STAHL UND EISEN
Z E I T S C H R I F T F Ü R D A S D E U T S C H E E I S E N H Ü T T E N W E S E N
Herausgegeben vom \ erein deutscher Eisenhüttenleute G eleitet von Dr.-Ing. Dr. mont. E .h. O . P e t e r s e n
unter verantw ortlicher .Mitarbeit von Dr. JAN. Reichert und Dr. M . Steinberg für den w irtschaftlichenTeil
HEFT 34 23. A U G U S T 1934 54. JA H R G A N G
Gasmaschinen mit Wasserkolben.
Von G e o rg S t ä u b e r in Charlottenburg1).
(W asser kolben-Gasmaschine von Vogl. ZeUenrad als Träger von einzelnen umlaufenden Wasserkolben; hierfür zu erfüllende Bedingungen: Spritzeicherheit, Schutz der Drehkolben gegen Reibung und Verschleiß, Schutz der Spiegelflächen der Wa-sser- kolben gegen zu starke Ausschläge, Fernhalten nach außen führender Dichtungsspalten von den Gasarbeitsräumen; diese müssen aber große Auspuffräume erhalten. Zündung durch einzelne mitlaufende Kerzen. Dauernde selbsttätige Erneuerung
des Wasserkörpers. Vorteile der neuen Bauart.)
S
chon früher2) berichtete der Verfasser über die Absicht, eine neue G asm asehinenbauart zu entwickeln, die gegenüber der bisher üblichen wesentlich betriebssicherer und billiger werden sollte. Der W iderhall dieses Berichts hatte nicht die erw artete Stärke oderblieb völlig a u s ; vielleicht war die Sache zu ungewohnt. Inzwischen sind die Entwicklungsarbeiten dank dem Opfer
willen einer süddeutschen Maschinen
fabrik weitergetrieben worden, und heute läßt sich über die Gesamtfrage und ihre Aussichten schon ein klareres Bild ge
winnen als dam als2).
Das Bestreben, zur W eiterleitung von Gasarbeiten an eine Masehinenwelle die Vermittlung von W a s s e r k o l b e n zu benutzen, ist vom S tand
punkt der Betriebssicherheit aus unbedingt berechtigt, denn Wasserkolben verhindern den Wärmestau in den W änden der Gasräume, machen die Innenschmierung im Feuer- bereieh überflüssig und decken die Abdichtungen des Trieb
werks ab. Aber die W asser
kolben müssen bei ihrer H ub
bewegung spritzsicher bleiben, müssen die ihnen übertrage
nen Gasarbeiten ohne Kräfte
umweg zur Welle führen und dürfen zur Steuem ng der Arbeitsvorgänge keine Ventile erfordern, wenn die neue Ma
schine n i c h t n u r b e t r i e b s s i c h e r e r , z u g le ic h w e s e n tli c h
A bbildung 1. W asserkolben-G asm aschine v on Vogt.
s o n d e r n a u c h b i l l i g e r werden soll als die heute übliche doppeltwirkende Tandemmaschine.
Die erste, fast u nbekannt gebliebene Wasserkolben- Gasmasehine von V o g t (A lb . 1), an deren Entw icklung neben ausländischen Firm en auch die Deutzer Motoren- Fabrik beteiligt gewesen ist, w ar nicht des Wassers wegen
t) N ach einem V o rtrag im H au s der T echnik, E ssen, am Mai 1934.
2) Vgl. S ta h l u. E isen 45 (1925) S. 1937 58.
112 34..
ein Fehlschlag, sondern nur deshalb, weil sie den üblichen Kurbeltrieb beibehalten h atte, dessen um ständlicher K räfte
schluß vor allem das Mißverhältnis zwischen Leistung, W erk
stoffaufwand und P latzbedarf verursacht, und d ann deshalb.
weil ihre Wasserkolben im Zusammen
hang m it diesem Kurbeltrieb nur bei sehr kleinen Hüben oder sehr kleinen H ub
zahlen spritzsicher geblieben wären. Die Gasmaschine würde in dieser F orm viel teurer geworden sein als die übliche.
Auch der Vorschlag, e in e G a s p u m p e d e r H u m p h r e y - B a u a r t über einen Ausgleichbehälter m it einer gewöhn
lichen W asserturbine Zusammenarbeiten zu lassen ( Abb. 2) , h atte den Kern der Aufgabe völlig verkannt, denn der frei schwingende Wasserkolben ei
ner solchen Anlage erlaubt für die Steuerung der Gasräume nur selbsttätige Ventile, ver
langt, wenn er spritzsicher bleiben soll, sehr große Kohr
längen, im Zusam menhang dam it auch eine noch weiter
gehende Senkung der H ubzah
len. bringt gegenüber der Ma
schinenwelle einen noch grö
ßeren Kräfteumweg als zuvor und verursacht deshalb ein noch empfindlicheres Mißver
hältnis zwischen Leistung und W erkstoff aufwand.
N ur ein Z e 11 e n r a d ( Abb.3) als Träger von einzelnen um laufenden Wasserkolben, die innerhalb der Radzellen gegen die Schleuderwirkung relativ ein- und aussehwingen. ist. wie bereits früher betont, dazu berufen, das Ziel der W asserkolben- Gasmaschine zu erreichen. Es vermeidet den vorher immer vorhandenen Kräfteumweg zwischen Gasraum und Welle, g estattet ein Zweitaktverfahren ohne Hilfe von Ventilen und ermöglicht ständigen W asserersatz durch die M itbenutzung des Auspuff Schlitzes als Ueberlaufes für das erwärm te Wasser.
Allerdings müssen dabei eine Reihe von Bedingungen erfüllt werden, deren Bedeutung sich erst inzwischen ergeben hat.
869
870 S tahl un d Eisen. 0 . Stäuber: Gasmaschinen m it Wasserkolben. 54. Ja h rg . N r. 34.
1. Die S p r i t z s i c h e r h e i t einer Zellenrad-Gasmaschine muß von ihrer Umlaufgeschwindigkeit unabhängig sein;
nur dann kann die Maschine die m it dem Ziel geringer Wasserreibung erforderliche n ie d r i g e Umlaufzahl erhalten.
In ihren größten Abmessungen wird sie also kein Schnelläufer sein. Turbinenräder, in denen die ein- und ausschwingenden Wasserkolben m it einem h y d r a u l i s c h e n G e tr ie b e Zusammenarbeiten sollen, wie es etwa in den bekannten Luftpumpen m it umlaufendem Wasserring verwendet wird, m üßten als Gasmaschinen, um spritzsicher zu bleiben, so hohe Umlaufgeschwindigkeiten erhalten, daß ihre gesamte Gasarbeit durch hydraulische Verluste auf gezehrt würde.
Diese Maschinenart, so bestechend ihre E infachheit auch sein würde, ist aussichtslos.
A bbildung 2. H um phrey-P um pe m it Turbine.
lassen, unter deren Laufflächen sich bei hinreichend großer Gleitgeschwindigkeit und hinreichend geringer spezifischer Belastung tragende Wasserfilme nach den gleichen Gesetzen wie in den bekannten Michell-Lagern bilden müssen und dann einen verschleißfreien Betrieb ergeben. Die Seitenflächen der Drehkolben bedürfen im Wasser nur guter Passung, aber keiner beson
deren Abdichtung.
3. Die Spiegel
flächen der Wasser
kolben müssen so
wohl gegen zu starke A u s s c h lä g e ge
schützt werden, die beim Ein- und Aus
schwingen durch die Corioliswirkung ver
ursacht werden kön
nen, als auch gegen Beschädigungen von der Gasseite her, sei <f- es durch den S p ü l- s tr o m oder die D r u c k w e lle n bei der Verpuffung.
Unruhige Spiegel
flächen vertragen sich nicht m it der Schlitzsteuerung, deren K anten beson
ders im Spülbereich nicht durch Wellen-
A bbildung 4. Z ellenrad m it Drehkolben- getriebe (Scbema).
berge überflutet werden dürfen, und sind dem Aufreißen durch den Spülstrom stärker ausgesetzt als glatte Spiegel; auf geris
senes Wasser würde aber fein zerstäubt und könnte durch
A bbildung 3. Zellenrad-G asm aschine m it U m ström getriebe.
Dagegen ist in Zellenrädern, deren ein- und ausschwin
gende Wasserkolben m it einem D r e h k o l b e n g e t r i e b e Zusammenarbeiten, die Spritzsicherheit der einzelnen Wasser
spiegel nur von baulichen Größen, wie E xzentrizität, klein
stem Spiegelabstand vom Drehmittel, Zellenform, abhängig und deshalb in allen Umlaufzahlen gleich groß (A b i. 4).
Die in den Abbildungen angegebenen Beziehungen für den Spritzsicherheitsgrad a sind allerdings nur u nter verein
fachenden Voraussetzungen aufgestellt worden und entbehren der dreidimensionalen Stütze, aber sie bieten trotzdem die Grundlage für die entscheidende Erkenntnis, daß Zellen
radmaschinen erst durch die Verbindung ihrer einzelnen Wasserkolben m it einem, durch seine baulichen Abmessun
gen ein für allemal Spritzsicherheit gewährleistenden Dreh
kolbengetriebe w irtschaftlich brauchbar werden, weil sie nunm ehr so la n g s a m laufen können, als es für einen günstigen mechanischen W irkungsgrad erforderlich ist.
