Schweißen hochfester Stähle

Hochfeste Stähle

Die Feinkornbaustähle werden nach ihrem Behandlungszustand in drei Gruppen eingeteilt:

• normalgeglühte Feinkornbaustähle
• thermomechanisch behandelte Feinkornbaustähle
• vergütete Feinkornbaustähle

Zur Erhaltung ihrer ausgezeichneten Werkstoffeigenschaften sind beim Schweißen und teilweise auch beim Trennen Regeln bezüglich der Wärmeführung einzuhalten. Eine zu hohe Wärmemenge oder Streckenenergie* kann zu Grobkornbildung und zur Sprödbruchgefahr führen. Bei zu geringer Streckenenergie besteht die Gefahr von Aufhärtungen und Kaltrissen. Weiterhin ist die recht hohe Empfindlichkeit von Feinkornbaustählen gegenüber Wasserstoff zu erwähnen, was ebenfalls die Rissbildung fördert. Im Folgenden wird auf die Besonderheiten der Autogen- und Schutzgase beim Verarbeiten von Feinkornbaustählen eingegangen.


* Die Streckenenergie ist die in das Werkstück eingebrachte Wärmemenge, bezogen auf die Nahtlänge, ausgedrückt durch W/v_s • l [J/cm²], mit:
W = Leistung
v_s = Schweißgeschwindigkeit
l = Nahtlänge

Thermische Schneidverfahren

Für das thermische Trennen von Blechen aus Feinkornbaustählen kommen folgende Verfahren in Betracht:

• Autogenes Brennschneiden
• Plasmaschneiden
• Laserstrahlschneiden

Nach wie vor ist das autogene Brennschneiden das am weitesten verbreitete Verfahren. Hierbei wird der Werkstoff durch die Brenngas-Sauerstoff-Flamme auf Zündtemperatur (ca. 1.100 °C bei un- und niedriglegierten Stählen) erhitzt. Der Werkstoff verbrennt im Schneidsauerstoffstrom, der unter hohem Druck durch eine zentrale Bohrung im Autogenbrenner zugeführt wird. Dabei verläuft die Verbrennung in der Autogenflamme normalerweise in zwei Stufen: In der Primärflamme (1. Stufe) wird der zur Verbrennung erforderliche Sauerstoff dem Brenngas vor dem Austritt aus dem Brennermundstück zugeführt. In der Sekundärflamme (2. Stufe) stammt der erforderliche Sauerstoff aus der Umgebungsluft. Als Brenngase kommen Hochleistungsbrenngase in Frage, die aufgrund ihrer positiven Bildungswärme** über eine erheblich energiereichere Primärflamme verfügen als Propan. Propan kommt zum Brennschneiden seltener und erst ab recht großen Blechdicken zum Einsatz. Propan wird druckverflüssigt sowohl in Stahlflaschen als auch in Tanks gelagert. Die Versorgung mit Erdgas ist für das Brennschneiden im Allgemeinen nur über Gasleitungen wirtschaftlich. Das Plasmaverfahren, das sogenannte Schmelzschneiden, führt dem Werkstoff soviel Energie zu, dass er in den flüssigen Zustand übergeht. Anschließend bläst ein entsprechend energiereicher Gasstrom den Werkstoff aus der Schnittfuge. Für Feinkornbaustähle kommen als Plasmagase reines Argon oder reiner Sauerstoff zum Einsatz. Beim Sauerstoff-Plasmaschneiden wird der Sauerstoff in die exotherme Reaktion vollständig eingebunden, hierdurch wird die Stickstoffdiffusion weitgehend begrenzt. Die Schmelzzone bleibt so frei von Poren und Mikrorissen.

Teilweise wird auch Druckluft als Plasmagas eingesetzt. Dies ist für Feinkornbaustähle aufgrund der Aufnitrierung der Schnittkanten und der damit verbundenen Poren- und Rissgefahr aber nicht zu empfehlen.

