3.4 MAG-Schweiverfahren

MAG-Schweien hochfester Feinkornbausthle

Geeignete Fgetechnologien

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

Wasservergtete hochfeste Feinkornbausthle mit Streckgrenzen im Bereich von 690 bis 960 MPa werden seit Jahren erfolgreich z.B.

im Druckbehlter-,

Mobilkran-,

Betonpumpen- und

Nutzfahrzeugbau sowie fr

Bergbaugerte

eingesetzt.

Der Stahl S 1100 QL erreicht mit einer Mindeststreckgrenze von 1.100 MPa derzeit die maximale Festigkeit fr vergtete Feinkornbausthle. Verwendung findet dieser Stahl heute dort, wo es auf eine Reduzierung des Bauteilgewichts ankommt. So werden u.a. geschweite schwingend belastete Teleskopausleger fr Mobilkrane aus S 1100 QL gefertigt. Die Lngsschweinhte sind dabei in Bereichen geringer Beanspruchung angeordnet.

Senkung der Herstell- und Betriebskosten

Die Verwendung von hochfesten Feinkornbausthlen ermglicht eine Verringerung der Blechdicke und damit des einzubringenden Schweizusatzwerkstoffs. Dies hat eine Reduzierung des Konstruktionseigengewichts zur Folge, was sich besonders gnstig 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 geschweiten Konstruktionen die Schweiverbindung die Tragfhigkeit des Grundwerkstoffs erreicht.

Schweiverfahren

Die Feinkornbausthle der Reihe S 690 QL,S 960 QL und S 1100 QL lassen sich nach allen bekannten Schweiverfahren sowohl von Hand als auch mit dem Automaten gut schweien. Die Gte der Schweiverbindung hngt jedoch vom Schweiverfahren, den Schweibedingungen und der Wahl der richtigen Schweizusatzwerkstoffe ab.

Als Schweizusatzwerkstoffe sind die dieser Festigkeitsgruppe entsprechenden zugelassenen Schweidrhte 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.

3.4.1 Vorwrmen

Vermeidung von Kaltrissen

Die Schweieignung hochfester Sthle, d.h., wie wirtschaftlich sie geschweit werden knnen, wird neben dem Erreichen anforderungsgerechter mechanischer Eigenschaften im Schweinahtbereich wesentlich durch die Kaltrisssicherheit bestimmt. Unter Kaltrissen versteht man Risse, die in Schweiverbindungen ferritischer Sthle unter Einwirkung von Wasserstoff und Spannungen bei Temperaturen unter 300 C auftreten. Zur Vermeidung von Kaltrissen hat sich das Vorwrmen des Schweinahtbereichs bewhrt.

Abb. 16: Schweier beim Vorwrmen

Bedeutung der Vorwrmtemperatur

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

Tp[C] = 700 CET + 160 tanh (d / 35) + 62 HD0,35 + (53 CET 32) Q 330

In dieser Gleichung bedeuten

CET das Kohlenstoffquivalent in %,

d die Blechdicke in mm,

HD den Wasserstoffgehalt in cm3/100 g deponiertes Schweigut und

Q das Wrmeeinbringen in kJ/mm.

Bei Schweiverbindungen mit gnstigerem Eigenspannungsniveau sind niedrigere Vorwrmtemperaturen vertretbar. Im Falle von Schweiverbindungen mit extrem hohen Verspannungsgrad (z.B. bei Nhten an Stutzen oder Rohrknoten) knnen jedoch hhere Vorwrmtemperaturen erforderlich sein.

Wrmeableitung am Bauteil

Beim Auftreten von Kaltrissen stellt man immer wieder fest, dass zwar die richtige Vorwrmtemperatur gewhlt, jedoch die tatschliche Wrmeableitung am Bauteil nicht richtig eingeschtzt wurde. Zum einen muss die Vorwrmtemperatur in ausreichendem Abstand von der Schweinaht gemessen werden, zum anderen muss natrlich an Stellen, wo mehrere Schweinhte zusammentreffen und damit neben der hheren Wrmeableitung noch dreidimensionale Spannungszustnde auftreten knnen, welche die Kaltrissbildung zustzlich begnstigen, auch sorgfltiger vorgewrmt werden.

