Schweißen – das müssen Konstrukteure beachten

Im Vergleich zum Gießen sind beim Schweißen geringere Wandstärken und Bauteilquerschnitte sowie größere Formsteifigkeiten der Bauteile möglich. Vorteile gegenüber Schraub- und Nietkonstruktionen sind Gewichtsersparnisse, glatte Verbindungen, keine Bauteilschwächungen durch Niet- oder Schraubenlöcher, eine geringere Korrosionsgefahr sowie eine einfachere Reinigung.

Wichtig ist, dass für die Wandstärke der zu verschweißenden Bauteile die richtige Schweißnahtvorbereitung gewählt wird. Hierfür empfiehlt sich eine klassische Zeichnung auf Papier für die Fertigung, in der die Maße der Schweißnahtvorbereitung (Winkel, Spalt, Steg- und Flankenhöhe) festgehalten werden. Diese variieren je nach Werkstoff. Beim E-Schweißen liefert eine sauer umhüllte Stabelektrode mittlere, eine rutil umhüllte Elektrode gute, eine basisch umhüllte Stabelektrode dagegen sehr gute mechanische Werte des Schweißgutes.

Für abnahmepflichtige Bauteile dürfen nur Werkstoffe verwendet werden, die im einschlägigen Fachgebiet zugelassen sind und die durch Werksbescheinigungen beziehungsweise Werkszeugnisse oder Abnahmeprüfzeugnisse belegbar sind.

In welcher Reihenfolge das Produkt zusammengebaut wird und wie die Anordnung der Schweißnähte bzw. die Lage einer Schweißnaht hat Auswirkungen auf die Schweißarbeiten. Daher ist auch das Unterteilen in Baugruppen wichtig sowie in Werkstatt- und Montagenähte. Wie groß Sie die Baugruppen einteilen, hängt von den Transportmöglichkeiten zum Aufstellungsort ab. Denken Sie an Streckenbegrenzungen, die Straßenverkehrsordnung und die Begrenzungsmaße der DB.

Je nach Einsatzgebiet und Beanspruchung des Endbauteils gelten andere Normen und Berechnungsrichtlinien. Stellen Sie sicher, dass Sie für Ihre Konstruktion die nötigen Informationen des Auftraggebers erhalten, um die zulässigen Schweißnahtspannungen und Einstufungen in vorgegebene Kerbfälle einzuplanen. Dazu gehört auch, die Verfahren für eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung zu bestimmen und den Umfang möglicher Schweißnaht-Ausbesserungsarbeiten zu definieren.

Ein Schweißplan hilft, die erforderliche Zugänglichkeit zu sichern, um die Schweißverbindungen mit den zur Verfügung stehenden Prüfverfahren einwandfrei prüfen zu können. Das gilt nicht nur unmittelbar während oder nach der Fertigung, sondern auch in wiederholender Weise nach festgelegten Prüffristen. Sprechen Sie sich mit der herstellenden Werkstatt, der Abnahmegesellschaft, dem Betreiber und dem Auftraggeber ab.

Idealerweise wird in waagrechter Position (Wannenposition PA) geschweißt. Da allerdings nicht jede Schweißnaht so günstig liegt, sind in der DIN EN ISO 6947 mögliche Schweißpositionen vorgegeben. Neben der Wannen- sind auch die Horizontal-, Steig-, Fall-, Quer- und Überkopfposition denkbar. Bevor Sie jedoch nachdenken, sollten Sie klären, ob mittels einer Vorrichtungen die Schweißkonstruktion in die Wannenposition drehen lässt.

Fügen Sie dem Bezugszeichen einer Schweißnaht neben der Schweißposition auch den Kennbuchstaben für das Nahtmaß, das Nahtmaß selbst, das Schweißnahtsymbol mit Zusatz- und Ergänzungssymbolen, die Nahtlänge mit Anzahl und Einzellängen bei unterbrochenen Nähten inklusive des Vormaßes, das Schweißverfahren, die Bewertungsgruppe sowie den Schweißzusatz hinzu.

Das Schweißverfahren richtet sich nicht nur nach der Stärke der Bauteile. Erkundigen Sie sich nach der Abschmelzleistung und den Randbedingungen der Fertigung. Denn diese bestimmen das oder die Schweißverfahren mit. Einen Überblick finden Sie in der ISO 4063. Auch wenn bei der analytischen Berechnung einer Schweißnaht das Schweißverfahren nicht berücksichtigt werden kann: Die späteren Eigenspannungen in der Schweißkonstruktion fallen umso höher aus, je größer die Temperaturen beim Schweißen sind - bedingt durch das festgelegte Schweißverfahren. Zu bevorzugen sind das MAG-, WIG- und E-Schweißen.

Für die Maßhaltigkeit und um Verzug zu verhindern, werden Bauteile zum Schweißen eingespannt. Denken Sie beim Konstruieren an passende Stellen, damit die Bauteile befestigt werden können. Zuletzt abgekühlte Bauteilbereiche weisen Zug-Eigenspannung auf; von dort aus werden Zugkräfte auf angrenzende Teile ausgeübt, die gut befestigt werden sollten. Ebene Flächen sind dazu besonders gut geeignet. Die Maßhaltigkeit und den Verzug beeinflussen darüber hinaus gesteckte Konstruktionen mit Nuten und Federn äußerst positiv.

Die zweckmäßige Fugenform ist von einer Reihe Einflussfaktoren abhängig. Durch sie legt der Konstrukteur die rechnerische Nahtdicke und die Formzahl der Naht fest. Eine große rechnerische Nahtdicke sorgt für kleine vorhandene Spannungen. Je direkter und ungestörter der Kraftfluss von einem Bauteil in das andere fließen kann bzw. je weicher der Kraftfluss in einem Nahtquerschnitt umgelenkt wird, desto größer fällt die Formzahl der Naht aus und desto größer wird die zulässige Spannung.

Besonders im Bereich des Anlagen- und Rohrleitungsbaus kommt es darauf an, vorhandene Toleranzwerte auf ein vorgegebenes Maß zu beschränken. Enger tolerierte Maße sollten möglichst in massive - später einzuschweißende - Bauteile oder in zuvor zu schweißende Baugruppen gelegt werden. Hierdurch kann sowohl eine relativ große Genauigkeit als auch eine Bearbeitung auf kleineren oder einfacheren Maschinen erreicht werden.

Der Verzug bleibt gering, wenn Sie die Nähte möglichst symmetrisch anordnen und die Einschweißquerschnitte den rechnerischen Erfordernissen anpassen. Vermeiden Sie Schweißnahtanhäufungen – besonders in zug- oder biegezugbeanspruchten Zonen.

Mehr Tipps zum Thema erhalten Sie im Seminar „Schweißtechnisches Wissen für Konstrukteure“ vom Haus der Technik.