Schweißverbindungen

Schweißverbindungen sind ein unverzichtbarer Eckpfeiler von Metallkonstruktionen und Metallanwendungen in der gesamten metallverarbeitenden Industrie vom Bauwesen, der Automobilindustrie über den Maschinen-, Fahrzeug- und Schiffbau, die Energiebranche bis zur Luft- und Raumfahrt und den Schienenverkehr um nur einige der wichtigsten zu nennen. Schweißverbindungen sind dauerhafte, unlösbare und zuverlässige Verbindungen, die unter Wärme bzw. Druck hergestellt werden. Hochwertige Schweißverbindungen erfordern nicht nur eine sorgfältige Gestaltung und eine präzise Berechnung, sondern auch eine gründliche Qualitätskontrolle. Erfahren Sie hier wichtige Informationen zu der Gestaltung, der Berechnung sowie der Qualitätskontrolle von Schweißverbindungen.

Welche Form der Verbindung ist eine Schweißverbindung?

Das Ergebnis eines Schweißvorgangs ist eine Schweißverbindung, eine unlösbare Verbindung von Bauteilen, die unter Anwendung von Wärme bzw. Druck hergestellt wird. Schweißzusatzwerkstoffe können zusätzlich beim Schweißvorgang zur Verwendung kommen. Die innige Verbindung der Fügepartner bezeichnet man als Schweißverbindung. Abhängig vom Nahttyp, den Materialien, der Materialdicke und dem Schweißverfahren haben Schweißverbindungen unterschiedliche Vor- und Nachteile.

Schweißstoß

Man bezeichnet jenen Bereich, in dem Schweißteile miteinander verbunden werden, als Schweißstoß. Es gibt unterschiedliche Stoßarten. Je nach konstruktiver Anordnung der Werkstücke bzw. deren Endflächen werden Stoßarten voneinander unterschieden. Stoßarten sind in der ISO 17659 genormt.

In Abhängigkeit von der Stoßart können unterschiedliche Nahtarten hergestellt werden. Die wichtigsten Nahtarten sind Stumpf- und Kehlnähte. Bei Stumpfnähten sind beide Werkstücke in einer Ebene angeordnet. Bei Kehlnähten liegen die Werkstücke winkelig zueinander. Dabei bilden sie eine sogenannte Kehlfuge. Eine häufig anzutreffende Sonderform der Stoßart ist der T-Stoß, bei dem die beiden Werkstücke rechtwinkelig zueinander liegen und durch eine Kehlnaht miteinander verbunden werden.

Während in Stumpfnähten die Kraftlinien mit relativ gleichmäßiger Spannungsverteilung verlaufen, werden bei Kehlnähten die Kraftlinien umgelenkt. Dies führt zu Spannungsspitzen.

Kehlnaht:

Schmelzschweißverbindungen

Um Stumpfnähte zu beschreiben, wurden verbindliche Begriffe dafür in der ISO 17659 eingeführt. Eine qualitativ hochwertige Stumpfnaht zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:

• Die Nahtwurzel ist vollständig durchgeschweißt.
• Alle Maßvorgaben werden eingehalten.
• Es existieren keine offenen Endkraterlunker (auch als Endkrater bezeichnet).
• Es gibt zwischen der Schweißnaht und den Blechoberflächen keine schädigenden Einbrandkerben.
• Die Naht ist frei von Rissen sowie von Binde- und Wurzelfehlern.

Konstruktiv ist es zulässig auch nicht durchgeschweißte Stumpfnähte vorzusehen. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass diese Nähte im Schweißstoßbereich eine geringere Tragfähigkeit aufweisen.

Kehlnähte sind die am häufigsten auftretende Art von Nähten bei geschweißten Stahlkonstruktionen. Je nach Anordnung unterscheidet man:

• Halsnähte
• Flankennähte
• Stirnnähte
• Ecknähte
• Stegnähte

Auch für Kehlnähte ist es zulässig sie unterbrochen auszuführen, wenn die Belastung und die Korrosionsbedingungen dies zulassen. Die wichtigsten Qualitätsmerkmale für eine Kehlnaht sind die Nahtdicke a und die Einbrandtiefe. Wie schon bei Stumpfnähten gilt auch für Kehlnähte, dass sie frei von Einbrandkerben und Endkraterlunkern sein sollten.

Mischformen zwischen Stumpf- und Kehlnähten werden unter ‚sonstige Nähte‘ zusammengefasst.

Widerstandsschweißverbindungen und Rollennahtschweißverbindungen

Widerstandspunktschweißen kommt für die Herstellung einer Schweißverbindung von übereinander liegenden Blechabschnitte zum Einsatz. Widerstandspunktschweißen ist ein Pressschweißverfahren mit Strom als Energieträger. Hierzu gehört auch das Punktschweißen.

Rollennahtschweißen ist ein Widerstandspressschweißverfahren und wurde aus dem Widerstandspunktschweißen abgeleitet. Rollenelektrodenpaare tragen die zum Schweißen erforderliche Kraft auf und leiten den Schweißstrom in die Werkstücke ein.