Kompressoren und Gasmaschinen benutzen diese Erkenntnis m it gleichem Nutzen.
2. Die verwendeten Drehkolben (Abb. 5) müssen nach Möglichkeit gegen R e ib u n g in ihren Führungen und gegen V e r s c h le iß an ihren A ußenkanten geschützt werden, weil für ihre Schmierung nur Wasser zur Verfügung steht. Es bietet keine Schwierigkeit, sie an Rollen m it Nadellagerung im Wasserbereich zu führen, und von Tragschuhen tragen zu
A bbildung 5. Flachschieber m it T ragschuhen u n d Spiegelschutz.
seine Verdampfung den W ärm everbrauch und die Maschinen
leistung empfindlich schädigen. Eine einfache Sicherung dagegen bietet sich in der Anordnung von gelochten und gerippten Schutzplatten oder gitterförmigen Abdeckkörpern von genügender Eintauchtiefe, die an den Drehkolben starr befestigt sind, und deren Bewegung und dam it diejenige der Wasserspiegel zwangsläufig mitmachen, wobei sie wäh
rend des ganzen Umlaufs die vielfach unterteilten Wasser
flächen sowohl beruhigen als auch schützen (Abb. 6).
ooooo
23. A ugust 1934. G. Stäuber: Gasmaschinen m it Wasserkolben. S ta h l u n d Eisen. 871 4. Die Gasarbeitsräume dürfen k e in e n a c h a u ß e n
f ü h r e n d e n D i c h t u n g s s p a l t e erhalten, weil in diesen außer der Abdichtung nach außen hin gleichzeitig eine solche im Spaltumfang erforderlich würde, in welche die verschie
denen Druckzonen einmünden m üßten. Mit einfachen Mitteln ist diese Doppelaufgabe kaum zu lösen, so daß die Ge
fahr bestünde, daß aus dem Hochdruck
gebiet, in dem der Dichtungsspalt un
ter Wasser stünde, fein zerstäubtesW as- ser in die Spülzone eingeblasen würde, wo der Spalt frei liegt. Es ist von größter Bedeutung, die Abdichtung der Gasräume nach außen hin ganz zu umgehen. Das ge
lingt m it den ein
fachsten Mitteln, so
bald die Flüssigkeits
spiegel so wirksam geschützt werden, daß sie Umkehrspü
lung vertragen.Dann läßt sich nämlich die gesamte Steue
rung der Gasarbeits
räume und ihre ge
samte Abdichtung in einem gemein
samen Innenspalt an den Flächen eines ge
meinsamen Steuer
gehäuses ( Abb. 7) vereinigen; dieses wird von zwei R ad
hälftenumschlossen, die sich axial m it gleichen Gasdrücken
gegenüberstehen.
Die Dichtung im ge
meinsamen Innen
spalt ist dann nur noch als Tangential
absperrung von Druckzone zuDruck- zone erforderlich, und dafür genügen nachgiebig gegen das Steuergehäuse an
gepreßte Lamellen.
Da diese während desümlaufs abwech
selnd in den Gas
oder Wasserbereich gelangen, werden sie selbsttätig und zu
verlässig gekühlt und geschmiert,
5. Den umlaufenden G asarbeitsräum en müssen für günstige Abwicklung der E ntspannung und Spülung und zur Vermeidung von störenden Schwingungen in nächster Nähe g r o ß e A u s p u f f r ä u m e zur Verfügung gestellt werden. Das ergibt sich in der vorerwähnten D oppelrad
bauart von selbst; Abb. 8 lä ß t zugleich erkennen, daß die
einzigen Abdichtungen der Räder nach außen hin völlig ins Wasser gelegt werden können, für dessen Abdichtung auf zylindrischen Flächen bei mäßiger Umlaufgeschwindig
keit keine Schwierigkeiten bestehen.
6. Die Zündung der Gasarbeitsräume k ann nur durch einzelne mitlaufende Zündkerzen erfolgen, die m it Rück
sicht auf ihre Viel
zahl praktisch un
verwüstlich und ge
gen die Benetzung m it Wasser durchaus unempfindlich sein müssen. Den früher erwähnten Lepel- Kerzen, deren Strom erzeugung und Steue
rung ebenso vielteilig als empfindlich ist, und die deshalb we
nig in eine Maschine passen, die in allen Einzelheiten nach größter Sicherheit strebt, dürften A b- r e i ß k e r z e n m it ge
wöhnlicher L icht
spannung und ein
stellbarer Strom stärke vorzuziehen sein, wenn sie ohne äußeres Abreißge
stänge auszukom
men vermögen. Das ist der Fall, wenn sie, wie aus der Abbil
dung ersichtlich, an einem starken, unge
steuerten Magneten vorüberziehen, der dabei durch eine unmagnetische Ver
schlußkappe hin
durch ein im Kerzeninneren ver
schiebbares leichtes Röhrchen anzieht und einen kurz vorher gebildeten Stromkreis abreißt.
7. Die Zellenrad- Gasmaschine m uß im Betrieb eine d au ernde selbsttätige E r n e u e r u n g ih r e s W a s s e r k ö r p e r s ermöglichen. Das von den Gasen und durch die Rei
bung erwärm te Wasser w andert zum D rehm ittel hin; Ver
unreinigungen, die vom Brennstoff oder vom W asser selbst eingeschleppt werden, w andern nach außen. D a der W asser
körper in dieser M aschinenbauart von einem festen Gehäuse um hüllt wird, bietet sich an seinen Seitenwänden Gelegen
heit, Wasser abzuzapfen und zu ersetzen. Die D ruckunter
schiede in den einzelnen Zonen des Läufers legen einen Kreislauf für das zu reinigende und zu kühlende Betriebs- A bbildung 6. Zellenrad-G asm aschine m it D rehkolbengetriebe (Q uerschnitt).
872 S tah l un d Eisen. G. Stäuber: Gasmaschinen m it Wasserkolben. 54. Ja h rg . N r. 34.
A bbildung 8. Z ellenrad-D rehkolben-G asm aschine (L ängsschnitt).
w a s s e r n a h e , d e r o h n e b e s o n d e r e P u m p e n d u r c h f ü h r b a r w ä r e .
A l l e d ie s e B e d i n g u n g e n f ü r e in e W a s s e r k o l b e n - G a s m a s c h i n e , d ie a n S t e l l e e in e r G a s t u r b in e d a z u b e r u f e n s e i n s o l l , d ie h e u t e
71-150
O-IV-T-Gasmasc/rine P S-2000
Ti-PO
A bbildung 9. G asm aschine gleicher Leistung.
ü b l i c h e G r o ß g a s m a s c h in e (Abb. 9) z u e r s e t z e n , s i n d a ls o u n t e r W a h r u n g g r ö ß t e r E i n f a c h h e i t z u e r f ü lle n . D i e n e u e M a s c h in e w ir d k e i n e W ä r m e r i s s e k e n n e n , k e i n e S c h m i e r f e h l e r e r m ö g l i c h e n , w e d e r g e s t e u e r t e n o c h u n g e s t e u e r t e V e n t i l e b e n ö t i g e n , k e i n e F u n d a m e n t b r ü c h e v e r u r s a c h e n , k e i n e l ä s t i g e n S c h w i n g u n g e n a u s s e n d e n u n d n a c h d i e s e n R i c h t u n g e n h i n d ie B e t r i e b s s i c h e r h e i t d e r h e u t e ü b l i c h e n
B a u a r t ü b e r t r e f f e n . S ie w ir d a u c h g l e i c h z e i t i g v i e l b i l l i g e r a ls d ie s e u n d s e l b s t a ls e i n e g l e i c h s t a r k e D a m p f t u r b i n e n a n l a g e w e r d e n , d e n n s ie b e n ö t i g t i m G e g e n s a t z z u r D a m p f o d e r G a s t u r b in e k e i n e h o c h w e r t i g e n B a u s t o f f e u n d i s t f a s t i m K u r b e l s c h u t z r a h m e n e in e r g l e i c h s t a r k e n G r o ß g a s m a s c h i n e u n t e r z u b r i n g e n .
