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(1)
Verlauf der Streckengrenze von Stahl in Abhängigkeit von seiner Temperatur
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Fehlstellen im Zinküberzug durch nicht entfernte Schweißschlacken
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(3)
Dickes Aufwachsen des Zinküberzuges an blecheben geschliffenen Schweißnähten als Folge eines hohen Silicium-Gehaltes in der Schweißnaht
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Großflächige Überlappungen bei Schweißkonstruktionen möglichst vermeiden
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(5)
Gestaltung von Kastenträgern (a und b günstig, c und d ungünstig)
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Arbeitsblätter Feuerverzinken
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2.9
Schweißen vor dem Feuerverzinken
1. Allgemeines
Schon bei der Planung einer Stahlkonstruktion muß berücksichtigt werden, daß sie feuerverzinkungsgerecht konstruiert wird. Ein Verzug an Bauteilen, der unter ungünstigen Bedingungen beim Feuerverzinken entstehen kann, wird durch Eigenspannungen im Bauteil in Wechselwirkung mit dem Erwärmen der Bauteile im Zinkbad hervorgerufen. Die wichtigsten beim Schweißen zu beachtenden Maßnahmen dienen daher auch dazu, Eigenspannungen in Schweißkonstruktionen niedrig zu halten. Im Bereich der üblichen Feuerverzinkungstemperatur (ca. 450 °C) haben herkömmliche Baustähle vorübergehend nur noch etwa die Hälfte ihrer normalen Festigkeit, die sie bei Raumtemperatur aufweisen, da mit zunehmender Temperatur die Festigkeit des Stahls abfällt. (Abb. 1).
2. Fehlerquellen bei der Fertigung
Beim Schweißen vor dem Feuerverzinken sind fertigungstechnische Aspekte zu berücksichtigen: Die Schweißnähte müssen sauber hergestellt werden und dürfen keine Poren oder Einbrandkerben aufweisen. So muß zum Beispiel darauf geachtet werden, daß keine Schweißschlacken auf der Schweißnaht zurückbleiben; diese können zu Verzinkungsfehlern führen, da derartige Rückstände im Zuge der üblichen Vorbehandlung in der Feuerverzinkerei nicht beseitigt werden (Abb. 2). Auch Trennmittel-Sprays, die häufig beim Schutzgasschweißen verwendet werden, um das Anbrennen von Schweißspritzern zu verhindern, können das Verzinkungsergebnis beeinträchtigen. Sie legen einen kaum sichtbaren Film auf die Stahloberfläche, der beim Vorbehandeln ebenfalls nicht entfernt wird und nun seinerseits zu Fehlstellen beim Feuerverzinken führt (siehe hierzu auch Arbeitsblatt 2.1).
Weicht die chemische Zusammensetzung des Schweißzusatzwerkstoffes erheblich von derjenigen des Grundwerkstoffes ab, können sich deutliche Unterschiede im Aussehen und in der Dicke des Zinküberzuges im Bereich von Schweißnähten ergeben. Vor allen Dingen beim Schweißen unter Schutzgas werden heute üblicherweise Schweißdrähte eingesetzt, die einen relativ hohen Silicium-Gehalt aufweisen; kritische Gehalte an Silicium in der Schweißnaht können jedoch das Feuerverzinkungsergebnis beeinflussen (siehe hierzu auch Arbeitsblatt 2.2). Dieses wird insbesondere bei blecheben bearbeiteten (geschliffenen) Schweißnähten deutlich erkennbar (Abb. 3), bei denen sich als Folge eines hohen Silicium-Gehaltes in der Schweißnaht an dieser Stelle ein erheblich dickerer Zinküberzug aufgebaut hat, der sich optisch deutlich von seiner Umgebung abhebt.
Hat sich ein Stahlteil bereits beim Schweißen verzogen, so ist ein Richten vor dem Feuerverzinken sowohl mittels Flamme (Warmrichten) als auch durch hydraulisches Pressen (Kaltrichten) möglich. Allerdings empfiehlt es sich aus Kostengründen, derartige Richtarbeiten nicht mit sehr hohem Aufwand und übertriebener Präzision durchzuführen, da unter Umständen damit gerechnet werden muß, daß während des Vezinkungsvorganges erneut geringfügiger Verzug auftritt.
Profile sollten möglichst nicht großflächig miteinander verschweißt werden (Abb. 4), weil sich hierdurch große Überlappungsflächen und Zwischenräume (Spalte) ergeben, in die das Zink nicht eindringen kann.
