StoffschlStoffschlssige Verbindungenssige Verbindungen

MotivationMotivation

Wir vertrauen darauf, dass Ingenieure und Ingenieurinnen zuverlssige Dimensionierungen durchfhrt haben.

In vielen Produkten unseres Lebens sind Bauteile verschweisst und bertragen grosse Krfte.

LernzieleLernziele

Die Studierenden sollen Schnittkrfte und momente in den Schweissnhten

bestimmen, Festigkeitsrechnungen (ruhend und wechselnd) an

geschweissten Konstruktionen durchfhrenknnen.

Systematik: stoffschlssige Verbindungen mit- arteigenem Zusatzwerkstoff (Schweissen)- artfremdem Zusatzwerkstoff (Lten, Kleben)

Vorschriften und NormenVorschriften und Normen

DIN 15018: Berechnung von Kranen: statische und dynamische Festigkeit DASt Richtlinie 01: Spannungsnachweis fr Feinkornbausthle StE47 und StE70, bertragung von DIN 15018 auf den allgemeinen Stahlbau

DIN 18800: Grundstze zur Dimensionierung im Stahlbau, statische Belastung DIN ENV 1993, Eurocode 3: auf DIN 18800 abgestimmt, verschiedene Werkstoffe, Schweissverfahren und Nahtarten

FKM Richtlinie: Festigkeitsauslegung allgemein und fr geschweisste Konstruktionen

IIW / IIS Empfehlungen: Diemensionierung gegen Ermdung von Stahl und Alu Legierungen

Dimensionierung von geschweissten Stahlkonstruktionen gut verstanden, kaum Dimensionierung von Nichteisenmetallen

NahtgeometrieNahtgeometrie

Einteilung hinsichtlich:- Stossart: Kriterium ist die Lage der Teile zueinander: Stumpfstoss, T Stoss, berlappstoss

- Nahtart: Stumpfnhte oder Kehlnhte- Nahtform: beschreibt Geometrie der Fuge, insbesondere von deren Vorbereitung (Fgeform)

StossartStossart

NahtgeometrieNahtgeometrie

Schweissen erzeugt eine stoffschlssige VerbindungNahtformen und Symbole nach EN 22553

NahtgeometrieNahtgeometrie

Nahtformen und Symbole nach EN 22553

Wirkende BeanspruchungWirkende Beanspruchung

Wirkende Beanspruchungen:- im Schweissnahtbergangsquerschnitt- im Schweissnahtquerschnitt

ussere Belastung Schnittkrfte Fx, Fy, FzSchnittmomente Mx, My, Mz

Nahtquerschnitt: a = s bzw.a = s1s1 (dnneres Blech)

StumpfnahtStumpfnaht

- Festlegung des tragenden Querschnitts einer SchweissnahtNahtlnge / Nahtbreite

Nahtlnge: l = L 2a (Endkraterabzug) bzw.l = L mit Auslaufblech geschweisst

Bemerkung: Endkraterabzug entfllt bei Rundumnaht (l = Umfang) und Schweissnahtdicke a ist bei Stumpfnhten die kleinste Blechdicke smin

Stumpfnaht: Spannungskomponenten am Beispiel Stumpfnaht: Spannungskomponenten am Beispiel FlachstabFlachstab

A a l= xxZugFA

=

tt

yx(M )t

MW

=

y

yx(M )

y

M

W =

2

yL a

W6

=

2

za L

W6

=

Quernaht kann keine Schubspannung bertragen

yyx

F

A =

zz

x(M )z

MW

=

Schweissquerschnitt und Schnittkrfte

gilt fr dnne Profile L>>s

2

ta L

W3

=

0=AFz

xy

Stumpfnaht: Spannungskomponenten am Beispiel Stumpfnaht: Spannungskomponenten am Beispiel KreisrohrKreisrohr

( )2 2a iA d d4

=

A / 2: nur Segmente links und rechts rechnen

A / 2: nur Segmente oben und unten rechnen

( ) zx zB

MM

W =

4 4a i

Ba

d dW

32 d

=

( ) yx yB

MM

W =

2a i

md d

A4 2

+ =

t

rm

M2 A a

= siehe Bredtsche Formel

xxZug

FA

=

zzx

FA /2

=

yyx

F

A /2 =

Stumpfnaht: BeispielStumpfnaht: Beispiel

Schnittkrfte in Schweissnaht Fx= K Fy= 0 Fz= F My= - F l1 Mz= 0 Mt= T

Querschnitt

Widerstandsmoment

Widerstandsmoment

( )A a l a L 2 a ; a s= = =

6)2( 2aLaWy

=

3)2(2 aLaWt

=

Stumpfnaht: BeispielStumpfnaht: Beispiel

zzx

F FA a (L 2a)