I n w ä r m e t e c h n i s c h e r B e z i e h u n g i s t m i t d e m E r s a t z d e r ü b l i c h e n T a n d e m - V i e r t a k t m a s c h i n e d u r c h e in e Z e lle n r a d - D r e h k o l b e n m a s c h i n e n i c h t n o t w e n d i g e r w e i s e e i n e V e r s c h le c h t e r u n g v e r k n ü p f t ; e s w ä r e g a n z f a l s c h z u g l a u b e n , d a ß d u r c h d ie b l o ß e A n w e s e n h e i t o f f e n e r W a s s e r f l ä c h e n i m G a s a r b e i t s r a u m d ie W ä r m e v e r l u s t e u n b e d i n g t g r ö ß e r w e r d e n m ü ß t e n a ls i n e in e r g e w ö h n l i c h e n K o l b e n m a s c h i n e . D e n G e g e n b e w e i s h a t d ie H u m p h r e y - P u m p e b e r e i t s g e l i e f e r t , v o n d er e i n w a n d f r e i f e s t s t e h t , d a ß s ie t r o t z ih r e r a u ß e r o r d e n t li c h n i e d r ig e n H u b z a h l s e l b s t b e i n i c h t v ö l l i g e r S p r it z s ic h e r h e it ih r e r S p i e g e l e i n G ü t e v e r h ä l t n i s v o n 6 7 % g e g e n ü b e r d er t h e o r e t i s c h m ö g l i c h e n G a s a r b e i t e r z i e l t e ; e i n e g e w ö h n lic h e K o l b e n m a s c h i n e , v e r s e h e n m i t d e n A b m e s s u n g e n u n d H u b z a h l e n d e r g l e i c h s t a r k e n H u m p h r e y - P u m p e , w ü r d e v e r m u t l i c h k e i n e n b e s s e r e n W e r t d e s G ü t e v e r h ä l t n i s s e s e r r e ic h e n . D a b e i g e w ö h n l i c h e n K o l b e n m a s c h i n e n v o n u n t e r s ic h g l e i c h e m m i n ü t l i c h e n W ä r m e d u r c h s a t z d a s G ü t e v e r h ä l t n i s m i t z u n e h m e n d e n U m l a u f z a h l e n s t e i g t , o b w o h l d a b e i d ie G a s k ö r p e r m i t a b n e h m e n d e r H ö h e u n d B r e i t e d e r G a s r ä u m e im m e r u n g ü n s t i g e r w e r d e n d e V e r h ä l t n i s s e fü r d ie S t r a h l u n g s v e r l u s t e e r h a l t e n , s o i s t w o h l a u c h a n z u n e h m e n , d a ß W a s s e r k o l b e n - G a s m a s c h i n e n s i c h ä h n l i c h v e r h a l t e n , d a ß a ls o d ie D r e h k o l b e n - G a s m a s c h i n e d ie h e u t e ü b l i c h e B a u a r t d e r G r o ß g a s m a s c h i n e i m G ü t e v e r h ä l t n i s e r r e ic h e n w ir d . V o r a u s s e t z u n g i s t a l l e r d i n g s , d a ß i n d e r e r s t g e n a n n t e n je d e A n f e u c h t u n g d e s B r e n n s t o f f g e m i s c h e s m i t z e r s t ä u b t e m W a s s e r v e r m i e d e n w ir d .
U n d s e l b s t w e n n e in e 6 0 0 0 - P S - D r e h k o l b e n m a s c h i n e m it ih r e m W ä r m e v e r b r a u c h u m e i n i g e P r o z e n t ü b e r d e m
j e n i g e n d e r h e u t e ü b l i c h e n V ie r t a k t - m a s c h i n e n b l e i b e n w ü r d e , s o s c h e i n t d ie s b e d e u t u n g s l o s ; e s w e r d e n s e h r b a l d B e t r i e b s l e u t e h e r a n w a c h s e n , d ie fü r d ie s e e t w a i g e V e r s c h l e c h t e r u n g s e h r g e r n u n d s e h r m i t R e c h t e i n e k a u m m e h r zu ü b e r t r e f f e n d e B e t r i e b s s i c h e r h e i t u n d B i l l i g k e i t e i n t a u s c h e n .
Z u s a m m e n f a s s u n g .
F r ü h e r e V e r s u c h e z u m B a u e in e r W a s s e r k o l b e n - G a s m a s c h i n e u n d z u ih r e r V e r b e s s e r u n g w e r d e n e r w ä h n t u n d h ie r a u f d ie B e d i n g u n g e n g e n a n n t , d ie d ie A n w e n d u n g e i n e s Z e l le n r a d e s a ls T r ä g e r s v o n e i n z e l n e n u m l a u f e n d e n K o lb e n e r m ö g l i c h e n , w ie S p r i t z s i c h e r h e i t , S c h u t z d e r D r e h k o l b e n g e g e n R e i b u n g u n d V e r s c h l e i ß , S c h u t z d e r S p i e g e l f l ä c h e n d er W a s s e r k o l b e n g e g e n z u s t a r k e A u s s c h l ä g e , F e r n h a l t e n n a c h a u ß e n fü h r e n d e r D i c h t u n g s s p a l t e n v o n d e n G a s a r b e i t s r ä u m e n u n d A n o r d n u n g g r o ß e r A u s p u f f r ä u m e , Z ü n d u n g d u r c h e in z e ln e m i t l a u f e n d e K e r z e n u n d d a u e r n d e s e l b s t t ä t i g e E r n e u e r u n g d e s W a s s e r k ö r p e r s . S c h l i e ß l i c h w e r d e n d ie V o r t e i l e e r ö r te r t, d ie n a c h d i e s e n B e d i n g u n g e n a u s g e f ü h r t e W a s s e r k o lb e n - G a s m a s c h i n e n i n b e t r i e b l i c h e r , w ä r m e t e c h n i s c h e r u n d w i r t s c h a f t l i c h e r B e z i e h u n g b i e t e n .
23. A ugust 1934. F . Bollenrath: Eigenspannungen in Schweißnähten. Stahl und Eisen. 873
Eigenspannungen in Schweißnähten.
Von F r a n z B o l l e n r a t h in Aachen.
(M itteilung aus dem A erodynam ischen I n s titu t der Technischen Hochschule Aachen.) [B ericht N r. 276 des W erkstoffausschusses des Vereins deutscher E isen h ü tten le u te 1).]
(Spannungsm essungen an einfachen gasschmelz- und lichtbogengeschweißten V-Nähten von vollkommen fr e i beweglichen und in der N a h t elektrisch vorgehefteten Platten aus S t 37 nach dem Matharschen Verfahren. E in flu ß der Plattenstärke und des Zusatzwerkstoffes bei verschiedenen Schweißarten. W irkung starrer E inspannung. Spannungsabbau nach B ean
spruchungen durch äußere statische Belastung in Nahtrichtung.)
Z
ur Beurteilung der Festigkeit von Schweißverbindungen und für einen Vergleich verschiedener Schweißarten miteinander ist die Kenntnis der Eigenspannungen in der Naht und ihrer Umgebung notwendig. Bei den verwickelten Temperaturänderungen w ährend des Schweißens und der Abhängigkeit der Festigkeitseigenschaften der W erkstoffe von der Tem peratur ist eine Berechnung der Schweißspannungen ziemlich aussichtslos. Den hier besprochenen Ver
suchen wurden möglichst einfache Verhältnisse zugrunde gelegt. Entsprechend den Einspannbedingungen empfiehlt es sich, zwischen reinen N a h t - und B a u s p a n n u n g e n zu unterscheiden, je nachdem die Eigenspannungen allein von der Schweißung der N aht an frei beweglichen Stücken oder außerdem von dem Einbau der zu verbindenden Teile in einem Verband herrühren. Im folgenden werden haupt
sächlich die N ahtspannungen behandelt.
D urchführung der Versuche.
Frühere Versuche zur E rm ittlung der Schweißspan
nungen ermöglichten keine genügend genaue Erfassung von Spannungsspitzen und -tiefen, die unverm ittelt aus dem übrigen weniger stark veränderlichen Spannungsfeld her
vortreten. Mit abnehmender Meßlänge findet m an immer höhere W erte in den N ähten, die oft die Streckgrenze des gleichmäßigen Spannungszustandes erheblich überschreiten2) und die, wie nach einfachen Ueberlegungen3) zu erwarten ist und durch punktförm ige E rm ittlung m it Hilfe des Röntgenstrahlverfahrens4) sich ergeben hat, m anchm al ein Mehrfaches der beim einfachen Zugversuch vorhandenen Streckgrenze erreichen. F ü r die eigenen Untersuchungen wurde das V e r f a h r e n von J. M a t h a r 5) z u r E r m i t t l u n g von E i g e n s p a n n u n g e n benutzt, das beliebig kleine Meßlängen zuläßt — bis herunter zu etwa 2 mm bei Licht
bildauswertung6) — u nd so eine fast punktweise Bestimmung örtlicher Spannungen und der H auptspannungsrichtungen ermöglicht. F erner sind die einmal ausgemessenen Proben für den weiteren Gebrauch und andere Untersuchungen noch tauglich. Aus der Verformung der Umgebung von
4) V orgetragen au f d e r a m 27. F e b ru a r 1934 in D üsseldorf vom F achausschuß fü r S chw eißtechnik im Verein deutscher I n genieure, vom V erband fü r autogene M etallbearbeitung, von der Deutschen G esellschaft fü r E lektroschw eißung u n d vom W erk stoffausschuß des V ereins d eu tsch er E ise n h ü tten leu te gem einsam veranstalteten Sitzung. — S onderabdrucke dieses B erichts sind vom Verlag S tahleisen m. b. H ., D üsseldorf, zu beziehen.
2) H. L o t t m a n n : V orträge un d A ussprachen, 73. H a u p tv ers.
