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1.11.2014 : 4:37 : +0100

Erklärungen zur Mindestvorwärmtemperatur

Eines der größten Probleme bei der schweißtechnischen Verarbeitung von hochfesten Feinkornstählen stellt der Kaltriß dar. Im allgemeinen ist die Kaltrißneigung von mikrolegierten Feinkornstählen gering [1].

Sind jedoch höhere Kohlenstoffgehalte vorhanden, kann es zu wasserstoffbegünstigten Kaltrissen in der Wärmeeinflußzone kommen. Dabei ist das Kaltrißverhalten von Schweißverbindungen hauptsächlich von den in nebenstehender Tabelle angegebenen Einflußgrößen abhängig [2].

Einflußgrößen für das Kaltrißverhalten von Stählen

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

Der Einfluß der chemischen Zusammensetzung wird durch das Kohlenstoffäquivalent CET berücksichtig. Dabei ist zu beachten, daß nur dann das Kohlenstoffäquivalent des Grundwerkstoffes herangezogen wird, wenn das Kohlenstoffäquivalent des Schweißgutes um mindestens 0,03 % niedriger ist als das des Grundwerkstoffes. Andernfalls ist das um einen Sicherheitszuschlag von 0,03 % erhöhte Kohlenstoffäquivalent des Schweißgutes zu berücksichtigen.

Der Wasserstoff im Schweißgut und in der Wärmeeinflußzone stammt im wesentlichen aus wasserstoffhaltigen Bestandteilen der Schweißzusätze und Schweißhilfsstoffe. Außerdem kann Wasserstoff durch an den Werkstücken vorhandene Feuchtigkeit, z.B. Schwitzwasser, in das Schweißgut gelangen.

Eine sehr wirkungsvolle Maßnahme zur Vermeidung von Kaltrissen ist somit das Vorwärmen, mit dem die Abkühlung des Nahtbereichs während und nach dem Schweißen verzögert wird, um dem Wasserstoff Gelegenheit zur Effusion zu geben [3]. Es sollte daher darauf geachtet werden, daß die empfohlene Mindestvorwärmtemperatur während des gesamten Schweißvorgangs eingehalten wird. Die Temperaturmessung ist dabei im Normalfall auf der dem Schweißer zugewandten Werkstückoberfläche im Abstand von der Schweißfugenlängskante von A = 4 * Werkstückdicke durchzuführen (jedoch nicht mehr als 50 mm) [4]. Dies muß für Werkstückdicken bis zu einer Schweißnahtdicke von 50 mm angewendet werden. Wenn die Dicke 50 mm überschreitet, muß die geforderte Temperatur in einem Mindestabstand von 75 mm im Grundwerkstoff in jeder Richtung zur Nahtvorbereitung vorhanden sein, falls keine anderen Vereinbarungen bestehen. Darüber hinaus soll das Wärmeeinbringen besonders in der Wurzellage hoch genug gewählt werden, um sehr kleine Raupenquerschnitte und extreme Aufhärtungen zu vermeiden. Vor allem bei dickwandigen Werkstücken ist es zweckmäßig, die Verbindung in einer Hitze zu schweißen. Bei unvermeidbaren Unterbrechungen ist verzögert abzukühlen und erneut vorzuwärmen [5]. Bei mehrlagigem Schweißen gewinnt die Zwischenlagentemperatur anstelle der Vorwärmtemperatur an Bedeutung. Auf das Vorwärmen vor dem Schweißen der ersten Raupe kann verzichtet werden, wenn die Folgeraupe in die Wärme der ersten Raupe geschweißt wird, so daß die Zwischenlagentemperatur nicht unter die für kaltrißsicheres Schweißen erforderliche Vorwärmtemperatur abfällt. Es darf nicht vorgewärmt werden, wenn bei vorgegebener Streckenenergie und Blechdicke die für die Schweißverbindung maximal zulässige Abkühlzeit t8/5 überschritten würde. Diese ist insbesondere beim Schweißen von dünnen Blechen und beim Lage- und Gegenlageschweißen zu beachten [6].

