Prüfungsvorbereitung Fertigungstechnik

Frage/Antwortkatalog zum Teil 3

Urformen – Fügen – Thermisches Trennen (Prof. Eckart)

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Übersicht Urformen 1. Vorteile des Urformens gegenüber anderen Fertigungsverfahren. 2. Zusammenhang zwischen Abkühlungsgeschwindigkeit bzw. Unterkühlung der Schmelze – Keimzahl, Kristallisationsgeschwindigkeit – Korngröße – Eigenschaften des Gussgefüges. 3. Zusammenhang zwischen Kristallform – Entstehung – Eigenschaften des Gussstückes. 4. Schwindungsarten – mögliche Folgen – Maßnahmen zur Qualitätssicherung. 5. Gießeigenschaften – Arten – Ursachen – mögliche Folgen – Maßnahmen zur Qualitätssicherung. 6. Eigenschaften von Eisengusswerkstoffen: Festigkeit, Zähigkeit, Gießeigenschaften, Gebrauchseigenschaften, Preis, Schweißeignung; Kennzeichnung von Eisengusswerkstoffe. 7. Einteilung der Form- und Gießverfahren nach der Art der Form und des Modells sowie Zuordnung von je zwei Verfahren. 8. Prinzip der Form- und Gießverfahren: Prinzip, Merkmale und Anwendung. Fügen 1. Stoßarten, Natharten: Einfluss auf die Festigkeit bei statischer oder dynamischer Beanspruchung (Kerbwirkung), Symbole für Nahtarten. 2. Wärmewirkung und Werkstoffeigenschaften in der Wärmeeinflusszone. 3. Schweißposition: Wärmeeintrag, Qualität und Wirtschaftlichkeit. 4. Grundlagen des Lichtbogenschweißens: Kennlinien (Stromquellenkennlinien, Lichtbogenkennlinien, Arbeitspunkt). 5. Verfahrensprinzip, Besonderheiten und wirtschaftliche Anwendung der Schmelzschweißverfahren: MSG (MIG, MAG), E, WIG, Plasma, Laser. 6. Lichtbogenarten beim MSG-Schweißen, Charakteristika und Anwendung. 8. Vergleich der Schweißverfahren MSG und Lichtbogenhandschweißen: Vor und Nachteile, Leistungsfähigkeit, Wirtschaftlichkeit. 9. Metallkleben: Bindemechanismus, Einflussfaktoren auf die Festigkeit von Klebeverbindungen, Fertigungsschritte bei deren Herstellung, (Klebstoffarten und Eigenschaften), Gestaltung von Klebeverbindungen. 10. Löten: Vorgänge beim Löten und Bedeutung der Einflussfaktoren auf die Qualität der Lötverbindung, Notwendigkeit und Wirkungsweise der Möglichkeiten zur Oberflächenaktivierung der Fügeteile, Vor und Nachteile des Lötens gegenüber dem Schweißen. 11. Auswahl und Begründung eines Fertigungsverfahrens zum Fügen oder thermischen Trennen anhand einer konkreten Aufgabenstellung bzw. Bauteils. Thermisches Trennen 1. Vorgänge beim autogenen Brennschneiden, Plasmaschneiden und Laserstrahlschneiden, Schneidbarkeit unterschiedlicher Werkstoffe, Kriterien für die Auswahl der Schneidverfahren, Beurteilung der Qualität von Schnittflächen nach DIN EN ISO 9013.

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Urformen 1. Vorteile des Urformens gegenüber anderen Fertigungsverfahren. - stufenarmer Prozess - komplizierte Teile herstellbar - Integration von Funktionen in einem Gussteil - hohe Werkstoffausnutzung - geringer Energieaufwand - geringe Herstellungskosten 2. Zusammenhang zwischen Abkühlungsgeschwindigkeit bzw. Unterkühlung der Schmelze – Keimzahl, Kristallisationsgeschwindigkeit – Korngröße – Eigenschaften des Gussgefüges.

