Subject Area

Systems Engineering / Pressure Equipment

Start

Guides

Expert Advice

Training

Virtual Exhibition presents:

Please click on the Logo to open the company presentation in our Yellow Pages.

Virtual Exhibition

Welding

All about welding, arranged by
TÜV SÜD Industrie Service GmbH and our Partner AIR LIQUIDE Deutschland GmbH

Welding bases

Operational requirements

Personnel qualification

Approval of welding procedures

Schweißen hochfester Stähle

Schweißgase (Systematik)

Schweißen hochlegierter Stähle

Schweißzusatzwerkstoffe

Preheating temperature

Arbeitshilfen, Tipps und Tricks

Einleitung hochfester Stähle

Werkstoff

Schneidverfahren

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 Acetylen oder FLAMAL 31 infrage, die aufgrund ihrer positiven Bildungswärme** über eine erheblich energiereichere Primärflamme verfügen als Propan.
Acetylen wird in Druckgasflaschen mit poröser Füllmasse gespeichert. Deshalb basieren die Versorgungssysteme auf Einzelflaschen, Bündeln oder bei sehr großen Verbrauchsmengen auf Trailern. FLAMAL 31 , das ebenso wie Acetylen ein Hochleistungsbrenngas ist, lässt sich dagegen tiefkalt verflüssigt in entsprechend isolierten Tanks speichern. Deshalb kann FLAMAL 31 vor allem bei höheren Verbräuchen ab ca. 500 kg pro Monat eine wirtschaftliche Alternative zu anderen Brenngasen sein. 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

Inhalte von AIR LIQUIDE Deutschland GmbH

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 = 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).

Acetylen	C₂H₂
Ethen	C₂H₄
Methan	CH₄
Propan	C₃H₈

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.

Inhalte von AIR LIQUIDE Deutschland GmbH

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.

Inhalte von AIR LIQUIDE Deutschland GmbH

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:

Einfluss	CO₂	Ar+CO₂	Ar+O₂
Einbrand, PA, PB	gut	gut	gut
Einbrand PG, PC	sehr sicher	sicher	evtl. kritisch
Schweißleistung	niedrig	hoch	sehr hoch
Spaltüberbrückbarkeit	schlecht	gut	sehr gut
Spritzer	viel	mittel	sehr wenig
Poren	sehr sicher	sicher	evtl. empfindlich
Oxidation, Schlacke	hoch	mittel (abhängig vom Aktivgasanteil)	gering (abhängig vom Aktivgasanteil)
thermische Belastung (Schweißbrenner)	gering	mittel	hoch (speziell im Sprühlichtbogen)

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.

Inhalte von AIR LIQUIDE Deutschland GmbH

WIG-Schweißen

Laserschweißen

Praxistipps

Beratung / Tools

Welding

Hochfeste Stähle

Allgemeines zum Werkstoff

Thermische Schneidverfahren

Wärmebehandlung

MAG- und WIG-Schweißen

MAG-Schweißen

WIG-Schweißen

Laserschweißen

Praxistipps

Zusammenfassung / Beratung

Weiterführende Tools / Literatur bei netinform