Vorwrmtemperatur in Abhngigkeit vom CET

Das Vorwrmen verzgert die Abkhlung und begnstigt so die Wasserstoffeffusion. ber die Wahl der Vorwrmtemperatur gibt das SEW 088 Auskunft. Es wird darin empfohlen, auf jeden Fall vorzuwrmen, wenn die Werkstcktemperatur +5 C unterschreitet. Bei Temperaturen ber +5 C ist die Empfehlung zur Vorwrmung wanddickenabhngig, wie nachstehend gezeigt wird.

Tab. 1: TV nach SEW 088 (abhngig vom Kohlenstoffquivalent CET)

CETGrenzdicke

0,1860

0,2250

0,2640

0,3130

0,3420

0,3812

0,408

Effusion von Wasserstoff

Dabei ist zu beachten, dass sich die zulssige Blechdicke nur dann nach dem Kohlenstoffquivalent des Grundwerkstoffs richtet, wenn das Kohlenstoffquivalent des Schweiguts um mindestens 0,03 % niedriger ist als das des Grundwerkstoffs. Andernfalls wird das um einen Sicherheitszuschlag von 0,03 % erhhte Kohlenstoffquivalent des Schweiguts zur Feststellung der zulssigen Blechdicke herangezogen.

Vorwrmen verzgert die Abkhlung des Schweinahtbereichs. Somit wird die Effusion von Wasserstoff ermglicht und darber hinaus der Eigenspannungslevel reduziert.

Abb. 17: Mindestvorwrm- und Zwischenlagentemperatur beim Schutzgasschweien

Bei Werkstofftemperaturen unterhalb von +5 C sollten die Sthle grundstzlich mindestens auf Raumtemperatur vorgewrmt werden.

Vermeidung hoher Hrten

Es muss bercksichtigt werden, dass hohe Abkhlungsgeschwindigkeiten (unter 5 s) durch geringes Wrmeeinbringen beim Schweien zu hohen Hrten im Bereich der Wrmeeinflusszone fhren knnen und somit erhhte Kaltrissgefahr besteht. Bei der Einstellung zu niedriger Abkhlungsgeschwindigkeiten durch zu hohes Wrmeeinbringen werden zum einen die Zhigkeitseigenschaften verschlechtert und zum anderen wird die wrmebeeinflusste Zone verbreitert.

Beim Schweien von Feinkornsthlen sind unbedingt an jedem Arbeitsplatz Mglichkeiten fr das Vorwrmen zu schaffen. Die Kontrolle der Vorwrm- und Zwischenlagentemperatur kann mit Temperaturmessstiften, Magnethaftthermometer, digitalen Temperaturmessgerten oder einem Pyrometer erfolgen.

3.4.2 Kohlenstoffquivalent CET

Kaltrissverhalten von Schweiverbindungen

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

Formel:

Abb. 18: Mindestvorwrmtemperatur (Quelle: ThyssenKrupp Stahl AG)

Das Kaltrissverhalten von Schweiverbindungen wird auer von der chemischen Zusammensetzung des Grundwerkstoffs und des Schweiguts CET auch von der

Blechdicke d,

dem Wasserstoffgehalt des Schweiguts HD und

dem Wrmeeinbringen Q beim Schweien sowie

dem Eigenspannungszustand der Verbindung

magebend bestimmt.

Kaltrisse in der Wrmeeinflusszone und im Schweigut

Eines der grten Probleme bei der schweitechnischen Verarbeitung von hochfesten Feinkornsthlen stellt der Kaltriss dar. Im Allgemeinen ist die Kaltrissneigung von mikrolegierten Feinkornbausthlen gering. Sind jedoch hhere Kohlenstoffgehalte vorhanden, kann es zu wasserstoffbegnstigten Kaltrissen in der Wrmeeinflusszone und im Schweigut kommen. Da neben dem Kohlenstoff auch noch andere Legierungselemente den Kaltriss begnstigen, werden zur Abschtzung der Rissempfindlichkeit hufig Kohlenstoffquivalente herangezogen. Es existieren zahlreiche Formeln zur Beschreibung des Kohlenstoffquivalents, bei denen die einzelnen Legierungselemente unterschiedlich gewichtet werden.

