MAG-Schweißen hochfester Feinkornbaustähle

^{Bildquelle: Aleksandr Kondratov / iStock / Getty Images Plus}

Die Umsetzung von Leichtbaustrategien im Stahlbau erfordert den Einsatz hochfester Werkstoffe. Dies ist nur realisierbar, wenn auch geeignete Fügetechnologien bereitgestellt werden und die Bauteilgestaltung den werkstoff- und fügetechnischen Erfordernissen angepasst wird.

Bei diesem Beitrag handelt es sich um einen Auszug. Den vollständigen Beitrag finden Sie im Produkt „Die Schweißaufsicht im Betrieb“.

Hochfeste Feinkornbaustähle und Geeignete Fügetechnologien

Wasservergütete hochfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen im Bereich von 690 bis 1100 MPa werden seit Jahren erfolgreich eingesetzt z.B.

• im Druckbehälter-,
• Mobilkran-,
• Betonpumpen- und
• Nutzfahrzeugbau sowie für
• Bergbaugeräte.

Der Stahl S 1100 QL erreicht mit einer Mindeststreckgrenze von 1.100 MPa derzeit die maximale Festigkeit für vergütete Feinkornbaustähle. Verwendung findet dieser Stahl heute dort, wo es auf eine Reduzierung des Bauteilgewichts ankommt. So werden u.a. geschweißte schwingend belastete Teleskopausleger für Mobilkrane aus S 1100 QL gefertigt. Die Längsschweißnähte sind dabei im Hinblick auf die Wahl eines geeigneten Schweißzusatzwerkstoffs in Bereichen geringer Beanspruchung angeordnet.

Senkung der Herstell- und Betriebskosten

Die Verwendung von hochfesten Feinkornbaustählen ermöglicht eine Verringerung der Blechdicke und damit des einzubringenden Schweißzusatzwerkstoffs. Dies hat eine Reduzierung des Konstruktionseigengewichts zur Folge, was sich besonders günstig auf die Nutzlast von mobilen Konstruktionen wie Nutzfahrzeugen, Mobilkranen und Lkw-Betonpumpen auswirkt und die Herstellungs- und Betriebskosten senkt. Dieser Vorteil kommt allerdings nur dann voll zum Tragen, wenn in geschweißten Konstruktionen die Schweißverbindung die Tragfähigkeit des Grundwerkstoffs erreicht.

Schweißverfahren für hochfeste Feinkornbaustähle

Hochfeste Feinkornbaustähle der Reihe S 690 QL, S 960 QL und S 1100 QL lassen sich nach allen bekannten Schweißverfahren sowohl von Hand als auch mit dem Automaten gut schweißen. Die Güte der Schweißverbindung hängt jedoch vom Schweißverfahren, den Schweißbedingungen und der Wahl der richtigen Schweißzusatzwerkstoffe ab.

Als Schweißzusatzwerkstoffe sind die dieser Festigkeitsgruppe entsprechenden zugelassenen Schweißdrähte bzw. Elektroden zu verwenden.

Allgemeine Grundregeln sind nur dann als wertvoll zu bezeichnen, wenn sie mit ausreichendem Sachverstand und metallurgischem Grundwissen in die Praxis umgesetzt werden.

Hochfeste Feinkornbaustähle und Vorwärmen

Vermeidung von Kaltrissen

Die Schweißeignung hochfester Feinkornbaustähle, d.h., wie wirtschaftlich sie geschweißt werden können, wird neben dem Erreichen anforderungsgerechter mechanischer Eigenschaften im Schweißnahtbereich wesentlich durch die Kaltrisssicherheit bestimmt. Unter Kaltrissen versteht man Risse, die in Schweißverbindungen ferritischer Stähle unter Einwirkung von Wasserstoff und Spannungen bei Temperaturen unter 300 °C auftreten. Zur Vermeidung von Kaltrissen hat sich das Vorwärmen des Schweißnahtbereichs bewährt.

Bedeutung der Vorwärmtemperatur

Durch die Auswertung einer Vielzahl entsprechender Untersuchungen wurde die Bedeutung der Vorwärmtemperatur deutlich. Sie lässt sich mittels nachfolgender Summenformel beschreiben:

Tp[C] = 700 CET + 160 tanh (d / 35) + 62 HD^0,35 + (53 CET – 32) Q – 330

In dieser Gleichung bedeuten

• CET das Kohlenstoffäquivalent in %,
• d die Blechdicke in mm,
• HD den Wasserstoffgehalt in cm³/100 g deponiertes Schweißgut und
• Q das Wärmeeinbringen in kJ/mm.

