Stählen, wie z. B. Stählen hoher Festigkeit. Es ist
zu beachten, &ß in einer Schweißkonstruktion die Mehrzahl solcher Einkerbungen
an der Oberfläche der durch Schweißurig verbundenen Bauteile liegt, z. B. bei Einkerbungen,
welche durch die letzte Schweißraupe der Schweißverbinrdung hervorgerufen sind,
Einkerbungen konstruktiver Art bei T-Verbindungen oder Überlappungen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung geschweißter
Bauwerke aus Stahl hoher Festigkeit, bei der die beschriebenen Nachteile wesentlich
vermindert oder beseitigt werden.
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Erfindungsgemäß werden Profile, Bleche oder beliebig gestaltete Bauteile
aus schwach legiertem Stahl hoher Festigkeit :durch Schweißurig verbunden, indem
diese Profile od. dgl. mit einer Plattierungsschicht aus weichem Stahl bedeckt werden,
welcher in geglühtem Zustand eine Zugfestigkeit von höchstens 45 lzg/mm2 aufweist,
wobei die Plattierung auf der Seite angebracht wird, auf der die oberste Schicht
der übereinandergeführten Schweißnaupen gelegt wird.
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Diese plattierten Profile od. dgl. (aus einem Teil schwach legierten
Stahles und einer Plättierungsschicht aus weichem Stahl) können nach bekannten,
zweckmäßigen Verfahren hergestellt werden.
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Bei Bauwerken aus diesen erfindungsgemäß plattierten Bauteilen werden
die beschriebenen Schweißverbindungen in mehreren Lagen hergestellt. Dabei werden
die obersten Lagen, welche für :die Festigkeit des Bauwerkes am gefährlichsten sind,
in der Schicht der weichen Stahlplattierunggeführt.
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Der besonders weiche, schweißbare Stahl weist eine bessere Wärmeleitfähigkeit
auf als die legierten Stähle. Beim Schweißen der plattierten Oberfläche eines erfindungsgemäßen
Bauteils ist die Wärmewirkung in der Tiefe der Schweißkerbe geringer als beim Schweißen
eines Bauteils, das vollständig aus Stahl hoher Festigkeit besteht. Bei dem
plattierten
Bauteil dringt die gehärtete bzw. getemperte Zone nicht oder nur sehr wenig in den
Werkstoff hoher Festigkeit ein. Der Werkstoff, der auf diese Weise gehärtet wurde,
kann stets durch das Darüberlegen einer letzten zusätzlichen Schweißraupe angelassen
werden, während die gehärtete bzw. getemperte Zone in der Plattierung von Bruchgefahr
frei ist.
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Außerdem fallen also die schädlichsten, sich gegenseitig verstärkenden
Spannungen, welche an der Oberfläche des Profils auftreten, in das am wenigsten
brüchige und am besten schweißbare Metall.
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Schließlich tritt (die Mehrzahl der gegebenenfalls vorhandenen Kerben
in der besonders. weichen Plattierung auf, wo ihre schädliche Wirkung vernachlässigt
werden kann.
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Damit die letzten Schweißlagen innerhalb der Plattierungsschicht mit
Elektroden von üblichen Durchmessern, welche der Stärke der zu schweißenden Profile
angepaßt sind, z. B. Elektroden von 3,25 oder 4 oder 5 mm Durchmesser, ausgeführt
werden können, ohne daß die getemperte Zone in der Nachbarschaft der letzten Schweißlagen
zu weit in den Werkstoff von hoher Festigkeit eindringt, soll die Stärke der Plattierung
mindestens 3 mm plus drei Hundertsteil der Gesamtstärke des plattierten Profils
sein.
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Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden an Hand der Zeichnungen
beschrieben, welche lediglich schematische A.usfüh.rungs@beispiele darstellen. In
denFiguren sind einigeAusführungsformen der erfindungsgemäßen Schweißverbindungen
dargestellt und außerdem ein Sc'hweißbarkeitsversuch eines erfindungsgemäß plattierten
Profils.
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Die Fing. i bis 7 zeigen Querschnitte durch Schweißverbindungen, welche
nachdem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sind.
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Fig. 8 ist eine Draufsicht auf ein Blech, welches zur Vorbereitung
eines Versuchsstreifens für einen Schweißbarkeitsversuch dient, welcher in den Vereinigten
Staaten als Biegungsversuch an einer gekerbten, mit einer Schweißraupe versehenen
Platte nach J a c k s o n und L u t h e r bekannt ist.
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Fig. 9 zeigt in größerem Maßstab einen Längsschnitt durch die Mittelachse
eines aus dem in Fig.8dargestellten Blech gewonnenen Versuchsstreifens, nachdem
in der Schweißnaht eine Einfräsung angebracht worden ist.
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Fig. io zeigt eine schematische Darstellung der zur Durchführung des
Schweißbarkeitsversuches benutzten Biegemaschine.