Zwar verlötet in den meisten Fällen das schmelzflüssige Zink den Überlappungsbereich ringsherum, trotzdem kann man nicht ausschließen, daß z.T. doch kleine Spalten und Poren unverschlossen bleiben; später kommt es an solchen Stellen zu unschönen rostbraunen Verfärbungen.
3. Auswirkungen von Schweißeigenspannungen
Liegen die Eigenspannungen in einer Konstruktion sehr hoch, so kann es vorkommen, daß die nachlassende Festigkeit des Stahls nicht mehr ausreicht, sämtliche Spannungen aufzunehmen. Spannungsspitzen können sich dann durch plastische Formänderung (Verzug) abbauen. Man sollte sich daher bemühen, die Spannungen in einer Konstruktion von vornherein möglichst gering zu halten, damit der Stahl trotz vorübergehend nachlassender Festigkeit die inneren Spannungen vollständig aufnehmen kann.
Beim Schweißen bringt man konzentriert und örtlich begrenzt eine beträchtliche Wärmemenge ein. Dieses örtliche Erwärmen und das nachfolgende Abkühlen rufen eine Reihe von Wechselwirkungen hervor, deren Auswirkung mehr oder weniger große Schrumpfspannungen sind.
Daher ist zunächst zu überlegen, ob durch konstruktive Maßnahmen der Schweißaufwand minimiert werden kann. Am Beispiel der in Abb. 5 dargestellten Kastenträger-Querschnitte wird deutlich, daß es zur Lösung eines konstruktiven Problems in der Regel mehrere Wege gibt. Je nach Belastungsrichtung sind die Lösungen a und b günstig; Konstruktion d erfordert viel Schweißarbeit, bei c wird sich wegen der asymmetrischen Anordnung der Schweißnähte wahrscheinlich Verzug beim Feuerverzinken oder bereits bei der schweißtechnischen Fertigung einstellen. Hieraus läßt sich schon eine weitere Forderung an den Konstrukteur ableiten. Schweißnähte sind nach Möglichkeit so zu legen, daß sie in der Schwereachse des Profils liegen. Ist das nicht möglich, so sollten die Schweißnähte möglichst symmetrisch im gleichen Abstand zur Schwereachse liegen. Auch hier gilt der Grundsatz, die Schweißnähte nicht größer auszuführen, als es statisch erforderlich ist.
Grundsätzlich ist festzustellen, daß die Verzugsgefahr bei symmetrisch geschweißten Bauteilen am geringsten ist. Bei unsymmetrisch geschweißten Profilen ist die Verzugsgefahr größer. Schon bei der Werkstattfertigung lassen derartig ungünstige Bauteile oftmals einen Verzug nach dem Schweißen erkennen.
Mit Hilfe eines sorgfältig ausgearbeiteten Schweißfolgeplans, der bei der Ausführung auch genau einzuhalten ist, läßt es sich oftmals erreichen, daß die Schweißspannungen gleichmäßig über den Querschnitt verteilt sind und somit der Verzug beim Feuerverzinken vermieden wird bzw. sich auf ein vertretbares Minimum beschränkt.
Die wichtigsten konstruktiven Grundregeln in Kürze:
- Durch konstruktive Maßnahmen ist der schweißtechnische Aufwand auf ein Minimum zu reduzieren, denn je mehr an einer Konstruktion geschweißt werden muß, desto mehr zeigen die durch das Schweißen erzeugten Schrumpfspannungen im Werkstück ihre nachteilige Wirkung.
- Schweißnähte sind nach Möglichkeit so zu legen, daß sie in der Schwereachse des Profils liegen oder, falls dieses nicht möglich ist, symmetrisch zur Schwereachse angeordnet sind.
- Schweißnähte, die die Konstruktion stark versteifen, möglichst erst zum Schluß schweißen.
- Die Konstruktion "von innen nach außen" schweißen, damit sich keine hohen Schrumpfspannungen beim Schweißen aufbauen können.
- Gegebenenfalls einen Schweißfolgeplan erarbeiten, der die zuvor genannten Punkte berücksichtigt.
- Die allgemeinen Grundregeln der Schweißtechnik zur spannungsarmen Fertigung stets berücksicktigen.
Um das Feuerverzinken wirtschaftlich und preisgünstig durchführen zu können, sollten die Bauteile nicht sperrig sein. Es ist günstig, die Teile in ebenflächigen Sektionen verzinken zu lassen und sie erst bei der Montage durch Schweißen oder auch Verschrauben zu verbinden.
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