Fachinfos zum Schweißen von warmfesten Stählen, Teil 4

Fachinfos zum Schweißen von warmfesten Stählen, Teil 4

Beim Schweißen zählt Stahl zu den wichtigsten Werkstoffen überhaupt. Deshalb wurden im Laufe der Zeit verschiedene Stähle entwickelt. Inzwischen steht so für praktisch jeden Einsatzbereich, Zweck und Belastungsgrad ein geeigneter Stahl zur Verfügung. Eine besondere Gruppe innerhalb der Stähle sind die warmfesten Stähle.

Fachinfos zum Schweißen von warmfesten Stählen, Teil 4

Sie kommen dort zur Anwendung, wo die Bauteile dauerhaft sehr hohen Temperaturen und starken Belastungen ausgesetzt sind. So ein Bereich ist zum Beispiel der Kraftwerksbau.

Wie bei jedem anderen Werkstoff gibt es auch bei warmfesten Stählen ein paar Besonderheiten, die beim Schweißen beachtet werden müssen. In einer mehrteiligen Beitragsreihe haben wir Fachinfos zu diesem Thema zusammengestellt. Dabei machte ein Beitrag über warmfeste Stähle als Werkstoff den Anfang.

In den beiden nächsten Teilen ging es um die Verarbeitung aus schweißtechnischer Sicht, die Technik beim Schweißen von warmfesten Stählen und um mögliche Schweißzusätze.

Jetzt, im letzten Teil der Beitragsreihe, werfen wir einen Blick auf Mischverbindungen:

Das Schweißen von Mischverbindungen mit warmfesten Stählen

Vor allem im Kraftwerksbau müssen regelmäßig verschiedene Mischverbindungen aus ferritischen, austenitischen und nickelhaltigen Werkstoffen hergestellt werden. Das ist sowohl bei der Fertigung von Bauteilen in der Werkstatt als auch bei der Einrichtung auf der Baustelle der Fall.

Bei solchen Mischverbindungen wird die Auswahl von Schweißzusätzen durch die metallurgischen und die physikalischen Eigenschaften der Werkstoffe, die gefügt werden sollen, beeinflusst.

Der Schweißer muss also auf Dinge wie die Anfälligkeit für Heißrisse, die Neigung zur Versprödung, veränderte Legierungen des Schweißguts, die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmeausdehnung achten.

Außerdem muss er die Wärmeführung auf die beiden Werkstoffe anpassen. Allerdings ist hier meist ein Kompromiss notwendig. Denn die Bedingungen, unter denen die beiden zu verschweißenden Werkstoffe optimal verarbeitet werden können, sind selten gleich.

Verbindungen von ferritischen Stählen

Sollen unterschiedliche ferritische Stähle miteinander verbunden werden, richtet sich die Auswahl des Schweißzusatzwerkstoffes nach dem Stahl, der niedriger legiert ist. Denn zum einen entscheidet in aller Regel der niedriger legierte Werkstoff über die Festigkeit der Verbindung. Und zum anderen sind die Zähigkeitseigenschaften des niedriger legierten Schweißguts meist höher.

Was die Wärmeführung angeht, muss der Schweißer die Vorwärm- und die Zwischenlagentemperatur auf den kritischeren Werkstoff anpassen.

Die Wärmenachbehandlung hingegen muss beide Werkstoffe und auch den Schweißzusatz berücksichtigen. Weil die Werte hier aber üblicherweise voneinander abweichen, läuft es meist auf eine Kompromisslösung hinaus.

Werden unlegierte und legierte Stähle miteinander verbunden, kommt als zusätzliche Herausforderung dazu, dass Kohlenstoff zum höher legierten Stahl hin abwandern kann. Weil Kohlenstoff sehr dazu neigt, Chromkarbide zu bilden, kommt es vor allem dann zu so einer Kohlenstoffmigration, wenn Stähle mit sehr unterschiedlichen Chromgehalten miteinander verbunden werden.

Das Ergebnis sind harte, aufgekohlte Zonen an der Fusionslinie des höher legierten Werkstoffs und andersherum weiche, entkohlte Zonen an der Fusionslinie des niedriger legierten Stahls.

