d e r S t a h l b a u "
S c h r i f t l e i t u n g :
Geh. Regierungsrat Professor SDr.=3ng. A. H e r ' i t V i g , Berlin-W ilm ersdorf, Sächsische Str. 43 Fernsprecher: 87 7421
Professor W. R e i n , Breslau, Technische H ochschule. — Fernsprecher: Breslau 421 61
3ei.Iage r ^ T T 7 A T l ' T U r ' U W I T T S Fachschdft für das §e-
Z e i t s c h r i f t \
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J l \ - , sam te Bauingenieurw esenPreis des Jahrganges 10 RM und P ostgeld
11. Jahrgang BERLIN, 18. März 1938 Heft 6
Über Forschungsarbeiten zur Entwicklung von Schweißelektroden, insbesondere für den Stahlbau. ')
A lle R e c h te V o r b e h a l t e n . Von S)r.=Sttg. K. L. Z e y e n , VDI, Essen.
Für d ie G üte ein er Schw eißverbind ung ist der v erw en d ete Z usatz
w erkstoff von au ssch laggeb en d er B ed eutun g. D ie Schw eißu ng konnte nicht eher in erfolgreichen W ettbew erb mit den älteren Verfahren zur V erbindung von W erkstücken, z. B. durch V ern ieten oder Verschrauben, treten, bis h o ch w ertige Schw eißzusatzw erkstoffe zur V erfügung standen.
S olch e zu schaffen, bedurfte jedoch einer längeren Forschungs- und Ent
w icklungsarb eit, an der d ie V ersuchsanstalt der Firma K r u p p tätigen A n teil gen o m m en hat. Im fo lg en d en soll über den h eutigen Stand dieser A rbeiten, so w eit sie sich auf die S ch w eiß u n g im Stahlbau b ezieh en , b e
richtet w erden.
a) D e r E in flu ß d er c h e m is c h e n Z u s a m m e n s e tz u n g d e s S c h w e iß g u te s a u f s e i n e G ü te w e r te .
A us zahlreichen n eueren V eröffentlichungen g eh t hervor, daß für die G ü tew erte einer Schw eißn aht in erster Linie ihre chem isch e Z usam m en
setzu ng m aßgebend ist. Letztere hängt von einer R eihe von Faktoren ab, w o v o n als w ich tig ste zu nenn en sind :
1. d ie ch em isch e Z usam m en setzu n g d es S chw eißd rah tes und bei um
hüllten Elektroden außerdem die Z u sam m en setzu n g der U m h üllu ng, 2. das Schw eißverfahren, also ob es sich um G assch m elzsch w eiß u n g
o d er um elek trisch e L ich tbogenschw eißu ng han delt,
3. die S ch w eiß b ed in gu n gen b ei dem betreffenden Schw eißverfahren, d. h. b ei der G a ssch m elzsch w eiß u n g die B rennergröße, d ie Brenner
ein stellu n g und d ie Art der Sch w eiß u n g (Vorwärts- oder Rückwärts
schw eißu ng); b ei der elektrisch en L ich tbogenschw eißu ng die Strom art und d ie Strom stärke, ferner b ei G leich strom sch w eiß un g noch die Polung,
4. d ie ch em isch e Z usam m en setzu ng des zu sch w eiß en d en G rundwerk
stoffs, der ja mit aufgesch m olzen wird und m it dem ab sch m elzen d en Schw eißdraht zusam m en d ie Schw eißn aht bild et.
Z ahlentafel 1 zeig t, w ie un terschiedlich d ie G ütew erte einer S ch w eiß naht b ei V erw en d u n g d es g leich en Schw eißdrah tes w erd en , je nachdem ob
dieser durch G a ssch m elz
sch w eiß u n g oder durch elek trisch e L ich tbogen sch w eiß u n g als blanke, leicht, m ittelstark oder stark u m h ü llte E lektrode nieder- g esch w eiß t wird. W enn man d ie G ü tew erte von Proben aus S ch w eiß gu t vergleich t, um die es sich hier handelt, und zwar in sb eson d ere die G ütew erte, auf die in neuerer Z eit beson derer W ert g e le g t wird, näm lich D ehn un g und K erbschlag
zäh igk eit, so ergibt sich fo lg en d es:
B ei den au togen g e sch w eiß ten Proben, d ie w ie alle anderen Proben nach
*) Vortrag vor dem D e u t s c h e n A u s s c h u ß fü r S t a h l b a u in M ünchen am 10. D ezem b er 1937.
dem Schw eißen nicht w ärm eb eh an d elt w orden w aren , wurden 1 8 ,5 °/0 D eh n u n g b ei 11,8 m kg/cm 2 K erbsch lagzähigkeit fe stg estellt. D ie elektrisch m it blanken Elektroden gesch w eiß ten Proben hatten nur 7,5 % D ehnung und 1,5 m kg/cm 2 K erbschlagzähigkeit. N icht v iel besser waren d ie W erte bei den m it leicht getauchten E lektroden gesch w eiß ten Proben, näm lich 11,2 °/0 D ehn un g und 1,9 m kg/cm 2 K erbschlagzähigkeit. D ie m ittelstark um h üllten E lektroden ergaben bereits 15 °/0 D ehn ung und 6,1 m kg/cm 2 K erbsch lagzähigkeit, während d ie stark um h üllten, Schutzgas entw ickeln d en E lektroden sehr h oh e W erte lieferten, näm lich 2 5 % D ehnung und 9,6 m kg/cm 2 K erbschlagzähigkeit.
D ie Erklärung für d ie se sehr unterschiedlichen G ütew erte ergibt sich aus der chem isch en Z usam m en setzu n g d es S ch w eiß gu tes. Schon die G e
h alte an K ohlenstoff, S ilizium und M angan im Schw eißgut w eisen bei den versch ied en en Proben beträch tlich e U n tersch ied e auf, w ell d iese L egierungs- elem en tc unter den versch ied en en S ch w eiß b ed ingu n gen mehr oder w en iger stark bei dem A b schm elzen d es S chw eißd rah tes oxydiert w orden sind.
N och größeren Einfluß als d ie G eh alte an diesen L egieru n gselem en ten haben aber die G eh a lte an Stickstoff und Sauerstoff, die das S chw eißgu t aufgenom m en hat. Es z eig t sich in Ü b erein stim m ung m it den E rgebnissen, d ie ln letzter Zeit im Schrifttum veröffentlicht w orden sin d , daß d ie Z ähig
k eitsw erte m it zunehm end en Sauerstoff- und S tickstoffgehalten abfallen.
Dem Stickstoff kom m t hierb ei, w ie später noch g e z e ig t w erden wird, die größere B ed eu tu n g z u , obw ohl die Zahlenw erte der Stickstoffgehalte w esen tlich unter d en en der Sau erstoffgehalte lieg en . W enn man die G ütew erte der Proben aus Schw eißgu t vergleich t, d ie elektrisch einm al mit blanken Elektroden und einm al m it stark um h üllten , Schutzgas ent
w ick eln d en Elektroden erhalten w urden, so ergibt sich, daß im ersteren Falle bei einem Stickstoffgehalt von 0 ,1 4 0 % und ein em Sauerstoffgehalt von 0 ,2 1 0 % nur 7 ,5 % D ehn un g, 17 % Einschnürung und 1,5 m kg/cm 2 K erbschlagzähigkeit erhalten w urden. Im letzteren F alle halte aber das Schw eißgu t b ei G eh alten von 0 ,0 1 3 % Stickstoff und 0 ,0 9 9 % Sauerstoff ein M ehrfaches d ieser W erte, näm lich 2 5 % D ehn un g, 4 7 % E inschnürung und 9,6 m kg/cm 2 K erbschlagzähigkeit.
Z a h le n ta fe l 1. V e r ä n d e r u n g d e r c h e m is c h e n Z u s a m m e n s e tz u n g e in e s S c h w e iß d r a h te s un d F e s t ig k e it s w e r t e v o n P ro b en a u s S c h w e iß g u t.
1 C hem ische Z usam m en setzu ng F estig k eitsw erte
W erkstoff
c
% Si
% Mn
% n2
% o 2
%
Streck- Z ug
gren ze festig-
s keit
kg/m m ?
