Fachwissen zur Vorwärmtemperatur – mit Rechenformel

Fachwissen zur Vorwärmtemperatur – mit Rechenformel

Werkstoff, Schweißverfahren, Zusatzstoffe, Strom, Geschwindigkeit, Temperaturen: Beim Schweißen müssen viele verschiedene Dinge beachtet werden, damit eine saubere, belastbare und dauerhafte Verbindung entsteht.

Rechenformel Vorwärmtemperatur

Zu diesen Faktoren gehört auch die Vorwärmtemperatur. In diesem Beitrag vermitteln wir Fachwissen zur Vorwärmtemperatur und erklären, wie sie berechnet wird.

 

Kaltrisse als großes Problem

Kaltrisse zählen zu den größten Schwierigkeiten beim Schweißen von hochfesten Stählen. Bei mikrolegierten Stählen hält sich die Neigung zu Kaltrissen zwar in Grenzen.

Wenn aber der Gehalt an Kohlenstoff steigt, erhöht sich auch die Gefahr, dass sich in der Wärmeeinflusszone wasserstoffbegünstigte Kaltrisse bilden. Dabei sind es vor allem folgende Größen, die das Kaltrissverhalten von Schweißverbindungen maßgeblich beeinflussen:

  • die chemische Zusammensetzung des Werkstoffs
  • die Dicke des Werkstücks im Bereich der Schweißnaht
  • der Wasserstoffgehalt im Schweißgut
  • die Wärmeeinbringung beim Schweißvorgang
  • die Eigenspannung der Schweißkonstruktion
  • die Vorwärmtemperatur und die Zwischenlagentemperatur

Welchen Einfluss die chemische Zusammensetzung des Werkstoffs hat, wird durch das Kohlenstoffäquivalent CET berücksichtigt. Das Kohlenstoffäquivalent des Grundwerkstoffs wird aber nur dann zugrunde gelegt, wenn es um mehr als 0,03 Prozent höher ist als das Kohlenstoffäquivalent des Schweißguts. Ansonsten wird das Kohlenstoffäquivalent des Schweißguts herangezogen und gleichzeitig um einen Sicherheitszuschlag von 0,03 Prozent erhöht.

Der Wasserstoff, der im Schweißgut und in der Wärmeeinflusszone auftaucht, geht in erster Linie auf wasserstoffhaltige Bestandteile von den Schweißzusätzen und den Schweißhilfsstoffen zurück.

Eine andere Möglichkeit, wie Wasserstoff ins Schweißgut gelangen kann, ist Feuchtigkeit an den Werkstücken selbst, beispielsweise in Form von Schwitzwasser. Das Vorwärmen ist deshalb eine wirkungsvolle Maßnahme, um Kaltrisse zu vermeiden. Denn das Vorwärmen bewirkt, dass der Schweißnahtbereich während und nach dem Schweißen langsamer abkühlt. Dadurch wiederum kann der Wasserstoff entweichen.

 

Die Vorwärm- und die Zwischenlagentemperatur

Der Schweißer sollte grundsätzlich darauf achten, dass die empfohlene Mindestvorwärmtemperatur über die gesamte Dauer des Schweißvorgangs eingehalten wird. Dabei misst der Schweißer die Temperatur üblicherweise auf der Werkstückoberfläche, die in seine Richtung zeigt.

Und das im Abstand der vierfachen Werkstückdicke zur Längskante der Schweißfuge. Allerdings gilt das für Werkstücke, bei denen die Dicke zusammen mit der Schweißnaht bis zu 50 Millimeter beträgt. Beläuft sich die Dicke auf mehr als 50 Millimeter, muss die Mindestvorwärmtemperatur im Grundwerkstoff in einem Umkreis von mindestens 75 Millimetern um den Schweißnahtbereich erreicht und gehalten werden.

Zusätzlich dazu sollte der Schweißer vor allem in der Wurzellage auf eine ausreichend hohe Wärmeeinbringung achten. Dadurch vermeidet er nämlich kleine Raupenquerschnitte und extreme Aufhärtungen. Schweißt er dickwandige Werkstücke, ist es ratsam, wenn er die Verbindung in einem Durchgang arbeitet. Lässt sich eine Unterbrechung nicht vermeiden, muss er den Schweißnahtbereich langsam abkühlen lassen und danach noch einmal neu vorwärmen.

Wird in mehreren Lagen geschweißt, ist die Zwischenlagentemperatur wichtiger als die Vorwärmtemperatur. Der Schweißer kann auf das Vorwärmen verzichten, wenn er die Folgeraupe in die Wärme der ersten Raupe schweißt. Denn in diesem Fall sinkt die Zwischenlagentemperatur nicht unter die Vorwärmtemperatur, die für ein Schweißen ohne Kaltrisse benötigt wird.