V e r.d tsc h .In g . 1933, S. 25; Schiffbau 33 (1932) S. 215/22; E. S ie - b e lu .M . P f e n d e r : Arch. E isenhüttenw es. 7 (1933/34) S . 407/15;
(W erkstoffaussch. 250); 0 . M ie s : W ärm e 57 (1934) S. 113/21.
s) F . W ö r t m a n n u. W . M o h r : Schweiz. B auztg. 100 (1932) S. 243/46; G. G r ü n i n g : S ta h lb au 7 (1934) S. 110/12.
4) F . W e v e r u . H . M ö lle r : A rc h .E ise n h ü tte n w es.5 (1931/32) S. 215/18; M itt. K ais.-W ilh .-In st. E isenforschg., D üsseid., 15 (1933) S. 65/69; H . M ö lle r u. J . B a r b e r s : M itt. K ais.-W ilh.- Inst. E isenforschg., D üsseid., 16 (1934) S. 21/31; vgl. S ta h l u.
Eisen 54 (1934) S. 375.
5) A rch. E isen h ü tten w es. 6 (1932/33) S. 277/81 (W erkstoff
aussch. 202); T ran s. Am er. Soc. m ech. E n g r., Iro n a n d S teel 56 (1934) S. 249/54.
•) B. D i r k s e n : V erh. 3. in tern . K ongreß tech n . M echanik, Stockholm 1930, B d. 2, S. 181/84.
Bohrlöchern wurde entsprechend den Berechnungen von K i r s c h 7) und von W illh e im und A. L e o n 8) auf die h err
schenden Spannungen geschlossen. Nach Vorversuchen erschien bei den gewählten Probenabmessungen und den hierbei vorkommenden Spannungsverteilungen ein Bohrer
durchmesser von 12 mm ausreichend, um die Spannungs
spitzen genügend genau zu erfassen. W ährend der Bohrung aufgenommene Verformungskurven geben zudem einen E in blick in die Spannungsverteilung über die P lattendicke (Bohrtiefe). Zur Zeit liegen allerdings noch nicht genügend Ergebnisse darüber vor.
Die höchsten Schweißspannungen treten in einem schmalen Streifen in N ahtrichtung in der Schweiße auf, hervorgerufen im wesentlichen durch die Schrumpfungen des in die N aht eingeschmolzenen Zusatzwerkstoffes und des unm ittelbar an der N aht liegenden Plattenwerkstoffes.
W ird durch eine Meßbohrung in dieser Gegend der Quer
schnitt der N aht geschwächt oder der die Spannung er
zeugende Streifen unterbrochen, so werden die Spannungen ausgelöst und die Umgebung der Meßbohrung entlastet.
Deshalb sind auch bei sehr hohen Spannungen die F orm änderungen bei der E ntlastung fast nur elastisch im Gegen
satz zu einer Meßbohrung in einem gleichmäßigen, durch äußere K räfte erzeugten Spannungsfeld, in dem die Fasern, welche die Bohrung in K raftrichtung berühren, durch Zu
sammendrängen der K raftfußlinien u nter stark behinderter Form änderung bedeutend höher beansprucht werden als in der Nachbarschaft. Aber selbst wenn am Lochrande Fließen bei dem letzterw ähnten Spannungszustand erfolgt, h at dies auf die Messung keinen großen Einfluß, da nur die Querdehnung an diesen Stellen in die Berechnung der Span
nungen eingeht, w ährend die für die Spannungsberechnung wichtigste Verformung die Längenänderung der in K ra ft
richtung liegenden Achse eines um die Bolirm itte kon
zentrischen Kreises ist. F erner erfolgen die größten, je nach Spannungszustand und -höhe teilweise bleibenden Verformungen unm ittelbar am Lochrande, w ährend die elastischen Verformungen in einiger E ntfernung vom Loch
rande ausgewertet werden.
In einer Schweißnaht entstehen immer mehrachsige Spannungszustände, deren Höhe un d Verteilung von vielen Einflußgrößen abhängt.
Um einigermaßen vergleichbare Verhältnisse zu erhalten, wurden nur e i n f a c h e S c h w e iß v e r b in d u n g e n m i t g e r a d e n V - N ä h te n (Flankenwinkel 60°) an ebenen, rech t
eckig begrenzten P latten untersucht. Die P latten wurden sorgfältig geglüht, in 8 h auf 850° erhitzt und während 24 h langsam im Ofen abgekühlt. Alle Proben schweißte der gleiche Schweißer m it der üblichen Geschwindigkeit. Die zu verschweißenden P latten waren zum Teil elektrisch vor
geheftet und teilweise vollkommen frei beweglich. Im ein
zelnen erstreckten sich die U n t e r s u c h u n g e n auf den E i n f l u ß f o lg e n d e r G rö ß e n a u f d ie E i g e n s p a n n u n g e n :
7) Z. V D I 42 (1898) S. 797/807.
8) Z. M ath. u. P h y sik 64 (1916) S. 233.
874 S tahl u n d Eisen. F. Bollenrath: Eigenspannungen in Schweißnähten. 54. Ja h rg . N r. 34.
Z a h len ta fel 1. F e s t i g k e i t s e i g e n s c h a f t e n d e r v e r w e n d e t e n W e r k s t o f f e . P la tte n w e rk
s to f f 1)
Z u s a tz d ra h t
GV l 2) N a c k te E le k tro d e 2) U m h ü llte E le k tro d e 2)
| E l a s t i z i t ä t s m o d u l ... k g /m m 2- j F l i e ß g r e n z e ... k g /m m 2 D e h n u n g a n der F l i e ß g r e n z e ...%
Z u g f e s t i g k e i t ... k g /m m 2 B ru c h d eh n u n g ... % B r i n e l l h ä r t e ...
19 750 24,7 bis 26
bis 2,5 36,3 37,2 99,5
18 100 bis 19 7003) 22 bis 26 4)
bis 0,5 25 ,4 3) b is 36,2
bis 7,9 115
18 800 bis 19 000 30 4) b is 32,3
bis 2,0 39,5 bis 41,7 (3 ,7 )3) 6,25 bis 7,5
185 (143)1)
19 550 bis 20 150 39,5 3) bis 50 1,25 bis 2,0 50,0 3) bis 58,0 5,0 bis 10,2
167
i) i m g eg lü h ten Z u sta n d e . — 2) Die P rü fs tü c k e a u s Z u sa tz w e rk sto ff w u rd en a u s d en S c h w e iß n äh ten h e rau sg e a rb eitet. — 3) E rh eb lich e F e h lstellen . — 4) O bere S treck g ren ze n ic h t a u sg e p rä g t.
1. Breite der Erwärm ungszone;
2. Schweißart (Gasschmelz- und Lichtbogenschweißung);
3. Zusatzwerkstoffe;
4. Plattenabm essungen;
5. Band- (Einspann-) Bedingungen;
6. Schmieden der N aht in Hellrotglut;
7. zusätzliche äußere Belastungen.
Weitere Versuche über den Einfluß von Ein- und Mehr
lagenschweißung, durchgehende und abgesetzte Kaupen, aufgeschweißte Verstärkungen, Schweißung in verschie
denen W erkstätten, Verhalten bei stoßartigen, elastischen Beanspruchungen werden demnächst veröffentlicht9).
Die F e s t i g k e i t s e i g e n s c h a f t e n d e r v e r w e n d e te n W e r k s to f f e sind in Zahlentafel 1 angeführt. Die span
nungsfrei geglühten P latten bestanden aus St 37. Als Zu
satzdrähte wurden bei der Gasschmelzschweißung GV1, bei der Lichtbogenschweißung eine der üblichen nackten und gute um m antelte Elektroden benutzt. Die Zugfestigkeit der Schweißen ist niedriger, als m an nach den H ärtew erten er
warten sollte. Das ist darauf zurückzuführen, daß sich auf das Ergebnis des Zugversuches Fehler wie Kaltschweiß
stellen, Gas- und Schlackeneinschlüsse auswirken. Bei der Gasschmelzschweiße ist die festigkeitsmindernde W irkung der Fehlstellen bei einer Beanspruchung in N ahtrichtung stärker, da diese ungefähr die Form flacher Ellipsoide haben, die m it ihrer kurzen Achse in Kichtung der höchsten Eigenspannung liegen und so große Kerbspannungen ver
ursachen. Bei einer zusätzlichen Beanspruchung senkrecht zur N aht sind sie ohne Einfluß. In der Schweiße der durch elektrischen Lichtbogen hergestellten N aht hingegen sind die Einschlüsse und Lunker mehr kugelförmig und ergeben für jede K raftrichtung die gleiche Kerbwirkung. Die Kugel
druckhärte läßt also keinen Schluß auf die Zugfestigkeit der m it Fehlern behafteten Schweiße zu, auch schon deshalb nicht, weil die Schweiße über den ganzen N ahtquerschnitt beträchtliche bleibende Verformungen noch während der Schrumpfung unterhalb 400° erfahren hat. Die voneinander abweichenden Eigenschaften der W erkstoffe in P latte und N aht bedingen eine Ungleichmäßigkeit in geschweißten Bauteilen, die den Eigenspannungszustand verwickelt und die Spannungsverteilung durch äußere Lasten unüber
sichtlich gestaltet. Es läßt sich daher über die Entwicklung der Gesamtspannungszustände bei weiterer Belastung nur wenig Voraussagen.