D ehn un g l = 5 d
%
Ein
sch n ü rung
%
K erb
sch lag
zähigkeit (DVMR-
Probe) m kg/cm 2
Brinell- härte
Schw eißdraht 0,13 0,07 0,66 0,005 0,021
Sch w eiß gu t, autogen geschw eißt
0,10 0,02 0,49 0,017 0,037 25,4 39,8 18,5 38 1 1 ,8 113
S ch w eiß gu t,
elektrisch m it G leichstrom geschw eißt (blanke Elektrode)
0,03 0,02 0,20 0,140 0,210 ; 30,8 41,8 7,5 17
-%vrK. •
1,5 135
Schw eißgu t,
elektrisch m it G leichstrom geschw eißt (leicht g etauchte Elektrode)
0,04 0,02 0,20 0,120 0,180 29,8 47,7 V.-
11,2 21 1,9 129
S ch w eiß gu t,
elektrisch m it G leichstrom geschw eißt (M antel
elektrode m it m ittelstark er U m hüllung)
O o 45«. 0,04 0,25 0,079 0,140 30,8 43,8 15,0 30 6,1 131
S ch w eiß gu t,
elektrisch m it G leichstrom geschw eißt (S chutz
gas entw ickelnde M antelelektrode)
0,06 0,07 0,36 0,013 0,099 32,8 46,9 25,0 y ■■j-'/y.L a-
47 9.6 140
4 2 Z e y e n , Ü ber Forschungsarbeiten zur E ntw icklu ng von S ch w eiß elek trod en u sw . Beilage zur Zeitschrift „Die Bauteciinik*
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b) E in e V e r b e s s e r u n g d e r Z ä h ig k e it s w e r t e e in e r S c h w e iß n a h t du rch W ä r m e b e h a n d lu n g is t v o n ih r en G e h a lte n an S tic k s to ff un d
S a u e r s to ff a b h ä n g ig .
Im Stahlbau hat man die M öglichkeit ein ei nachträglichen W ärm ebehandlung von S ch w ei
ßungen bisher w o h l kaum in E rw ägung g ezo g en b zw . eine solch e praktisch kaum durchgeführt.
Es läßt sich aber h eu te schon sa g en , daß ein e W ärm ebehandlung von S ch w eiß u n gen auch im Stahlbau in Zukunft zum m indesten in Sonder
fällen in Frage kom m en wird. Es so ll d e s
halb an ein igen B eisp ielen aus der besprochenen V ersuchsreih e g e z e ig t w erden, daß d ie M öglich
k eit einer V erb esseru n g der G ütew erte einer Schw eißn aht von ihren G eh alten an Stickstoff und Sauerstoff w eitg eh en d abh ängig ist. Bild 1 läßt erken nen, daß b e i den elektrisch mit blanken Elektroden gesch w eiß ten Proben im
G efü g eb ild zah lreich e Stickstoffnadeln und ox y d isch e A u ssch eid u n gen enthalten sind, und daß sich w ed e r durch n orm alisieren des G lü hen noch durch Spannun gsfreiglü hen ein e nenn en sw erte V erb esseru n g der Z ähigk eits
w erte d es Sch w eiß gu tes erreichen ließ. D ie Proben hatten 0,140 % S tickstoff und 0 ,2 1 0 % Sauerstoff.
A u s B ild 2, das d ie E rgeb n isse der W ärm eb eh andiun gsversuche an den m it m ittelstark um hüllten Elektroden h erg estellte n Proben aus Schw eiß
g u t zeigt, g e h t hervor, daß auch b ei 0 ,0 7 9 % Stickstoff und 0 ,1 4 0 % Sauer
stoff durch W ärm ebehandlung k ein e V erb esseru ng der Z ähigk eitsw erte erreicht w erd en kon nte. Hier ist te ilw e is e erst durch d ie W ärm ebehand
lung Stickstoff in Form von N ad eln zur A u sscheid u n g gebracht w orden, der in den nicht w ärm eb eh and elten Proben größten teils in g elö ster Form vor
handen war. A ls F o lg e davon ist b ei den w ärm eb eh and elten Proben die K erbschlagzähig
keit geg en ü b er dem nicht w ärm eb eh and elten Zustand nicht v erb essert w orden, sondern noch ab gefallen . Es se i hierzu bem erkt, daß nach A ngaben Im Schrifttum Stickstoffn adeln, d ie im G efü g e nicht w ärm eb eh an d elter Schw eißn ähte auftreten, durch b estim m te W ärm eb ehandlun gs
arten auch In L ösu ng gebracht w erden können.
Bild 3 zeigt, daß im G eg e n sa tz zu den in Bild 1 u. 2 gebrachten B eisp ielen b e i niedrigen Stickstoffgehalten ein e W ärm ebehandlung die an sich schon sehr hoch lie g e n d e n Z ähigkeits
w erte von Schw eißn ähten noch verb essern kann.
Bei d iesen , m it staik um h ü llten , Schu tzgas ent
w ickelnden E lektroden gesch w eiß ten Proben, d ie nur noch 0 ,0 1 3 % Stickstoff b ei 0,099 % Sauerstoff hatten, z eig t das G efü ge in allen B ehand lungszu stän den kein e A u sscheidu ngen von Stickstoffnadeln mehr.
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Lichtbogenschw eißung m it blanken Elektroden am M inuspol.
Stickstoffgehalt d er P roben 0,14% .
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a N icht w ärm e
behandelt
b N orm alisiert (■/. Std. 900 °/L.)
c G eglüht (2 Std. 600 o/L.)
Streckgrenze kg/m m 2 30,8 27,8 27,8
Zugfestigkeit kg/m m 2 41.8 41, S 39,8
D ehnung % (L = 5 d) 7,5 9,5 7,5
Ein sch n ü ru n g % 17 23 14
K erbschlagzähigkeit m kg/cm 2
(DVMR-Probe) 1,5 1,4 1,9
B rinellhärte 135 125 119
Bild 1.
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c) S c h w e iß z u s a t z w e r k s t o f fe fü r d e n S ta h lb a u .
Man hat in den le tz ten Jahren in fast allen Ländern ein Ü b ergeh en von b illig en Schw eißdrähten, die Schw eißn ähte m it verhältnism äßig g e ringen G ütew erten ergeb en, zu hochw ertigeren Schw eißdrähten feststellen können. A us Z ahlentafel 2 g e h t z. B. hervor, daß in den V erein igten Staaten von Am erika der M cn gen an teil blanker E lektroden, der noch im Jahre 1933 2 6 ,7 % des G esam tab satzes ausm achte, in der ersten Hälfte 1935 auf 1 5 ,3 % zurückgegangen ist. B el den seh r leich t oder normal um h üllten Elektroden ist ein e ähn liche R ü ckentw icklung festzu stellen .
Z a h le n ta fe l 2 . H e r s te llu n g v o n S c h w e iß e le k tr o d e n in USA.
Lichtbogenschw eißung m it m ittelstark u m hüllten E lektroden am P luspol.
Stickstoffgehalt d er P roben 0,079% .
a N icht w ärm e
behandelt
b N orm alisiert (*/a Std. 900 °/L.)
. c G eglüht (2 Std. 6 0 0 °. L.)
S treckgrenze kg/m m 2 30,8 2S,8 27,8
Zugfestigkeit kg/m m 2 43,8 40,8 40,8
D ehnung % (L = 5 d) 15 16 16
E in sch n ü ru n g % 30 28 27
K erbschlagzähigkeit m kg/cm 2
(DVMR-Probe) 6,1 5,6 5,7
B rineilhärte 131
Bild 2.
127 119
n a ch J.
(The W eid. Eng. 21, M ü ller.
1936, Nr. 1, S. 30.)
