Schweißnahtverbindungen

Vorschriften für Schweißnahtverbindungen

Verschiedene technische Regelwerke sind bei der Gestaltung und Berechnung von Schweißverbindungen je nach Anwendung zu beachten.

Maschinenbau

Im Maschinenbau gibt es keine Vorschriften für die Schweißnahtberechnung.
Es sollten jedoch die anderen vorhandenen Regelwerke berücksichtigt werden.

Stahlbau

Im Stahlbau wurde bisher der Spannungsnachweis nach DIN 18 800 durchgeführt.
Seit 2012 ist für den Stahlbau die Bemessung nach Eurocode 3 bzw. DIN EN 1993 durchzuführen.
Die bisherige und neue Berechnungsweise wird hier aufgeführt.
Bei der Berechnung nach Eurocode 3 gibt es die beiden Berechnungsverfahren, richtungsbezogenes und vereinfachtes Verfahren.
Das richtungsbezogene Verfahren ist aufwändiger, aber es werden meist günstigere Ergebnisse erzielt (ca. 10%).

Geschweißte Tragwerke im Kranbau

Vorschriften für die Berechnung ist die DIN 15 018, T1 und T2.
Bei diesem Regelwerk werden die statischen und dynamischen Lasten berücksichtigt unter der Schwere des Betriebs sowie der täglichen Einsatzdauer.
Dieses Regelwerk wird hier nicht beschrieben.

Druckbehälterbau

Der Spannungsnachweis erfolgt nach der Druckbehälter-Verordnung, AD-Merkblätter, TRD-Regeln. Die Belastungen sind überwiegend ruhend meistens bei erhöhter Temperatur und Druck.
Dieses Regelwerk wird hier nicht beschrieben.

Nahtformen

Nahtformen

Darstellung der verschiedenen Nahtformen und ihre Symbole.

Nahtform
Bezeichnung	I-Naht	V-Naht	HV-Naht
Symbol
Nahtform
Bezeichnung	Y-Naht	HY-Naht	UV-Naht
Symbol
Nahtform
Bezeichnung	DV (X)-Naht	DHV (K)-Naht	U-Naht
Symbol
Nahtform
Bezeichnung	HU (J)-Naht	DU - Naht	DHU - Naht
Symbol

Nahtform für Steg- und Winkelstöße

I-Naht	Flachkehlnaht	Doppelkehlnaht
Wölbkehlnaht	Hohlkehlnaht	HV-Naht

Stoßformen

Verschiedene Stoßformen der Schweißnähte.

Stumpfstoß	Überlappungsstoß	Laschenstoß	Stegstoß
Schrägstoß	Eckstoß	Kreuzstoß	Mehrblechstoß

Zusatzsymbole für Nahtformen

flach				gewölbt - konvex
hohl - konkav				Nahtübergang kerbfrei

Nahtarten

Nahtarten für die verschiedenen Schweißnahtverbindungen.

Ecknaht	Flankennaht
Stirnnaht	Lochnaht

Stumpfnaht

Schweißnahtdicke

Bei Stumpfnähten wird die rechnerische Schweißnahtdicke a meistens gleich der Bauteildicke t gesetzt. Die meistens vorhandene Nahtüberhöhung bleibt dabei unberücksichtigt.
Bei unterschiedlichen Blechdicken ist die kleinere maßgebend.
Wird eine Naht nicht völlig durchgeschweißt, so darf nur die tatsächlich erreichte Nahtdicke in die Berechnung eingesetzt werden.

Bördelnaht	durchgeschweißte V-Naht
nicht durchgeschweißte V-Naht	Bleche verschiedener Dicke	Zentrischer Stoß α < 14°

Nahtlänge Stumpfnaht

Rechnerische Nahtlänge mit und ohne Endkrater.