= =

xxZug

F KA a (L 2a)

= =

21

)2(6

aLaFl

WM

y

yxb

==

)2(3

2 aLaT

WM

t

ttxy

==

Zug - Druck

Schub

Biegung

Torsion

Verschweisste ProfileVerschweisste Profile

In verschweissten Profilen knnen, falls dx/ dx 0, auch Schubspannungen in Lngsnhten auftreten

xyy

F HI (2a)

=

xyy

F H(z)I b(z)

=

H/2

Gurth/2

h H H h2 2H dA f A c2 2

+ = = =

Die rechnerische Nahthhe a einer Kehlnaht ist die Hhe des theoretischen einbeschriebenen Dreiecks dessen Spitze den Wurzelpunkt berhrt

Die Nahthhe a wird umgeklappt in die Anschlussflche

Die Mindestnahtstrke ist fr a > 3 mm:

Die maximale Strke ist (bei dicken Blechen)

Endkraterabzug fr offene Nhte.z.B. Nahtanfang und Nahtende:L = geschweisste Lnge

KehlnahtKehlnaht

[ ]mmmmsa 5.0maxmin >minmax 7.02 samm

MehrfachschweissnMehrfachschweissnhtehte

Bei Mehrfachschweissnhten in einem Querschnitt werden: Einzelflche und Gesamtflche berechnet (Endkraterabzug)

Einzelschwerpunkte und Gesamtschwerpunkte bestimmt

Flchenmomente berechnet (Steiner)

i i iA a l=

i i ii i

A A a l= =

i ii

si

i

x A

xA

=

i i

is

ii

y A

yA

=

21 1,i i i

i iI I y A= + 22 2,i i i

i iI I x A= +

Angeschweisster TrAngeschweisster Trger (Spannungskomponenten)ger (Spannungskomponenten)

Querschnitt: A = 2 a l = 2 a (L - 2 a)Widerstandsmoment (Biegung): Wy = 2 a (L-2a)2 / 6Krfte aus Torsion: T = Ft (s+a)

tT

F(s a)

=+

Spannungen des angeschweissten TrSpannungen des angeschweissten Trgersgers

Vergleichsspannung, dynamisch:

( ) ( ) ( )( )22 F 1 2

V xZug xBieg zx quer zx TorsionF

v v3

S

= + + +

xzugKA

=

( )zx querFA

=

B 1xBieg 2

y

M 3 F lW a L

= =

( ) ( ) ( )t

zx TorsionF T

A /2 a+s a L 2a = =

Dimensionierung bedarf der berechnung der Schweissnaht und der Schweissnaht-bergangsquerschnitte, d.h. der Querschnitte des ungeschweissten Bauteils

Komplexere NahtbilderKomplexere Nahtbilder

Berechnung Totalflche A (Endkraterabzug)Berechnung des FlchenschwerpunktesBerechnung Trgheitsmomente I (Steinerscher Satz)Spannungskomponentenberechnung an kritischen StellenBestimmung Ort grsster VergleichsspannungFestigkeitsnachweis

Schubspannungen infolge QuerkraftSchubspannungen infolge Querkraft

Bei schlanken Trgern l > h knnen die Schubspannungen vernachlssigt werdenBei kurzen Trgern auf Schweissnhte in Richtung der Kraft reduzieren

KreisfKreisfrmige rmige NNhtehte

Bei kreisfrmigen Nhten Segmente modellieren

( )ada2

A a +

=

xx

y

y

d a

F

( )ada2

A a +=

Dimensionierung bei statischer BeanspruchungDimensionierung bei statischer Beanspruchung

berblick Bauteile dimensionieren ussere Belastung F, M auf

Schnittkrfte der Schweissnaht reduzieren Spannungskomponenten xZug, xBiegung, xyQuer, xyTorsion

bestimmen Vergleichsspannung an verschiedenen Orten der Naht

berechnen Maximale Vergleichsspannung bestimmen Festigkeitsnachweis

Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis

NahtgtebeiwertBeanspruchungsbeiwert fr statische FestigkeitGrssenfaktor0.2 % - Dehngrenze