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In den Figuren sind die gleichen Teile mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Fig. i zeigt die einer Schweißnaht benachbarten Teile 2 und 3 aus
schwach legiertem Stahl von mindestens 52 kg/mm2 Zugfestigkeit in geglühtem Zustand
mit einer Plattierung4 bzw. 5 aus weichem Stahl versehen. Die Zugfestigkeit dieses
weichen Stahles beträgt in geglühtem Zustand höchstens 45 kg/mm2.
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Die plattierten Teile 2, 4 und 3, 5 haben je eine Gesamtdicke von
mehr als io mm. Die beiden Teile sind mit den Kanten stumpf aneinander stoßend mittels
einer V-förmigen Schweißnaht 6 verbunden. Die Schweißnaht 6 ist durch Üb:ereinanderlegen
von Schweißraupen mittels Schweißelektroden, welche üblicherweise zur Schweißung
von Stahltei:`len verwendet werden, hergestellt. Das von den beiden miteinander
zu verschweißenden Teilen gebildeteV öffnet sich nach der Seite, auf welcher die
P.lattierungen 4 bzw. 5 aus weichem Stahl vorgesehen sind: Anders ausgedrückt sind
die Plattierungen auf der Seite der zu verbindenden Teile angebracht, von welcher
die Schweißung :durchgeführt wird.
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Die Stärke der Plattierung 4 bzw. 5 ist mindestens 3 mm plus drei
Hundertstel der Gesamtstärke der plattierten Teile 2, 4 bzw. 3, 5, um Elektroden
üblichen Durchmessers für die Schweißung der Stücke verwenden zu können, ohne daß
die getemperte und nicht angelassene Zone in merklichem Umfang in den schwach legierten
Stahl von hoher Festigkeit, aus welchem :die Teile 2 und 3 bestehen, eindringen
kann.
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Fig.2 zeigt zwei plattierte Stücke mit einem Kern 2 bzw. 3 aus schwach
legiertem Stahl hoher Festigkeit, welcher beiderseits mit einer Plattierung aus
weichem Stahl bedeckt ist. Der Kern 2 ist durch,die Plattierung 4 und 4' und der
Kern 3 durch die Plattierung 5 und 5' bedeckt. Die stumpf aneinander ,stoßenden
Teile sind mittels einer X-förmigen Naht, welche durch übereinandergelegte Schweißraupen
6 und 6' ausgefüllt wird, verbunden.
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In Fig.3 ist das zusammengesetzte Stück 2, 4 mit einer aus -dem Werkstoff
der Plattierung bestehenden Rippe 7 versehen, und zwar an der Stelle der Schweißverbindung.
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Die Plattierung kann sich über die ganze Oberfläche des Stückes erstrecken.
Bei besonders großen Stücken wird aus wirtschaftlichen Gründen die Plattierung nur
in der Nähe der Schweißverbindung vorgesehen.
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In Fing. 4 ist ein plattiertes Stück 2, 4, 7 dargestellt, bei :dem
die Plattierung nur in der Nähe der Schweißnaht 6, 6' vorgesehen ist.
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Fig. 5 zeigt ein zusammengesetztes Stück 2, 4, dessen. Plattierung
die vier Oberflächen bedeckt, und zwei zusammengesetzte Stücke 3, 5, welche gleichfalls,
wie das Stück 2, 4 von rechteckigem Querschnitt sind, bei denen die Planierung aber
nur auf drei der vier Flächen angebracht ist. Die in den Winkeln geführten Schweißraupen
6 berühren nur diePlattierungen aus weichem Stahl der zu verbindenden Stücke.
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Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Schweißverbindung, bei der die Rippe 7 des plattierten Stückes 2, 4, 7 Teil der
Plattierung 4 ist, welche sich .vollkommen um den Kern 2 herumlegt.
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Fig. 7 .stellt ein L-Eisen als Kern 2 dar, welcher vollständig von
einer Plattierung 4 umgeben ist. Das L-Eisen ist mit drei anderen plattierten Stücken
3, 5 verbunden. Diese sind nur in der Nähe der Schweißraupen 6 mit einer Plattierung
5 versehen.
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Die dargestellten Beispiele geben ein klares Bild
der
Erfindung; welche darin besteht, daß durch die Verwendung einer Plattierung.aus
weichem Stahl das schlechte Schweißverhalten der aus .schwach legiertem Stahl hoher
Festigkeit bestehenden Bautejil.e einer schweren Schweißkonstruktion nahezu vollständig
beseitigt wird. Darüber hinaus sollen aber zur sinnfälligeren Darstellung der Vorfeile
der erfindungsgemäß plattierten Bauteile einige Versuchsergebnisse mitgeteilt werden.
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Die plattierten mit einer quer zur Biegerichtung verlaufenden Schweißraupe
versehenen Bauteile wurden einem Biegeversuch unterworfen. Dabei wurde die Schweißraupe,
wie von J a ck s o n und Luther vorgeschlagen, eingekerbt.