Schweißnahtlänge mit Endkrater

Schweißnahtlänge ohne Endkrater
oder mit Vorsatzstück

L  = Nahtlänge (mm)
a  = Schweißnahtdicke (mm)
b  = Bauteilbreite(mm)
Bei Rundumschweißung kein Endkraterabzug

L  = Nahtlänge (mm)
a  = Schweißnahtdicke (mm)
b  = Bauteilbreite(mm)
Bei Rundumschweißung kein Endkraterabzug

Kehlnaht

Schweißnahtdicke

   Bei Kehlnähten ist die Nahtdicke a gleich der bis zum theoretischen Wurzelpunkt gemessenen Höhe des einschreibbaren gleichschenkligen Dreiecks ABC.

Kehl­naht flach	Wölb­naht
Hohl­naht	Ungleich­schenklige Kehlnaht a=0,5*√2*z2 wenn Z1 > Z2

Nahtdicke in Abhängigkeit der Bauteildicke

Um ein Missverhältnis von Nahtquerschnitt und verbundenen Querschnittsteilen zu vermeiden, müssen bei Bauteildicken t ≥ 3 mm folgende Grenzwerte bei Kehlnäthen eingehalten werden:

a  = Nahtdicke (mm)
t_min = minimale Bauteildicke (mm)
t_max = maximale Bauteildicke (mm)

a  = Nahtdicke (mm)
t_min = minimale Bauteildicke (mm)
t_max = maximale Bauteildicke (mm)

Nahtlänge Kehlnaht

Die rechnerische Länge L einer Schweißnaht ist ihre geometrische Länge.
Für Kehlnähte ist sie die Länge der Wurzellinie.
Krater, Nahtanfänge und Nahtenden, die die verlangte Nahtdicke nicht erreichen, zählen nicht zur Nahtlänge.

Kehl­naht­länge bei Direkt­anschluss	L > 6 * a bzw. min. 30 mm L < 150 * a	L  = Nahtlänge (mm) a  = Schweißnahtdicke (mm)
2 Flanken­kehl­nähte		L  = l1 * 2
1 Stirn­kehl­naht 2 Flanken­kehl­nähte		L  = l1 * 2 + b
umlauf­ende Kehl­naht kurze Flanke nahe der Schwerachse		L  = l2 * 2 + b * 2
umlauf­ende Kehlnaht lange Flanke nahe der Schwerachse		L  = l1 + l2 + b * 2

Richtwert für die Werkstückdicke in Abhängigkeit der Nahtform und des Schweißverfahrens

Die in der Tabelle aufgeführten Bauteildicken sind Näherungswerte.

G = Gasschweißen
WIG = Wolfram-Intergas-Schweißen
E = Lichtbogenhandschweißen
MIG = Metall-Intergas-Schweißen
MAG = Metall-Aktivgas-Schweißen
UP-PA = Unter-Pulver-Schweißen - waagerechtes Schweißen von Stumpf- und Kehlnähten
UP-PC = Unter-Pulver-Schweißen - waagrechtes Schweißen an senkrechter Wand

Spannungen Stumpfnaht

Spannungen in der Stumpfnaht

Die Schweißnahtnennspannungen werden aus den Belastungen nach den Regeln der allgemeinen Festigkeitslehre ermittelt, mit teilweise vereinfachten Annahmen.
Dynamische Lasten werden durch Stoßfaktoren und Schwingbeiwerte (Betriebsfaktoren) berücksichtigt.
In manchen Regelwerken werden auch abweichende Gleichungen verwendet.
Die Schweißnahtnennspannungen werden aus den Belastungen nach den Regeln der elementaren Festigkeitslehre ermittelt. Dabei werden bewusst vereinfachende Annahmen getroffen.
Stoßhafte auftretende Lasten sind durch Stoßfaktoren und Schwingbeiwerte (Betriebsfaktoren) zu berücksichtigen.
Zum Teil sind die Lastannahmen und die anzuwendenden Gleichungen in Regelwerken festgelegt.