Art der Elektroden A n teil ln %
1933 1934 1. H älfte 1935 Blank für H and sch w eiß un g 26,7 to o CO
15,3
Blank für A u tom aten sch w eiß u n g 5,2 3,3 4,0
Sehr schw ach um hüllt (dust coated) 15,2 14,9 12,0
Norm al um hüllt (Standard coating) 14,2 7,8 5,9
Stark um m antelt 32,6 47,7 57,7
Für legierte S täh le m it b is zu 1,25 % 2,5 2,1 2,2 L egieru n gselem en ten (außer Fe u. C)
Für leg ierte Stäh le mit über 1,25 % 3,4 3,2 2,1 L egieru n gselem en ten (außer Fe u. C)
Für legierte Stäh le m it über 3 % Cr 0,1 0,7 0,7
ln d erselb en Zeit hat aber der M en gen anteil stark um h üllter Elektroden, d ie h o ch w ertige Schw eißu ngen ergeb en , von 32,6 auf 5 7 ,7 % zu gen om m en .
Eine ganz ähnliche E ntw icklung läßt sich b ei den Schw eißb etrieb en der Firma Krupp in den letzten Jahren verfolgen . In sb esondere im Stahlbau wird hier heute w o h l ausschließ lich m it stark u m h üllten E lektroden g e sch w eiß t.
W elches Schw eißverfahren und w elch e Sorten von Z usatzw erkstoffen kom m en nun für den Stahlbau in Frage? D ie A u togen sch w eiß u n g wird im Stahlbau schon aus w irtschaftlichen G ründen auf Sonderfälle beschränkt b leib en , so daß e in e B esprech ung der Z usatzw erkstoffe für d ie elektrische L ich tb ogen sch w eiß u n g hauptsächlich von Interesse sein wird. D ie Wahl der E lektroden richtet sich im Stahlbau nach den Anforderungen, d ie der B esteller ein es B auw erks an d ie m echanischen E igenschaften der Schw eiß
verb in du ng stellt. Der Auftraggeber schreibt im allg em ein en keinen b e stim m ten E lektrodentyp oder gar ein e bestim m te Elektrodenm arke vor, sondern verlangt b ei der Prüfung von gesch w eiß ten Proben d ie Erreichung
J a h rg a n g 11 H e ft 6
18. M ärz 1938 Z e y e n , Ü ber F orschungsarbeiten zur Entw icklung von Sch w eiß elek trod en usw . 4 3
a N icht wärme-
bcham lelt
b N orm alisiert (‘/„ S td . 900 °/L.)
c Geglüht (2 Std. 600 °/L.)
S treckgrenze kg/m m 9 32,8 32,8 35,7
Zugfestigkeit kg/m m ’ 46,9 46,3 48,1
D ehnung % (L = b d ) 25 26 28
E in sch n ü ru n g % 47. 49 59
K erbschlagzähigkeit m kg/cm 2
(DVMR-Probe) 9,6 9,9 10,4
B rineilhärte ' 140
Bild 3.
131 127
b estim m ter M indestw erte, z. B. für Z ugfestigkeit, B ieg ew in k el und Kerb
schlagzäh igk eit der Stu m pfschw eißverbind ung und für Z ugfestigkeit der v ersch ied en en Arten von K chlnahtverbindungen. H ierbei w erden von deutsch en Auftraggebern d ie „Vorschriften für ge sch w e iß te Stahlhoch
b a u ten “ (DIN 4100), die „Vorschriften für g esch w eiß te, v o llw a n d ig e, stählerne Straßenbrücken“ (DIN 4101) und die „V orläufigen Vorschriften für g e sch w eiß te, vo llw a n d ig e E isenb ahn b rü ck en “ (gültig ab 20. N ovem b er 1935) als G rundlage g en om m en . Zu den Forderungen auf Erreichung bestim m ter W erte b e i statischer Prüfung von Schw eißverbind ungen ist im Stahlbau, insb eson d ere im Brückenbau, in neuerer Zeit d ie Forderung nach dynam ischen Prüfungen, z. B. nach Prüfung der Z u gsch w ellfestigk eit g etreten . Es ist ein leu ch ten d , daß d ie S ch w eiß b etrieb e aus dem Stahlbau es vorzieh en , für ihre Bauw erke E lektrodensorten zu v erw e n d en , die ihnen d ie Er
reichung der von den A bnehm ern verlangten Prüfwerte m it der größten Sicherheit erm öglichen, anstatt b illigere E lektroden zu nehm en, mit denen die W erte unter gü n stigen S ch w eiß b ed in gu n gen v ielleich t auch erreicht w erd en können, aber doch nicht m it der gleich en Sicherheit.
B erücksichtigt muß ferner noch w erd en , daß der Ersteller e in es Bau
w erks im Stahlbau dem Auftraggeber ja nicht allein ein m alig an Hand b eson ders h erg esteilter Proben den N ach w eis erbringen muß, daß der von ihm g ew ä h lte W erkstoff und die von ihm g ew ä h lte E lektrode die geforderten W erte in der Schw eiß verb in d u n g ergibt, sondern daß die Schw eißer des b etreffenden B etrieb es in g e w isse n A bständen geprüft w erden und dabei auch b estim m te Prüfw erte erreichen m üssen.
d) Prüfverfahren für S ch w eiß verbin dungen.
Ü b er den Wert d ieses oder je n e s Prüfverfahrens für Schw eißverbin
dungen geh en die M einu ngen h eu te noch stark auseinander. E inheitlich
k eit b este h t w oh l nur darin, daß d ie Forderung nach gleich er Z u gfestig
keit in Stu m pf-Schw eißverbind ung und Grundwerkstoff an sich berechtigt und b ei dem h eu tigen Stand der E ntw icklung m eist auch erfüllbar ist. Der Faltversuch wird als das, als w as er an geseh en wird, näm lich als M aßstab für d ie Verform barkeit ein er Schw eißverbindung, vielfach ab
geleh n t. Sehr um stritten ist ferner der W ert d e s K erbschlagversuchs für S chw eiß u n gen. E inheitlichkeit b esteh t andererseits w ieder darin, daß für Bauteile, d ie S chw ingungsbeanspruchungen au sg esetzt sind, ein e dynam ische Prüfung der Schw eißverbind ung sehr w ertvoll Ist. A ls solch e wird m eist die U rsprungsfestigkeit auf Zug erm ittelt.
e) S e e le n elek tro d en und Mante lele ktroden.
Im Stahlbau haben zw ei der auf dem Markt befindlich en E lektroden
typen b eso n d ere B edeutun g gew o n n en , 1. die stark um h üllte (M antel-) Elektrode, 2. d ie S eelen elek tro d e.
F. L e i t n e r 1) brachte in ein em im Jahre 1936 veröffentlichten Aufsatz ausführliche M itteilungen über N eu entw icklu n g legierter S eelen elek trod en .
In ein em A nfang 1937 von R. H a c k e r t und dem V erfasser veröffentlichten A u fsa tz2) wurde durch vergleich en d e V ersuche m it den von Leitner untersuchten legierten Seelen elek trod en und m it n eu zeitlich en M antelelektroden nach
g e w ie s e n , daß auch auf dem G eb iete der M antelelektroden ln neuerer Z eit gan z erh eb
liche Fortschritte g em ach t w orden sind. Im folgen den so ll nun über w eitere, bisher noch un veröffen tlichte V ersuche mit E lektroden berichtet w erd en , die für den Stahlbau in Frage kom m en.
f) K erbschla gzähigkeit in der S ch w eiß n a h t bei Prüftemperaturen z w isc h e n
— 70 und + 4 0 0 ° .
Zunächst so llen V ersuche zur E rm ittlung der K erbschlagzähigkeit in Schw eißn ähten w ieder- c g e g e b en w erd en , oh n e daß der Verfasser jedoch dam it zum Ausdruck bringen w ill, daß er d ie K erbschlagprobe für das w ich tigste Kriterium für S chw eißverbind ungen ansieht. Es wurden 12 mm dicke B lech e aus Flußstahl I mit v ersch ied en en Elektroden stum pf zu sam m en gesch w eiß t und aus diesen S chw eißverbind ungen K erbschlagproben in der W eise h ergestellt, daß d ie Schw eißn aht in der M itte der Proben und der Kerb im G runde der Schw eißnaht parallel zu ihr lag. Bild 4 z eig t die Lage und A b m essu n gen der K erbschlagproben. D ie Prüfung der Proben erfolgte im Temperaturbereich zw isch en — 70 und + 4 0 0 ° . Bild 5 gibt die b ei v ersch ied en en Elektroden erhaltenen Werte w ieder.