Einfluß der Breite der Erw ärm ungszone.
Bemerkenswerte Unterschiede bestehen in der B r e i t e d e r E r w ä r m u n g s z o n e bei Gasschmelz- und Lichtbogen
schweißung. Um den Einfluß der Erwärmungszone allein festzustellen, wurden von zwei P latten m it den Abmessungen 600 x 600 x 15 m m3 längs einer Mittellinie auf einer Seite die eine (Probe 1) m it dem Gasbrenner über eine Breite von 80 bis 100 mm bis zum oberflächlichen Schmelzen erwärmt, die andere (Probe 2) über eine Breite von etwa 10 mm m it
9) A bhandlungen des A erodynam ischen In s titu ts der T ech
nischen H ochschule A achen N r. 14 (B erlin: V erlag J . Springer 1934).
einem Kohlenlichtbogen nahezu 2 mm tief eingebrannt und durch blanken Zusatzdraht eine dünne Raupe aufgelegt.
Die an diesen beiden Proben festgestellte Spannungsver
teilung längs einer Mittellinie in der Erwärmungszone und einer solchen quer dazu zeigen Abb. 1 und 2. In den E r
wärmungszonen und den dazu senkrechten Mittelschnitten stimmen wie auch bei den Schweißproben die gemessenen Norm alspannungen gleichlaufend zur Plattenm ittelebene m it zwei H auptspannungen überein, wenn die N aht mit gleichmäßiger Geschwindigkeit ohne Unterbrechung aus
geführt wird; die d ritte H auptspannung ist dann senkrecht dazu gerichtet.
Die m it den beiden verschieden breiten Erwärmungs
zonen erhaltenen Spannungsverteilungen sind bezeichnend für die Gasschmelz- und Lichtbogenschweißung. Wenn man ohne Berücksichtigung der Streckgrenzenerhöhung durch den räumlichen Spannungszustand und durch das besonders bei der elektrischen Lichtbogenschweißung starke Span
nungsgefälle aus den Verformungen auf die Spannungen wie bei einem gleichmäßigen einachsigen Spannungszu
stande schließen wollte, so würde m an die durch die ge
strichelten Linienzüge angedeuteten Spannungsverteilungen erhalten, die bereits höher sind, als m an nach den bisher bekannt gewordenen Messungen erwarten konnte. Die An
teile der Verformungen infolge der Spannungen in den H auptrichtungen wurden voneinander getrennt und als
„reduzierte Verformungen“ in den Abbildungen aufgetra
gen. Aus den reduzierten Verformungen wurden ent
sprechend der tatsächlich vorhandenen Formänderungs
behinderung10) die Spannungen berechnet, die durch die ausgezogenen Linienzüge dargestellt werden. Die höchsten Spannungen sind in der M itte der erwärmten Zone, und zwar Zugspannungen in der Erwärm ungsrichtung, die mit Null beginnend vom N ahtanfang sich allmählich steigern und einen vom räum lichen Spannungszustande und der Spannungsänderung abhängigen Höchstwert erreichen.
Nach Versuchen an 1200 m m langen Schweißnähten werden die H öchstspannungen bei der gleichen P lattenstärke etwa 270 bis 320 mm vom N ahtanfang festgestellt. Den Zug
spannungen in der M itte halten Druckspannungen am Blech
rande das Gleichgewicht. Die Spannungsverteilung ändert sich über die P lattendicke noch merklich, wie die Gegen
überstellung der Messungen auf Vorder- und Rückseite ergibt. Bei der schmalen Erwärm ungszone ist der Ueber- gang von den Spannungen in den beiden äußeren Platten
hälften zu der hohen Spannungsspitze in der Zonenmitte viel steiler, und die größten Spannungen sind fast 50 % höher als bei der breiten Erwärm ungszone (75 gegenüber 50 kg/m m2 in Erwärm ungsrichtung und 22 gegenüber 20 kg/m m2 quer dazu auf der Vorderseite). Auf der Rück
seite der Probe 2 betragen die größten Spannungen nur 47,5 % derjenigen auf der Vorderseite.
Gasschmelzsehweiß-Verbindungen.
Die U ntersuchungen an Verbindungen durch Gasschmelz
schweißung in einer Lage m it Zusatzdraht GV1 befaßten 10) F . B o l l e n r a t h : S ta h l u. E isen 54 (1934) S. 630/34.
23. A ugust 1934. F. Bollenrath: Eigenspannungen in Schweißnähten. S tah l u n d E isen. 875 /M . 3 .
733/370/64347a//3.
466. 3.
7337370/64.vF/o/To.
3 / z s o 6 Hz/’c/er'se/fe
ii
466.3 O rr/n O7c43ß/o63. . 3 / ß 3 77 g \
/6 r3 erse/fe
I
4 6 6 .7. 73/77/770/643T /offo, 336/37303737 4 6 6 .3 .7337370/643ß/aff3, 7337/3 6re//e f3n'är’37i/3ffS333e. 633/73 £3W03^_% 3733ffsz33e.
/33c7e3se//e | ß666se//3 M rcfeose/Te \ ff664se/7e
4 6 6 .3 . 73373737643473/73,37773367/733
3/34/33063tf3sc6)r3/ß/. 4 6 6 .0 . 4 6 6 .3 .
337/33/67/3/737/3, 037370/67/37707/3, 37/73376677/33f 734/30033ffOSCO/VO/ß/.
I/O3033S3//8 473033337/3
A bbildungen 1 bis 9. Spannungsverteilung in verschieden geschw eißten P latten , sich m it dem Einfluß der P lattenstärke, der Einspann
bedingungen (in der N aht elektrisch vorgeheftet, auf Keil
spalt gelegt und allseitige starre Einspannung an einge
schweißten Flicken) und einer Nachbehandlung durch Hämmern der N aht. Die hierbei benutzten P r o b e n waren folgende:
3. Schweißnaht durch Rechtsschweißung, elektrisch vor
geheftet, an zwei P latten m it den Abmessungen 600 x 300 X 15 m m 3;
4. Schweißung wie vor, zwei P latten m it den Abmessungen 600 X 300 X 10 m m 3;
5. Schweißung wie bei 3, zwei P la tte n m it den Abmessungen 600 X 300 X 5 m m 3;
6. Schweißnaht bei offenem K eilspalt; bis zur Mitte Rechts
schweißung, dann Linksschweißung; zwei P latten m it den Abmessungen 600 X 300 X 15 m m 3;
7. Schweißnaht und Plattenabm essungen wie bei Probe 3;
N aht in H ellrotglut gehäm m ert;
8. Flicken m it den Abmessungen 150 X 150 X 15 m m 3 durch V-N aht eingeschweißt in einen quadratischen Ausschnitt in der M itte einer P la tte m it den Abmes
sungen 600 X 600 X 15 m m 3; dabei w urden zunächst die von einer Ecke ausgehenden beiden Seiten hinter
einander geschweißt, die P la tte abgekühlt und dann von der gegenüberliegenden Ecke aus die beiden letzten Seiten hintereinander geschweißt.
Die Ergebnisse an den Proben 3, 4 und 5 zeigen Abb. 3 bisö, die einen Vergleich für den E i n f l u ß d e r B l e c h s t ä r k e
o SC03/774-ß
• Sc40/7/C-ß
zulassen. Die Spannungsverteilung in Probe 3 ist nahezu die
selbe wie bei der Probe 1, nur ist das Spannungsgefälle von N ahtm itte quer zur N aht etwas steiler. Die an Probe 4 ge
wonnenen Ergebnisse sind in m ehrfacher H insicht beachtens
wert. Die Spannungen in N ahtm itte sind u nter die Streck
grenze des einachsigen gleichmäßigen Spannungszustandes auf 24 kg/m m2 in N ahtrichtung und a u f— 2,5 kg/m m 2 quer zur N aht abgesunken, weil bei der großen Abflachung des Spannungshügels und dem u n ter die gewöhnliche Streck
grenze verm inderten H auptspannungsunterschied das zu beiden Seiten der N aht vorhandene Spannungsgefälle zu weit abliegt, um die Form änderungsbehinderung über die Streckgrenze aufrechtzuerhalten. Die von den R aupen der Schweiße ausgehenden Kerbwirkungen mögen zu dem Zu
sammenbruch der hohen Spannungen beigetragen haben.
Neben der N aht jedoch ist die Spannungsänderung noch so stark, daß die Form änderung weiterhin verhindert wird.
Quer zur N aht, die jetzt, auf die P lattenstärke bezogen, länger ist als bei der 15 mm dicken Probe 3, sind die Span
nungen auch anders verteilt. Die N ahtenden und die N ah t
m itte stehen u nter Druck, und nur in den dazwischen ge
legenen Teilen herrscht allseitiger Zug. Bei der Probe 5 ist die Spannungsverteilung nach Abb. 5 infolge der weiter verringerten P lattenstärke in dem gleichen Sinne wie bei der Probe 4 stärker verändert. An keiner Stelle der ganzen P latten wurden Spannungen oberhalb der Streckgrenze mehr gefunden. Die höchste Spannung überhaupt b eträg t 20 kg/m m2 in Nahtrichtung. Trotzdem befindet sich die N aht über einem großen Teil in der M itte im Grenzzustand
876 S tahl un d Eisen. F. Bollenrath: Eigenspannungen in Schweißnähten. 54. Ja h rg . Nr. 34.
für Fließen, da der Hauptspannungsunterschied hier — 20
— 7 = — 27 kg/m m2 beträgt. Quer zur N aht herrscht wieder wegen der großen Nahtlänge am Anfang und am Ende Druck, dann Zug und in der Mitte wieder Druck.