Spannungs­arten		σ ⊥ = Normal­spannung quer zur Naht­richtung τ || = Schub­spannung in Naht­richtung
Zug Normal­kraft
Biege­spannung hochkant
Biege­spannung flachkant
Scher­spannung Fq parallel zur Naht
Torsionsspannung
	b = L - 2 * a (bei Berücksichtigung der Endkrater) b/a 1 1,5 2 3 4 6 8 10 ∞ c 0,208 0,231 0,246 0,267 0,282 0,299 0,307 0,312 0,333

Spannungen Kehlnaht

Spannungen in der Kehlnaht

Die Schweißnahtnennspannungen werden aus den Belastungen nach den Regeln der allgemeinen Festigkeitslehre ermittelt, mit teilweise vereinfachten Annahmen.
Dynamische Lasten werden durch Stoßfaktoren und Schwingbeiwerte (Betriebsfaktoren) berücksichtigt.
In manchen Regelwerken werden auch abweichende Gleichungen verwendet.
Die Schweißnahtnennspannungen werden aus den Belastungen nach den Regeln der elementaren Festigkeitslehre ermittelt. Dabei werden bewusst vereinfachende Annahmen getroffen.
Stoßhafte auftretende Lasten sind durch Stoßfaktoren und Schwingbeiwerte (Betriebsfaktoren) zu berücksichtigen.
Zum Teil sind die Lastannahmen und die anzuwendenden Gleichungen in Regelwerken festgelegt.

Spannungsarten
Zug- Druckkraft am Steg
Schubkraft längs der Naht Flankenkehlnaht
Schubkraft quer zur Naht Stirnkehlnaht
Biegemoment senkrecht zum Steg
Biegemoment zum Steg parallel zur Naht
Torsionsmoment

Spannungsberechnung

Schweißnahtquerschnitt zur Spannungsberechnung im Stahl- und Maschinenbau

Die Schweißnahtquerschnitte zur Berechnung der Schweißnahtspannung werden im Stahlbau nach DIN 18800 und im Maschinenbau teilweise unterschiedlich ermittelt.
- Stahlbau DIN 18800 - Die Mittellinie der Schweißnaht wird auf die Nahtwurzel gelegt. Scherspannungen quer zur Nahtrichtung werden nicht berücksichtigt.
- Stahlbau Eurocode 3 - Beim richtungsbezogenen Verfahren werden die Beanspruchungen auf die Fläche der Seitenhalbierenden des Kehlnahtdreiecks bezogen.
- Maschinenbau - Als Mittellinie der Schweißnaht wird die tatsächliche Schwerachse der Naht genommen.

Trägheitsmoment bei Biegemoment senkrecht zum Steg	•  Nahtwurzel	Maschinenbau Stahlbau DIN 18800 Die Nahtmittellinie ist auf die Nahtwurzel zu legen
Trägheitsmoment bei Biegemoment parallel zur Naht		Bei Maschinenbau und Stahlbau DIN 18800 gleich.
Scherquerschnitt bei Belastung längs und quer zur Naht		Bei Maschinenbau und Stahlbau DIN 18800gleich. Nur Maschinenbau, wird im Stahlbau nicht berücksichtigt

Vergleichsspannung

Aus den einzelnen Spannungen ist die Vergleichsspannung zu ermitteln, die mit der zul. Spannung zu vergleichen ist.

Vergleichsspannung

Normalspannungen quer zur Nahtrichtung

Scherspannung in Nahtrichtung

σ _v = Vergleichsspannung (N/mm²)
σ _⊥ = Normalspannung senkrecht zur Naht (N/mm²)
τ _⊥ = Scherspannung senkrecht zur Naht (N/mm²)
τ _|| = Scherspannung parallel zur Naht (N/mm²)
σ _{⊥ Zug} = Normalspannung durch Zugbelastung (N/mm²)
σ _{⊥ Druck} = Normalspannung durch Druckbelastung (N/mm²)
σ _{⊥ Biegung} = Normalspannung durch Biegebelastung (N/mm²)
τ _{|| Scherung} = Scherspannung parallel zur Naht (N/mm²)
τ _{|| Torsion} = Scherspannung durch Torsionsbelastung(N/mm²)