Der K urvenverlauf ist in allen F ällen ähnlich insofern, als d ie H öch st
w erte der K erbschlagzähigkeit in der Schw eißnaht durchw eg im Tem peratur
g e b iet zw isch en + 20 und + 2 0 0 ° lie g e n . Zu tieferen Prüf- j tem peraturen erfolgt ein steiler j und zu höheren T em peraturen ein w eniger steiler A bfall. D ie versch ied en en E lektroden ver
halten steh aber nicht nur in b ezu g auf d ie H öh e der W erte seh r versch ied en , sondern auch in b ezu g auf den V erlauf der unteren Kurven b ezieh en sich getau ch te (K urve B) E lektroden DIN 1913, G ü tek la sse E 37 B ild 4. Lage und A b m essu n gen
der K erbschlagprobe.
abfallenden K urvenäste. D ie b eiden auf blan ke (Kurve A) bzw . leicht der R eichsbahn-G üteklasse E 37 (Vornorm
und E 42). D ie Schw eißnaht-K erbschlagzähigkeit lie g t b e i d iese n blanken und leicht getauchten unlegierten E lektroden in dem Temperaturbereich zw ischen + 50 und + 2 0 0 ° zw ischen 3 und 4 m kg/cm 2. D ie W erte fallen schon b ei 0 ° auf etw a d ie H älfte ab und lie g e n b e i — 2 0 ° nur noch bei
1 m kg/cm 2. D ie dritte K urve von un ten (C ) b ez ieh t sich auf ein e le gierte S celen e lek tro d e, und zwar nicht auf d ie
se lb e , w ie sie in den A u fsätzen v o n Leitner und von Hackert und dem Verfasser b esp ro
chen w urde, sondern auf ein e W eiterentw icklun g d erselb en . D iese neue S e ele n e lek tro d e ist von der D eu tsch en R eich s
bahn für d ie G ütek lasse E 52 zu g ela sse n . Bel dieser E lektrode lieg t nach unseren U nter
su ch un gen die S ch w eiß naht-K erbschlagzähig
k eit ln dem Tem peratur
g e b ie t von -J- 2 0 bis + 2 0 0 ° schon zw ischen 7 und 9 m kg/cm 2, also etw a doppelt so hoch w ie bei den untersuchten blanken und leich t getauchten Elektroden oder b ei un legierten S eelen elek tro d en , aber auch h ierb ei erfolgt schon b ei einer Prfif- temperatur von 0 ° ein starker A bfall der K erbschlagzähigkeit. B ei — 5 0 ° ist die K erbschlagzähigkeit b ereits auf 1,5 m k g/cm 2 abgesu nk en . Der vierte K urvenzug von unten (D ) b ezieh t sich auf e in e M antelelektrode m it m ittel
starker U m h ü llu n g, d ie im Stahlbau vielfach v erw en d et wird (R eichsbahn- Pr'ufiemperatur in °C
A - Hanke Elektrode D - Mantel-Elektrode.
B - leicht getauchte Elektrode mittelstark umhüllt C - legierte Seeteneteidrode E - normale Mantel-Elektrode Bild 5. K erbsch lagzähigkeit in elektrisch g e sch w eiß ten Stum pfnähten b ei versch ied en en
Arten von S ch w eiß elek trod en . (12 mm dicke B lech e aus F lu ß stah l I.) Lichtbogenschw eißung m it stark um hüllten, Schutzgas entw ickelnden Elektroden
am P luspol. Stlckstotfgehalt d er P roben 0,013 % .
') Z .d .V d l 80 (1936), S. 851. 2) Techn. Mitt. Krupp 5 (1937), S. 22.
4 4 Z e y e n , Ü ber Forschungsarbeiten zur E ntw icklu ng von S ch w eiß elek trod en usw . B e ila g e z u r Z e its c h rift „D ie B a u te c h n ik '
G ütek lasse E 37 h und E 52 h). D iese Elektrode ergab bei Prüftem peraturen von + 50 und + 1 0 0 ° Schw eißnaht-K erbschlagzähigkeiten über 11 m kg/cm 2, aber auch ein en recht ste ile n Abfall zu tiefen Prüftem peraturen, so daß b ei — 5 0 ° nur noch etw as über 6 und bei — 7 0 ° nur noch 1,5 m kg/cm 2 Schw eißnaht-K erbschlagzähigkeit vorhanden war.
D ie oberste Kurve (E ) b ez ie h t sich auf ein e M an telelek trod e, w ie sie von Kruppschen B etrieben m eisten s für Sch w eiß u n gen im Stahlbau ver
w en d et wird (R eichsbahn-G üteklassen E 3 4 h , E 3 7 h , E 52h ). D ie se Elektrode wurde u. a. b ei der Strelasundbrücke und den b eid en n eu esten Rhein
brücken benutzt. Im T em peraturgebiet zw isch en + 20 und + 1 0 0 ° ergab d iese E lektrode ein e Schw eißnaht-K erbsch lagzähigk eit von etw a 13 m kg/cm 2.
im G egen satz zu allen anderen bisher besprochenen Elektroden w urden b e i dieser M antelelektrode auch bei der Prüftemperatur von — 7 0 ° noch etw a 5 m kg/cm 2' K erbschlagzähigkeit gefu nd en . Ä hnliche, aber mehr ln der Größenordnung der Kurve D lie g en d e W erte für die Schw eißnaht- K erbsch lagzähigkeit in A b h än gigk eit von der Tem peratur b ei V erw en du ng ein er M antelelektrode w urden kürzlich auch von H . A y s s l i n g e r . P . J e s s e n und W. S t ö c k m a n n 3) m itgeteilt.
g ) E in flu ß e in e r W ä r m e b e h a n d lu n g a u f d ie K e r b s c h la g z ä h ig k e it v o n S c h w e iß n ä h te n b e i M a n te le le k tr o d e n
u n d le g ie r t e n S e e le n e le k tr o d e n .
Wir w o llen nun die b eid en E lek trod en typen etw as näher betrachten, die für den Stahlbau h eu te b eson d ers bem erkensw ert erscheinen m üssen, näm lich die leg ierte S eelen elek tro d e und die norm ale M antelelektrode, b eid es E lektroden n e u e sten E ntw icklungsstandes. Es han delt sich um die in Bild 5 m it C und E b ezelch n eten Kurven. Es ist recht Interessant, bei
Bild 6. K erbschlagzähigkeit in elektrisch gesch w eiß ten Stum pfnähten bei V erw en d u n g von M antelelektroden
und legierten S eelen elek tro d e n . (12 mm dicke B lech e aus F lu ßstah l 1.)
d iesen b eiden E lektrodentypen ■ zu verfolgen , w ie sich d ie Temperatur- K erbschlagzähigkeitsw erte der Schw eißn ähte durch ein e W ärm ebehandlung ändern. D ie E rgebnisse dieser V ersuche sind deshalb auch für den Stahlbau von B ed eu tu n g, w e il, w ie schon g esa g t w u rd e, auch hier in Zukunft in bestim m ten Fällen ein e nachträgliche W ärm ebehandlung von Schw eißu ngen in Frage kom m en wird. Auf ein e andere Frage, näm lich die der Durch
führung von S ch w eiß u n gen im Stahlbau nach V orwärm ung der S ch w eiß ste lle , wird später noch ein g eg a n g en w erd en . In Bild 6 sind die Kurven von Schw eißn aht-K erbsch lagzähigk eiten vor und nach der W ärm ebehandlung w ied erg eg eb en . H ierin sind d ie v o ll a u sg ezo g en en Kurven C und E die g leic h e n w ie in Bild 5. S ie b ezieh e n sich auf d ie leg ierte S e e le n elek trod e (C) und d ie M antelelektrode (£ ) im nicht w ärm ebehandelten Zustand. Bei Kurven C g und E g (gestrichelt a u sg ezo g en ) w urden d ie Proben spannungsfrei g eg lü h t (2 Std. 6 0 0 ° /0 f e n ) und bei Kurven C n und E n (strichpunktiert a u sg ezo g en ) erfolgte ein e norm alisierende G lü hu ng (V2 Std.