Bei Schweißverbindungen mit günstigerem Eigenspannungsniveau sind niedrigere Vorwärmtemperaturen vertretbar. Im Falle von Schweißverbindungen mit extrem hohem Verspannungsgrad (z.B. bei Nähten an Stutzen oder Rohrknoten) können jedoch höhere Vorwärmtemperaturen erforderlich sein.

Wärmeableitung am Bauteil

Beim Auftreten von Kaltrissen stellt man immer wieder fest, dass zwar die richtige Vorwärmtemperatur gewählt, jedoch die tatsächliche Wärmeableitung am Bauteil nicht richtig eingeschätzt wurde. Zum einen muss die Vorwärmtemperatur in ausreichendem Abstand von der Schweißnaht gemessen werden, zum anderen muss natürlich an Stellen, wo mehrere Schweißnähte zusammentreffen und damit neben der höheren Wärmeableitung noch dreidimensionale Spannungszustände auftreten können, welche die Kaltrissbildung zusätzlich begünstigen, auch sorgfältiger vorgewärmt werden. Die Einhaltung der richtigen Vorwärmtemperatur gilt natürlich auch für die Zwischenlagentemperatur!

Vorwärmtemperatur in Abhängigkeit vom CET

Das Vorwärmen verzögert die Abkühlung und begünstigt so die Wasserstoffeffusion. Über die Wahl der Vorwärmtemperatur gibt das SEW 088 Auskunft. Es wird darin empfohlen, auf jeden Fall vorzuwärmen, wenn die Werkstücktemperatur +5 °C unterschreitet. Bei Temperaturen über +5 °C ist die Empfehlung zur Vorwärmung wanddickenabhängig, wie nachstehend gezeigt wird.

CET	Grenzdicke
0,18	60
0,22	50
0,26	40
0,31	30
0,34	20
0,38	12
0,40	8

Effusion von Wasserstoff

Dabei ist zu beachten, dass sich die zulässige Blechdicke nur dann nach dem Kohlenstoffäquivalent des Grundwerkstoffs richtet, wenn das Kohlenstoffäquivalent des Schweißguts um mindestens 0,03 % niedriger ist als das des Grundwerkstoffs. Andernfalls wird das um einen Sicherheitszuschlag von 0,03 % erhöhte Kohlenstoffäquivalent des Schweißguts zur Feststellung der zulässigen Blechdicke herangezogen.

Vorwärmen verzögert die Abkühlung des Schweißnahtbereichs. Somit wird die Effusion von Wasserstoff ermöglicht und darüber hinaus der Eigenspannungslevel reduziert.

Bei Werkstofftemperaturen unterhalb von +5 °C sollten die Stähle grundsätzlich mindestens auf Raumtemperatur vorgewärmt werden.

Vermeidung hoher Härten

Es muss berücksichtigt werden, dass hohe Abkühlungsgeschwindigkeiten (unter 5 s) durch geringes Wärmeeinbringen beim Schweißen zu hohen Härten im Bereich der Wärmeeinflusszone führen können und somit erhöhte Kaltrissgefahr besteht. Bei der Einstellung zu niedriger Abkühlungsgeschwindigkeiten durch zu hohes Wärmeeinbringen werden zum einen die Zähigkeitseigenschaften verschlechtert und zum anderen wird die wärmebeeinflusste Zone verbreitert.

Beim Schweißen von Feinkornstählen sind unbedingt an jedem Arbeitsplatz Möglichkeiten für das Vorwärmen und ggf. zum Nachwärmen zu schaffen. Die Kontrolle der Vorwärm- und Zwischenlagentemperatur kann mit Temperaturmessstiften, Magnethaftthermometer, digitalen Temperaturmessgeräten oder einem Pyrometer erfolgen.

Kohlenstoffäquivalent CET

Kaltrissverhalten von Schweißverbindungen

Das Kohlenstoffäquivalent CET wurde 1991 von Uwer und Höhne formuliert und stellt das zurzeit umfassendste Kohlenstoffäquivalent zur Vermeidung von Kaltrissen dar.