Die Messungen an Probe 6 ergaben wesentlich niedrigere Spannungen als bei Probe 4, so daß die f r e ie B e w e g lic h k e i t d e r P l a t t e n b e i o ffe n e m K e i l s p a l t günstig zu sein scheint. Die größten Zugspannungen sind in N aht
m itte m it 32 kg/m m2 in N ahtrichtung und 19 kg/m m2 quer zur N aht erm ittelt worden. Die Verteilung der Spannungen quer zur N aht ist allerdings nicht symmetrisch zur Naht, jedoch sind die Unterschiede auf beiden P latten nicht groß.
E in einwandfreier Schluß auf den W ert des offenen Keil
spaltes ist aber nicht möglich, da in N ahtm itte von Rechts- zu Linksschweißung übergegangen wurde, weil bei Rechts
schweißung der Spalt nicht mehr zuging. Durch die Links
schweißung verengte sich der Spalt am Nahtende von 7 mm wieder auf 3 mm.
Das H ä m m e r n d e r N a h t an Probe 7 verminderte die Spannungen, die erst bei den Schrumpfungen unterhalb etwa 5500 entstehen, nicht wesentlich. Gegenüber der Probe 3 sind die Höchstspannungen in N ahtrichtung m it 46,7 kg/m m2 und quer zur N aht m it 20,5 kg/m m2 um 4 und 5 kg/m m2 vermindert.
Die P r o b e 8 m it den eingeschweißten Flicken bietet ein Beispiel für v o llk o m m e n s t a r r e E in s p a n n u n g . Die N ähte an den einzelnen Seiten des quadratischen Flickens sind ziemlich kurz, und deshalb erreichen die Spannungen in N ahtrichtung wohl nicht den möglichen Höchstwert.
Dafür sind die Abmessungen quer zur N aht aber verhältnis
mäßig gering, so daß für die Querspannungen ein ungün
stiger Fall vorliegt. Der ganze Flicken steht nur unter Zug
spannungen, denen von Druckspannungen im Blechrahmen das Gleichgewicht gehalten wird. In den einzelnen N aht
abschnitten sind in der Reihenfolge der Schweißung in N ahtrichtung die Spannungen 29, 7, 40, 33, 34 kg/m m2 und quer zur N aht an den gleichen Meßstellen 17, 25, 29, 24 kg/m m 2; in Flickenm itte wurden 39 und 32 kg/m m2 ermittelt.
Versuche an elektrisch geschweißten Nähten.
Es wurden folgende P r o b e n hergestellt:
9. nackte Elektrode von 4 mm D m r.; vier Lagen durch
gehend geschweißt m it 140 A; nach der zweiten Lage 2 h Abkühlung; bei der dritten und vierten Lage wurden die beiden P latten im Abstande von 150 mm von der N aht m it wenig Wasser gekühlt, so daß der Blechrand nur handwarm wurde; zwei P latten von 600 x 300
X 15 m m 3;
10. umhüllte Elektrode, durchgehende Raupen, zwei Lagen m it Zusatzdraht von 4 mm Dmr. bei 120 A; drei Lagen m it Zusatzdraht von 5 mm Dmr. bei 140 A; zwei P latten von 600 X 300 X 15 m m 3;
11. umhüllte Elektrode, durchgehende Raupen, Zusatz
d raht von 4 mm D m r.; erste und zweite Lage m it 120 A, dritte Lage m it Zusatzdraht von 5 mm Dmr. m it 140 A;
zwei P latten von 600 x 300 x 10 m m 3;
12. umhüllte Elektrode, Zusatzdraht von 4 mm Dmr., 80 A; zwei P latten von 600 x 300 x 5 m m 3;
13. umhüllte Elektrode, 2 mm Dmr., 35 A, eine Lage, Bleche auf K eilspalt gelegt; zwei P latten von 600 x 300 X 3 m m 3;
14. umhüllte Elektrode von 5 mm Dmr., 140 A, in fünf Lagen stufenförmig verschweißt; Länge der Stufe 120 mm; Bleche auf Keilspalt gelegt; Spalt verengt sich von 7 mm auf 2 mm bei der ersten Lage nach einer
N ahtlänge von 150 mm und verändert sich von da ab nicht m ehr; zwei P latten von 600 x 300 X 15 mm3;
15. Flicken von 150 x 150 X 15 m m3 in einem entsprechen
den Ausschnitt in der M itte einer P latte von 600 x 600 X 15 m m3 durch V-Naht m it umhüllter Elektrode ein
geschweißt; für die erste und zweite Lage wurde eine Elektrode von 4 mm Dmr., für die übrigen Lagen eine Elektrode m it 5 mm Dmr. verw andt; nach Heftung wurden, wie bei Probe 8, zunächst die von einer Ecke ausgehenden Seiten hintereinander geschweißt, die Platte abgekühlt und dann von der gegenüberliegenden Ecke aus die beiden letzten Seiten hintereinander verschweißt.
Die Ergebnisse von der m i t n a c k t e n E le k tr o d e n v e r s c h w e iß te n P r o b e 9 zeigt Abb. 6. Die Höchstspan
nung in N ahtm itte ist in N ahtrichtung 75 kg/m m 2, also ge
nau die gleiche wie bei der P la tte m it der schmalen Er
wärmungszone in Abb. 2. Die Spannung quer zur Naht an derselben Meßstelle beträgt jedoch nur 9 kg/m m 2, so daß die Form änderung noch stärker behindert ist. Die Span
nungen steigen am N ahtanfang jedoch viel schneller an, da der ganze N ahtquerschnitt je tz t aus dem festeren Zusatz
werkstoff besteht, dessen Anteil bei der schmalen Erwär
mungszone nur gering war, und der nach den Kugeldruck
proben nach Zahlentafel 1 im entspannten Zustand erheblich verfestigt ist. Der an die N aht angrenzende Streifen der P latten wird durch Verschmelzung m it dem Zusatzwerkstoff an einer Verformung durch den dort herrschenden Span
nungszustand ebenfalls verhindert. Daher muß der an
grenzende Plattenw erkstoff unnatürlich hohe Spannungen aufnehmen und ist nicht in der Lage, so viel zusätzliche K räfte von außen zu übernehmen, wie es ihm ohne die W erkstoffungleichmäßigkeit in der Schweißverbindung mög
lich wäre. Hieraus folgt, daß der Zusatzwerkstoff in seinen Festigkeitseigenschaften m it denen des Grundwerkstoffes weitgehend übereinstim men muß, um die beste Tragfähig
keit zu ergeben. Die gleichen Verhältnisse liegen in größerem Maße bei den m it um m antelten Elektroden hergestellten Schweißnähten vor.
Abb. 7 zeigt den an der Probe 10 erm ittelten Spannungs
zustand. Obgleich die Erwärmungszone bei u m m a n te lte n E l e k t r o d e n breiter ist als bei blanken, sind die Eigen
spannungen in der N aht wegen der höheren Festigkeit des dort eingeschmolzenen Werkstoffes noch wesentlich gestei
gert. In den anschließenden P lattenstreifen fand in einiger Entfernung von der N aht entsprechend den dort herrschen
den Spannungszuständen und Werkstoffestigkeiten ein Fließen sta tt, bis der Grenzzustand eintrat. Daher rührt die eigenartige Spannungsverteilung quer zur Schweißnaht, die auch bei den dünneren P latten ausgeprägt ist.
Wie bei der Gasschmelzschweißung nehmen bei der Elektroschweißung m it der B l e c h s t ä r k e die Eigenspan
nungen ab. An P r o b e 11 aus 10 mm dicken P latten sind die höchsten N ahtspannungen in und quer zur Nahtrichtung nur noch 73 und 8 kg/m m 2. Bei der Probe 12 aus 5 mm dicken P latten ergaben sich die Eigenspannungen, nach Abb. 8 und für die Probe 13 aus 3 mm dicken P latten die Spannungen nach Abb. 9. F ü r die hier vorhandenen Schweiß
bedingungen ist bei Blechstärken von 6 mm an abwärts keine Streckgrenzenerhöhung mehr vorhanden. Trotzdem be
finden sich die N ähte teilweise noch im Grenzzustand für F ließ en ; die Streckgrenze ist genau wie bei den Gasschmelz
schweißungen an dünneren P latten erniedrigt.