Keimzahl und Kristallisationsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Unterkühlung

KZN KGv

- kinetische Keimbildungstheorie kurzzeitig überhitzte Schmelzen müssen unterhalb ihres Schmelzpunktes ein Maximum für die Keimbildung besitzen

Kristallisationstemperatur nimmt mit steigender Abkühlungsgeschwindigkeit zu (Grenzwertnäherung)

Keimzahl und Kristallisationsgeschwindigkeit sind somit abhängig von der Unterkühlung

Entstehung von Primärgefügen, die sich wie folgt unterscheiden:

geringe Keimzahlen und kleine Kristallisationsgeschwindigkeit führen zu einem Grobkorngefüge

Gießbedingung I

geringe Unterkühlung

- spröde - geringe Kerbschlag-zähigkeit

große Keimzahlen und große Kristallisationsgeschwindigkeit führen zu einem Feinkorngefüge

Gießbedingung II hohe Unterkühlung

- hohe Festigkeit und Dehnung - erhöhte Kerbschlag-zähigkeit

3. Zusammenhang zwischen Kristallform – Entstehung – Eigenschaften des Gussstückes. allgemein: - die Abkühlungsgeschwindigkeit der Schmelze beeinflusst in Abhängigkeit vom

Legierungsaufbau und der Konstitution die verschiedenen Kristallformen Kristallform Skizze Entstehung Eigenschaften

globulare Kristallform

- annähernd gleiche Erstarrungsgeschwindigkeiten in den drei Achsrichtungen x, y und z

- gute Festigkeits- und Zähigkeitswerte

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säulenförmige Kristalle

Randzone mit Säulenkristallen und globulitisch erstarrter Restschmelze in der Mitte.

- Kristallwachstum in eine Richtung bevorzugt schnell - andere beiden Richtungen weniger schnell, aber annähernd gleich

- schlechte Festigkeits- und Verformungseigen-schaften

dentritische Kristallform

Primärgefüge mit Dentriten (dunkel)

- große Erstarrungsgeschwin-digkeit in eine Richtung

- schlechte Festigkeits- und Zähigkeitswerte

4. Schwindungsarten – mögliche Folgen – Maßnahmen zur Qualitätssicherung.

Schwindungsart Folgen Maßnahmen flüssige Schwindung

- Minderung der Festigkeit - nicht druckdichter Guss

- Ausgleich durch Füllkörper (Speiser, Steiger, Druckmasseln)

kubische Schwindung (im festen Zustand)

- nicht maßhaltig

- Ausgleich durch Aufmaße am Modell (Schwindmaße)

5. Gießeigenschaften – Arten – Ursachen – mögliche Folgen – Maßnahmen zur Qualitätssicherung. Gießeigenschaft Arten Ursachen Folgen Maßnahmen

Fließ- und Formfüllungs- vermögen

- dendritische Kristallisation

- Kaltgusszonen - Kaltschweißstellen - Lunker

- Änderung der Gießtemperatur, Formtemperatur, Formstoffsystem, Anschnittsystem

Schwindung

flüssige und kubische Schwindung

- Änderung der Eigenschaften vom Übergang flüssiger/fester Zustand

- Minderung der Festigkeit - nicht druckdichter Guss - nicht maßhaltig

- Ausgleich durch Füllkörper und Schwindmaße

Rissneigung

Warm- und Kaltrisse

- Spannungen (durch ungleichmäßige Abkühlung)

- Risse - Lunker

- Änderung durch konstruktive Lösungen an kritischen Übergängen - Einformung von Kühleisen

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Gasaufnahme

Gasblasen, -lunker

- Abnahme der Gaslöslichkeit mit sinkender Temperatur

- Gasporösität - Schwammgefüge

- Vakuum-schmelzen - Sauerstoffentzug durch Desoxidation

Penetration

- Eindringen des Gusswerkstoffs in oberflächennahe Formstoffpartien

- Rauhigkeiten - Brandrisse - Warzen

- Bestimmung des Randwinkels - Überzüge (Schlichten)