2.032

2.032

2.032

2.032

,pdpFtF

pdpFFsF

pdpFbF

pdpFzdF

RKvvRKvv

RKvvRKvv

====

====

Zug - Druck

BiegungSchubTorsion

Festigkeitswerte fr die Schweissnaht gegen Einzelbeanspruchungen

2.0

3

2

p

dpRKvv

Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis

Nahtgtebeiwert nach DIN 8563T3 fr Stahl

Sondergte, ganz durchstrahlt (frei von Rissen und Binde- und Wurzelfehlern und Einschlssen, alle beteiligten Schweisser gleichmssig erfasst, mind. Nahtgte blau nach IIW - Katalog

AS, AK1.0

Normalgte, stichprobenweise durchstrahlt (wenig Poren und Schlackeneinschlsse)

BS, BK0.9

SichtprfungCS, CK0.8-0.5

Anforderungen an Ausfhrung und KontrolleBewertungsgrup-pe Stahl nach DIN 8563T3

v2

Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis

Beanspruchungsbeiwert fr statische Festigkeit

0.650.8alleKehl0.650.8Torsion1.01.0Biegung1.01.0Druck1.01.0ZugStumpfAluStahl v3v3BeanspruchungsartNahtform

Grssenfaktor nach folgenden TabellendpK

Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis

Grssenfaktor und bei Fliessen nach folgenden TabellendpK dmK

Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis

Grssenfaktor und bei Fliessen nach folgenden TabellendpK dmK

Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis

Grssenfaktor und bei Fliessen nach folgenden TabellendpK dmK

Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis

Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis

Sicherheit gegen Fliessen fr gut verformbare Sthle SFmin = (1.2),...,1.7,..., 2.0Hochfeste Sthle, schlechter verformbar als S355Erhhung der Sicherheiten um Faktor 1.1 bis 1.2

1

1

1

1

>=

>=

>=

>=

t

tFtF

s

sFsF

b

bFbF

zd

zdFzdF

S

S

S

S

Zug - Druck

Biegung

Schub

Torsion

Sicherheitsbeiwerte fr die Schweissnaht bei Einzelbeanspruchungen

Achtung: Nachweis erforderlich fr - Schweissnahtquerschnitt- Schweissnahtbergangsquerschnitt

Statischer FestigkeitsnachweisStatischer Festigkeitsnachweis

22

222222

222

)(3)()(3

3

stzdbv

zxyzxyxzzyyxzyxv

xyyxyxv

+++=

+++++=

++=

Die GEH liefert eine quivalente Zugspannung und ist daher mit den Festigkeitswerten auf Zug und Druck zu vergleichen.Abweichung von den Vergleichsspannungsberechnungen, da die Beanspruchungsart ber Nahtformbeiwert und Beanspruchungsbeiwert bercksichtigt wird. Reziproke Sicherheiten

Vergleichsspannungen nach der GEH

22

1 1111)(

++

+=

tFsFbFzdFF SSSS

S

Normalspannungen Schubspannungen

Dimensionierung bei dynamischer BeanspruchungDimensionierung bei dynamischer Beanspruchung

berblick Bauteile dimensionieren ussere Belastung F, M auf

Schnittkrfte der Schweissnaht reduzieren Spannungskomponenten xZug, xBiegung, xyQuer, xyTorsion

bestimmen Vergleichsspannung an verschiedenen Orten der Naht fr die

Mittelspannung berechnen Vergleichsspannung an verschiedenen Orten der Naht fr den

Spannungsausschlag berechnen Smith Diagramm zeichnen Entnahme zur Mittelspannung Festigkeitsnachweis Stelle mit kleinstem Sicherheitsbeiwert bestimmen und

nachweisen, dass dieser immer noch ausreichend ist.