Die vollkommen freie B e w e g li c h k e i t d e r P l a t t e n bei der Probe 14 durch den offenen Keilspalt verminderte abweichend von der Gasschmelzschweißung nicht die Nahtspannungen. Die Spannungen in N ahtm itte betrugen
23. A ugust 1934. F. Bollenrath: Eigenspannungen in Schweißnähten. S tah l u n d Eisen. 877 wie bei der Probe 10 in N ahtrichtung 94,3 kg/m m 2 und
quer zur N aht 58,9 kg/m m 2. E in Beispiel fiir vollkommen starre Einspannung bietet wieder Probe 15. Die Spannungen in den N ähten sind auch hier höher als bei der Gasschmelz
schweißung. An den einzelnen Seiten des Flickens findet man in N ahtrichtung 30, 51, 26 und 70 kg/m m 2 und quer zur N aht 15, 21, 20 und 31 kg/m m 2 Zugspannung. Die Spannungen wachsen also m it dem Grade der Einspannung.
Immerhin sind in Flickenm itte die Spannungen nur 45 und 37 kg/m m 2 in zwei zueinander senkrechten Kichtungen, so daß bei den vorliegenden denkbar ungünstigen V erhält
nissen die Spannungen in den N ähten die höchsten und mithin zur Beurteilung der Festigkeit der Schweißverbin
dung maßgebend sind.
Z a h len ta fel 2. S p a n n u n g s a b b a u a n g e s c h w e i ß t e n S t ä b e n b e i ä u ß e r e n i n N a h t r i c h t u n g w i r k e n d e n Z u g
k r ä f t e n .
G as- E lek tro sch w eiß u n g s ch m elz-
sch w ei- ß u n g
m it u m h ü llte r E le k tro d e
mit n a c k te r E le k tr o d e Z u sätzlich e S p a n n u n g k g /m m 2
G e sa m tv e rlä n g e ru n g bei H ö c h s tla s t (e lastisch +
21,65 21,65 21,65
p l a s t i s c h ) ...% 0,107 0,067 0,044 P la stis ch e V erfo rm u n g . . %
A b b a u d e r h ö c h ste n E ig e n
0,075 0,0175 — 0,025 sp a n n u n g u m ...%
R e stlic h e E ig e n s p a n
78 62,5 33,2
n u n g ...k g /m m 2 5,00 9,35 23,00 d d -.
|r \ /?&-
|/<7-
§
§ i d - . 1 rS7.%
\ >
d -r t
o se/rT/recdf z u r daß/
• para/Ze/zurda/d
l_v '
w
ß - e ß - ß ß - o
lerß e/a s/vrrß ^ m cd d e r ße/asfodß t ä 7ZFZJtff/m m d
ß ß/nm d/'cd
— ( i ü i i n T T
- +
■ «. ■ «, < i ; i m n g n n a n n z i i m x i n i i i r i n
-7 ä ß ß - ß
->1 A bbildung 10. Span n u n g sab b au du rch statisc h e B elastung.
Versuche über den Spannungsabbau.
Wichtig ist die Frage, wie sich die Schweißverbindungen bei einer Beanspruchung durch äußere K räfte verhalten.
Obgleich nach den Lehren der Festigkeitstheorie sich hier
über schon einige Voraussagen machen lassen, wenn der Werkstoff nicht zu ungleichmäßig ist, ist es bei den für Schweißungen im m erhin noch mangelnden Erfahrungen zweckmäßig, V e r s u c h e anzustellen. Zu dem Zwecke wurden in Anpassung an die verfügbare 100-t-Prüfmaschine folgende Zugstäbe aus je zwei P latten m it den Abmessungen 1800 X 100 x 8 m m 3 hergestellt:
16. an den Längsseiten autogen m it Z usatzdraht GV1 in einer Lage verschweißt;
17. elektrisch m it blanker Elektrode verschweißt, wurzel
seitig nachgeschweißt;
18. elektrisch m it um m antelter Elektrode geschweißt, wurzelseitig nachgeschweißt.
Die Stabenden wurden für die Einspannvorrichtung auf 70 mm verjüngt und durch aufgeschweißte P la tte n ver
stärkt. Beim Schweißen wurden die freien R änder der Platten auf einer Breite von etwa 5 cm m it W asser gekühlt, um bei der geringen Breite der E inzelplatten die E rw är
mungszone schmal zu halten und dadurch hohe Eigenspan- nungen zu bekommen. D adurch wurde die Spannungs
verteilung allerdings wenig übersichtlich. Die Belastung erfolgte in N ahtrichtung, weil bei Erhöhung der in N ah t
richtung liegenden höchsten Eigenspannung zuerst ein H auptspannungsunterschied erreicht wird, der die F ließ
grenze überschreitet und dam it bleibende Verformung und Spannungsabbau verursacht. Die Spannungen durch die äußere statische L ast wurde ausgehend von einer Anfangs
spannung gleich ungefähr 2 kg/m m 2 um Beträge von 1 bis
34-51
2 kg/m m 2 gesteigert. Es wurden zwei Be
lastungsreihen unter Messung der gesamten und bleibenden Verformungen in der N aht, in P lattenm itte und am P latten ran d auf beiden Blechseiten durchgeführt; die erste reichte bis zu 10 kg/m m 2 bei den m it Gas und bis zu 12 kg/m m 2 bei den elektrisch geschweißten Stäben, und die zweite bis zu 21,65 kg/m m 2. Nach jeder Belastungsreihe wurde der Stab ausgespannt und die neue Eigenspannungsverteüung festgestellt.
Bei allen Stäben v e r u r s a c h t e n s c h o n g e r in g e Z u s a t z s p a n n u n g e n b l e ib e n d e V e r lä n g e r u n g e n ü b e r d e n g a n z e n Q u e r s c h n i t t , durch Verbreiterung der Span
nungsspitzen in N ahtm itte, durch Fließen in der N aht und Ausdehnung des Grenzzu
standes auf die anliegenden Plattenstreifen.
Die Dehnungen w ährend der Belastung wurden auf Meßlängen von 20 mm gemessen. Die Ver
formungen waren aber nicht über die ganze Nahtlänge gleichmäßig, sondern an Kerben in den R aupen oder F ehl
stellen sprunghaft und örtlich begrenzt. W enn eine solche Stelle zufällig innerhalb der Meßlänge liegt, zeigen die Spannungs-Dehnungs-Kurven plötzliche R ichtungsände
rungen. Bessere Mittelwerte h ä tte m an sicher m it größeren Meßlängen von vielleicht 100 oder 150 mm bekommen. F ü r die m it der blanken Elektrode geschweißte Probe 17 zeigt Äbb. 10 die Veränderung der Eigenspannungen nach den beiden Belastungsreihen. In der Zahlentafel 2 sind die Be
träge, um welche die Schweißspannungen in N ahtrichtung abgebaut wurden und die dabei eintretenden bleibenden Form änderungen zusammengestellt.
Der N o t g e m e i n s c h a f t d e r d e u t s c h e n W i s s e n s c h a f t und der G a s k o n v e n tio n sei für die U nterstützung der Versuche der herzlichste D ank ausgesprochen.
Zusam m enfassung.
An ebenen rechteckigen P latten aus St 37 m it V-Schweiß- nähten wurden nach dem Verfahren von J. M athar die Eigenspannungen gemessen. In Vorversuchen, bei denen frei bewegliche P latten längs einer Mittellinie über ver
schieden breite Zonen erw ärm t worden waren, erhielt m an Spannungszustände, die bei breiter Erwärm ungszone denen der Gasschmelzschweißung und bei schmalem E r
wärmungsbereich denen der Elektroschweißung sehr ähnlich w aren; bei der schmalen Erwärm ungszone sind die H öchst
spannungen, die örtlichen Spannungsänderungen u nd die Form änderungsbehinderung größer als bei breiter E r
wärmungszone. Bei den Schweißverbindungen tra te n die H öchstspannungen in der N ahtrichtung in N ah tm itte auf.
113
878 S tahl u n d Eisen. Umschau. 54. Ja h rg . N r. 34.
Teile der N aht befanden sich stets in der Nähe der Fließ
grenze, wobei diese bei den dickeren P latten höher als die Fließgrenze des einachsigen gleichmäßig verteilten Span
nungszustandes und bei dünneren P latten niedriger war.
Bei der Gasschmelzschweißung entstanden geringere Eigen
spannungen als bei der Elektroschweißung, bei der wiederum um hüllte Elektroden größere Spannungen als nackte her
beiführten. Durch Zusatzwerkstoff, der fester als der P latten werkstoff war, wurden in den an die N aht grenzenden P la t
tenstreifen unnötig hohe Eigenspannungen erzeugt; es sind deshalb möglichst gleiche Festigkeitseigenschaften von Zu
satz- und Plattenwerkstoffen anzustreben. Starre Einspan
nung ergab höhere Eigenspannungen als das Schweißen mit frei beweglichen Platten. H ämm ern in H ellrotglut nach der Gasschmelzschweißung verm inderte die Spannungen nicht wesentlich. Durch zusätzliche statische Belastung in der N ahtrichtung wurden bei der Gasschmelzschweißung die an sich schon niedrigeren Eigenspannungen am stärksten und schnellsten abgebaut. Bei der Elektroschweißung können die hohen Spannungsspitzen in und neben den N ähten nur durch Zusatzbelastungen, die weit über den Betriebs- und Prüflasten liegen, wesentlich erniedrigt werden.
Umschau.
Beiträge zur Eisenhüttenchem ie.
