Fachinfos zum Schweißen von hochfesten Stählen

Fachinfos zum Schweißen von hochfesten Stählen

Jeder Werkstoff hat seine Eigenschaften und Besonderheiten. Beim Schweißen müssen das Schweißverfahren und eventuelle Schweißzusätze dann auf den jeweiligen Werkstoff abgestimmt werden. Nur so ist sichergestellt, dass dauerhafte und hochwertige Verbindungen entstehen, die den jeweiligen Anforderungen und Belastungen standhalten.

Fachinfos zum Schweißen von hochfesten Stählen

In diesem Beitrag vermitteln wir Fachinfos zum Schweißen von hochfesten Stählen:

Grundsätzliches zu hochfesten Stählen

Bei hochfesten Stählen handelt es sich um mikrolegierte Stähle. Sie werden auch als Feinkornbaustähle bezeichnet und je nach Art ihrer Herstellung in drei Hauptgruppen eingeteilt. So gibt es nämlich

  1. normalgeglühte Feinkornbaustähle,

  2. flüssigkeitsvergütete Feinkornbaustähle und

  3. thermomechanisch behandelte Feinkornbaustähle.

Normalgeglühte Feinkornbaustähle haben Streckgrenzen von bis zu 550 Newton pro Quadratmillimeter. Sie werden konventionell gewalzt. Das feinkörnige Ferrit-Perlit-Gefüge entsteht in erster Linie dadurch, dass feindisperse Karbonitride und Karbide aus dem Austenitbereich ausgeschieden werden, während die Luft abkühlt.

Bei den flüssigkeitsvergüteten Feinkornbaustählen ist eine Wasservergütung für die Entstehung von feinstem Korn zuständig.

Dabei spielen aber auch Mikrolegierungselemente wie Bor, Vanadium, Niob oder Titan und mitunter Chrom und Nickel als Legierungselemente eine entscheidende Rolle. Die Streckgrenzen von flüssigkeitsvergüteten Feinkornbaustählen bewegen sich in einem Bereich zwischen 450 und 1.300 Newton pro Quadratmillimeter.

Die besonderen Eigenschaften von normalgeglühten und flüssigkeitsvergüteten Feinkornbaustählen werden durch eine Wärmebehandlung erzielt, die nach dem Walzen durchgeführt wird.

Im Unterschied dazu findet bei thermomechanisch behandelten Stählen eine gezielte Wärmebehandlung im Rahmen des Walzvorgangs statt. Auf diese Weise lassen sich Stähle herstellen, die einen sehr niedrigen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,1 Prozent haben.

Das Schweißen von hochfesten Stählen

Der Einsatz von Mikrolegeierungselementen im Zusammenspiel mit geeigneten Herstellungsverfahren hat dazu geführt, dass die mechanischen Eigenschaften von Baustählen und deren Schweißeignung deutlich verbessert werden konnten.

Beim Schweißen von hochfesten Stählen muss der Schweißer umso sorgfältiger arbeiten, je höher die Mindestwerte der Streckgrenze und je dicker die Wandstärken der Bauteile sind.

Eine Konstruktion, die sowohl dem angewendeten Schweißverfahren als auch der Beanspruchung des Bauteils gerecht wird, ist die Grundvoraussetzung für eine dauerhafte Verbindung.

Heißrisse stellen bei Feinkornbaustählen keine nennenswerte Gefahr dar. Allerdings sollte der Schweißer mögliche Terrassenbrüche beachten.

Hier kann er entgegensteuern, indem er die Spannung durch konstruktive oder schweißtechnische Maßnahmen verringert. Außerdem sollte der Schweißer unbedingt Kaltrissen vorbeugen. Keine übermäßige Aufhärtung und niedrige Wasserstoffgehalte sind dabei zwei Ansatzpunkte.

Die notwendige Vorwärmtemperatur hängt von der Dicke des Werkstücks, der chemischen Zusammensetzung vom Grundwerkstoff und dem Schweißgut, der Streckenenergie beim Schweißen und den voraussichtlichen Eigenspannungen ab.

Beim Verbindungs- und Heftschweißen bewegt sie sich in einem Bereich zwischen 80 und 250 Grad Celsius. Dabei sollte die Vorwärmtemperatur generell umso höher sein, je dicker die Wandstärke des Bauteils ist.