Das Kaltrissverhalten von Schweißverbindungen wird außer von der chemischen Zusammensetzung des Grundwerkstoffs und des Schweißguts CET auch von

• der Blechdicke d,
• dem Wasserstoffgehalt des Schweißguts HD,
• dem Wärmeeinbringen Q beim Schweißen sowie
• dem Eigenspannungszustand der Verbindung

maßgebend bestimmt.

Kaltrisse in der Wärmeeinflusszone und im Schweißgut

Eines der größten Probleme bei der schweißtechnischen Verarbeitung von hochfesten Feinkornstählen stellt der Kaltriss dar. Im Allgemeinen ist die Kaltrissneigung von mikrolegierten Feinkornbaustählen gering. Sind jedoch höhere Kohlenstoffgehalte vorhanden, kann es zu wasserstoffbegünstigten Kaltrissen in der Wärmeeinflusszone und im Schweißgut kommen. Da neben dem Kohlenstoff auch noch andere Legierungselemente den Kaltriss begünstigen, werden zur Abschätzung der Rissempfindlichkeit häufig Kohlenstoffäquivalente herangezogen. Es existieren zahlreiche Formeln zur Beschreibung des Kohlenstoffäquivalents, bei denen die einzelnen Legierungselemente unterschiedlich gewichtet werden.

Einflussgrößen für das Kaltrissverhalten

Das Kohlenstoffäquivalent kann somit allgemein als ein Maß für die Neigung eines Werkstoffs zur Kaltrissbildung in Abhängigkeit von seiner chemischen Zusammensetzung verstanden werden. Es dient darüber hinaus als Grundlage für die Berechnung der Mindestvorwärmtemperatur Tp sowie der Abkühlzeit t_8/5, die notwendig sind, um eine Kaltrissbildung nach Abkühlen der Schweißnaht ausschließen zu können.

Das Kaltrissverhalten von Schweißverbindungen ist hauptsächlich von den folgenden Einflussgrößen abhängig:

• chemische Zusammensetzung
• Werkstückdicke im Nahtbereich
• Wasserstoffgehalt des Schweißguts
• Wärmeeinbringung beim Schweißen
• Eigenspannungsniveau der Konstruktion
• Vorwärmtemperatur/Zwischenlagentemperatur

Der Einfluss der chemischen Zusammensetzung auf das Kaltrissverhalten von Stählen lässt sich dabei durch das Kohlenstoffäquivalent CET ausreichend genau beschreiben.

Schweißbedingungen/Eigenspannungszustand

Es ergeben sich Grenzwerte, bis zu denen Stahlbleche mit entsprechender chemischer Zusammensetzung ohne Vorwärmen geschweißt werden können, wenn übliche Schweißbedingungen angewandt werden und ein günstiger Eigenspannungszustand vorliegt.

t_8/5-Zeit-Konzept

Durchgang des Lichtbogens

Der während eines Lichtbogendurchgangs an einer definierten Stelle auftretende Temperatur-Zeit-Verlauf setzt sich aus einer kurzen Aufheizphase und einer im Allgemeinen wesentlich längeren Abkühlphase zusammen. Bei Annäherung des Lichtbogens steigt die Temperatur schnell auf einen Höchstwert an und fällt nach Durchgang des Lichtbogens wieder ab, wobei sich die Abkühlgeschwindigkeit stetig verringert. Während im Schweißgut überall gleiche Spitzentemperaturen auftreten, werden die verschiedenen Bereiche der Wärmeeinflusszone auf unterschiedliche Spitzenwerte erwärmt, wobei ihre Höhe mit wachsendem Abstand von der Schmelzzone abnimmt.

Schweißtemperaturzyklen

Die mechanischen Eigenschaften des Schweißguts werden primär bestimmt durch dessen chemische Zusammensetzung und die Geschwindigkeit, mit der die Abkühlung aus der flüssigen Phase erfolgt. Maßgebend für die Auswirkungen von Schweißtemperaturzyklen auf die mechanischen Eigenschaften in der Wärmeeinflusszone sind die beim Schweißen erreichte Spitzentemperatur, die Verweildauer im oberen Austenitgebiet und die Geschwindigkeit, mit der die Abkühlung aus dem Austenitgebiet stattfindet.

