Wärmewirkungen des Schweißens: Temperaturfeld, Eigenspannungen, Verzug

1 Einführung.- 1.1 Phänomene, Begriffe, Einflußgrößen.- 1.2 Entstehung, Veränderung, Beseitigung von Schweißeigenspannungen.- 1.3 Arten von Schweißeigenspannungsfeldern.- 1.4 Arten von Schweißformänderungen.- 1.5 Fachbuchhinweise und Darstellungsgesichtspunkte.- 2 Temperaturfelder beim Schweißen.- 2.1 Grundlagen.- 2.1.1 Schweißwärmequellen.- 2.1.1.1 Bedeutung des Schweißtemperaturfeldes.- 2.1.1.2 Arten von Schweißwärmequellen.- 2.1.1.3 Leistung der Schweißwärmequellen.- 2.1.2 Wärmeausbreitungsgesetze.- 2.1.2.1 Wärmeleitungsgesetz.- 2.1.2.2 Wärmeübergangsgesetz.- 2.1.2.3 Wärmestrahlungsgesetz.- 2.1.2.4 Feldgleichung der Wärmeleitung.- 2.1.2.5 Anfangs- und Randbedingungen.- 2.1.2.6 Thermische Werkstoffkennwerte.- 2.1.3 Modellvereinfachungen zur Geometrie und Wärmeführung.- 2.1.3.1 Notwendigkeit der Vereinfachungen.- 2.1.3.2 Vereinfachungen der Geometrie.- 2.1.3.3 Räumliche Vereinfachungen der Wärmequelle.- 2.1.3.4 Zeitliche Vereinfachungen der Wärmequelle.- 2.1.3.5 Anwenderfragen an Schweißtemperaturfelder.- 2.1.3.6 Numerische Lösung und experimentelle Kontrolle.- 2.2 Globale Temperaturfelder.- 2.2.1 Momentane stillstehende Quellen.- 2.2.1.1 Momentane Punktquelle auf Halbkörper.- 2.2.1.2 Momentane Linienquelle in Scheibe.- 2.2.1.3 Momentane Flächenquelle im Stab.- 2.2.2 Kontinuierliche stillstehende und wandernde Quellen.- 2.2.2.1 Wandernde Punktquelle auf Halbkörper.- 2.2.2.2 Wandernde Linienquelle in Scheibe.- 2.2.2.3 Wandernde Flächenquelle im Stab.- 2.2.3 Normalverteilte Quellen.- 2.2.3.1 Stillstehende und wandernde Kreisquelle auf Halbkörper.- 2.2.3.2 Stillstehende und wandernde Kreisquelle in Scheibe.- 2.2.3.3 Stillstehende Streifenquelle in Scheibe.- 2.2.4 Schnellwandernde Hochleistungsquellen.- 2.2.4.1 Schnellwandernde Hochleistungsquelle auf Halbkörper.- 2.2.4.2 Schnellwandernde Hochleistungsquelle in Scheibe.- 2.2.5 Wärmesättigung und Temperaturausgleich.- 2.2.6 Einfluß begrenzter Körperabmessungen.- 2.2.7 Finit-Element-Lösungen.- 2.3 Lokale Wärmewirkung auf Schmelzzone.- 2.3.1 Schweißlichtbogen als Wärmequelle.- 2.3.1.1 Physikalisch-technische Grundlagen.- 2.3.1.2 Wärmebilanz und Wärmestromdichte.- 2.3.1.3 Abschmelzen der Elektrode.- 2.3.1.4 Aufschmelzen des Grundwerkstoffes.- 2.3.1.5 Zusammenwirken von Abschmelzen und Aufschmelzen.- 2.3.2 Schweißflamme als Wärmequelle.- 2.3.2.1 Physikalisch-technische Grundlagen.- 2.3.2.2 Wärmebilanz und Wärmestromdichte.- 2.3.3 Widerstandserwärmung des Schweißpunkts.- 2.4 Wärmewirkung auf Wärmeeinflußzone.- 2.4.1 Gefügeänderung in Wärmeeinflußzone.- 2.4.2 Abkühlgeschwindigkeit, Abkühlzeit, Verweilzeit beim Einlagenschweißen.- 2.4.3 Temperaturablauf beim Mehrlagenschweißen.- 3 Eigenspannungen und Verzug beim Schweißen.- 3.1 Grundlagen.- 3.1.1 Ausgangsbasis Temperaturfeld.- 3.1.2 Elastisches Wärmespannungsfeld.