Fachinfos zum Schweißen von warmfesten Stählen, Teil 3

Fachinfos zum Schweißen von warmfesten Stählen, Teil 3

Der Werkstoff Stahl spielt beim Schweißen eine sehr wichtige Rolle. Doch es gibt nicht nur den einen Stahl. Vielmehr stehen je nach Einsatzbereich, Zweck und Anforderungen viele verschiedene Stähle zur Verfügung. Darunter sind auch die warmfesten Stähle. Sie werden eingesetzt, wenn Bauteile permanent starken Belastungen und hohen Temperaturen ausgesetzt sind.

Fachinfos zum Schweißen von warmfesten Stählen, Teil 3

In einer mehrteiligen Beitragsreihe haben wir Fachinfos zum Schweißen von warmfesten Stählen zusammengestellt. Dabei ging es zunächst um den Werkstoff selbst. In Teil 2 haben wir uns dann die Verarbeitung aus schweißtechnischer Sicht angeschaut.

Weiter geht’s mit Teil 3.:

Die Technik beim Schweißen von warmfesten Stählen

Die Wärme, die im Zuge des Schweißprozesses in den Werkstoff eingebracht wird, wirkt sich unmittelbar auf die Mikrostruktur aus. Damit beeinflusst sie auch die mechanisch-technologischen Eigenschaften der Schweißverbindung.

Maßgeblich für die Wärmeeinbringung E sind das Zusammenspiel aus dem thermischen Wirkungsgrad η, der Schweißspannung U, der Stärke des Schweißstroms I und der Geschwindigkeit v beim Schweißen.

Die Formel dazu lautet:

E = η x (U x I) / v

Grundsätzlich verschlechtern sich die Zähigkeitseigenschaften eines warmfesten Schweißguts, je mehr Wärme eingebracht wird. Bei ferritisch-martensitischen Stählen steigt außerdem die Gefahr von Heißrissen.

Gleiches gilt für austenitische Stähle und Nickellegierungen. Aus diesem Grund sollte der Schweißer nicht mehr Wärme einbringen, also unbedingt notwendig. Bewährt hat es sich, wenn sich die Wärmeeinbringung in einem Rahmen zwischen 10 und 20 Kilojoule pro Zentimeter bewegt.

Die Zähigkeitseigenschaften, die ein ferritisches Schweißgut erreichen kann, hängen in erster Linie vom Aufbau der Lagen ab. Hier ist es ratsam, wenn der Schweißer eine Technik mit vielen Lagen angewendet. Denn wenn mehrere dünne Lagen aufeinanderliegen, erhöht sich der Anteil an vergütetem Schweißgefüge. Im Ergebnis verbessert das die Zähigkeit.

Wichtig bei der Verarbeitung von austenitischen Stählen und Nickellegierungen ist außerdem, dass der Schweißer auf absolute Sauberkeit achtet. Denn schon kleinste Verunreinigungen erhöhen die ohnehin schon ausgeprägte Neigung dieser Schweißgüter zu Heißrissen.

Die Auswahl von Schweißzusätzen

Grundsätzlich werden beim Schweißen von warmfesten Stählen Zusätze verwendet, die aus artgleichen Legierungen bestehen wie der Grundwerkstoff.

Um den typischen Einsatzbedingungen gerecht zu werden, sind im Kraftwerksbau nur Schweißzusatzwerkstoffe erlaubt, die für die Anwendung im Langzeitbereich zugelassen sind. Verwendet werden dabei Stabelektroden mit einer basischen oder einer rutilen Umhüllung.

Rutil umhüllte Stabelektroden sind allerdings eher die Ausnahme, denn ihre mechanischen Gütewerte sind schlechter und ihr Anteil an Wasserstoff höher.

Stabelektroden sind sowohl bei Montagearbeiten auf der Baustelle als auch bei Fertigungs- und Reparaturschweißungen von Komponenten aus Guss üblich. Sofern die Elektroden nicht aus einer Vakuumverpackung kommen, dürfen aber nur rückgetrocknete Stabelektroden verarbeitet werden.

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Sie müssen nach der Rücktrocknung dann auch bis zur Verwendung in einem beheizten Köcher aufbewahrt werden. Auf diese Weise soll sichergestellt sein, dass die hygroskopisch wirkende Umhüllung keine neue Feuchtigkeit aufnimmt.

Bei dickwandigen Bauteilen wird meist das Unterpulver-Schweißverfahren angewendet. Das liegt zum einen an der hohen Abschmelzung und zum anderen daran, dass das Schweißverfahren gut beherrschbar ist. Beim Unterpulver-Schweißen kommen in erster Linie fluorid-basische Pulver zum Einsatz, mit denen sich selbst bei Wandstärken von bis zu 40 cm hervorragende Ergebnisse erzielen lassen.

Im Unterschied dazu werden bei der Fertigung von Flossenwänden die Kehlnähte unter aluminat-rutilen Pulvern geschweißt. Sie ermöglichen nämlich höhere Schweißgeschwindigkeiten.

Wie die Stabelektroden muss auch das Schweißpulver rückgetrocknet werden, bevor es verarbeitet werden kann. Und um einer erneuten Aufnahme von Feuchtigkeit vorzubeugen, ist beim Pulver ebenfalls sinnvoll, es in einem beheizten Behälter warmzuhalten.

Für die Wurzellagen beim Schweißen von Rohren und beim Fügen von dünnwandigen Rohren ist das WIG-Schweißen das Schweißverfahren der Wahl. Verglichen mit Schweißverfahren, die Schlacke führen, zeichnet sich das Schweißgut beim WIG-Schweißen nämlich durch deutlich bessere Zähigkeitseigenschaften aus.

Die hohe Zähigkeit trägt dazu bei, dass die teils sehr hohen Eigenspannungen im Bereich der Wurzel besser aufgenommen werden können.

Ein weiteres Verfahren, das zunehmend an Bedeutung gewinnt, ist das MAG-Schweißen mit Massiv- und mit Fülldrähten. Dabei sind vor allem die nahtlosen Fülldrähte aus schweißtechnischer und aus wirtschaftlicher Sicht eine gute Alternative zu den gängigen Schweißverfahren.

Ihre Pluspunkte liegen zum einen in den sehr niedrigen Wasserstoffgehalten und zum anderen in den hervorragenden Eigenschaften bei der Verarbeitung. So bieten nahtlose Fülldrähte zum Beispiel ein großes Zeitfenster bei der Verarbeitung und eine hohe Abschmelzleistung. Außerdem bilden sie kaum Spritzer.

Inzwischen haben sich Fülldrähte deshalb neben Stabelektroden einen festen Platz beim Fertigungs- und Reparaturschweißen von Gusskomponenten gesichert. Auch beim Verbinden von Rohrleitungen und in Form von UP-Metallpulverdraht beim Bau von Flossenwänden werden sie eingesetzt.

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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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