σ _v = Vergleichsspannung (N/mm²)
σ _⊥ = Normalspannung senkrecht zur Naht (N/mm²)
τ _⊥ = Scherspannung senkrecht zur Naht (N/mm²)
τ _|| = Scherspannung parallel zur Naht (N/mm²)
σ _{⊥ Zug} = Normalspannung durch Zugbelastung (N/mm²)
σ _{⊥ Druck} = Normalspannung durch Druckbelastung (N/mm²)
σ _{⊥ Biegung} = Normalspannung durch Biegebelastung (N/mm²)
τ _{|| Scherung} = Scherspannung parallel zur Naht (N/mm²)
τ _{|| Torsion} = Scherspannung durch Torsionsbelastung(N/mm²)

Zulässige Spannungen

Für die zulässige Spannung in der Schweißnaht ist der Festigkeitswert des Bauteils maßgebend.
Die zulässige Spannung der Schweißnaht berechnet sich aus der Streckgrenze und dem Schweißnaht- und Materialbeiwert.

Sicherheitsfaktoren bei Belastungsannahmen:

Ständige Belastung : S = 1,3
Veränderliche Belastung : S = 1,5


Sicherheitsfaktor für Werkstoffunsicherheiten:

γ _M = 1,1 - bei abgesicherten Werkstoffwerten


Zul. Spannung:



Forderung:

σ _w = zulässige Spannung (N/mm²)
α _w = Schweißnahtbeiwert (-) - siehe Tabelle unten
R _e = Streckgrenze Bauteil (N/mm²)
γ _M = Materialbeiwert (-)
σ _v = Vergleichsspannung (N/mm²)

σ _w = zulässige Spannung (N/mm²)
α _w = Schweißnahtbeiwert (-) - siehe Tabelle unten
R _e = Streckgrenze Bauteil (N/mm²)
γ _M = Materialbeiwert (-)
σ _v = Vergleichsspannung (N/mm²)

Bewertungsgruppen von Schweißnähten

Zur Schweißnahtbeurteilung und Qualitätssicherung werden die Schweißnähte in Bewertungsgruppen eingeteilt.
Die Bewertungsgruppen dienen zur einheitlichen Bewertung der Schweißverbindung sowie zur Qualitätssicherung.
Ohne Unterscheidung nach Nahtart werden die Unregelmäßigkeiten an Schweißverbindungen in drei Bewertungsgruppen festgelegt:
- B hoch z. B. dynamisch beanspruchte Schweißnähte, hoch beanspruchte Bauteile
- C mittel z. B. mittlere Schwingbeanspruchung, Rahmen, Gehäuse
- D niedrig z. B. überdimensionierte Bauteile, Gestelle
Die Einteilung der Unregelmäßigkeiten erfolgt in sechs Gruppen: 1 - Risse, 2 - Hohlräume, 3 - feste Einschlüsse, 4 - Durchschweißung, 5 - Form- und Maßabweichungen, 6 - sonstige Unregelmäßigkeiten (siehe DIN EN ISO 6520-1).
Je nach Verwendungszweck ist das Bauteil einer Bewertungsgruppe zu zuordnen, dabei sind z. B. die Beanspruchungsart (dynamisch oder statisch), konstruktive Verhältnisse oder Betriebsbedingungen zu berücksichtigen.

Schweißnahtbeiwert und zulässige Spannungen für S 235 und S 355 nach DIN 18800

Anhaltswerte für zulässige Spannungen im Maschinenbau

Zulässige Spannungen Schiffsbaustähle nach GL [1]

Die folgende Tabelle enthält die zulässigen Schweißnahtspannungen für Schiffbaustähle.
An Hand dieser Angaben, hat man einen Anhaltspunkt, für die zul. Schweißnahtspannung für Stähle, die nicht in der DIN 18800 aufgeführt sind.