(Ja n u a r bis März 1934.) 1. G e r ä t e u n d E i n r i c h t u n g e n .
P . L a m e c k 1) beschreibt einen von D a w e u n d P o t t e r 2) vorgeschlagenen m echanischen Probenehm er, K a s k a d e n - P r o b e - n e h m e r , der jeglichen persönlichen E influß beim Durchm ischen und A ufteilen des Probegutes au sschaltet. D as in Abb. 1 w ieder
gegebene G erät b e steh t in der H auptsache aus dem oberen fe st
stehenden A ufgabetrichter a u n d dem in m ehrere K am m ern geteilten dreh b aren B e
h ä lte r b. Die T richterm ündung c u n d d a m it die Ausflußmenge k an n m it Hilfe des Schiebers d beliebig geregelt werden. U n te r
halb der M itte der T richterm ündung b e
findet sich die Spitze des V erteilerkegels e, der durch vier senkrecht angeordnete Me
tallstreifen von dem äußeren K egelm antel gehalten wird. Dieser ste h t m it dem u n te ren E nde des A ufgabetrichters in V erbin
dung, wodurch keine S tauhverluste eintre- ten . D as ganze O berteil des Probenehm ers h ä n g t a n vier einstellbaren K e tte n , die die Bemessung der Spaltw eite zwischen dem O berteil u n d dem u n tere n B ehälter b auf ein M indestm aß g e statten . Der dreh b are B ehäl
te r b ist in sechs K am m ern g eteilt, von denen je zwei gegenüberliegende den glei
chen In h a lt haben. Die W inkel, u n te r denen die K am m ern in der M itte Zusamm enstö
ßen, betragen 30, 60 u nd 90°. D a m it die E ntleerung bequem v o n sta tte n geht, sind die Böden der K am m ern von der M itte aus geneigt a n g eo rd n e t; außerdem befinden sich im B ehälterm antel sechs verschließbare O effnungen f. Der B ehälter b ru h t auf einer Holz- oder E isen p latte, die nach Auffüllen des A ufgabetrichters m it P robegut m echanisch oder von H an d bewegt wird. W ährend d er P robenahm e können w eitere Mengen P robegut nachgefüllt w erden.
H . R e i h l e n u n d E . W e i n b r e n n e r 3) h ab en einen V e r b r e n n u n g s o f e n g eb au t, der es erlau b t, alle schwer flüchtigen Stoffe vollständig u n d leicht flüchtige Stoffe nahezu vollständig selb sttätig zu verbrennen. D as ganze G erät ist auf eine Schiene, ähnlich einer optischen B ank, aufgebaut un d fü r V erbrennungs
analysen jeder A rt verw endbar. D er w ichtigste Teil des Ofens ist der bewegliche V ergasungsbrenner; er ist au f einem W agen a n g eb rach t u n d s ta rr m it einem w eiten D rahtnetzzylinder un d einem D ach verbunden, der die W ärm e auf die obere R o h rh älfte z u rü ck strah lt, um zu verhindern, d aß das P robegut sich u n v e r
b ra n n t aus dem Schiffchen an die k a lte obere R ohrw and nieder
schlägt u n d sich d o rt festsetzt. D er W agen m it dem B renner w ird durch zwei Gewichte zu dem eigentlichen Ofen hingezogen, der A blauf der Bewegung w ird durch eine U h r an der linken Seite des G erätes geregelt.
B. L a n g e 4) b e ric h te t ü ber ein n e u e s l i c h t e l e k t r i s c h e s K o l o r i m e t e r . D urch Anw endung der H albleiterphotozellen w erden die lichtelektrischen M eßverfahren so vereinfacht, d aß ihre Anw endungsm öglichkeit fa st u n b esch rän k t ist. Ganz geringe E arbunterschiede sind durch die Steigerung der E m pfindlichkeit m eßbar geworden, so d aß selbst verschiedene W asserproben in
») G lückauf 69 (1933) S. 1239/41.
2) F u el 11 (1933) S. 313.
3) Chem. F a b rik 7 (1934) S. 63/66.
4) Chem. F a b rik 7 (1934) S. 45/47.
A b b ild u n g 1. M echa
n isch er Probenehm er ( K ask ad en -P ro b e-
nehm er).
ih rer T rübung noch un tersch eid b ar sind. D urch N atrium lam pe u n d E isenw asserstoff-W iderstand is t die M eßgenauigkeit erhöht worden, u n d durch die E inführung von M ikroküvetten sind ganz geringe Flüssigkeitsm engen bis zu 0,2 cm 3 einer Messung zugäng
lich gem acht w orden. I s t dieses lichtelektrische K olorim eter nur fü r durchsichtige u n d durchscheinende K örper verw endbar, so ist ein beschriebener neuer Reflexions- u n d Beleuchtungsmesser vorwiegend fü r die lichtelektrische U ntersuchung der Oberflächen von undurchsichtigen K örpern, wie Porzellan, keram ischen Stoffen, F arb en , E rd en u. a. m ., bestim m t.
K . H a u s c h i l d 5) m ach t m it einem V e n t i l zur schnellen und genauen E i n s t e l l u n g d e r S t r ö m u n g s g e s c h w i n d i g k e i t v o n G a s e n b ek an n t. Die R egelung w ird d urch H eben u n d Senken eines a n einem M etallteil befestigten u n d in einem M etallmantel g efü h rten K egel bew erkstelligt. D as M etallteil trä g t ein Kugel
gelenk, das notw endig ist, d a m it auch bei n ich t ganz zentrischer L age des M antels der Schliff m öglichst w eit geschlossen werden kann. D er K egel ist a n seinem E nde zu einer Spitze ausgezogen, wodurch m an erreicht, d aß auch bei w eit geöffnetem V entil eine F ü h ru n g des Kegels im M antel bestehen bleibt. D as Bewegen des Kegels geschieht durch S chrauben eines m it Gewinde versehenen M etallstabes.
K o r r o s i o n s m e s s u n g , p H -M e s s u n g u n d p o t e n t i o - m e t r i s c h e T i t r a t i o n e n zum Zwecke der Betriebsüberw achung u n d W erkstoffprüfung w erden häufig a n gleichen O rten aus
gefü h rt. Alle drei V erfahren sind m it Hilfe einer von der Firma H . A. F r e y e 6), A.-G., Braunschw eig, lieferbaren k o m b in i e r te n A p p a r a t u r , bei der ste ts d a s gleiche G alvanom eter verwendet w ird, auszuführen. D a sich hierdurch der P reis gegenüber drei einzelnen G eräten v erm indert, w ird w eiteren K reisen die Möglich
k eit gegeben, die neuen V erfahren auch fü r ihre Zwecke auszu
w erten. Als u n m ittelb ares Maß für die K orrosion dient hierbei die Messung der S tro m stärk e. F ü r p H-Messungen un d potentio- m etrische T itratio n en w ird zugleich das Zwillingsröhrenpotentio
m eter verw endet, das gegenüber dem E lektronenröhrenpotentio
m eter den V orteil h a t, d aß der Zeiger des Galvanom eters nicht dauernd w an d ert, sondern völlig ruhig ste h t. E in w eiterer Vorteil des Zw illingsröhrenpotentiom eters ist der, daß eine besondere G itte rb atterie fo rtfällt u n d die günstigste G ittervorspannung selb sttätig eingestellt wird, w om it ein S trom verbrauch und damit eine P o larisatio n der E lek tro d en auch bei falscher Polung ver
m ieden wird.
2. R o h e i s e n , S t a h l , E r z e , Z u s c h lä g e , S c h l a c k e n , f e u e r f e s t e S t o f f e u. a. m.
D ie B estim m ung des P h osphors nach dem M olybdatver- fa h re n w ird b ekanntlich schon bei A nw esenheit kleiner T ita n m engen w esentlich g estö rt. D er F eh ler lä ß t sich n u r in unge
nügender Weise d ad u rch beseitigen, d aß m an gleichzeitig einen W erkstoff von b ek an n tem P hosphorgehalt an aly siert und dem
selben eine an n äh ern d ebenso große T itanm enge zufügt wie die in dem P robegut en th alten e. D a die E ntfern u n g des T itan s vor der Bestim m ung des Phosphors rech t um ständlich ist, h a t G.
H o r g ä r d 7) den E influß verschiedener U m stände auf die P h o s p h o r b e s t i m m u n g in G e g e n w a r t v o n T i t a n u n tersu ch t und dabei ein V erfahren gefunden, die Phosphorbestim m ung auch in G egenw art solcher T itanm engen auszuführen, wie sie in der P ra x is m eist vorliegen. E s ergab sich, daß m an durch einen e n t
sprechenden Z usatz von Salpetersäure, oder von Ammonium
n itr a t, den schädlichen E influß kleiner T itanm engen beseitigen kan n . Die F ällung ist von dem Z usatz an S alpetersäure s ta rk ab hängig. Zuviel S alpetersäure d a rf n ich t zugesetzt werden, da
6) Chem. F a b rik 7 (1934) S. 27.
o) Chem.-Ztg. 58 (1934) S. 197/98.
7) Z. an al. Chem. 95 (1933) S. 329/36.