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Bei dem Versuch wurde folgendermaßen verfahren: Auf einem plattierten
Blech 8 (s. Fig. 8) von 300X 15ömmGröße aus einemTeil2 (s.Fig.9) schwach legierten
Stahles hoher Festigkeit von 21 mm Stärke, der auf einer Seite mit einer Plattierung
4 aus besonders weichem Stahl von 4 mm Stärke versehen ist, wurde eine Schweißnaht
9 mittels einer 4 mm etarken Elektrode gezogen. Die Elektrode lieferte einen Schweißwerkstoff
von 45'kg/mm2 Zugfestigkeit. Aus der Mitte des Bleches wurden zwei Streifen von
40 mm Breite für den Biegeversuch durch Schnitte zwischen den senkrecht zur Schweißraupe
9 verlaufenden Linien io gewonnen. Außerdem wurde in der Schweißraupe eine Einfräsung
1i (s: -Fig. 9) von 2,5 mm Breite angebracht, und Zwar so tief,. daß der Boden 12
der Einfräsung-i1 1,2 mm unter oder Oberfläche 13 der Plattierung 4 lag. Dann wurde
der Versuchsstreifen zwischen die Backen 14 und 15 (s. Fig. iö) der Biegemaschine
gelegt. Die untere, abgerundete Backe 15 hatte eine Stärke von 5ö mm und befand
sich in derMitte zwischen,denzylindri@schenBacken 14, denen lichter Abstand 15o
mm betrug.
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Der Stahl der Schicht :2 enthielt o,i8%. Kohlenstoff, o,i6o/o Silicium,
1,1% Mangan, o;50/0 Nickel, o,25 % Molypden, o;28 % Kupfer, o, i % Vanadium, o,1
% Chrom. Die Zugfestigkeit betrug in geglühtem Zustand 65 kg/mm2. Die aus besonders
weichem Stahl bestehende Plattierung 4 enthielt 0,o8 % Kohlenstoff, 0,o2 0/a Schwefel,
0,03 % Phosphor und 0,3 0/0 Mangan. Die Zugfestigkeit betrüg 42kg/mm2. -Die
'beiden Streifen wurden nacheinander durch die Biegemaschine belastet. Es wurde
ein Biegewinkel von 30° im Augenblick des Auftretens des ersten Risses und,die Bildung
eines fortschreitenden gemischten Bruches festgestellt. Es wurden zwei Versuchsserien
dieser Art mit demselben Werkstöff und unter denselben Versuchsbedingungen durchgeführt.
Dabei wurden Biegewinkel von 29 @bzw. 31 mit einem fortschreitenden gemischten Bruch
festgestellt. In den :drei Versuchsserien wurde eine Bruchfläche erhalten, welche
zwischen 2-5 --und 40'/0 von seidiger Beschaffenheit war.
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Diese Versuchsergebnisse zeigen, daß glas erfindüngsgemäße Verfahren
gute Schweißbarkeit verbürgt, @da ein Stahl von über .2o mm Stärke als schweißbar
betrachtet wird, wenn der Biegewinkel im Augenblick des ersten Risses beim Biegeversuch
nach dem jackson- und Luther-Biegungsversüch über 25° ist. Zum Vergleich wurden
Versuche mit Biegestreifen von 22 mm Stärke angestellt, die ganz aus demselben Werkstoff
bestanden wie die Schicht 2 bei den zuerst erwähnten Biegestreifen. Es trat ein
plötzlicher, schlagartiger Bruch ein, bei Winkeln zwischen io und r5°; :die Bruchoberfläche
war grobkörnig. Dieser Vergleichsversuch veranschaulicht sehr gut die vorzügliche
Schweißbarkeit der in dem Verfahren gemäß Erfindung verwendeten plattierten Profile
aus Stählen hoher Festigkeit.
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Gleich gute Ergebnisse können mit schwach legierten Stählen hoher
Festigkeit und weichen Stählen erhalten werden, derenBestandteile von den oben .beschriebenen
abweichen unter der Bedingung; daß die Zugfestigkeit der verwendeten Stähle in geglühtem
Zustand über 52 kg/mm2 bzw. unter 45 kg/min2 liegen. Das erfindungsgemäße Verfahren
'kann mit schwach legiertem Stahlhoher Festigkeit durchgeführt werden, welcher Kohlenstoff
in den Grenzen zwischen 0,o9 und 0,3 % und mindestens eines der folgenden Metalle,
nämlich Mangan, Chrom, Molybden, Silicium, Nickel, Vanadium, Wolfram, Kupfer, in
einem derartigen Anteil enthält, daß die Summe dieser Legierungsmetalle wenigstens
r % ausmacht. Diese Stähle können dann mit einer Plattierung aus weichem Stahl bedeckt
sein, welche zwischen 0,3 und 0,13'/0- Kohlenstoff und höchstens 0,6% Mangan
und 0,2% Silicium enthält.