Abb. 19: Wasserstoffinduzierte Kaltrisse

Einflussgren fr das Kaltrissverhalten

Das Kohlenstoffquivalent kann somit allgemein als ein Ma fr die Neigung eines Werkstoffs zur Kaltrissbildung in Abhngigkeit von seiner chemischen Zusammensetzung verstanden werden. Es dient darber hinaus als Grundlage fr die Berechnung der Mindestvorwrmtemperatur Tp sowie der Abkhlzeit t8/5, die notwendig sind, um eine Kaltrissbildung nach Abkhlen der Schweinaht ausschlieen zu knnen.

Das Kaltrissverhalten von Schweiverbindungen ist hauptschlich von den folgenden Einflussgren abhngig:

chemische Zusammensetzung

Werkstckdicke im Nahtbereich

Wasserstoffgehalt des Schweiguts

Wrmeeinbringung beim Schweien

Eigenspannungsniveau der Konstruktion

Vorwrmtemperatur/Zwischenlagentemperatur

Der Einfluss der chemischen Zusammensetzung auf das Kaltrissverhalten von Sthlen lsst sich dabei durch das Kohlenstoffquivalent CET ausreichend genau beschreiben.

Schweibedingungen/Eigenspannungszustand

Es ergeben sich Grenzwerte, bis zu denen Stahlbleche mit entsprechender chemischer Zusammensetzung ohne Vorwrmen geschweit werden knnen, wenn bliche Schweibedingungen angewandt werden und ein gnstiger Eigenspannungszustand vorliegt (siehe Tab. 1).

CE, PCM, CEM, CEN

Aus Grnden der Vollstndigkeit soll an dieser Stelle noch auf andere Kohlenstoffquivalente hingewiesen werden.

CE

Das Kohlenstoffquivalent CE geht auf eine vor mehr als 20 Jahre erschienene Verffentlichung des International Institute of Welding (IIW) zurck. Es basiert in erster Linie auf Hrtemessungen und wurde unter der Annahme abgeleitet, dass Legierungselemente, die zum Aufhrten beitragen, in gleichem Ma die Kaltrissneigung frdern. Da das Kohlenstoffquivalent CE im Vergleich zu neueren Kohlenstoffquivalenten den Effekt des Kohlenstoffs stark unterbewertet, eignet es sich weniger fr die Behandlung von Kaltrissproblemen als neuere Modelle. Es ist insbesondere im Bereich kurzer Abkhlzeiten nicht geeignet.

Formel:

CE = C + Mn / 6 + (Cr + Mo + V) / 5 + (Cu + Ni) / 15

PCM

Das Kohlenstoffquivalent PCM beruht auf japanischen Ergebnissen von Ito und Bessyo aus dem Jahr 1969. Es ist fr kurze Abkhlzeiten und Wurzelschweiungen einsetzbar.

Formel:

PCM = C + Si / 30 + (Mn + Cu + Cr) / 20 + Mo / 15 + Ni / 60 + V / 10 + 5 B

CEM >

Das Kohlenstoffquivalent CEM ist nur unter den sehr eingeschrnkten Bedingungen des kurzen Abkhlzeitbereichs (2 bis 6 s) und des engen Gltigkeitsbereichs der chemischen Zusammensetzung (C: 0,020,22, Si: 0,000,50, Mn: 0,402,10, Cu: 0,000,60, Cr: 0,000,50, Ni: 0,003,50, Mo: 0,000,50, V: 0,000,10) nutzbar.

Formel:

CEM = C + Si / 25 + (Mn + Cu) / 20 + (Cr + V) / 10 + Mo / 15 + Ni / 40

CEN

Das in Japan entwickelte Kohlenstoffquivalent CEN stellt eine rein mathematische Kombination der Kohlenstoffquivalente CE und PCM dar. Zur Beschreibung des Kaltrissverhaltens ist es jedoch nicht besser geeignet als die zugrunde liegenden Kohlenstoffquivalente CE bzw. PCM.