9 0 0 °/L .). Aus den Kurven ergibt sich fo lg en d e s: Bei den nicht wärm e
b eh an d elten Schw eißproben lie g en die A b solu tw erte der Schw eißnaht- K erbschlagzähigkeit b ei der M antelelektrode (£ ) in allen F ällen erheblich höher als b ei der legierten S e e le n e lek tr o d e (C). Bei der M antelelektrode wurde durch ein Spann un gsfreiglü hen b ei allen Prüftem peraturen noch ein e V erb esseru n g d ieser W erte gefu n d en (gestrich elte Kurve E g ). Durch n orm alisieren de G lühung w urden b e i der M antelelektrode b ei Prüf
tem peraturen zw isch en — 20 und + 4 0 0 ° noch höh ere Schw eißnaht- K erbschlagzähigkeiten erhalten als bei den u n geglü h ten oder spannungsfrei g eg lü h ten Proben (strichpunktierte Kurve E n ). B ei Prüftem peraturen von
— 5 0 und — 7 0 ° fielen d agegen die Schw eißnaht-K erbsch lagzähigk eiten ä) Mitt. Forsch.-Anst. G H H . Konzern 4 (1936), S. 220.
der norm alisierten, mit der M antelelektrode gesc h w eiß ten Proben erheblich ab. Ä hnliche E rgeb nisse fand b ei M antelelektroden auch J. Q u a d f l i e g 4).
Bei der legierten S eelen elek tro d e sind bei allen Prüftemperaturen von + 5 0 ° bis — 7 0 ° die Schw eißnaht-K erbschlagzähigk eiten durch b eid e Arten von W ärm ebehandlung schlech ter als im u n geglü h ten Zustand gew ord en . Z w ischen + 100 und + 4 0 0 ° ergab zwar d ie norm alisierende G lü hb eh andlu ng (strichpunktiert a u sg ez o g en e Kurve C n ) ein e Erhöhung der Schw eißnaht-K erbschlagzähigkeit g eg en ü b er dem nicht w ärm eb ehand elten Zustand, aber das Sp annungsfreiglühen brachte keinerlei V erbesserung (gestrich elte Kurve C g).
h) S c h w e iß n a h t - K e r b s c h la g z ä h ig k e it n a c h A lte r u n g .
Im rechten T eil von Bild 6 sind noch ein ig e W erte gealterter Kerb- schlagproben w ie d e rg e g eb en , und zwar w urde d ie A lteru ng (1 0 % ig e s Stauchen und dann VaStündige G lü hu ng b ei 2 5 0 ° ) an Proben vorgen om m en , d ie nach der Sch w eiß u n g nicht w ärm eb eh and elt w urden, w ie auch an Proben, d ie auf die b eiden v ersch ied en en Arten w ärm eb eh and clt w orden waren. D ie bei + 2 0 ° fe stg es tellte Schw eißn aht-K erbschlagzähigk eit dieser gealterten Proben lie g t bei der legierten S ee len elek tro d e b ei nur 1 bis 1,5 m kg/cm 2, b ei der M antelelektrode aber b ei 4 bis 6 m kg/cm 2.
Man könnte d ie F rage stellen , ob d ie m echanische A lterung in S chw eißn ähten bei S chw eißu ngen im Stahlbau überhaupt ein e Rolle sp ielen kann. W. K l e i n e f e n n 5) hat in seiner D issertation festg estellt, daß d iese Frage für S ch w eiß u n gen jeder Art von B edeu tun g ist, w ell bei ein er durch ein Schm elzsch w eiß verfahren h erg estellten Schw eißnaht durch das Schrum pfen ein e K altverform ung so w o h l der Naht als auch d es Grund
w erkstoffes eintreten kann. Ä hnliche F eststellu n g en m achte J. Q u a d flie g 4).
V ersuche mit gealterten Schw eißproben haben deshalb m ehr als nur rein akad em isches In teresse.
i) D e r S t ic k s t o f f g e h a lt d e s S c h w e iß g u t e s e r k lä r t, w a r u m d ie le g ie r t e S e e le n e le k t r o d e un d d ie M a n te le le k tr o d e s ic h b e i e in e r W ä r m e
b e h a n d lu n g d e r S c h w e iß u n g e n s o v e r s c h ie d e n v e r h a lt e n . D ie ch em isch e Z u sam m en setzu n g d es S ch w eiß g u tes gibt genau so w ie b ei den V ersuchen, über d ie ein gan gs berichtet wurde, Aufklärung darüber, warum die leg ie rte S e e le n e lek tr o d e und die M antelelektrode sich so v ersch ied en geg en ü b er ein er A lteru ng verhalten. In Z ahlentafel 3 sind die A n alysen w erte von Proben aus Sch w eißgu t, h e r g e ste llt m it beiden Elektroden, zu sa m m en g e stellt. Der Stickstoffgehalt, der b e i der legierten S e e le n e iek tr o d e 0 ,1 1 % beträgt, verh in dert b ei Prüftem peraturen bis zu + 5 0 ° gan z a llg em ein und b e i höheren Prüftem peraturen vielfach auch noch ein e V erb esseru ng der K erbsch lagzähigkeit der Schw eißn aht durch ein e G lü hb eh andlu ng, die b ei dem S ch w eiß g u t aus der M antelelektrode mit nur 0 ,0 2 6 % N2 fast au sn ah m slos ein g etreten ist. D ie tiefen W erte der gealterten Proben m üssen b e i der legierten S eelen elek tro d e ebenfalls auf ihren Stickstoffgehalt zurückgeführt w erd en . Da der Sauerstoffgehalt des S ch w eiß gu tes aus der legierten S eelen eiek tro d e erheblich unter dem aus der M a n telelek trod e lieg t, wird dadurch g leic h z eitig n ach gew iesen , daß dem Stickstoff in Schw eißn ähten größere B ed eu tu n g zukom m t als dem Sauerstoff.
Z a h le n ta fe l 3. C h e m is c h e Z u s a m m e n s e tz u n g d e s S c h w e iß g u t e s .
Art der E lektrode C Si Mn P S N , O ,
% % % % % °/o °/o
M antelelektrode (E ) 0,10 O o GO o" IO o 0,025 0,030 0,026 0,094 Legierte S eelen e lek tro d e (C) 0,09 o O
1,17 0,024 0,021 0 , 1 1 0 0,048 k) B e s te h e n b e i S c h w e iß u n g e n Z u s a m m e n h ä n g e z w is c h e n K e r b s c h la g
z ä h ig k e it u n d B ie g e w in k e l?
D ie z u letzt berichteten V ersuche sind ein A u szu g aus um fangreichen, noch laufenden V ersuchen über K erbschlagzähigkeit, B ieg e w in k el und D au erfestigk eit bei S ch w eiß u n gen nach versch ied en en Schw eißverfahren und mit den versch iedenartigsten Z usatzw erkstoffen . B ei d iesen V ersuchen so ll in sb eson d ere geprüft w erd en , in w ie w e it Z usam m enhän ge zw ischen den Prüfwerten, die z. Z. b ei Schw eißu ngen beson d ere B each tung finden, b esteh en . In Z ahlentafel 4 ist für Flußstahl I, g esch w eiß t mit versch ied en en E lektroden, nur die Schw eißn aht-K erbsch lagzähigkeit bei + 2 0 ° an gegeb en , ferner der B ieg ew in k el beim D ornb iegeversu ch und beim F r eib ieg e
versuch m it b e la sse n e n und m it a b gearbeiteten Schw eißraupen. D ie W erte sind recht aufschlußreich. Für den Faltversuch ergibt sich zunächst, daß die Freibiegeprobe durchw eg ein en höheren B ieg ew in k el als d ie Dorn- b iegep rob e liefert. Z usam m en hänge zw isch en der K erbsch lagzähigkeit in der Schw eißnaht und dem B ieg e w in k e l beim F altversuch b esteh en nur insofern, als im nicht w ä rm eb eh an d elten Z ustand der Proben die niedrigste K erbschlagzähigkeit auch dem geringsten B ieg e w in k el entspricht.