Das Abwandern des Kohlenstoffs lässt sich nicht komplett vermeiden. Aber der Effekt kann minimiert werden. Mit Blick auf die zeit- und temperaturabhängigen Diffusionsprozesse sollten sich die Dauer und die Temperatur bei der Wärmenachbehandlung dazu im unteren Bereich der zulässigen Temperaturwerte bewegen.

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Gleichzeitig sollte der Schweißer einen Schweißzusatz auswählen, der sich ähnlich verhält wie der niedriger legierte Stahl. Am höher legierten Stahl sollte sich der Schweißer deshalb nicht orientieren, weil die niedrigere Temperatur bei der Wärmenachbehandlung dazu führen könnte, dass die Mischverbindung keine ausreichende Zähigkeit erreicht.

Eine andere Möglichkeit, um das Abwandern des Kohlenstoffs auf ein Minimum zu begrenzen, besteht darin, einen Schweißzusatz zu verwenden, der mit einem Sonderkarbidbildner legiert ist. Sonderkarbidbildner sind zum Beispiel Niob, Vanadium und Titan. Der positive Effekt tritt ein, weil die Triebkraft, dass sich Sonderkarbide bilden, größer ist als beim Entstehen von Chromkarbiden.

Gibt es keine Schnittstelle zwischen den zulässigen Temperaturen bei der Wärmenachbehandlung, sollte der Schweißer ein Verbindungsstück einsetzen, das in die Temperaturbereiche sowohl vom niedriger als auch vom höher legierten Stahl hineinreicht.

Liegt die zulässige Wärmenachbehandlungs-Temperatur bei einem Werkstoff zum Beispiel zwischen 600 und 700 Grad Celsius und bei dem anderen Werkstoff zwischen 740 und 770 Grad, bietet sich ein Verbindungsstück aus einem Werkstoff an, bei dem die Temperatur für die Wärmenachbehandlung 650 bis 750 Grad Celsius beträgt.

Eine andere Möglichkeit ist, die sogenannte Puffertechnik einzusetzen. Dazu wird der Stahl mit der höheren Wärmenachbehandlungs-Temperatur mit dem Schweißgut eines Wertstoffes, der die Temperaturbereiche beider Stähle überlappt, gepuffert.

Danach wird der gepufferte Stahl mit der Temperatur behandelt, die er erfordert. Anschließend können die beiden Stähle mit einem artgleichen Schweißzusatz wie der Hilfswerkstoff geschweißt werden. Die finale Wärmenachbehandlung richtet sich dann nach dem nicht gepufferten Stahl.

Verbindungen von warmfesten ferritischen und austenitischen Stählen

Werden warmfeste ferritische Stähle mit austenitischen Stählen verbunden, erfolgt das Schweißen im Normalfall mit geringerer Wärmeeinbringung und niedrigeren Vorwärm- und Zwischenlagentemperaturen. Außerdem fällt die Wärmenachbehandlung weg, weil sie zu einer Versprödung führen und die Korrosionsbeständigkeit herabsetzen könnte.

Bei warmgehenden Komponenten sind nur Schweißzusätze auf Nickelbasis zulässig. Ihr Vorteil besteht darin, dass die Wärmeausdehnung zwischen der von Ferriten und Austeniten liegt.

Dadurch wird die schweißtechnische Verarbeitung einfacher, weil die Eigenspannungen beim Schweißen reduziert sind. Außerdem ist die metallurgische Kerbwirkung weniger ausgeprägt. Ein weiterer Pluspunkt ist, dass das Schweißgut mit Wärme behandelt werden kann.

Bei der Auswahl eines Schweißzusatzes sollte der Schweißer die Zeitstandeigenschaften und, je nach Einsatzzweck, auch die Neigung zu Versprödung und Aufhärtung bei Betriebstemperatur im Blick haben. Erfordert der ferritische Stahl eine Wärmenachbehandlung, kommt die eben beschriebene Puffertechnik zum Einsatz.

Dabei wird der ferritische Grundwerkstoff mit dem Nickel-Schweißzusatz gepuffert und danach wärmebehandelt. Anschließend wird der ferritische Grundwerkstoff mit dem gleichen Nickel-Schweißzusatz mit dem austenitischen Stahl verbunden. Damit ist die Verbindung fertig, eine abschließende Wärmenachbehandlung erfolgt nicht.

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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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