Formel:

CEN = C + (0,75 + 0,25 tanh (20 (C 0,12))) (Si / 24 + Mn / 6 + Cu / 15 + Ni / 20 + (Cr + Mo + V + Nb) / 5 + 5 B)

3.4.3 t8/5-Zeit-Konzept

Durchgang des Lichtbogens

Der whrend eines Lichtbogendurchgangs an einer definierten Stelle auftretende Temperatur-Zeit-Verlauf setzt sich aus einer kurzen Aufheizphase und einer im Allgemeinen wesentlich lngeren Abkhlphase zusammen. Bei Annherung des Lichtbogens steigt die Temperatur schnell auf einen Hchstwert an und fllt nach Durchgang des Lichtbogens wieder ab, wobei sich die Abkhlgeschwindigkeit stetig verringert. Whrend im Schweigut berall gleiche Spitzentemperaturen auftreten, werden die verschiedenen Bereiche der Wrmeeinflusszone auf unterschiedliche Spitzenwerte erwrmt, wobei ihre Hhe mit wachsendem Abstand von der Schmelzzone abnimmt.

Schweitemperaturzyklen

Die mechanischen Eigenschaften des Schweiguts werden primr bestimmt durch dessen chemische Zusammensetzung und die Geschwindigkeit, mit der die Abkhlung aus der flssigen Phase erfolgt. Magebend fr die Auswirkungen von Schweitemperaturzyklen auf die mechanischen Eigenschaften in der Wrmeeinflusszone sind die beim Schweien erreichte Spitzentemperatur, die Verweildauer im oberen Austenitgebiet und die Geschwindigkeit, mit der die Abkhlung aus dem Austenitgebiet stattfindet.

Erfahrungsgem fhren hohe Spitzentemperaturen zu den ungnstigsten Gefgezustnden und mechanischen Eigenschaften. Es reicht deshalb aus, die Temperaturzyklen mit der hchsten Spitzentemperatur zu betrachten, welche unmittelbar neben der Schmelzlinie im Grobkornbereich der Wrmeeinflusszone auftreten. Ihre Spitzentemperatur liegt in Hhe der Schmelztemperatur des jeweiligen Werkstoffs. Man kann somit davon ausgehen, dass die mechanischen Eigenschaften in der Wrmeeinflusszone vom Abkhlverlauf nach dem Lichtbogendurchgang bestimmt werden.

Temperatur-Zeit-Verlauf

Von entscheidender Bedeutung fr die mechanischen Eigenschaften hochfester Schweiverbindungen ist der Temperatur-Zeit-Verlauf beim Schweien. Dieser wird besonders von folgenden Faktoren beeinflusst:

Blechdicke

Nahtform

Streckenenergie

Vorwrmtemperatur

Lagenaufbau

Zur Kennzeichnung des Temperatur-Zeit-Verlaufs beim Schweien whlt man im Allgemeinen die Abkhlzeit t8/5, d.h. die Zeit, in der bei Abkhlung einer Schweiraupe der Temperaturbereich von 800 bis 500 C durchlaufen wird. Mit zunehmender Abkhlzeit t8/5 nimmt die Hrte in der Wrmeeinflusszone ab.

Fenster fr die Abkhlzeit

Wenn fr einen bestimmten Stahl eine vorgegebene Hchsthrte nicht berschritten bzw. ein vorgegebener Mindestwert der Kerbschlagarbeit nicht unterschritten werden darf, mssen die Schweibedingungen so gewhlt werden, dass ein bestimmter Bereich der Abkhlzeit t8/5 weder ber- noch unterschritten wird.

Das heit, eine genau vorgeschriebene Schweitechnologie ist im Sinne der Gewhrleistung der Gesamtheit der Anforderungen an die Schweiverbindung einzuhalten.

Abkhlzeitkonzept

Dank der unter dem Begriff Abkhlzeitkonzept bekannt gewordenen Methode ist es heute mglich, den Aufwand bei schweitechnischen Untersuchungen und Schweiverfahrensprfungen (Qualifizierung von Schweiverfahren) erheblich zu reduzieren. Diese Vorgehensweise gestattet es auerdem, den komplexen Zusammenhang zwischen den Schweibedingungen und den Eigenschaften von Schweinhten berschaubar darzustellen. Das Abkhlzeitkonzept hat inzwischen Eingang in nationale und internationale Empfehlungen zum Schweien hochfester Feinkornbausthle gefunden.