Heute tritt das Laserstrahlschneiden immer mehr in den Vordergrund. So werden mit dem CO 2 -Laser üblicherweise Blechdicken bis etwa 20 mm geschnitten. Für eine hohe Schnittgüte ist eine exakte Abstimmung der Schneidparameter wie z. B. Laserleistung, Schneidgeschwindigkeit und Sauerstoffdruck erforderlich. Das Plasma- und das Laserstrahlschneiden kommen vor allem bei dünneren Blechen zunehmend zum Einsatz. Ihre Vorteile - verglichen mit dem autogenen Brennschneiden - liegen in höherer Schneidgeschwindigkeit und besserer Kantenausbildung bei schmalerer Wärmeeinflusszone an der Schnittkante und geringerem Verzug des Bauteils.
Beim thermischen Trennen kommt es an den Schnittkanten kurzzeitig zu sehr hohen Temperaturen und durch die nachfolgende schnelle Abkühlung zu Werkstoffveränderungen in Form von Aufhärtungen und Rissen im Schneidbereich. Zur Vermeidung von Rissen beim autogenen Brennschneiden ist es, abhängig vom Kohlenstoff-Äquivalent, besser, oberhalb einer Blechdicke von etwa 50 mm die Schnittzonen in einer Breite von mindestens 100 mm auf ca. 80 bis 150 °C vorzuwärmen. Werden Schnittkanten im weiteren Verlauf der Fertigung kalt umgeformt, sollte man auch unterhalb von 30 mm Blechdicke vorwärmen.

**Als positive Bildungswärme bezeichnet man die freigesetzte Energie bei der Bildung einer chemischen Verbindung

Wärmebehandlung

Zur Vermeidung von Kaltrissen ist das Vorwärmen ein wirksames Mittel. Es verzögert das Abkühlen des Nahtbereichs beim Schweißen und begünstigt damit die Effusion (d.h. das Herausströmen) des Wasserstoffs. Zur Ermittlung der Vorwärmtemperaturen wird häufig das CET-Konzept (CET = Carbon Equivalent = Bestimmung des Kohlenstoff-Äquivalents) des Stahl-Eisen-Werkstoffblatts SEW 088 herangezogen. Dabei hängt die Notwendigkeit des Wärmens von der Blechdicke, der Streckgrenze des Grundwerkstoffs, vom Wasserstoffgehalt im Werkstoff und von den Eigenspannungen in der Konstruktion ab. Feinkornbaustähle der Güte S460 sollten beispielsweise ab einer Werkstückdicke von 12 mm und mit einer Streckgrenze von mehr als 690 N/mm2 für alle Blechdicken vorgewärmt werden. Die Vorwärmtemperatur liegt dabei, abhängig von der Blechdicke und dem CET-Wert, zwischen 50 und 250 °C. Auch beim Heften wird in vielen Fällen ein Vorwärmen empfohlen; dabei sollte die Temperatur ca. 30 bis 50 Grad höher sein als die Vorwärmtemperatur beim Schweißvorgang. Zu empfehlen ist eine möglichst neutrale Einstellung der Autogenflamme. Dabei sollte lediglich die Sekundärflamme genutzt werden, um Anschmelzungen an den Bauteilen zu verhindern. Eine Autogenflamme mit Brenngasüberschuss birgt die Gefahr, dass Wasserstoff in die Werkstückoberfläche gelangt. Daher ist als Brenngas beim Vorwärmen Acetylen zu empfehlen, da dieses Gas von allen relevanten Brenngasen den niedrigsten Wasserstoffgehalt aufweist (Tab. 1).