Was sind Bewertungsgruppen?

Bewertungsgruppen gehören zu den Gütekriterien, die zur Festlegung der Fertigungsqualität dienen. Eine Bewertungsgruppe bezieht sich auf die Qualität der Schweißnaht auf Grundlage von Art, Größe und Anzahl spezifischer Unregelmäßigkeiten. Bewertungsgruppen dienen demnach nicht zur Klassifizierung der Gebrauchstauglichkeit eines gefertigten Produktes.

Gütekriterien werden abhängig von der Art des Schweißstoßes sowie den Belastungen und Einsatzbedingungen des geschweißten Bauteils für jede einzelne Schweißnaht festgelegt und müssen nachweisbar sein. Die Gütekriterien sind so zu verstehen, dass sie nach DIN EN ISO 5817 zulässige Toleranzen definierter Unregelmäßigkeiten der Schweißnaht festlegen. Falls eine Unregelmäßigkeit das vorgeschriebene Toleranzmaß überschreitet, so spricht man von einem Schweißnahtfehler.

Für jede Bewertungsgruppe definiert man Werte für die Abmessungen von Unregelmäßigkeiten in Form von Anforderungen:

• B: Hohe Anforderungen
• C: Mittlere Anforderungen
• D: Niedrige Anforderungen

Für Schweißverbindungen im Stahlbau kommt zusätzlich noch die Bewertungsgruppe B+ zur Verwendung. Die Bewertungsgruppe B+ definiert sich auf Grundlage der Anforderungen aus der Bewertungsgruppe B und zusätzlich den Anforderungen aus der Tabelle 17 der DIN EN 1090-2.

Konstrukteur sowie Hersteller bzw. Überwachungsstelle führen gemeinsam auf Basis der gültigen Anwendungsnormen die Einordnung einer Schweißnaht in eine Bewertungsgruppe durch. Bei diesem Vorgang spielen folgende Gütekriterien eine Rolle:

• Festigkeitsanforderungen
• Folgen des Bauteilversagens
• Optisches Erscheinungsbild der Schweißnaht
• Fertigungsbedingungen

Im Allgemeinen kommen an einem Bauteil Schweißnähte unterschiedlicher Bewertungsgruppen vor. Beispielsweise können die Stumpfnähte für den Kessel eines Flüssigkeitsbehälters die Bewertungsgruppe B aufweisen. Ebenso für ein dazugehöriges Rohr, das Schweißverbindungen aufweist. Die Kehlnähte für die Standfüße des Behälters haben hingegen die Bewertungsgruppe C. Auch an ein und derselben Schweißnaht sind verschiedene Bewertungsgruppen für unterschiedliche Arten von Unregelmäßigkeiten möglich.

Die zulässigen Maße für Unregelmäßigkeiten, die einer bestimmten Bewertungsgruppe zugeordnet sind, werden nach DIN EN ISO 5817 definiert.

Für Kehlnähte ist das wichtigste geometrische Maß das sogenannte a-Maß. Beim a-Maß handelt es sich laut DIN EN ISO 2553 um die Höhe eines gleichschenkligen Dreiecks, das sich in den Nahtquerschnitt einzeichnen lässt.

Für Stumpfnähte ist das relevante geometrische Maß die Stumpfnahtdicke s. Bei der Stumpfnahtdicke handelt es sich bei teilweisem Einbrand um den Solleinbrand. Liegt eine durchgeschweißte Naht vor, so versteht man unter der Stumpfnahtdicke den kleinsten Abstand zwischen Ober- zu Unterseite des Teils.

Die Referenznorm DIN EN ISO 5817 für die Qualitätsbewertung von Schweißnähten deckt Schweißnähte aus den Materialien Stahl, Nickel sowie Titan und ihrer Legierungen für Werkstückdicken größer 0,5 mm ab. Die Norm legt die Definitionen für den Stahlbau, den Straßen- und Eisenbahnbrückenbau, den Druckbehälterbau sowie den Schienenfahrzeug- und Rohrleitungsbau fest. Die Prüfnachweise für Schweißerprüfungen und Verfahrensprüfungen sind ebenfalls Bestandteil dieser Norm. Zudem gilt die Norm für alle Schmelzschweißverfahren außer Strahlschweißungen und unabhängig von der Verfahrensdurchführung für manuelle, mechanisierte sowie automatisierte Fertigung von Schweißnähten. Ebenso gelten die Festlegungen unabhängig von der Schweißposition und den Schweißstoßarten. Für Schweißverbindungen aus Aluminium gilt die Norm DIN EN ISO 10042.