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

Abkhlzeit als Kenngre

Festigkeitseigenschaften, Hrte und Zhigkeit in der WEZ von Schweiverbindungen sind im Wesentlichen von der chemischen Zusammensetzung des Stahls und dem Temperatur-Zeit-Verlauf beim Schweien abhngig, genauer der Abkhlgeschwindigkeit nach dem Lichtbogendurchgang. Diese wird mageblich von den Schweibedingungen beeinflusst. Der Zusammenhang zwischen den Schweibedingungen und der Abkhlgeschwindigkeit lsst sich durch mathematische Beziehungen beschreiben, die aus der Theorie der Wrmeleitung in festen Krpern abgeleitet wurden. Zur Kennzeichnung der Abkhlgeschwindigkeit whlt man ihren reziproken Wert, nmlich die Zeit, die zum Durchlaufen eines bestimmten Temperaturintervalls bentigt wird. Hier hat sich die Abkhlzeit als Kenngre bewhrt.

Das ist die Zeit, die whrend der Abkhlung einer Schweiraupe zum Durchlaufen des Temperaturbereichs von 800 bis 500 C bentigt wird.

Zwei- und dreidimensionale Wrmeableitung

Dabei bercksichtigt die Gleichung die den Abkhlprozess entscheidenden Einflussgren, wie die folgenden:

Vorwrmtemperatur Tp

thermischer Wirkungsgrad des jeweiligen Schweiverfahrens

Lichtbogenspannung U

Schweistrom I

Schweigeschwindigkeit v

Nahtgeometrie in Form des Nahtfaktors F

Bei der Berechnung von Abkhlzeiten ist zwischen zwei- und dreidimensionaler Wrmeableitung zu unterscheiden. Bei greren Blechdicken, niedriger Vorwrmtemperatur und/oder geringem Wrmeeinbringen tritt hufig dreidimensionale Wrmeableitung ein. Entsprechend kommt es bei dnnen Blechen, hoher Vorwrmtemperatur und/oder groem Wrmeeinbringen im Allgemeinen zu zweidimensionaler Wrmeableitung. In letzterem Fall ist die Blechdicke d bei der Berechnung zu bercksichtigen. Bestehen Zweifel, welche Art der Wrmeableitung in einem bestimmten Fall vorliegt, so berechnet man die Abkhlzeit t 8/5 zunchst nach beiden Gleichungen. Fr die Praxis ist nur der grere der beiden errechneten Abkhlzeitwerte von Bedeutung.

Dreidimensionale Wrmeableitung

Beim Schweien verhltnismig dicker Werkstcke erfolgt die Wrmeableitung dreidimensional. Die ber den Lichtbogen eingebrachte Wrme kann in der Werkstckebene und zustzlich in Richtung der Werkstckdicke abflieen. Diese wirkt sich daher nicht auf die Abkhlzeit aus.

Die Abkhlzeit ist also bei dreidimensionaler Wrmeableitung zur eingebrachten Wrme proportional und nimmt mit der Vorwrmtemperatur zu.

Zweidimensionale Wrmeableitung

Bei zweidimensionaler Wrmeableitung erfolgt der Wrmefluss dagegen ausschlielich in der Werkstckebene. Die Werkstckdicke ist in diesem Fall magebend fr die zur Wrmeableitung zur Verfgung stehende Querschnittsflche und hat damit einen ausgeprgten Einfluss auf die Abkhlzeit.

Die Abkhlzeit bei zweidimensionaler Wrmeableitung nimmt also mit dem Quadrat der Streckenenergie und mit der Vorwrmtemperatur zu und ist zum Quadrat der Werkstckdicke umgekehrt proportional.

bergangsblechdicke

Die Blechdicke beim bergang von drei- zu zweidimensionaler Wrmeableitung bezeichnet man als bergangsblechdicke d. Sie wird durch Gleichsetzen der Formeln zur Berechnung der Abkhlzeit t 8/5 fr drei- und zweidimensionale Wrmeableitung berechnet.