Beim Vorwärmen ist außerdem darauf zu achten, dass an den kalten Stellen der Konstruktion kein Wasserdampf kondensiert. Insbesondere bei Kastenkonstruktionen ist eine entsprechende Belüftung zu berücksichtigen. In wenigen Fällen müssen Konstruktionen aus Feinkornbaustählen nach dem Schweißen wasserstoffarm geglüht werden. In der Praxis nutzt man hierbei sinnvollerweise die schon beim Schweißen eingebrachte Wärme. Als Anhaltswert ist hier 1 Stunde Wärmdauer pro 25 mm Werkstückdicke bei ca. 250 °C üblich. Unvermeidbare Verformungen durch das Schweißen müssen häufig anschließend mit der Autogenflamme gerichtet werden. Beim Flammrichten wird die Schweißkonstruktion durch die Autogenflamme zunächst punktuell so erwärmt, dass es zu einer entsprechenden Ausdehnung kommt. Dabei ist auf eine wohldosierte Wärmemenge in Form von Wärmestrichen und -punkten zu achten, um den Werkstoff nicht zu überhitzen. Die Maximaltemperaturen liegen unter ca. 700 °C. Die anschließende gewünschte Verformung kann durch eine entsprechende Behinderung der Schrumpfung z. B. durch Festspannen erfolgen. Aus den bekannten Gründen (Wasserstoffempfindlichkeit und hohe Flammenenergie) ist hier ebenfalls als Brenngas Acetylen zu empfehlen.

MAG- und WIG-Schweißen

Zur Erhaltung der Werkstoffeigenschaften von Feinkornbaustählen ist eine entsprechende Wärmeführung beim Schweißen unbedingt einzuhalten. Die Kaltrissempfindlichkeit eines Stahls lässt sich anhand seiner chemischen Zusammensetzung abschätzen. Dazu eignet sich in besonderem Maße das aus umfangreichen Kaltrissuntersuchungen abgeleitete Kohlenstoffäquivalent CET (s. o.). Das Kaltrissverhalten wird neben der chemischen Zusammensetzung von Grundwerkstoff und Schweißgut durch die Blechdicke, den Wasserstoffgehalt des Schweißguts, die Schweißwärme und den Eigenspannungszustand im Nahtbereich bestimmt. Ein zu schnelles Abkühlen der Schweißnaht wirkt sich durch so erzeugte sehr hohe Härtewerte ungünstig auf das Verformungsverhalten der Verbindung aus. Eine Ausnahme sind hier thermomechanisch behandelte Stähle, für die das nur in geringem Maße gilt. Eine zu langsame Abkühlung hat dagegen zur Folge, dass die Festigkeitseigenschaften des Schweißguts und der Wärmeeinflusszone aufgrund von Grobkornbildung nicht mehr denen des Grundwerkstoffs entsprechen.
Als Kenngröße wird hierzu die Abkühlzeit t_8/5 gewählt. Das ist die Zeit, während der die Temperatur von 800 auf 500 °C sinkt. Die optimale t_8/5-Zeit für Feinkornbaustähle liegt im Allgemeinen zwischen 5 und 20 Sekunden. Je nach Werkstoff und eingesetzten Schweißverfahren können diese Grenzen aber auch variieren. Besonders empfindlich sind diesbezüglich die hochfesten vergüteten Feinkornbaustähle. Aus diesen Abkühlzeiten lassen sich die geeigneten Streckenenergien berechnen bzw. die entsprechenden Schweißparameter aus Tabellen und Diagrammen ablesen. So sind beispielsweise Zwischenlagentemperaturen zwischen 220 und 250 °C empfehlenswert.
Zur Einhaltung von maximalen Streckenenergien ist insbesondere bei größeren Blechdicken das Mehrlagenschweißen bzw. die Strichraupentechnik sinnvoll. Zur Rissvermeidung werden Heftschweißungen und Wurzellagen zum Teil nicht artgleich, sondern mit konventionellen niedriglegierten Zusatzwerkstoffen geschweißt.
Feinkornbaustähle lassen sich grundsätzlich mit allen gängigen Schweißprozessen verbinden. Dabei wird in den meisten Fällen, auch wegen des geringen spezifischen Wasserstoff-Gehalts des Zusatzwerkstoffs, mit dem MAG-Prozess gearbeitet; seltener finden das WIG-Schweißen und das Lichtbogen-Handschweißen Anwendung. Bei dünnen Blechen wird in der Massenproduktion zum Teil auch bereits das Laserstrahlschweißen eingesetzt. Vorteile sind hierbei eine sehr hohe Schweißgeschwindigkeit und eine günstige Ausbildung der Wärmeeinflusszone.