- 3.1.3 Elastoplastisches Wärmespannungsfeld.- 3.1.4 Grundgleichungen der Thermomechanik.- 3.1.5 Thermomechanische Werkstoffkennwerte.- 3.2 Finit-Element-Modelle.- 3.2.1 Intelligente Lösung.- 3.2.2 Stabelementmodell.- 3.2.3 Ringelementmodell.- 3.2.4 Scheibenelementmodell in Plattenebene.- 3.2.5 Scheibenelementmodell quer zur Plattenebene.- 3.3 Schrumpfkraft- und Eigenspannungsquellmodelle.- 3.3.1 Längsschrumpfkraftmodell.- 3.3.2 Querschrumpfkraftmodell.- 3.3.3 Anwendung auf Zylinder- und Kugelschale.- 3.3.4 Eigenspannungsquellmodell.- 3.4 Praxisrelevante Übersicht zu Schweißeigenspannungen.- 3.4.1 Allgemeine Aussagen.- 3.4.2 Nahtlängseigenspannungen.- 3.4.3 Nahtquereigenspannungen.- 3.4.4 Eigenspannungen nach Punktschweißen, Plattieren, Brennschneiden.- 3.5 Schweißverzug.- 3.5.1 Modellvereinfachungen.- 3.5.2 Querschrumpfung und Fugenquerbewegung.- 3.5.3 Längs- und Biegeschrumpfung.- 3.5.4 Winkelschrumpfung und Torsionsverzug.- 3.5.5 Verwerfung dünnwandiger geschweißter Bauteile.- 3.6 Eigenspannungs- und Verzugsmessung, Modellgesetze.- 3.6.1 Bedeutung von Versuch und Messung.- 3.6.2 Dehnungs- und Verschiebungsmessung während des Schweißens.- 3.6.3 Zerstörende Eigenspannungsmessung.- 3.6.3.1 Messung einachsiger Schweißeigenspannungen.- 3.6.3.2 Messung zweiachsiger Schweißeigenspannungen.- 3.6.3.3 Messung dreiachsiger Schweißeigenspannungen.- 3.6.4 Zerstörungsfreie Eigenspannungsmessung.- 3.6.5 Verzugsmessung.- 3.6.6 Modellgesetze.- 4 Verminderung von Schweißeigenspannungen und Schweißverzug.- 4.1 Notwendigkeit und Art der Maßnahmen.- 4.2 Konstruktive Maßnahmen.- 4.3 Werkstofftechnische Maßnahmen.- 4.3.1 Ausgangslage.- 4.3.2 Werkstoffkennwerte in den Feldgleichungen.- 4.3.3 Herkömmliche Betrachtung des Werkstoffeinflusses.- 4.3.4 Ableitung neuartiger Schweißeignungszahlen.- 4.4 Fertigungstechnische Maßnahmen.- 4.4.1 Ausgangslage.- 4.4.2 Maßnahmen vor und während des Schweißens.- 4.4.2.1 Übersicht.- 4.4.2.2 Allgemeine Maßnahmen.- 4.4.2.3 Nahtspezifische Maßnahmen.- 4.4.2.4 Thermische Maßnahmen.- 4.4.2.5 Mechanische Maßnahmen.- 4.4.2.6 Anwendungsbeispiele.- 4.4.3 Maßnahmen nach dem Schweißen.- 4.4.3.1 Übersicht.- 4.4.3.2 Warmentspannen (Spannungsarmglühen).- 4.4.3.2.1 Praxis des Warmentspannens und Regelwerk.- 4.4.3.2.2 Spannungsrelaxationsversuche.- 4.4.3.2.3 Gefügeänderung beim Warmentspannen.- 4.4.3.2.4 Gleichwertigkeit von Glühtemperatur und Glühzeit.- 4.4.3.2.5 Kriechgesetz und Kriechtheorien zum Warmentspannen.- 4.4.3.2.6 Berechnungsbeispiele zum Warmentspannen.- 4.4.3.3 Kaltentspannen (Kaltrecken, Flamm- und Vibrationsentspannen).- 4.4.3.3.1 Stabelementmodelle für Kaltrecken.- 4.4.3.3.2 Kerb- und Rißmechanik beim Kaltrecken.- 4.4.3.3.3 Praxis des Kaltreckens.- 4.4.3.3.4 Flammentspannen.- 4.4.3.3.5 Vibrationsentspannen.- 4.4.3.4 Hämmern, Walzen, Preß- und Wärmepunkten.- 4.4.3.5 Warm-, Kalt- und Flammrichten.- 5 Festigkeitsauswirkungen des Schweißens (Übersicht).