)( mAA =

Dynamischer FestigkeitsnachweisDynamischer Festigkeitsnachweis

Nahtformbeiwert fr dynamische BeanspruchungNahtgtebeiwertGrssenfaktor fr BruchAusschlagfestigkeit fr die ungekerbte polierte Normprobe, z.B. aus einem Smith Diagramm fr Dauerfestigkeit oder einer Whlerlinie fr Zeitfestigkeit

NzdAdmAtA

NzdAdmAAsA

NzdAdmAbA

NzdAdmAzdA

KvvKvv

KvvKvv

21

21

21

21

,==

======

Zug - DruckBiegungSchubTorsion

Festigkeitswerte fr die Schweissnaht gegen Einzelbeanspruchungen

NzdA

dmKvv

2

1

Dynamischer Festigkeitsnachweis: Beiwert vDynamischer Festigkeitsnachweis: Beiwert v11

v1: Beiwert fr Festigkeitsminderung abhngig von der Nahtform und Beanspruchungsartbei mehrachsigen Spannungszustnden mitteln

Dynamischer FestigkeitsnachweisDynamischer Festigkeitsnachweis

Nahtgtebeiwert nach DIN 8563T3 fr Stahl (wie statisch)

Sondergte, ganz durchstrahlt (frei von Rissen und Binde- und Wurzelfehlern und Einschlssen, alle beteiligten Schweisser gleichmssig erfasst, mind. Nahtgte blau nach IIW - Katalog

AS, AK1.0

Normalgte, stichprobenweise durchstrahlt (wenig Poren und Schlackeneinschlsse)

BS, BK0.9

SichtprfungCS, CK0.8-0.5

Anforderungen an Ausfhrung und KontrolleBewertungsgrup-pe Stahl nach DIN 8563T3

v2

Grssenfaktor fr Bruch nach den Tabellen fr statischen NachweisdmK

Dynamischer FestigkeitsnachweisDynamischer Festigkeitsnachweis

Sicherheit gegen Fliessen fr gut verformbare Sthle SDmin = (1.5),...,2.5,..., 3.0

1

1

1

1

>=

>=

>=

>=

ta

tAtD

sa

sAsD

ba

bAbD

zda

zdAzdD

S

S

S

S

Zug - Druck

Biegung

Schub

Torsion

Sicherheitsbeiwerte fr die Schweissnaht bei Einzelbeanspruchungen

Achtung: Nachweis erforderlich fr - Schweissnahtquerschnitt- Schweissnahtbergangsquerschnitt

Dynamischer FestigkeitsnachweisDynamischer Festigkeitsnachweis

22

222222

222

)(3)()(3

3

stzdbv

zxyzxyxzzyyxzyxv

xyyxyxv

+++=

+++++=

++=

Die GEH liefert eine quivalente Zugspannung und ist daher mit den Festigkeitswerten auf Zug und Druck zu vergleichen. Die Vergleichsspannung ist getrennt fr die Spannungsausschlge und die Mittelspannungen zu berechnen. Abweichung von den Vergleichsspannungsberechnungen, da die Beanspruchungsart ber Nahtformbeiwert und Beanspruchungsbeiwert bercksichtigt wird. Reziproke Sicherheiten

Vergleichsspannungen nach der GEH

22

1 1111)(

++

+=

tDsDbDzdDD SSSS

S

NormalspannungenSchubspannungen

vavm

Kraftfluss

Punktschweissungen sollten auf Scherung beansprucht werden.

PunktschweissPunktschweiss--VerbindungenVerbindungen

PunktschweissanlagePunktschweissanlage

Schweissroboter fhrt Punktschweissungen an BMW Seitenwand durch

2.8 Schweissspalt2.8 Schweissspalt

neu

Spalt zwischen B

lechen fhrt -bei knapper Eindringtiefe zu ungengendem

A

nschmelzen,

-in jedem Fall zu N

ahteinfall

Analogie StiftverbindungenAnalogie Stiftverbindungen

Schweisspunktgrsse abhngig vom dnnsten Blech unabhngig vom tatschlichen DurchmesserPunktdurchmesser:

s 1

min25 smmd =

einschnittig zweischnittig

KrKrfteverteilung auf mehrere Schweisspunktefteverteilung auf mehrere Schweisspunkte

Meist erfolgt die Verbindung mit Punkte-Feldern

S: Flchenschwerpunkt n = Anzahl Schweisspunkte i = einzelner Schweisspunkt

Vorgehen: Berechnung des Flchenschwerpunktes ussere Kraft auf Schweisspunkt reduzieren: M, Qy, Qx Kraft Q gleichmssig auf Punkte verteilen

Moment M proportional zum Abstand verteilen

Gesamtkraft auf Schweisspunkt= ri iF c r 2

ii

Mc

r=i

ri iM F r=

xxi

QQ

n=

yyi

QQ

n=

i xi yi riF Q Q F= + +ur uuur uuur uur

SchweissnahtgestaltungSchweissnahtgestaltung

SchweissnahtgestaltungSchweissnahtgestaltung

LLtverbindungentverbindungen

MotivationMotivation

Meist werden Nichteisen-Metalle geltet (z.B. CU)

LernzieleLernziele

Die Studierenden sollen die unterschiedlichen Belastungsarten und die elementare Festigkeitsrechnung

von Ltverbindungen kennen.