MAG-Schweißen

Die Schweißschutzgase beim MAG-Schweißen sind vorwiegend argonreiche Mischgase mit den Aktivgas-Komponenten Kohlendioxid und Sauerstoff. Aufgrund der langen mehrlagigen Nähte wird hier zum Teil im Hochleistungsbereich mit Drahtvorschubgeschwindigkeiten oberhalb von 15 m/min bei 1,2 mm Drahtdurchmesser gearbeitet. Zur Einhaltung der Streckenenergie ist natürlich auf eine ausreichende Schweißgeschwindigkeit zu achten. Schutzgase mit hohem Aktivgasgehalt weisen eine gute Einbrand- und Porensicherheit auf. Schweißungen mit niederaktiven Gasen, beispielsweise mit 4 % Sauerstoff oder 8 % CO2, zeichnen sich durch eine deutlich geringere Spritzertätigkeit, weniger Schlacke auf der Nahtoberfläche oder auch weniger Abbrand von Legierungselementen aus.

Die folgende Tabelle fasst die Vor- und Nachteile der verschiedenen Aktivgaskomponenten zusammen:

Eigenschaften der MAG-Schutzgase bei un- und niedriglegierten Stählen

Bei der Fertigung von schweren Landmaschinen beispielsweise kommt häufig CARGAL 3 zum Einsatz. Vorteile für den Anwender sind hier die sehr geringe Spritzerbildung sowie eine wirtschaftliche Fertiggemisch-Versorgung im Tank. Bei der Fertigung von Betonpumpen werden Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen bis 960 N/mm2 eingesetzt. Hierbei sind Auslegerreichweiten von bis zu 57 Metern heute keine Seltenheit mehr. Die Aktivgasanteile verbessern zum einen die Wärmeleitfähigkeit des Schutzgases. Zum anderen wird durch Kohlendioxid und Sauerstoff die Oberflächenspannung des Schmelzbades reduziert, was erst ausreichende Einbrände im Grundwerkstoff und einen kerbfreien Übergang zwischen Schweißnaht und Grundwerkstoff sichert. Um sowohl die Vorteile der CO2- als auch der Sauerstoff-Komponente im MAG-Schutzgas zu nutzen, bieten sich 3-Stoff-Gemische an. Die Verbreitung von Fülldrähten für das MAG-Schweißen ist in Deutschland deutlich geringer als beispielsweise in den USA oder Japan. Dennoch können Fülldrähte in Bezug auf Nahtqualität und Fertigungssicherheit eine Reihe von Vorteilen gegenüber Massivdrähten bieten.

WIG-Schweißen

Zur sicheren Verschweißung von Wurzellagen an Rohrrundnähten wird auch an Feinkornbaustählen das WIG-Schweißen eingesetzt. Hier ist als Standardgas ARCAL 1 als inertes Gas zu nennen; Aktivgasanteile würden zu einer frühzeitigen Oxidation der Wolframnadel führen. Sollte zur Steigerung der Einbrandsicherheit oder der Schweißgeschwindigkeit eine höhere Wärmemenge im Prozess notwendig sein, können beispielsweise Argon-Helium-Gemische eingesetzt werden. Argon-Wasserstoff-Gemische, wie sie für hochlegierte CrNi-Stähle prädestiniert sind, sollten wegen der angesprochenen Wasserstoffproblematik der Feinkornbaustähle nicht zum Einsatz kommen.