Seigerungen

Kristall-, Block-, Schwereseigerung

- zu hohe Abkühl-geschwindigkeit

- nicht maßhaltig - Korrosion

- Wanddicken verringern - gleichmäßige Abkühlung

6. Eigenschaften von Eisengusswerkstoffen: Festigkeit, Zähigkeit, Gießeigenschaften, Gebrauchseigenschaften, Preis, Schweißeignung; Kennzeichnung von Eisengusswerkstoffe. Festigkeit Zähigkeit Gieß-

eigenschaft Gebrauchs-eigenschaft

Preis Schweiß-eignung

Gusseisen gering gering - saubere Oberfläche - hohe Maßgenauigkeit - geringe Schwindung

- gute Zerspanbarkeit - Dämpfungsunfähigkeit - Formstabilität - Verschleiß-beständigkeit - korrosionsbeständig

- schlecht

Temperguss hoch hoch - formgenau - dünnwandig - konstruktions-komplexe Gussteile

- dünnwandige, stoßbeanspruchte Bauteile

- gut bei weißem Temperguss

Stahlguss gut gut - schwierig beherrschbar

-Hitze- und Zunderbeständigkeit - Korrosions- und Verschleißbeständigkeit

gut

7. Einteilung der Form- und Gießverfahren nach der Art der Form und des Modells sowie Zuordnung von je zwei Verfahren.

verlorene Formen Dauerform Dauermodelle verlorene Modelle ohne Modelle Handformen, Herdformen,

Schablonenformen Druckgießen

Maschinenformen, Kastenformen,

kastenloses Formen

Feingießen

Kokillengießen

Maskenformen, Croning-Verfahren

Schleudergießen und Stranggießen horizontal

Verbundgießen Vollformgießen

Verbundgießen

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8. Prinzip der Form- und Gießverfahren: Prinzip, Merkmale und Anwendung. Gießverfahren

Merkmale: Bei der Herstellung gegossener Konstruktionsteile werden Gusswerkstoffe durch Füllen einer Form direkt vom formlosen flüssigen Zustand in ein Gussstück mit definierter Gestalt und bestimmten Werkstückeigenschaften überführt. Verlorene Formen

Merkmale: Verlorene Formen werden in der Maschinen- oder Handformerei hergestellt. Nach dem Abguss werden diese Formen zerstört. Dauerformen

Merkmale: Gießverfahren mit Dauerformen, wie z.B. Kokillen- und Druckguss, können in Eisengießereien nur für spezielle Anwendungen eingesetzt werden. Nichteisenleichtmetalle hingegen werden zu 85% in wieder verwendbare Dauerformen gegossen, die zur Erzeugung von Hohlräumen Sandkerne enthalten können (Kokillenguss). Anwendung: Das Gieß- und Formverfahren ist in der Regel nicht frei wählbar, sondern hängt von der Gussstückgestalt und dem zu vergießenden Werkstoff ab.

Die Zuordnung zu den Formgebungsverfahren ist bedingt durch:

• Maßgenauigkeit • Oberflächengüte • Wandstärke • Stückzahl • Stückgewicht • Abmessungen • Kompliziertheit der Gestalt • Änderungsmöglichkeiten der Modelleinrichtung Verfahrensprinzip:

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Fügen 1. Stoßarten, Natharten: Einfluss auf die Festigkeit bei statischer oder dynamischer Beanspruchung (Kerbwirkung), Symbole für Nahtarten.

Nahtarten

Festigkeitseinflüsse: Stumpfstoß: ungestörter Kraftfluss

Parallelstoß: häufig bei Gurtplatten von Biegeträgern

Überlappstoß: Stabanschluss im Stahlbau

T-Stoß: bei Querzugbeanspr. Maßnahmen nötig

Doppel-T-Stoß: siehe T-Stoß

Schrägstoß: siehe T-Stoß

Eckstoß: weniger belastbar als T-Stoß

Mehrfachstoß: für höhere Beanspr. ungeeignet

Kreuzungsstoß: vereinzelt im Stahlbau

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2. Wärmewirkung und Werkstoffeigenschaften in der Wärmeeinflusszone.

