Was bedeutet Schweißeignung?, 1. Teil

Was bedeutet Schweißeignung?, 1. Teil

Im Zusammenhang mit dem Schweißen und der Auswahl von Werkstoffen für einen Schweißvorgang fällt oft der Begriff Schweißeignung. Was sich dahinter verbirgt, erklären wir in einem zweiteiligen Beitrag.

Hier ist Teil 1!:

 

Was bedeutet Schweißeignung?

Ob ein Bauteil geschweißt werden kann, wird maßgeblich von seiner Schweißeignung bestimmt. Dabei bezieht sich die Schweißeignung auf die Eigenschaft eines Werkstoffes, durch das Schweißen eine untrennbare Verbindung mit dem gleichen oder einem anderen Werkstoff einzugehen.

Die Schweißeignung gibt somit, in einfachen Worten erklärt, an, ob ein Werkstoff für Schweißverfahren geeignet ist oder ob nicht. Dabei ist laut EN ISO 18278-1 bei metallischen Werkstoffen eine Schweißeignung gegeben, wenn

  • eine Schweißung hergestellt werden kann,
  • fortlaufend Schweißungen gefertigt werden können und
  • die Schweißung den auftretenden Belastungen im Betrieb standhält.

Allerdings kann die Schweißeignung eines Werkstoffes je nach Schweißverfahren recht unterschiedlich ausfallen. So kann beispielsweise ein Stahl für Schmelzschweißverfahren nur bedingt geeignet sein, für Widerstandsschweißverfahren aber eine sehr gute Schweißeignung aufweisen. Bei der Beurteilung der Schweißeignung muss deshalb nicht nur der Werkstoff also solches, sondern vor allem auch das Schweißverfahren, mit dem der Werkstoff gefügt werden soll, berücksichtigt werden.

 

Was gilt für die Schweißeignung beim Schmelzschweißen?

Wenn unter thermischer Einwirkung eine Schweißnaht gefertigt wird, entstehen verschiedene Zonen. In diesen Zonen verändern sich die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes, wobei die Veränderungen sowohl von den thermischen Bedingungen als auch von den Materialeigenschaften abhängen. Was die Zonen angeht, so wird zwischen dem Grundwerkstoff, der Wärmeeinflusszone und dem Schweißgut unterschieden.

Auf den Grundwerkstoff hat der Schweißvorgang keinen Einfluss, hier verändert sich nichts. Im Unterschied dazu führen Kornwachstum, Phasenumwandlungen, Ausscheidungsvorgänge an den Korngrenzen oder Aufhärtungen in der Wärmeeinflusszone dazu, dass sich die Eigenschaften des Werkstoffs verändern.

Im Schweißgut wiederum bewirken Kristallisation, Begleitelemente, die sich lösen, Ausscheidungen, Seigerungen, Schrumpfung oder Eigenspannungen veränderte Materialeigenschaften. Ein Werkstoff ist dann für das jeweilige Schmelzschweißverfahren geeignet, wenn trotz der veränderten Materialeigenschaften eine untrennbare, stabile und belastbare Schweißnaht hergestellt werden kann.

Wenn es nun darum geht, die Schweißeignung der verschiedenen Werkstoffe bei Schmelzschweißverfahren zu beurteilen, muss folgendes berücksichtigt werden:

 

Stahl

Die Schweißeignung bei Stählen wird maßgeblich vom Kohlenstoffgehalt und der Abkühlgeschwindigkeit nach dem Schweißvorgang bestimmt. Denn diese beiden Faktoren entscheiden darüber, wie hart die Schweißnaht wird und welche Eigenspannungen in der Schweißnaht und in der Wärmeeinflusszone auftreten.

Weist ein Stahl einen Kohlenstoffgehalt von über 0,22% auf, wird ihm nur noch eine bedingte Schweißeignung attestiert. Der Grund hierfür ist, dass es durch die Gefügeumwandlungen schnell zu Härtespitzen und Rissbildungen kommen kann. Dabei entstehen die Härtespitzen in der Wärmeeinflusszone, weil sich vor allem im Grenzbereich zur erstarrten Schmelze Martensit bildet. Diesem Risiko kann aber durch verschiedene Maßnahmen vorgebeugt werden, beispielsweise indem die Werkstücke vorgewärmt werden.

Wenn Kohlenstoff mit anderen Legierungselementen zusammenwirkt, entstehen selbst bei geringen Kohlenstoffanteilen unerwünschte Eigenspannungen. Um die Schweißeignung von Stählen beurteilen zu können, wurde deshalb das sogenannte Kohlenstoffäquivalent als Messgröße eingeführt.

 

Umwandlungsfreie Werkstoffe

Bei umwandlungsfreien Werkstoffen wie Aluminium, Kupfer oder Nickel hängt die Breite der Wärmeeinflusszone von den Schweißparametern ab. Im Grenzbereich zur erstarrten Schmelze kommt es zu einem starken Kornwachstum, das zum Grundwerkstoff hin immer weniger wird.

Wird Gas aufgenommen, besteht die Gefahr einer Versprödung oder einer Porenbildung. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit und die Neigung zur Ausdehnung wiederum können einen starken Verzug und hohe Eigenspannungen auslösen.

 

Kaltverfestigte Werkstoffe

Wird eine Temperatur erreicht, die über der Rekristallisationstemperatur liegt, findet die gewünschte Kaltverfestigung nicht statt. Sie kann nur dadurch wiederhergestellt werden, dass das Werkstück nach dem Schweißvorgang noch einmal kaltverformt wird. Um dem Festigkeitsabfall entgegenzuwirken, können Schmelzschweißverfahren mit einer hohen thermischen Leistungsdichte angewendet werden.

 

Ausscheidungsgehärtete Werkstoffe

Bei Legierungen aus Aluminium und Magnesium, mikrolegierten Stählen und anderen Werkstoffen, die durch eine Ausscheidungshärtung verfestigt wurden, verändern sich die Festigkeitseigenschaften. In der Wärmeeinflusszone lösen sich die Ausscheidungen zunächst auf und werden danach erneut ausgeschieden.

Die neue Verteilung, die dabei entsteht, bewirkt, dass die Werkstoffe deutlich an Festigkeit und Zähigkeit verlieren. Ausscheidungen an den Korngrenzen können Risse hervorrufen. Außerdem können sich grobe Ausscheidungen nachteilig auf die Korrosionsbeständigkeit auswirken.

 

Hochreaktive Werkstoffe

Wenn hochreaktive Werkstoffe wie Molybdän, Tantal, Titan oder Zirkon geschweißt werden, kommt es zu einer heftigen Reaktion mit der Atmosphäre. Schon bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen ab 600 K kommt es zu der Aufnahme von atmosphärischen Gasen, die eine Versprödung auslöst. Aus diesem Grund ist die Schweißeignung bei diesen Werkstoffen nur unter Gasschutz oder im Teilvakuum gegeben.

Im zweiten Teil geht es mit der Schweißeignung von Werkstoffen bei Widerstandsschweißverfahren weiter.

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