[ ] Germanischer Llody I - Teil 1 - Kapitel 1 - Abschnitt 19C - Schweißverbindungen

Punktschweißverbindung

Bei vorwiegend ruhend belastete Verbindungen im Stahlhochbau wird die Berechnung im Prinzip wie bei Nietverbindungen durchgeführt. Zur Vereinfachung stellt man sich den Schweißpunkt als einen auf Abscheren und Lochleibungsdruck beanspruchten Bolzen mit dem rechnerischen Durchmesser d vor.

Schweißpunkt-Durchmesser

Rechnerischer Schweißpunkt-Durchmesser in Abhängigkeit der Bauteildicke

d_max = rechnerischer Schweißpunkt-Durchmesser (mm)
t_min = kleinste Blechdicke (mm)

tmin	1,5	2,0	3,0	4,0	5,0
dmax	5,0	6,0	8,0	10,0	12,0

d_max = rechnerischer Schweißpunkt-Durchmesser (mm)
t_min = kleinste Blechdicke (mm)

tmin	1,5	2,0	3,0	4,0	5,0
dmax	5,0	6,0	8,0	10,0	12,0

Scherspannungen in der Schweißpunktverbindung

Scherspannungen in der Schweißpunktverbindung für ein- und zweischnitte Verbindungen.

Einschnittige Verbindung

Zweischnittige Verbindung

τ_w = Scherspannung (N/mm²)
F  = Scherkraft (N)
n  = Anzahl Schweißpunkte (-)
m  = Schnittigkeit der Verbindung (-)
A  = Scherquerschnitt (mm²)
τ_{w zul} = zul. Scherspannung (N/mm²)
R_e = Streckgrenze Bauteilwerkstoff (N/mm²)
γ_M = Teilsicherheitsbeiwert (-) = 1,1

τ_w = Scherspannung (N/mm²)
F  = Scherkraft (N)
n  = Anzahl Schweißpunkte (-)
m  = Schnittigkeit der Verbindung (-)
A  = Scherquerschnitt (mm²)
τ_{w zul} = zul. Scherspannung (N/mm²)
R_e = Streckgrenze Bauteilwerkstoff (N/mm²)
γ_M = Teilsicherheitsbeiwert (-) = 1,1

Lochleibungsdruck in der Schweißpunktverbindung

σ_wl = Lochleibungsdruck (N/mm²)
F  = Scherkraft (N)
n  = Anzahl Schweißpunkte (-)
d_max = rechnerischer Schweißpunkt-Durchmesser (mm)
t_min = kleinere Dicke der Bauteile (mm)
bei zweischnittiger Verbindung sind die Dicken beider Außenteile zu einer zusammenzufassen 
σ_{wl zul} = zulässige Lochleibungsspannung (N/mm2)
– einschnittige Verbindung: 1,8 * Re / γM 
– zweischnittige Verbindung: 2,5 * Re / γM 
R_e = Streckgrenze Bauteilwerkstoff (N/mm²)
γ_M = Teilsicherheitsbeiwert (-) = 1,1

σ_wl = Lochleibungsdruck (N/mm²)
F  = Scherkraft (N)
n  = Anzahl Schweißpunkte (-)
d_max = rechnerischer Schweißpunkt-Durchmesser (mm)
t_min = kleinere Dicke der Bauteile (mm)
bei zweischnittiger Verbindung sind die Dicken beider Außenteile zu einer zusammenzufassen 
σ_{wl zul} = zulässige Lochleibungsspannung (N/mm2)
– einschnittige Verbindung: 1,8 * Re / γM 
– zweischnittige Verbindung: 2,5 * Re / γM 
R_e = Streckgrenze Bauteilwerkstoff (N/mm²)
γ_M = Teilsicherheitsbeiwert (-) = 1,1

Zul. Spannungen für Punktschweißverbindungen [1]

Anhaltswerte für die zulässige Spannung von Punktschweißverbindungen im Maschinenbau.