4) Beitrag zur K erbzähigkeit von S ch w eiß verb in d u n gen unter b e son derer B erücksichtigung w eich en K esselb lech s. D issertation, A achen D ezem ber 1936.
5) D issertation, A achen 1933.
J a h rg a n g 11 H e ft 6
18. M ärz 1938 Z e y e n , Ü ber Forschungsarbeiten zur Entw icklung von S ch w eiß elek trod en usw . 4 5
I — l l U ü I r r :
Bild 7. Röntgenaufnahm en e in es auf der B au stelle in vertikaler Lage gesch w eiß ten H auptträgerstoßes der Brücke über d ie M ü ggelsp ree.
Z a h le n ta fe l 4. B ie g e w in k e l v o n e le k tr is c h e n S tu m p fs c h w e lß u n g e n , 12 m m d ic k e B le c h e a u s F lu ß s ta h l I.
Wärme- behandlung der Proben nach dem
K erbschlag
zähigkeit in der Schw eiß
naht
B leg cw in k el in Grad Art
der v erw end eten Elektrode
S c h w eiß raupe, b elassen
Schw eiß
raupe, abgearbeitet S ch w eiß en m kg/cins
hei + 2 0 ° (DVMR-Probe)
D orn. Frei
b ie re -5 biege- probe j probe
Dorn- biege- probe
Frei- biege- probe
Blank (4 ) K eine 2,0
|
61 | 78 22 53
Leicht getaucht (ß) K eine 2,1 65 114 45 91
L egierte S e e le n elek trod e (C)
K eine G eglüh t N orm alisiert
6,85 4,8 4,5
8 9 : 118 110 120 180 180
151 135 83
154
> 1 8 0 180 M antelelektrode
(m ittelstark um
hüllt) (D )
K eine G eglü h t N orm alisiert
10,3 10.5 10.6
180 180 180 i 180 180 ! 180
> 1 8 0
> 1 8 0
> 1 8 0
> 1 8 0
> 1 8 0
> 1 8 0 N orm ale M antel
elektrode (E )
K eine G eglüh t N orm alisiert
12,9 13,5 13,65
180 180 180: 180 180 180
> 1 8 0
> 1 8 0
> 1 8 0
> 180
> 1 8 0
> 180 Bei höherer K erbschlagzähigkeit differenziert der Faltversuch nicht m ehr;
denn es z eig t sich, daß in allen den Fällen, w o die Schw eißn aht-K erbsch lag
zähigkeit b ei 10 m kg/cm 2 und höher lie g t, 1 8 0 ° - B ieg ew in k el m it b zw . ohn e Anriß erreicht w erd en. Bei den w ärm ebeh andelten Proben ste ig t der B iegew in k el geg en ü b er den nicht w ärm eb eh and elten Proben durchw eg an, w enn er nicht b ei letzteren auch schon 1 8 0 ° betrug. W ie die W erte für die leg ie rte S eelen elek tro d e a u sw eisen , kann aber die g leich e W ärme
behandlung, die den B ieg ew in k el erhöht, g leic h z eitig die Schw eißnaht- K erbschlagzähigkeit herabsetzen.
1) S e n k r e c h t- un d Ü b e r k o p fs c h w e iß b a r k e it v o n E le k tr o d e n . A ls V orzug einer S eelen elek tr o d e geg en ü b er einer M antelelektrode wird v ielfach mit R echt hervorgehob en , daß der norm ale Schw eißer mit der S e elen elek tro d e leichter S chw eißu ngen in anderer als in w aagerechter Lage durchführen kann. H och w ertige M antelelektroden in der Ausführung, in der sie bis vor ein ig er Zeit erhältlich waren, erforderten in der Tat b ei Schw eißu ngen in nicht w aagerechter Lage von dem Schw eißer ganz erhebliche E inübung, w enn auch v ie le Ü b erkop fschw eißun gen mit solchen
Bild 9.
B a u stellen sch w eiß u ngen an Brückenträgern für die R ügendam m brücke.
B ild 8.
D rehvorrichtung für große g e sc h w e iß te Brückenträger.
M antelelektroden m it durchaus b efried igen d em E rgebnis, allerdings nur von g eü b ten Schw eißern, durchgeführt w orden sind. Hierfür leg en ein e R eihe von Stahlbauten, b ei den en Ü b erkop fschw eißun gen nicht zu verm eid en waren, Z eugnis ab.
A ls B e le g seien im Bild 7 R öntgenaufnahm en der vertikalen H aupt
trägerstöße einer Brücke über d ie M ü ggelsp ree w ie d e rg e g eb en , die die Firma K r u p p - D r u c k e n m ü i l e r mit norm alen M antelelektrodcn g e schw eißt hat. Man erkennt aus den R öntgenaufnahm en, daß d ie se V ertikal
sch w eiß u n gen gan z einw andfrei sind.
In den B etrieb en der Firma Krupp wurde bis vor kurzer Zelt aber trotzdem vo rg ezo g en , Ü b erkop fschw eißun gen m it M antelelektroden zu verm eid en . In Bild 8 ist ein e der bekan nten D rehvorrichtungen w ied er
g e g eb en , w ie sie bei v ielen Firmen bei der S ch w eiß u n g von Brücken
trägern in der W erkstatt v erw en d et w erd en. Es ist durch d ie V eröffent
lichungen von G. S c h a p e r 6) und B r ü c k n e r 7) bekannt, daß der Stahlbau der F ried ric h -A lfred -H ü tte sogar den ganzen von ihm erstellten Teil der Strelasundbrücke auf der D än h olm selte, der 270 m lang und 1100 t
Z a h le n ta fe l 5. D u rch d ie R ö n tg e n p r iifu n g f e s t g e s t e l l t e , n ic h t e in w a n d fr e ie S c h w e iß n ä h te b e i d en B a u s t e lle n s c h w e iß u n g e n
d e r R ü g e n d a m m b r ü c k e . H erg estellt
w u rd en in sgesam t
D avon
waren nicht einw andfrei G esch w eiß t Stcgbiech ! Im G urt Im Stegblech Im G urt
28,8 m 12,20 m 115,2 m i 24,65 m
14.4 m = 50 % 11.5 m = 1 0 %
3,06 m = 25 % 0,77 m = 3 , 1 %
O hne Drehvorrichtungen
ln D rehvorrichtungen schw er war, aus den ein zeln en in der W erkstatt h erg estellten gesch w eiß ten Trägern auf ein em Dam m vor der Brücke in W älzringen zusam m en g e sch w eiß t hat, wodurch S ch w eiß u n gen in nicht w aagerechter Lage verm ied en w erd en konnten. Bild 9 z eig t ein e A ufnahm e dieser M ontage
sch w eiß u n gen ln W älzringen. Daß das v o n der Firma Krupp erstrebte Ziel durch V erw en d u n g der zw eife llo s um ständlichen und teuren S ch w eiß u n g in W älzringen bei den B au stellen sch w eiß u n gen erreicht w orden ist, zeig t
6) E lektrosch w eiß ung 8 (1937), S. 1.
^ Bautechn. 15 (1937), S. 265, 303 u. 336.
Bild 10.
S ch w eiß u n g von F ahrzeugen in D reh g estellen bei der Firma W erkspoor.
4 6
O lrtU L D A U
Z e y e n , Ü ber F orsch ungsarb eiten zur E ntw icklu ng von S ch w eiß elek trod en usw . B e n a g e z u r Z e i t s c h r i f t „ D ie B a u t e c h n i k "
Z ahlentafel 5. Nach der V eröffentlichung von Brückner erw iesen sich von den B a u stellen n äh ten an der Rügendam m brücke b ei der R öntgen
prüfung als fehlerhaft:
im S t e g b l e c h von 28,8 m N ähten, die ohn e D rehvorrichtung g esch w eiß t waren, 14,4 m = = 5 0 % .