Erfahrungsgemäß führen hohe Spitzentemperaturen zu den ungünstigsten Gefügezuständen und mechanischen Eigenschaften. Es reicht deshalb aus, die Temperaturzyklen mit der höchsten Spitzentemperatur zu betrachten, welche unmittelbar neben der Schmelzlinie im Grobkornbereich der Wärmeeinflusszone auftreten. Ihre Spitzentemperatur liegt in Höhe der Schmelztemperatur des jeweiligen Werkstoffs. Man kann somit davon ausgehen, dass die mechanischen Eigenschaften in der Wärmeeinflusszone vom Abkühlverlauf nach dem Lichtbogendurchgang bestimmt werden.

Temperatur-Zeit-Verlauf für hochfeste Feinkornbaustähle

Von entscheidender Bedeutung für die mechanischen Eigenschaften hochfester Schweißverbindungen ist der Temperatur-Zeit-Verlauf beim Schweißen. Dieser wird besonders von folgenden Faktoren beeinflusst:

• Blechdicke
• Nahtform
• Streckenenergie
• Vorwärmtemperatur
• Lagenaufbau

Zur Kennzeichnung des Temperatur-Zeit-Verlaufs beim Schweißen wählt man im Allgemeinen die Abkühlzeit t_8/5, d.h. die Zeit, in der bei Abkühlung einer Schweißraupe der Temperaturbereich von 800 bis 500 °C durchlaufen wird. Mit zunehmender Abkühlzeit t_8/5 nimmt die Härte in der Wärmeeinflusszone ab.

Fenster für die Abkühlzeit

Wenn für einen bestimmten Stahl eine vorgegebene Höchsthärte nicht überschritten bzw. ein vorgegebener Mindestwert der Kerbschlagarbeit nicht unterschritten werden darf, müssen die Schweißbedingungen so gewählt werden, dass ein bestimmter Bereich der Abkühlzeit t_8/5 weder über- noch unterschritten wird.

Das heißt, eine genau vorgeschriebene Schweißtechnologie ist im Sinne der Gewährleistung der Gesamtheit der Anforderungen an die Schweißverbindung einzuhalten.

Abkühlzeitkonzept

Dank der unter dem Begriff „Abkühlzeitkonzept“ bekannt gewordenen Methode ist es heute möglich, den Aufwand bei schweißtechnischen Untersuchungen und Schweißverfahrensprüfungen (Qualifizierung von Schweißverfahren) erheblich zu reduzieren. Diese Vorgehensweise gestattet es außerdem, den komplexen Zusammenhang zwischen den Schweißbedingungen und den Eigenschaften von Schweißnähten überschaubar darzustellen. Das Abkühlzeitkonzept hat inzwischen Eingang in nationale und internationale Empfehlungen zum Schweißen hochfester Feinkornbaustähle gefunden.

Es hat entscheidend dazu beigetragen, dass man heute in der Lage ist, selbst anspruchsvolle hochfeste Feinkornbaustähle problemlos zu schweißen. Um die Berechnung für den Anwender zu erleichtern, wurden von den Stahlherstellern einfach anzuwendende Computerprogramme entwickelt.

Abkühlzeit als Kenngröße

Festigkeitseigenschaften, Härte und Zähigkeit in der WEZ von Schweißverbindungen sind im Wesentlichen von der chemischen Zusammensetzung des Stahls und dem Temperatur-Zeit-Verlauf beim Schweißen abhängig – genauer: von der Abkühlgeschwindigkeit nach dem Lichtbogendurchgang. Diese wird maßgeblich von den Schweißbedingungen beeinflusst. Der Zusammenhang zwischen den Schweißbedingungen und der Abkühlgeschwindigkeit lässt sich durch mathematische Beziehungen beschreiben, die aus der Theorie der Wärmeleitung in festen Körpern abgeleitet wurden. Zur Kennzeichnung der Abkühlgeschwindigkeit wählt man ihren reziproken Wert, nämlich die Zeit, die zum Durchlaufen eines bestimmten Temperaturintervalls benötigt wird. Hier hat sich die Abkühlzeit als Kenngröße bewährt.