KurzzusammenfassungKurzzusammenfassung

Lten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlssigen Fgen und Beschichten von WerkstoffenEinteilung nach Liquidustemperatur des Lotes Weichlten: T 450 C Hochtemperaturlten: T>900 C (mit Vakuum oder

Schutzgas)Flussmittel: nichtmetallisch, um Oxide zu beseitigen und zu vermeidenBedingt lsbare Verbindung

GelGeltete Schleifktete Schleifkrner rner

Schleifwerkzeug mit definiert angeordneten Krnern

Kor

n b

erst

and

Korn-abstand

Grundkrper

Lot

Titanaktivlot auf Cu BasisTLt = 950C

VorVor-- und Nachteileund Nachteile

Vorteile: Fgen von verschiedenartigen Metallen Keine Querschnittsschwchung durch Lcher Unzugngliche Ltstellen mglich Kaum thermische Schdigung des Bauteils Gut gas- und flssigkeitsdichtend Gut elektrisch leitend Gut automatisierbar Verzinnte Bleche knnen ohne Lot verbunden werden

VorVor-- und Nachteileund Nachteile

Nachteile: Geringe statische und dynamische Festigkeit Weichltungen neigen zum Kriechen Ltgerechte Konstruktion oft aufwendig Aufwendige Vorarbeiten berlappung ntig hheres Gewicht Kerbwirkung bei Hartltungen Aluminium: Gefahr elektrochemischer Zerstrung der

Ltstelle

Gestaltung von LGestaltung von Ltverbindungentverbindungen

Berechnung von LBerechnung von Ltverbindungentverbindungen

Grundstzlich soll im Bauteil und im Lot dieselbe Tragfhigkeit angestrebt und das Lot auf Scherung belastet werden.

Es werden zwei Beanspruchungsflle unterschieden Zug-/Druck- Beanspruchung vermeiden Scherbeanspruchung bevorzugen

Die Festigkeitswerte fr das Lot in einer Ltverbindung mit hherfesten Fgepartnern sind deutlich hher als die Festigkeitswerte am freien Lt Zusatzwerkstoff, was mit der Verformungsbehinderung durch den angrenzenden Grundwerkstoff zusammenhngt. Die angegebenen Festigkeitswerte bercksichtigen dies und berschtzen das Lot, bei bermssiger Schichtdicke

ZugZug-- // DruckDruck--BeanspruchungBeanspruchung

Zug- / Druck-Beanspruchung: sollte vermieden werden.

: Lastfaktor = 0.5 (wechselnd) SB: SicherheitB: Zugfestigkeit = 0.75 (schwellend) gegen Bruch

des Lots = 1 (ruhend) (1.25 - 4)

z,d Bz,d zul

B

F

b h S

= =

=FF

h b= max FF h bBelastbarkeit Blech:

ScherbeanspruchungScherbeanspruchung

Scherbeanspruchung bevorzugenberlappung bei gleicher Belastbarkeit

Festigkeitsnachweis:

= =

max maxB

B

F F; l

b l bB

zul B

Fb l S

= =

Schubbeanspruchung bei WelleSchubbeanspruchung bei Welle--NabeNabe--LLtverbindungtverbindung

= = =

T T B

zul2B

M 2Md SA d l2

l

= = = Td F

M F ; ; A d l2 A

SchSchlbeanspruchunglbeanspruchung

Analogie: Abziehen eines Klebestreifens

ZulZulssige Spannungenssige Spannungen

B = Zugfestigkeit des Lots (alle Werte in N /mm2 )

0,1 B0,18 B0,35 B-0,60,8 BL-AlSiAluminiumlot

55658090340380

250320L-CuNiNeusilberlot

30405070300400

150280L-AgSilberlot

55658090250300

250300L-CuZnMessinglot 15-25

30405070200300

150220L-CuKupferlot

zul(wechselnd)

zul(schwellend)

zul(ruhend)

BBLot

ZulZulssige Spannungenssige Spannungen