Frühere Untersuchungen zeigten, dass es hierbei zu einer wasserstoffinduzierten Rissbildung bei Feinkornbaustählen kommen kann:

Einfluss des Wasserstoffs auf die Zähigkeit verschiedener Stahlwerkstoffe

Laserschweißen

Besonders bei dünnen Blechen findet neben den konventionellen Verfahren das Laserstrahlschweißen zunehmend auch bei Feinkornbaustählen Anwendung. Vorteile liegen in der Flexibilität des Verfahrens hinsichtlich Geometrie und Konturgenauigkeit, der hohen Schweißgeschwindigkeit und der schmalen Wärmeeinflußzone. Standardschutzgas beim CO2-Laserschweißen ist reines Helium, aber auch Mischgase mit Argon und Aktivgasanteilen werden, auf die einzelne Schweißaufgabe abgestimmt, erfolgreich eingesetzt.

Praxistipps

Neben Einbrandproblemen ist einer der häufigsten Schweißfehler das Auftreten von Poren. Die Ursache hierfür kann beispielsweise im Überschweißen von Rost und Zunderschichten bzw. von Primern liegen. In solchen Fällen ist das Entfernen dieser Oberflächenverschmutzungen und -schichten zu empfehlen. Ein anderer Grund für das Auftreten von Poren kann eine nicht richtig eingestellte Schutzgasmenge sein. Eine zu geringe Schutzgasmenge kann schon bei leichter Zugluft den Zutritt der stickstoffhaltigen Umgebungsluft ermöglichen und so zu Poren führen. Aber auch eine zu große Schutzgasmenge kann Ursache von Poren sein; dabei wird durch die sogenannte Injektorwirkung Umgebungsluft mit in den Schutzgasstrom hineingezogen. Insbesondere bei der Verwendung von Druckminderern, die nicht mit einem Schwebekörper-Messinstrument ausgestattet sind, ist eine regelmäßige Kontrolle der Schutzgasmenge an der Brennerspitze sinnvoll.

Beim Schutzgasschweißen wasserstoffempfindlicher Feinkornbaustähle ist dem Gasversorgungssystem besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Nach einem längeren Stillstand sind vor dem Schweißen Gaszufuhrschläuche und Schlauchpakete ausreichend lange mit Schutzgas zu spülen, um Luft und eventuell entstandenes Kondenswasser zu entfernen. Wassergekühlte Brenner für den oberen und mittleren Leistungsbereich sollten regelmäßig auf Lecks im Kühlwasserkreis geprüft werden. Bei der Verwendung von Gasschläuchen ist unbedingt darauf zu achten, dass sie für diesen Verwendungszweck geeignet sind. Ungeeignete Schläuche weisen eine zum Teil sehr große Affinität gegenüber Feuchtigkeit auf. Diese lässt sich auch durch sehr lange Spülzeiten nicht mehr entfernen und ist als Risikofaktor beim Schweißen von Feinkornbaustählen anzusehen.

Zusammenfassung

Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Feinkornbaustählen bringen oft komplexe Praxisaufgaben mit sich, deren Lösung entsprechende Verarbeitungserfahrungen voraussetzt.

Für eine hohe Wirtschaftlichkeit müssen alle Komponenten der Schweißfertigung optimal aufeinander abgestimmt sein. Das umfasst sowohl die Schweißmaschine als auch Schweißzusatzwerkstoffe und Schweißschutzgase. Dabei ist die Auswahl der für die jeweilige Aufgabe passenden Schweißschutzgase das A und O.

Die Ausnutzung der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Gase ermöglicht es, Metalle und Legierungen hochqualitativ zu verbinden. Aufgrund der immer weiter steigenden Anforderungen an Qualität und Produktivität erfordert die Auswahl des jeweils optimalen Verfahrens und der passenden Gase spezielles Know-how und langjährige Erfahrung, da eine ganze Reihe von Faktoren zu berücksichtigen ist.