Wärmeeinflusszone: - Bereich, in dem durch die Schweißwärme Gefügeumwandlungen/-änderungen entstanden sind - bestimmen die Bauteilsicherheit

3. Schweißposition: Wärmeeintrag, Qualität und Wirtschaftlichkeit.

- Wahl der Normallagen zum Schweißen Gründe: sonst - längere Schweißzeiten - erhöhte Fehlerhäufigkeit - kleinere Schmelzbäder mehr Material Erhöhung der Eigenspannungen und des Verzugs In Normallage wird das dendritische Gussgefüge des Schweißguts und der Wärmeeinflusszone durch Energiezufuhr umgekörnt.

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4. Grundlagen des Lichtbogenschweißens: Kennlinien (Stromquellenkennlinien, Lichtbogenkennlinien, Arbeitspunkt).

Einfluss des Arbeitspunktes auf die Lichtbogenlänge

Lichtbogenkennlinie

Stromquellenkennlinie

5. Verfahrensprinzip, Besonderheiten und wirtschaftliche Anwendung der Schmelzschweißverfahren: MSG (MIG, MAG), E, WIG, Plasma, Laser.

Prinzip Besonderheiten Anwendung

MSG – Metall-Schutzgas-Schweißen

Prinzip: - Lichtbogen brennt zwischen abschmelzender Drahtelektrode und dem Werkstoff - Schutz des Schmelzbades und der Drahtelektrode durch Schutzgas

- Werkstückoberflächen müssen frei von Verunreinigungen sein - Schweißen im Freien nur bedingt möglich (Gefahr der Schutzgasverwehung)

- Schweißen von sehr dicken und dünnen Blechen möglich

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E – Lichtbogenschweißen

Prinzip: - Handschweißprozess - Lichtbogen brennt zwischen abschmelzender Stabelektrode und Werkstück - Lichtbogen-Energie schmilzt Grundwerkstoff auf und Elektrode tropfenförmig ab - Schutz des Schmelzbades vor den Einwirkungen der Luft durch Gase und Schlacke (aus Elektrodenumhüllung)

- Schutzgasmantelbildung - Qualität ist vom Schweißer abhängig - Entstehung von UV-Strahlung

- Anwendung in der Instandhaltung (schwer zugängliche Bereiche) - es lässt sich, die entsprechende Elektrode vorausgesetzt , nahezu alles in jeder Position schweißen - unlegierte und legierte Stähle ab 2mm

WIG – Wolfram-Inertgas-Schweißen

Prinzip: - Handschweißprozess (auch voll mechanisiert) - Lichtbogen brennt zwischen nicht abschmelzender Wolframelektrode und Werkstück - Zuführung des Zusatzwerkstoffes in Form eines Schweißstabes - Schutz des Schmelzbades und der Wolfram-elektrode durch inerte Schutzgase

- ausgezeichnete mechanische und chemische Gütewerte des Schweiß-gutes - blanke Nahtoberfläche, ohne Poren und Schlacke, kaum Spritzer - geringe Werkstückerwär-mung durch nadelförmige Wolframelektrode auf kleiner Fläche

- Dünnblechschweißung (Bauteildicken von 0,5 bis 5mm) - unlegierte, niedriglegierte und hochlegierte Stähle - Nichteisenmetalle ( Al, Cu, Ni, Ti, Mg, Ta, Zr) - alle Positionen

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Plasmaschweißen

Prinzip: - Lichtbogen brennt zwischen Wolframelektrode und Plasmadüse (nicht übertragener Lichtbogen)

- Lichtbogen wird durch die Düse und eventuell Fokussiergase eingeschnürt (im Vergleich zu WIG: Energiedichte↑↑, Temperatur ↑ bei gleicher Stromstärke) - Durchdrücktechnik (Wärmeleitung in das Blech) bis ca. 2,5 mm

- Plasmadickblech-schweißen (1 bis 10 mm) - unlegierte, niedriglegierte und hochlegierte Stähle - Ni und Ni-Basislegierung, NiCr-, und NiCu-Legierungen, Ti u. Ti-Legierungen, Zr und Zr-Legierungen - Al und Al-Legierung - I-Fuge ohne Zusatzwerkstoff bis 10mm Blechdicke

Laserschweißen

Prinzip: - voll mechanisiertes Schweißverfahren - Aufschmelzen des Grundwerkstoffes durch einen Laserstrahl mit sehr geringer Divergenz und hoher Energiedichte - Arbeits- und Schutzgase - ohne oder mit Zusatzwerkstoff