Überlegungen zur Gestaltung, Berechnung und Qualitätskontrolle von Schweißverbindungen

Die richtige Gestaltung einer Schweißverbindung kann abhängig von den Anforderungen sehr anspruchsvoll sein. Eine sorgfältige Planung unter Einhaltung der gültigen Normen und Richtlinien sowie qualifiziertes Personal mit geeigneter Ausrüstung sind unverzichtbar, um fehlerfreie Schweißverbindungen zu gewährleisten. Für die Konzeption und Gestaltung einer Schweißverbindung müssen vor allem diese wichtigen Faktoren berücksichtigt werden:

• Wahl des richtigen Schweißverfahrens: Als Kriterien für die Wahl gehen die spezifischen Anforderungen der Anwendung, die zu verbindenden Materialien und die Dicke der Werkstücke ein.
• Festlegung der geeigneten Nahtgeometrie: Die Wahl von Form und Größe der Schweißnaht muss so erfolgen, dass die Naht den zu erwartenden Belastungen standhält.
• Beachtung der Werkstoffeigenschaften: Abhängig von den verwendeten Materialien ist es erforderlich die Schweißbarkeit und die Reaktion auf die Wärmeeinbringung beim Schweißen zu berücksichtigen.
• Berücksichtigung der Konstruktionsrichtlinien: Für die Gestaltung von Schweißverbindungen müssen spezifische Normen und Richtlinien berücksichtigt werden. Beispielsweise beinhaltet die DIN EN 1993 die Festlegungen für Stahlkonstruktionen.

Berechnung von Schweißverbindungen

Um Festigkeit und Tragfähigkeit der Verbindung in der Planungsphase überprüfen zu können, ist es erforderlich Schweißverbindungen zu berechnen. Wiederum ist es erforderlich mehrere wichtige Einflussfaktoren zu berücksichtigen:

• Art und Größe der Belastung: Die Schweißverbindung muss in der Lage sein, den auftretenden mechanischen Zug-, Druck-, Scher- und Torsionskräfte standzuhalten.
• Werkstoffkennwerte: Die mechanischen Eigenschaften der verwendeten Materialien, wie beispielsweise die Zugfestigkeit sowie die Streckgrenze und weitere mechanische Eigenschaften sind essenziell für die Berechnung.
• Nahtgeometrie: Die Tragfähigkeit der Schweißnaht wird durch ihre Abmessungen beeinflusst.
• Sicherheitsfaktoren: Für eine ausreichende Sicherheit gehen Sicherheitsfaktoren in die Berechnung ein.

Qualitätskontrolle von Schweißverbindungen

Qualitätskontrollen von Schweißverbindungen sind unverzichtbar. Nur durch eine Qualitätskontrolle kann sichergestellt werden, dass die Verbindung den Anforderungen entspricht. Unterschiedliche Verfahren der Qualitätskontrolle stehen zur Verfügung:

• Visuelle Prüfung: Es erfolgt die Prüfung auf sichtbare Fehler wie Poren, Risse bzw. unzureichende Durchschweißung. Bestimmte Schweißnahtfehler lassen sich durch visuelle Prüfung nur sehr schwer oder gar nicht feststellen.
• Zerstörungsfreie Prüfverfahren: Zu diesen Verfahren gehören unter anderem die Ultraschallprüfung, Röntgenprüfung und Magnetpulverprüfung. Die Verfahren ermöglichen es, innere Fehler zu erkennen.
• Zerstörende Prüfverfahren: Die Verfahren ermöglichen den Festigkeitsnachweis der Schweißverbindungen, beispielsweise durch Zug- und Kerbschlagbiegeversuche.
• Dokumentation: Um die Rückverfolgbarkeit sicherzustellen sowie die Einhaltung der Anforderungen zu festzuhalten.

Unterschiede zwischen Kehlnaht und Stumpfnaht

Die beiden Nahtarten unterschieden sich vor allem in ihrer Stoßart, also der Beschaffenheit des Bereiches der beiden miteinander verschweißten Teile. Die Werkstücke sind bei Stumpfnähten in einer Ebene angeordnet. Dahingegen liegen die Werkstücke bei Kehlnähten winkelig zueinander und bilden damit eine Kehlfuge. Abhängig von der Stoßart sind unterschiedliche Nahtarten möglich. Stumpfnähte weisen eine gleichmäßige Verteilung der Spannung auf, die Kraftlinien sind regelmäßig. Kehlnähte bewirken eine Umlenkung der Kraftlinien, was Spannungsspitzen zur Folge hat.

Die häufigste Nahtform bei geschweißten Stahlkonstruktionen ist die Kehlnaht. Abhängig von der zulässigen Belastung und den Korrosionsbedingungen ist es möglich, Kehlnähte unterbrochen auszuführen. Relevante Qualitätsmerkmale für eine Kehlnaht sind die Nahtdicke und die Einbrandtiefe. Gute Kehlnähte sind frei von Einbrandkerben und Endkraterlunkern.

Begrifflichkeiten für Stumpfnähte sind verbindliche in ISO 17659 definiert. Voraussetzung für eine qualitativ hochwertige Stumpfnaht ist eine durchgeschweißte Nahtwurzel sowie die Einhaltung der Maßvorgaben. Schädigende Einbrandkerben zwischen der Schweißnaht und den Blechoberflächen sollten ebenso wie Endkraterlunker vermieden werden. Eine einwandfreie Naht muss frei von Rissen, Wurzel- und Bindefehlern sein.