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Was die mechanischen Eigenschaften von hochfesten Schweißverbindungen angeht, so spielt der Temperatur-Zeit-Verlauf beim Schweißen eine entscheidende Rolle. Die Blechdicke, die Nahtform, die Streckenenergie, die Vorwärmtemperatur und der Aufbau der Lagen sind dabei die maßgeblichen Faktoren.

Um den Temperatur-Zeit-Verlauf beim Schweißen zu kennzeichnen, wird in aller Regel die Abkühlzeit t 8/5 gewählt. Diese Abkühlzeit entspricht der Zeit, in der die Schweißraupe beim Abkühlen den Temperaturbereich von 800 bis 500 Grad Celsius durchläuft.

Wenn die Abkühlzeit t 8/5 abnimmt, nimmt parallel dazu auch die Härte der Wärmeeinflusszone ab. Andererseits verringert sich damit gleichzeitig die Kerbschlagarbeit, während die Übergangstemperatur der Kerbschlagarbeit steigt.

Wenn für den jeweiligen Stahl eine vorgegebene Maximalhärte nicht überschritten werden darf oder ein vorgegebener Mindestwert der Kerbschlagarbeit eingehalten werden muss, muss der Schweißer die Schweißbedingungen deshalb so wählen, dass er mit Blick auf die Abkühlzeit t 8/5 einen gewissen Bereich einhält.

Die Anforderungen an das Schweißverfahren beim Fügen von hochfesten Stählen

Aus den vorhergehenden Ausführungen wird ersichtlich, wie wichtig die Auswahl einer sachgemäßen Schweißtechnologie ist, damit die Schweißverbindung allen Anforderungen gerecht wird.

Dabei beeinflusst auch der gewählte Schweißzusatz die Qualität maßgeblich. Für den Schweißer bedeutet das:

  • Der Schweißer muss einen Schweißzusatz verwenden, bei dem das Schweißgut die mechanischen Eigenschaften des Grundwerkstoffs erreicht, wenn sich der Schweißzusatz und der Grundwerkstoff miteinander vermischen. Deshalb eignen sich grundsätzlich nur basische, rückgetrocknete Stabelektroden. Wendet der Schweißer ein Schutzgasschweißverfahren an und arbeitet er dabei mit Elektroden aus Massivdraht, ergibt sich die Problematik von Rissen, die auf Wasserstoff zurückgehen, im Normalfall nicht.

  • Die Vorwärm- und Zwischenlagentemperatur bewegt sich in einem Bereich zwischen 80 und 250 Grad Celsius. Die Wanddicke, die chemischen Zusammensetzungen von Grundwerkstoff und Schweißgut, die Streckenenergie sowie die Eigenspannungen sind hier die entscheidenden Kriterien.

  • Bei der Grenzdicke für das Vorwärmen muss der Schweißer die Streckgrenze des Grundwerkstoffs berücksichtigen. Hier gilt, dass die Temperaturen mit zunehmender Dicke ansteigen sollten.

  • Maßgeblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Wärmeeinflusszone hat der Temperatur-Zeit-Verlauf. Generell ist dabei die Abkühlzeit t 8/5 die übliche Größe. Der Schweißer sollte aber unbedingt auch einhalten, was der Hersteller des Grundwerkstoffs mit Blick auf die Streckenenergie empfiehlt.

Durch die verschiedenen Verfahren bei der Herstellung von hochfesten Stählen wird es immer schwieriger, pauschale Ratschläge dazu zu geben, welche Grundwerkstoffe der Schweißer mit welchen Schweißzusatzstoffen für eine bestimmte Festigkeitsklasse kombinieren sollte.

Im Zweifel sollte sich der Schweißer deshalb beim Hersteller des Grundwerkstoffs erkundigen, ob es Systemlösungen gibt oder zu welchen Zusatzwerkstoffen der Hersteller im jeweiligen Anwendungsfall rät.

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Rudolf Bozart, Baujahr 1964 Schweißfachingenieur, Gerd Meinken geboren 1972, Schweißwerkmeister, Thorsten Kamps, geboren 1981 Coautor und Christian Gülcan, Betreiber der Webseite, schreiben hier alles Wissenswerte zu Schweißtechniken und Schweißverfahren, geben Tipps und Anleitungen zu Berufen, Schweißgeräten, Materialkunde und Weiterbildung.

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