D agegen w urden in D rehvorrichtung 115,2 m S tegb lech n äh te gesch w eiß t, von den en nur 11,5 m = 1 0 % nicht fehlerfrei waren, im G u r t w urden 1 2 ,2 m N ähte oh n e D rehvorrichtung ge sch w eiß t. D a
von waren 3 ,0 6 m = 25°/o nicht einw andfrei, ln D rehvorrichtung’
w urden 24,65 m g esch w eiß t, w ovon nur 0,77 m = 3 ,1 % b ei der Röntgenprüfung b ean stan d et w urden. Aber auch b ei d iesen 3 ,1 % G urtnähten waren d ie durch das R öntgenbild aufgedeckten F ehler nur so u n bed eu ten d , daß ein e A u sb esseru n g dieser N ähte nicht erforderlich erschien.
Man hat übrigens auch in anderen In dustriezw eigen die V orteile, die b ei V erw en d u n g hochw ertiger M antelelektroden durch V erm eidu ng aller Senkrecht- und O berk opfschw eißu ngen nicht nur in qualitativer H insicht erhalten w erd en kön nen, erkannt. Im K esselbau ist es a llg em ein üblich, die zu sch w eiß en d en T eile ln ein e D rehvorrichtung zu setzen . Im Fahr
zeu g b a u wird das g le ic h e Verfahren w e n ig sten s in D eutsch lan d auch schon seit Jahren an g ew en d et. G enannt seien nur die U e r d i n g e r W a g g o n f a b r ik und die Firma L i n d n e r , H alle-A m m endorf. B ei der S ch w eiß tagun g in H ann over am 12. N ovem b er 1937 berichtete W. G e r r i t s e n über die h ollän d isch e Firma W e r k s p o o r , daß man auch dort h eu te ganz g e sch w eiß te D -Zug-W agen oder D iesel-T rieb w agen restlos in D reh gestellen schw eißt und dadurch auch preislich v iel w irtschaftlicher fährt. Bild 10 z eig t ein e A ufnahm e ein er solch en Drehvorrichtung zur S ch w eiß u n g von T riebw agen bei der Firma W erkspoor. (Schluß folgt.)
A lle R e c h te V o r b e h a l t e n .
Zentrischer und exzentrischer Druck
von an beiden Enden gelenkig gelagerten Rechteckstäben aus Avional M und Baustahl.
(V ergleich der Theorien von R o s - B r u n n e r , H a r t m a n n und C h w a l l a m it durchgeführten Versuchen.) V on Dr. sc. techn. Curt F. K o llb r u n n e r, Ingenieur, Zürich.
(Schluß aus H eft 5.) IV. T h e o r ie d e s e x z e n tr is c h g e d r ü c k te n S ta b e s n a c h C h w a lla .
1. B e s t i m m u n g der in n e r e n M o m e n t e M . für v e r s c h i e d e n e w illk ü r lic h a n g e n o m m e n e W e r te d e r S u m m e d e r R a n d f a s e r d e h n u n g e n J . D ie Ai,- w erden analog Hartmann bestim m t (s. A bschnitt C 1II/1).
2. B e s t i m m u n g m ö g l i c h e r G l e i c h g e w i c h t s f i g u r e n für b e s t i m m t e G r u n d s p a n n u n g e n <Ss .
D ie „Kurven des inneren W id erstan d es“ nach Chwalla
/ h \
[ o ■ b if- ■ DIag ramm)
sind für b — 1 cm und h = 1 cm identisch m it dem A4,-.¿/-D iagram m nach Hartmann.
A us den „Kurven d es inneren W iderstandes“
{1) ! = v ’ ( y f ) = v ’ ( r ^ ) = v ’ ( ^
folgt, w en n man für — = — y " ein setzt:
(2) — h y " = y ,
-K i)
Daraus kann durch z w eim a lig e Integration d ie g esu c h te G le ich g ew ich tsfigu r y = f ( x ) b estim m t w erden. C hw alla führte d ie se Operation an alog K arm an1) in zw ei Q uadraturstufen du rch 16). D ie erhaltenen
X V
G leich gew ich tsfigu ren w urden im --- -D iagram m als „G rundkurven“
ein g etra g en 16) (Bild 17).
D ie Grundkurven w u rd en bei A vional A4 für ds 1500, 2100 und 2700 k g/cm 2 und b ei Baustahl für <ts 2000, 2300 und 2600 k g/cm 2 bestim m t.
= 3 0 0 , 6 0 0 , 900, - 400, 800, 1200,
15) E. C h w a l la : Theorie d es außerm ittig gedrückten S tab es aus B austahl. Der Stahlbau 1934, H eft 21, S. 164.
16) Mit H ilfe der B ezieh u n g
y M i l 41,.
h P h ds • b h 2
w erd en die Kurven d es inneren W iderstandes in der affinen Form
— h y " = y.,
Q' j
dargestellt.D ie erste S tu fe der Quadratur wird auf Grund der B e zieh u n g yoin
( y ) 2 = 2 j ’( - A / ' ) d ( £ ) y/h
durchgeführt. D ie z w eite Stufe der Quadratur schließ t an die Kurve
M i m -
u
Daraus w erd en die W erte = / 3 ^ j erm ittelt. (D ie Kurve / 3 ^ j ist identisch mit der g esu ch ten G leichgew ichtsfigur.) In der näheren U m geb u n g d es S ch eitels versagt d iese M eth od e jed och , da dann
. unendlich groß wird. C h w a l l a half y
sich hier m it der B ezieh u n g
Bild 17. E xzentrischer Druck. X . J L
h h
(G rundkurven C hw alla) ds = 1200 k g/cm 2.
Stahl. E — “2 150 0 00 k g/cm 2.
-D iagram m Biid 18. E xzentrischer Druck. - - — ^ --D ia g r a m m x ^'e vom S ch eitel ( y — 0 ) ge- i r h
(G rundkurven Chwalla) as — 1200 k g/cm 2.
Stah l. £' = 2 150 000 k g/cm 2.
m essen en Entfernungen x der Punkte der g esu ch ten G leich gew ichtsfigu r liefert.
an und erfolgt auf Grund der B ezieh un g
1938' 6 K o l l b r u n n e r , Zentrischer und exzentrischer Druck von g e le n k ig gelagerten Rechteckstäben usw . 4 7
Bild 19b . Exzentrischer Druck. (/¿-¿-D iagram m (Chwaila). Stah l. E — 2 1 5 0 0 0 0 kg/cm -.
2 0 b .
V ergleich der drei Theorien m it den V ersuchen.
Zentrischer und exzen trisch er Druck. (/¿ -¿ -D ia g ra m m . Stahl. E — 2 150 000 k g/cm 2.
V . V e r g le ic h d er d r e i T h e o r ie n .
ln B ild 2 0 a , b sind die th eoretisch erm ittelten </¿-¿- D iagram m e nach R os-B ru nn er, Hartmann un d C hw aila aufgetragen und d ie erhaltenen V ersuchsresu ltate (s. A b schn itt D) ein g ezeich n et. D ie (/¿-W erte nach Roi-Brunner und Hartmann w eich en im M axim um um 5 % von d en jen igen nach Chwaila ab. Bei A vlon al M lieg en die R e su l
tate nach Ros-Brunner stets etw as oberhalb und d iejen ig en nach Hartmann stets etw as unterhalb der R esultate nach C hw aila. B eim B austahl, w o d ie U n tersch ied e zw isch en den e in zeln en T heorien in fo lg e des stark an steig en d en Sp an n u n gs-V erk ü rzu n gs-D iagram m s klein er als b ei A vio- nal M sind, ü b er sch n eid en sich d ie theoretisch erm ittelten Kurven s te lle n w e is e , w as jed en fa lls auf die typischen F ließ ersch ein u n gen zurückzuführen ist. (D ie U n terschied e sind oft so klein , daß sie von den dem graphischen V er
fahren anhaftenden U n gen au igk eiten herrühren können.) D ie erm ittelten m axim alen R andspannungen <fR . variieren jed och b ed eu ten d .
Bild 19a. E xzentrischer Druck. (/¿-¿-D iagram m (Chwaila).
A vional M . E = 715 000 k g/cm 2.