Das ist die Zeit, die während der Abkühlung einer Schweißraupe zum Durchlaufen des Temperaturbereichs von 800 bis 500 °C benötigt wird.

Zwei- und dreidimensionale Wärmeableitung

Dabei berücksichtigt die Gleichung die den Abkühlprozess entscheidenden folgenden Einflussgrößen:

• Vorwärmtemperatur Tp
• thermischer Wirkungsgrad η des jeweiligen Schweißverfahrens
• Lichtbogenspannung U
• Schweißstrom I
• Schweißgeschwindigkeit v
• Nahtgeometrie in Form des Nahtfaktors F

Bei der Berechnung von Abkühlzeiten ist zwischen zwei- und dreidimensionaler Wärmeableitung zu unterscheiden. Bei größeren Blechdicken, niedriger Vorwärmtemperatur und/oder geringem Wärmeeinbringen tritt häufig dreidimensionale Wärmeableitung ein. Entsprechend kommt es bei dünnen Blechen, hoher Vorwärmtemperatur und/oder großem Wärmeeinbringen im Allgemeinen zu zweidimensionaler Wärmeableitung. In letzterem Fall ist die Blechdicke d bei der Berechnung zu berücksichtigen.

Bestehen Zweifel, welche Art der Wärmeableitung in einem bestimmten Fall vorliegt, so berechnet man die Abkühlzeit t_8/5 zunächst nach beiden Gleichungen. Für die Praxis ist nur der größere der beiden errechneten Abkühlzeitwerte von Bedeutung.

Dreidimensionale Wärmeableitung

Beim Schweißen verhältnismäßig dicker Werkstücke erfolgt die Wärmeableitung dreidimensional. Die über den Lichtbogen eingebrachte Wärme kann in der Werkstückebene und zusätzlich in Richtung der Werkstückdicke abfließen. Diese wirkt sich daher nicht auf die Abkühlzeit aus.

Die Abkühlzeit ist also bei dreidimensionaler Wärmeableitung zur eingebrachten Wärme proportional und nimmt mit der Vorwärmtemperatur zu.

Zweidimensionale Wärmeableitung

Bei zweidimensionaler Wärmeableitung erfolgt der Wärmefluss dagegen ausschließlich in der Werkstückebene. Die Werkstückdicke ist in diesem Fall maßgebend für die zur Wärmeableitung zur Verfügung stehende Querschnittsfläche und hat damit einen ausgeprägten Einfluss auf die Abkühlzeit.

Die Abkühlzeit bei zweidimensionaler Wärmeableitung nimmt also mit dem Quadrat der Streckenenergie und mit der Vorwärmtemperatur zu und ist zum Quadrat der Werkstückdicke umgekehrt proportional.

Übergangsblechdicke

Die Blechdicke beim Übergang von drei- zu zweidimensionaler Wärmeableitung bezeichnet man als Übergangsblechdicke dü. Sie wird durch Gleichsetzen der Formeln zur Berechnung der Abkühlzeit t_8/5 für drei- und zweidimensionale Wärmeableitung berechnet.

Bei der Berechnung von Abkühlzeiten ist zu beachten, dass die den Gleichungen zugrunde liegenden Annahmen häufig nicht genau erfüllt sind. Berechnete Werte der Abkühlzeit können deshalb von den wirklich auftretenden bis zu 20 % abweichen. Mit einem größeren Fehler kann die Berechnung im Übergangsbereich von zwei- zu dreidimensionaler Wärmeableitung behaftet sein. In kritischen Fällen empfiehlt es sich, die Abkühlzeit durch Messung zu kontrollieren.

Verfügbare Computerprogramme

Die Zahl der denkbaren Nahtarten ist so groß, dass eine quantitative Klärung des Einflusses aller auf die Abkühlzeit mit extrem hohem Aufwand verbunden wäre. Deshalb stehen in den Computerprogrammen Tabellen zur Verfügung, die alle Nahtfaktoren für die gebräuchlichsten Nahtarten bei dreidimensionaler Wärmeableitung (F3) und zweidimensionaler Wärmeableitung (F2) zusammenfassen.

Es zeigt sich, dass vor allem bei zweidimensionaler Wärmeableitung die Abkühlzeiten von Kehlnähten sehr viel niedriger sind als die von Auftragraupen. Der Wert des Nahtfaktors ist dabei abhängig vom Verhältnis der Streckenenergie zur Blechdicke.