Der Gehalt an diffusiblem Wasserstoff, umgerechnet auf Normalbedingungen von 0 °C und 1,013 bar, wird in cm3/100 g aufgetragenes Metall (HD) oder in cm3/100 g Schweißgut (HF) angegeben. Genaue Bestimmungen zur Ermittlung des diffusiblen Wasserstoffgehalts im Schweißgut können der DIN 8572, Teil 1 und Teil 2 entnommen werden [7].

Kennzeichnende Wasserstoffgehalte des Schweißgutes, ermittelt nach DIN 8572, sind für einige Schweißverfahren beispielhaft in nachstehehder Tabelle angegeben [8].

Kennzeichnende Wassertoffgehalte und deren Bewertung (DIN 8572)
Schweißverfahren Wasserstoffgehalt HD Bewertung
Lichtbogenhandschweißen mit
 
  • Stabelektrode B
> 5 bis <= 10

<= 5

niedrig

sehr niedrig

 
  • Stabelektrode R
rd. 25 hoch
Stabelektrode C rd. 40 niedrig sehr hoch
Schutzgasschweißen <= 5 sehr niedrig
Unterpulverschweißen > 5 bis <= 10

<= 5

niedrig

sehr niedrig

Die Eigenspannungen einer Schweißkonstruktion sind vom Werkstoff, den Schweißbedingungen und der konstruktiven Gestaltung abhängig. Die Gefahr, daß Risse in der Schweißverbindung infolge von Eigenspannungen auftreten, ist bei erst teilweise gefülltem Nahtquerschnitt besonders groß. Das Eigenspannungsniveau kann durch Wahl eines Schweißgutes nicht zu hoher Festigkeit sowie durch Nahtform und Schweißfolge günstig beeinflußt werden.

Die Wärmeeinbringung während des Schweißens kann als ein weiterer Haupteinfluß auf die Eigenschaften der Schweißungen angesehen werden. Sie beeinflußt den Temperatur-Zeit-Zyklus, der sich während des Schweißens abspielt. Falls erforderlich, kann der Wert für die Wärmeeinbringung Q wie folgt berechnet werden [9].  

Q = k (U * I) / v [kJ/mm] 

Für den thermischen Wirkungsgrad von Schweißprozessen (k) gelten soweit nicht anders vorgegeben Werte entsprechend nachstehender Tabelle.

Thermischer Wirkungsgrad von Schweißprozessen
Prozeß Faktor k
Unterpulverschweißen mit Drahtelektrode 1,0
Lichtbogenhandschweißen 0,8
MIG-Schweißen 0,8
MAG-Schweißen 0,8
Metall-Lichtbogenschweißen mit Fülldrahtelektrode 0,8
Metall-Aktivgasschweißen mit Fülldrahtelektrode 0,8
Metall-Inertgasschweißen mit Fülldrahtelektrode 0,8
Metall-Aktivgasschweißen mit metallgefüllter Drahtelektrode 0,8
Metall-Inertgasschweißen mit metallgefüllter Drahtelektrode 0,8
WIG-Schweißen 0,6
Plasmaschweißen 0,6

Insgesamt bewirkt das Vorwärmen einen veränderten Wärmetransport durch Wärmeleitung und führt somit

  • zur Verlängerung der Abkühlzeit und dadurch zu einer veränderten Gefügeausbildung und zu günstigeren Diffusions- und Effusionsbedingungen für den Wasserstoff sowie
  • zur Veränderung des Eigenspannungszustandes in der Schweißverbindung bzw. im Bauteil.

Der Zusammenhang zwischen den verschiedenen Einflußgrößen und der Mindestvorwärmtemperatur beschreibt nebenstehende Formel [10]. Dabei ist das Kohlenstoffäquivalent CET in %, die Blechdicke d in mm, der Wasserstoffgehalt HD des Schweißgutes in cm3/100 g und die Wärmeeinbringung in kJ/mm anzugeben. Es ist zu beachten, daß bei unterschiedlichen Kohlenstoffäquivalenten von Grundwerkstoff und reinem Schweißgut der ermittelte höhere Wert zu berücksichtigen ist.