- unterschiedliche Laserarten - hohe Schweißgeschwindigkeit - hohe Energiedichte - schmale Schweißnähte - geringer Wärmeeintrag - geringer Verzug - hohe Positioniergenauigkeit - hohe Abkühlgeschwindigkeit

- Werkstoffdicken: Folien bis maximal 80 mm - unlegierte, niedriglegierte und hochlegierte Stähle - Werkzeugstahl - Nichteisenmetalle ( Al, Cu, Ni, Ti, Mo, Ta, Zr, W, Ag, Au, Pt) - Kunststoffe

6. Lichtbogenarten beim MSG-Schweißen, Charakteristika und Anwendung. Lichtbogen Charakteristik Anwendung Kurzlichtbogen

feintropfig

Übergangslichtbogen

fein- bis grobtropfig

Sprühlichtbogen

feinsttropfig

- Handschweißarbeiten - mechanische Schweißverfahren mit größeren Werkstückdicken - un- und niedriglegierte Stähle

Langlichtbogen

grobtropfig

- unlegierte Stähle - bedingt bei niedriglegierten Stählen - ungeeignet bei hochlegierten Stählen

Impulslichtbogen

feintropfig

- geeignet für unlegierte und legierte Stähle

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8. Vergleich der Schweißverfahren MSG und Lichtbogenhandschweißen: Vor und Nachteile, Leistungsfähigkeit, Wirtschaftlichkeit. MSG-Schweißen Lichtbogenhandschweißen Vorteile: - Einstellwerte für Stromstärke

und Spannung sind erheblich höher - einfach mechanisierbar - Dünnblechschweißen ist möglich - bei großen Werkstückdicken große Einbrandtiefen

- kann netzunabhängig betrieben werden - in allen Positionen schweißbar - fast alle Metalle schweißbar - mechanische Gütewerte - Schweißen im Freien möglich

Nachteile: - bedingte Schweißbarkeit bei Oberflächenverschmutzung - nicht in allen Positionen schweißbar - meist nur in geschlossenen Räumen durchführbar (Schutzgasverwehung)

- Werkstückdickenbegrenzung: > 2mm - UV-Strahlung - Einschränkungen beim Schweißen von Alu(-legierung) und Kupfer

Leistungsfähigkeit: - hohe Abschmelzleistung - relativ geringe Abschmelzleistung (ca. 1,5 kg/h)

Wirtschaftlichkeit: - sehr gut für den Stahlbau geeignet, da eine hohe Arbeitsleistung erreicht wird

- wird immer öfter durch andere Verfahren ersetzt, da diese schneller und fehlerfreier arbeiten

9. Metallkleben: Bindemechanismus, Einflussfaktoren auf die Festigkeit von Klebeverbindungen, Fertigungsschritte bei deren Herstellung, (Klebstoffarten und Eigenschaften), Gestaltung von Klebeverbindungen. Bindemechanismus: - abhängig von Kohäsion (Eigenfestigkeit des Klebstoffs) und der Adhäsion (Bindekräfte zwischen Klebstoffschicht und Fügeteiloberfläche)

Einflussfaktoren: - Temperatur - Scherspannung - Schubspannung - Klebstoffart - E-Modul - Oberflächevorbehandlung der Fügefläche Fertigungsschritte: Oberflächebehandlung des Fügeteils - Säubern, Entfetten - Aktivieren der Klebefläche - Konservierung der Klebefläche Klebstoffverarbeitung - Dosieren der Klebstoffkomponenten - Mischen - Auftragen

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Fügeteilverbund - Zuführung und Fügen - Aushärten - Entformen Gestaltung: - auf Krafteinleitung in den Fügebereich und resultierenden Beanspruchung achten

- Vermeidung des Stumpfstoßes - Vermeidung einer abgesetzten Doppellaschenverbindung