3 . E r m it tlu n g d er m a x i m a l e n S c h la n k h e it e n
für b e s t i m m t e G r u n d s p a n n u n g e n und b e s t i m m t e E x z e n t r i z i t ä t s m a ß e m. JMO
Anstatt w ie C hw aila für bestim m te Exzentrizitätsm aße m — ^ zu b estim m ten A u sb iegu n gen ,ÜQ_ die Schlan kheiten >. zu b estim m en , und die „Kurven der G leich g ew ich tszu stä n d e“ ^¿GI - - D lagram m j aufzu
tragen, aus d en en d ie M axim alw erte d ie kritischen G leich gew ich ts
zustän de, som it ¿¿, ergeb en , kann man analog Hartmann an d ie mit_y0 auf der A b szissen ach se aufgetragenen G rundkurven ^ - Dlagram mj die U m h ü llen d e zeich nen (B ild 18). D ie Schnittpunkte mit den Lotrechten s
ATmax ^
durch die E xzen trizitätsm asse m ergeben so die Stablängen f f ~ ' aus denen die l k berechn et w erd en k ö n n e n 17).
4. A u f z e i c h n u n g d e s ö^. - 2. - D i a g r a m m s . A n alog A bschnitt C III/4 (Bild 19 a, b).
5. E i n t r a g u n g d e r R a n d s p a n n u n g e n . A n a lo g A bschnitt C 111/5.
n ) D ie im kritischen Z ustand auftretende S ch eltela u sb ieg u n g y 0 bleib t dab ei, da s ie baupraktisch nicht von In teresse ist, außer Betracht.
(Chwaila brachte den Z usam m enhang zw isch en effektiver seitlich er A u s
b iegu n g d e s S tab sch eitels im kritischen Z ustande, und kritischer Last, in den „Lastkurven“ in übersichtlicher W eise zur D arstellung.)
Bild 2 0 a . V ergleich der drei T heorien m it den V ersuchen.
Zentrischer und exzentrischer Druck. dk -¿ -D iagram m . A vlo n a l M .
£ = 715 000 k g/cm 2.
RoS-Brunner
_____________
Chrnlla
Hartmann e * --- ff*T( — — ■ Versuchjresultate
• m-o e m .-0,U
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© 772.-6
¿SMkg/cnH
4 8 K o l l b r u n n e r , Z entrischer und exzentrischer Druck von g e le n k ig g ela g erten R echteckstäben usw , Beilage zur Zeitschrift „m^Bnutecimik"
Bild 22 a. 2 2 b .
D. Versuchsresultate.
D ie V ersuche w urden am Institut für Baustatik an der E .T .H . (Prof. ®r.=3»g. L. Karner) mit einer nach dem Prinzip der H eb elüb ertragu ng konstruierten M aschine durchgeführt. Eine so lch e M aschine hat g e g e n über den a llg em ein üblichen hyd rau lischen P ressen den V orteil, daß die Kraft P ohn e V erringerung ihrer Größe d en Stabdeform ationen folgen kann. (Man hat so die gleic h en V erh ältnisse w ie in der Praxis.)
D ie Span n u n gs-V erk ü rzu n gs-D iagram m e für A vional M und für B austahl w urden m it je vier zentrisch gedrückten V ersuchsstäben, die in den Knickköpfen b efestig t waren, und m it je z w e i zw ischen festen Preß- platten zentrisch gedrückten V ersuchsstäben, bestim m t. D ie g em ittelten D iagram m e sind aus Bild l a , b ersichtlich.
A ls V ersuchsstäbe w urden du rchw eg R echteckstäbe v erw en d et — A vional M : 1 ,5 - 1 ,O cm . B austahl: 1 ,4 - 1 ,0 cm. E xzentrizitäten in Richtung J min — , die in g e le n k ig g ela g e rten Knickköpfen b efestig t waren. Zur ein w and freien Ü bertragung d es b ei exzen trisch em Lastangriff auftretenden M om entes w urden d ie V ersuchsstäbe m it ein em Kopf a u sg eb ild et (Bild 21).
Da die Enden der V ersuchsstäbe m it den D rehachsen zusam m enfallen, ist die freie K nicklänge g leich der Stab län ge. [Infolge d es am V ersuchsstab an
gebrachten K opfes ergeben sich im un gü n stigsten Fall (kleinster Stab) infolge der F esthaltung d ieser K öpfe bei der B erechnung von ak m it der totalen Stab
länge als freie K nicklänge F eh ler < 1 , 2 % . d ie vern achlässigt w erden können.]
D ie E xzentrizitäten wurden m it ein em e ig e n s konstruierten E xzen trizitätsm esser (Bild 21) auf 1/100 mm gen au bestim m t. U n ter
su ch t w urden fo lg en d e E xzentri
zitäten :
0 0,0000
0,25 0,0417
1 0,1667
3 0,5000
6 1,0000
E. Zusammenfassung.
D ie v o rlieg en d e A bhandlung zeig t, daß die nach Hartmann gerech n eten Knickkräfte nur w e n ig von den gen a u en der C hw allaschen Theorie ab
w eich en , und daß die nach R os-B ru nn er b estim m ten R esu ltate für die Praxis g en ü g en d große G en au igk eiten ergeb en .
D ie vorgen om m en en V ersuche mit über 170 R echteckstäben aus A vional M und Baustahl haben die Theorie in äußerst b efriedigen d er W eise bestätigt.
M it den A usführungen C h w a lla s15) ist das Problem d e s exzentrisch gedrückten S tab es theoretisch en d g ü ltig abgeklärt. S ein e R esu ltate er
laubten es erst, die F eh lerp rozente der N äh erun gslösu ngen von Ros-Brunner und Hartmann zu b estim m en . Da d ie se N äh erun gslösu ngen jedoch im M axim um um ± 5 °/0 von den g en au en Resultaten ab w eich en , können sie zur B estim m ung der <rr -7.-D lagram m e stets v erw en d et w erden.
IN H A L T : Über F o rschungsarbeiten zu r E ntw icklung von Schw eißelektroden, Insbesondere fü r den Stahlbau. — Zentrischer und exzentrischer D ruck von an beiden Enden gelenkig gelagerten Rechteckstflben au s Avional A l und B austahl. (Schluß.)
V e ra n tw o rtlic h f ü r d e n I n h a lt: G eh. R e g ie ru n g s ra t P ro f. A. H e r t w ' I g , B e rlin -C h a rlo tte n b u rg . V e rla g v o n W ilh elm E r n s t & S o h n , B e rlin W 9 .
D ru ck d e r B u c h d ru c k ere i G e b rü d e r E r n s t, B erlin SW 68.
k--= hc = 0 , 1 6 6 7 cm b
D ie D u rchb iegungen w urden m it H u ggen b erger M eßuhren (Tei
lung 1/100 mm), d ie D ehn un gen mit H u ggen b erger T ensom eter M odell B (Ü b ersetzu n g 1/1000, M eß
strecke = 2 cm) bestim m t.
Bild 22 z eig t ein en Stab von der Länge 7 = 31,7 3 cm , ) . = 110 m it dem E xzentrizitätsm aß m = 1, aus A vional yVf. (B ild 2 2 a : u n b elastet. Bild 2 2 b : ausgeknickt. Bild 2 2 c : w eitere D eform ation nach erfolgter Ausknickung.) Bild 23 zeig t ein en zentrisch b ela steten Stab aus A vional M von der Länge 7 = 1 1 , 5 4 cm , 1 — 40. (B ild 2 3 a : u n b elastet. Bild 2 3 b : ausgeknickt.)
Jeder V ersuchsstab wurde bis etw a 3/.i sein er kritischen Kraft b ela stet und darauf lO m al en tlastet und w ied erb ela stet. Dann w urde die Kraft langsam g esteig ert b is der Stab ausknickte. D ie V ersu ch sresu ltate sind in Bild 2 0 a , b ein getragen . Man ersieht daraus, daß die V ersuche äußerst g u t mit der Theorie von C hw alla überein stim m en . D ie V ersuchspunkte befinden sich infolge der stets vorhand en en Störun gsfu nktionen, w ie zu erwarten war, v o rw ieg e n d unterhalb den theoretisch erm ittelten Kurven.
D iese Erscheinung ist b eson ders b ei zentrischem Druck (m — 0) gut zu beobachten. D ie größten A b w eich u n gen der V ersuche von der Theorie sind kleiner als m inus 10 °/0.