Formel

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

Die genannte Formel gilt für Stähle mit Streckgrenzen bis 1000 N/mm2, mit einem Kohlenstoffäquivalent CET von 0,2 bis 0,5%, einer Blechdicke d von 10 bis 90 mm, einem Wasserstoffgehalt von HD 1 bis HD 10 und einem Wärmeeinbringen Q von 0,5 bis 4,0 Kj/mm. Weitere Randbedingungen sind [2], [3]:

Die Zwischenlagentemperatur unterschreitet nicht die Mindestvorwärmtemperatur und übersteigt 300 °C nicht.

  • Einlagige Kehlnähte, Heft- und Wurzelraupen haben eine Mindestlänge von 50 mm. Wenn die Blechdicke 25 mm übersteigt, werden Heft- und Wurzellagen zweilagig unter Verwendung eines weniger festen Schweißgutes geschweißt.
  • Bei Füllagenschweißungen, das gilt auch für mehrlagige Kehlnähte, erfolgt kein Zwischenabkühlen, solange die Nahtdicke geringer ist als ein Drittel der Blechdicke. Anderenfalls ist eine Wasserstoffarmglühung durchzuführen.
  • Die Schweißfolge ist so zu wählen, daß eine zu starke plastische Verformung der erst teilweise gefüllten Naht vermieden wird.

Schrifttum:
[1] Dilthey, U.:
Schweißtechnische Fertigungsverfahren Band 2, Verhalten der Werkstoffe beim Schweißen, 2. Auflage, 1995, VDI Verlag, Düsseldorf
[2] Uwer, D. und Wegmann, H.:
Anwendung des Kohlenstoffäquivalents CET zur Berechnung von Mindestvorwärmtemperaturen für das kaltrißsichere Schweißen von Baustählen, DVS-Jahrbuch Schweißtechnik 96, Deutscher Verband für Schweißtechnik, S. 46 - 55
[3] Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 088:
Schweißgeeignete Feinkornbaustähle, Richtlinien für die Verarbeitung, besonders für das Schmelzschweißen, 4. Ausgabe, April 1993, Verlag Stahleisen, Düsseldorf
[4] DIN EN ISO 13916:
Anleitung zur Messung der Vorwärm-, Zwischenlagen- und Haltetemperatur
Deutsches Institut für Normung, November 1996
[5] Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 063:
Empfehlungen für das Umformen und Schweißen von Stahlrohren für den Bau von Fernleitungen, 1. Ausgabe, April 1987, Verlag Stahleisen, Düsseldorf
[6] Merkblatt DVS 0918:
Unterpulverschweißen von Feinkornbaustählen, Okt. 1988, DVS-Verlag GmbH, Düsseldorf
[7] DIN 8572, Teil 1 + 2:
Bestimmung des diffusiblen Wasserstoffs im Schweißgut, Teil 1: Lichtbogenhandschweißen, Teil 2: Unterpulverschweißen Deutsches Institut für Normung, März 1981
[8] Beiblatt zum Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 063:
Empfehlungen für das Umformen und Schweißen von Stahlrohren für den Bau von Fernleitungen; Kaltrißsicherheit, 1. Ausgabe, April 1987, Verlag Stahleisen, Düsseldorf
[9] DIN EN 1011-1: Empfehlung zum Schweißen metallischer Werkstoffe, Teil 1: Allgemeine Anleitungen für Lichtbogenschweißen, Apr. 1198, Beuth Verlag GmbH, Berlin
[10] Uwer, D. und Höhne, H.:
Ermittlung angemessener Mindestvorwärmtemperaturen für das kaltrißsichere Schweißen von Stählen. Schweißen und Schneiden 43 (1991), Heft 5, S. 282 - 286