Gestaltungsbeispiele: Überlappstoß

Stumpfstoß

Stumpstoß-Überlappstoß

10. Löten: Vorgänge beim Löten und Bedeutung der Einflussfaktoren auf die Qualität der Lötverbindung, Notwendigkeit und Wirkungsweise der Möglichkeiten zur Oberflächenaktivierung der Fügeteile, Vor und Nachteile des Lötens gegenüber dem Schweißen. Vorgänge: - Bauteile werden unlösbar miteinander verbunden - zwischen den Bauteilen wird ein Zusatzwerkstoff, das Lot, eingebracht - nach dem Erstarren des Lotes ist die Verbindung fest Einflussfaktoren: - Legierungsbildung zwischen Lot und Bauelement Entstehung einer dichten, festen

und unlösbaren Verbindung - Lötstelle und Lot müssen auf Arbeitstemperatur gebracht werden bei höherer

Temperatur, Schädigung der beteiligten Werkstoffe

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Oberflächenaktivierung: - Oberfläche an der Lötstelle muss metallisch blank sein (Abtragung von Metalloxiden)

- restliche Oxide werden durch chemische Reaktion mit dem Flussmittel in eine Verbindung überführt Erhöhung der Benetzbarkeit und Verhinderung einer neuen Oxidbildung

Vorteile: - geringe thermische Beeinflussung der Lötteile (geringer Verzug) - Wahl der Lote ist werkstoffunabhängig (metallische Reaktion findet in vernachlässigbaren Umfang statt) - Einsatz bei dünnwandigen Konstruktionen und schlechter Zugänglichkeit Nachteile: - geringe Festigkeit der Lote - zur Erhöhung der Festigkeit, überlappende Verbindungen höherer Materialaufwand - Gefahr des Kriechens - Korrodierung 11. Auswahl und Begründung eines Fertigungsverfahrens zum Fügen oder thermischen Trennen anhand einer konkreten Aufgabenstellung bzw. Bauteils. Thermisches Trennen 1. Vorgänge beim autogenen Brennschneiden, Plasmaschneiden und Laserstrahlschneiden, Schneidbarkeit unterschiedlicher Werkstoffe, Kriterien für die Auswahl der Schneidverfahren, Beurteilung der Qualität von Schnittflächen nach DIN EN ISO 9013. Autogenes Brennschneiden

Vorgang: - Trennen erfolgt durch Oxidation des Metalls in der Trennfuge - Oxidationsreaktion liefert den Hauptanteil der zum Trennen notwendigen Energie Werkstoffe: - unlegierte Stähle mit einem C-Gehalt bis 0,4% - legierte Stähle sind bedingt brennschneidbar

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Plasmaschneiden

Vorgang:- Trennvorgang geschieht durch Schmelzen oder Verdampfen des Werkstoffes und Herausblasen aus der Schnittfuge - die entstehende Schnittfläche ist geringfügig schräg Werkstoffe: - lediglich „leitende“ Werkstoffe (Metalle) - Einsatz für alle nicht brennschneidbaren Werkstoffe

Laserstrahlschneiden

Vorgang:- Laserstrahl erwärmt Werkstoff in der Trennfuge auf Entzündungstemperatur - Werkstoff wird durch Sauerstoffstrahl oxidiert - Oxide werden vom Sauerstoff aus der Trennfuge geblasen Werkstoffe: - unlegierter Stahl - Kunststoffe, Keramik

Auswahlkriterien: Autogenes Brennschneiden Plasmaschneiden Laserstrahlschneiden - universellstes thermisches Schneidverfahren - Werkstückdicke liegt zwischen 2mm und 3000mm - senkrechte Schnitte - Gehrungsschnitte - vielfältige Fugenformen für Schweißnähte

sehr wirtschaftlich

- Trennen von Aluminium und Aluminiumlegierungen, Kupfer und hochlegierte Stähle - alle nicht brennschneidbaren Metalle

- keine Nacharbeit nötig - sehr hohe Schnittgeschwindigkeiten geringe Bearbeitungszeiten - geringe Arbeitsgeräusche - sehr dünne Bleche

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Beurteilungskriterien von Schnittflächen: abhängig von:

Rauhtiefe

Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranztoleranz

Rillennachlauf (n) Abschmelzung an der Oberfläche (r)

Bartbildung/Schweißtropfen

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