Vorgehensweise in der Praxis

Qualifikation der Schweißer

Die Schweißer müssen eine Qualifikation nach DIN EN ISO 9606-1 für die Werkstoffgruppe nachweisen. Interne Schulungen und Unterweisungen der Schweißer über Vorwärmen und ggf. Nachwärmen sowie die Einhaltung der geforderten Streckenenergie (Mehrlagentechnik) in Abhängigkeit von den verwendeten Werkstoffen müssen laufend durchgeführt und dokumentiert werden.

Schutzgase für hochfeste Feinkornbaustähle

Grundsätzlich sind alle Schutzgase nach DIN EN ISO 14175 für die MAG-Schweißung geeignet, wobei die Gase der Gruppe M 1 nur in Ausnahmefällen zur Anwendung gelangen. Empfohlen wird ein argonreiches Mischgas mit 18 % CO₂ und 82 % Ar. Der Einfluss der Schutzgase auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften ist zu berücksichtigen. Dies gilt umso mehr, je höher die Festigkeit und je tiefer die Einsatztemperatur ist.

Einflussfaktoren

Um der Gefahr von wasserstoffinduzierten Rissen beim Schutzgasschweißen mit Massivdrahtelektroden Rechnung zu tragen, müssen die oben beschriebenen Einflussfaktoren eingehalten werden. Hier besteht zusätzlich die Gefahr von Einbrandkerben sowie Bindefehlern in den Nahtflanken. Der Nahtaufbau sollte an den Nahtflanken begonnen werden, durch die nachfolgende Raupe kann dann die Wärmeeinflusszone günstig beeinflusst werden.

Zwangspositionen

Beim Schweißen in Zwangspositionen sind geringere Zusatzwerkstoffdurchmesser zu empfehlen. Liegt die Bauteiltemperatur bei der Raumtemperatur, braucht zum Heften nicht vorgewärmt zu werden, wenn die Heftnaht später Bestandteil der Schweißnaht wird. Der Temperatur-Zeit-Verlauf ist für die mechanischen Eigenschaften der Wärmeeinflusszone von großer Bedeutung. Die Empfehlungen der Grundwerkstoffhersteller auch hinsichtlich der Streckenenergie sind unbedingt zu berücksichtigen.

Hochfeste Feinkornbaustähle lassen sich infolge der eingestellten chemischen Zusammensetzung nach allen gebräuchlichen Verfahren sowohl automatisch als auch von Hand schweißen.

Wichtige Hinweise für hochfeste Feinkornbaustähle

Zu beachten:

• Die Strichraupen im gesamten Decklagenbereich müssen weich, also kerbfrei, ineinander und zum Grundwerkstoff hin flach auslaufen.
• Die Kehlnähte müssen eine konvexe Nahtform haben und absolut kerbfrei sein.
• Die Oberflächen von Schweißnähten dürfen beim Verputzen nicht angeschliffen werden. Die Schuppung muss sichtbar bleiben.
• Beim Verputzen dürfen keine Kerben in den Grundwerkstoff geschliffen werden.
• Das Abtrennen von An- und Auslaufblechen darf nicht durch Abschlagen erfolgen, sondern durch Abschleifen mit einer Trennscheibe.
• Die Stirnseiten der Schweißnähte sind bündig zu überschleifen, wobei die Schleifriefen in Spannungsrichtung verlaufen müssen (auf keinen Fall quer dazu).
• Beim Anschweißen von Rippen, Versteifungen etc. ist darauf zu achten, dass Endkrater nicht im Bereich der Ecken bzw. der stirnseitigen Umschweißung liegen, sondern ca. 20 mm innerhalb der Schweißnaht. Der Endkrater muss gefüllt und rissfrei sein.
• Heftstellen zum Anbringen von behelfsmäßigen Hilfsblechen oder Verstrebungen (Montagehilfen) sind nicht zugelassen. Hier sind ausschließlich schraubbare Vorrichtungen zu verwenden.
• Fallnähte dürfen grundsätzlich nicht durchgeführt werden.

Autor: Reinhard Örtl

Den kompletten Beitrag finden Sie im Produkt „Die Schweißaufsicht im Betrieb“.