Hätte das Zusammenspiel aus vorgegebener Streckenergie und Bleckdicke zur Folge, dass die Abkühlzeit t8/5, die für die Schweißverbindung höchstens zulässig ist, überschritten wird, muss der Schweißer sogar auf das Vorwärmen verzichten. Vor allem bei dünnen Blechen und beim Lage- und Gegenlageschweißen spielt das eine Rolle.

 

Die Wärmeeinbringung Q

Welche Eigenspannungen in einer Schweißkonstruktion auftreten, hängt vom Werkstoff, den Bedingungen beim Schweißen und der Gestaltung der Konstruktion ab.

Die Gefahr, dass Eigenspannungen Risse in der Schweißverbindung verursachen, tritt aber erst dann auf, wenn der Nahtquerschnitt zumindest teilweise gefüllt ist. Außerdem kann der Schweißer die Eigenspannung günstig beeinflussen, indem der ein Schweißgut mit nicht zu hoher Festigkeit auswählt und sowohl die Nahtform als auch die Schweißfolge entsprechend abstimmt.

Sehr großen Einfluss auf die Eigenschaften der Schweißverbindung hat aber die Wärmeeinbringung. Sie bestimmt nämlich den Temperatur-Zeit-Zyklus während des Schweißvorgangs. Dabei kann der Wert der Wärmeeinbringung mit folgender Formel berechnet werden:

 

Q [in kJ/mm] = k x (U x l) / v

 

Q = Wärmeeinbringung in kJ/mm   k = thermischer Wirkungsgrad

U = Lichtbogenspannung              l = Schweißstrom

v = Schweißgeschwindigkeit

 

Dabei gelten für den thermischen Wirkungsgrad von Schweißprozessen k in aller Regel folgende Werte:

 

Schweißprozess Faktor k
Lichtbogenhandschweißen 0,8
MIG-Schweißen 0,8
MAG-Schweißen 0,8
WIG-Schweißen 0,6
Plasmaschweißen 0,6
Unterpulverschweißen (mit Drahtelektrode) 1,0

 

Die Rechenformel für die Vorwärmtemperatur

Durch das Vorwärmen entsteht eine Wärmeleitung, die den Transport der Wärme verändert. Das Ergebnis davon ist zum einen, dass sich die Abkühlzeit verlängert.

Die verlängerte Abkühlzeit wiederum sorgt dafür, dass sich das Gefüge anders ausbildet und der Wasserstoff bessere Bedingungen hat, um zu entweichen. Zum anderen verändert sich der Eigenspannungszustand innerhalb der Schweißverbindung und im Bauteil.

Um die Mindestvorwärmtemperatur T0 und die verschiedenen Einflussfaktoren in einen Zusammenhang zu bringen, wird die folgende Formel verwendet:

 

T0 = 700 x CET + 160 x tanh (d/35) + 62 x HD0,35 + (53 x CET – 32) x Q – 330

 

CET = Kohlenstoffäquivalent in %

d = Blechdicke in mm

HD = Wasserstoffgehalt des Schweißguts in cm3/100g

Q = Wärmeeinbringung in kJ/mm

Sind die Kohlenstoffäquivalente vom Grundwerkstoff und vom Schweißgut verschieden, wird der höhere Wert berücksichtigt.

 

Die genannte Rechenformel wird angewendet bei Stählen

  • mit einer Streckgrenze bis 1000N/mm2 ,
  • einem Kohlestoffäquivalent zwischen 0,2 und 0,5 %,
  • einer Blechdicke zwischen 10 und 90 mm,
  • einem Wasserstoffgehalt von 1 bis 10 und
  • einem Wärmeeinbringen im Bereich zwischen 0,5 und 4,0 kJ/mm.

Außerdem sollten folgende Bedingungen erfüllt sein:

  • Die Zwischenlagentemperatur sinkt weder unter die Mindestvorwärmtemperatur noch überschreitet sie die Marke von 300 °C.
  • Kehlnähte in einer Lage sowie Heft- und Wurzelraupen sind mindestens 50 mm lang. Liegt die Blechdicke über 25 mm, schweißt der Schweißer Heft- und Wurzellagen in zwei Lagen und arbeitet dabei mit einem weniger festen Schweißgut.
  • Beim Schweißen von Fülllagen und mehrlagigen Kehlnähten wird auf ein Zwischenabkühlen verzichtet, solange die Schweißnaht nicht dicker ist als ein Drittel der Blechdicke.
  • Der Schweißer wählt die Schweißfolge so, dass sich die erst anteilig gefüllte Schweißnaht nicht zu stark plastisch verformt.

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Veröffentlicht von

Rudolf Bozart & Gerd Meinken

Rudolf Bozart, Baujahr 1964 Schweißfachingenieur, sowie Gerd Meinken geboren 1972, Schweißwerkmeister schreiben hier alles Wissenswerte zu Schweißtechniken und Schweißverfahren, geben Tipps und Anleitungen zu Berufen, Schweißgeräten, Materialkunde und Weiterbildung.

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