Bei der Berechnung von Abkhlzeiten ist zu beachten, dass die den Gleichungen zugrunde liegenden Annahmen hufig nicht genau erfllt sind. Berechnete Werte der Abkhlzeit knnen deshalb von den wirklich auftretenden bis zu 20 % abweichen. Mit einem greren Fehler kann die Berechnung im bergangsbereich von zwei- zu dreidimensionaler Wrmeableitung behaftet sein. In kritischen Fllen empfiehlt es sich, die Abkhlzeit durch Messung zu kontrollieren.

Verfgbare Computerprogramme

Die Zahl der denkbaren Nahtarten ist so gro, dass eine quantitative Klrung des Einflusses aller auf die Abkhlzeit mit extrem hohem Aufwand verbunden wre. Deshalb stehen in den Computerprogrammen Tabellen zur Verfgung, die alle Nahtfaktoren fr die gebruchlichsten Nahtarten bei dreidimensionaler Wrmeableitung (F3) und zweidimensionaler Wrmeableitung (F2) zusammenfassen. Es zeigt sich, dass vor allem bei zweidimensionaler Wrmeableitung die Abkhlzeiten von Kehlnhten sehr viel niedriger sind als die von Auftragraupen. Der Wert des Nahtfaktors ist dabei abhngig vom Verhltnis der Streckenenergie zur Blechdicke.

ProWeld

Das Programm ProWeld basiert auf dem bei ThyssenKrupp Stahl entwickelten Konzept der Abkhlzeit t 8/5 und auf dem CET-Konzept zur Berechnung des Kohlenstoffquivalents. Die Abkhlzeit t8/5 ist die Zeit, die eine Schweinaht und die Wrmeeinflusszone, also der Bereich im Material, der beim Schweien mit erwrmt wird, bentigen, um von 800 auf 500 C abzukhlen. Hiermit lsst sich der Einfluss der Temperaturfhrung beim Schweien auf die Eigenschaften des Schweiguts und auf die Materialeigenschaften in der Wrmeeinflusszone beschreiben. Auf der Grundlage des CET-Konzepts kann man ermitteln, wie das Material vorgewrmt werden muss, um Kaltrisse beim Schweien zu vermeiden.

ProWeld-Benutzer mssen die komplizierten Formeln nicht selbst beherrschen, sondern knnen den Kollegen Computer fr sich arbeiten lassen. ber entsprechende Eingabemasken lsst sich einstellen, welche Stahlsorten und Blechdicken mit welchem Schweizusatz gefgt werden sollen. Schweiverfahren und Nahtformen knnen aus einer Liste ausgewhlt werden, wobei ProWeld die Werte fr den thermischen Wirkungsgrad und die Nahtfaktoren gleich mitliefert. Aus diesen Daten errechnet ProWeld selbstttig Empfehlungen fr die Vorwrm- und Zwischenlagertemperatur und die Wrmeeinbringung beim Schweien. Die Ergebnisse, einschlielich der vertretbaren Toleranzen, werden grafisch in Gestalt eines zulssigen Arbeitsfelds fr das Schweien dargestellt. In einer weiteren Grafik prsentiert ProWeld den Einfluss der Abkhlzeit t 8/5 auf die Hchsthrte in der Wrmeeinflusszone, sodass man hier z.B. die minimale Abkhlzeit ablesen kann, wenn man die Aufhrtung des Werkstoffs begrenzen mchte.

Abb. 20: Computerprogramm ProWeld (Quelle: ThyssenKrupp Stahl AG)

Zu den neuen Funktionen, die ProWeld neben der verbesserten grafischen Darstellung bietet, gehren z.B. die automatische Berechnung des Nahtfaktors fr Kehlnhte abhngig von Streckenenergie und Blechdicke und die Abschtzungen zur Abkhlzeit von Kehlnhten aus unterschiedlich dicken Blechen. Auch die Berechnung der Abkhlzeit beim Lichtbogenhandschweien auf der Grundlage des Ausziehverhltnisses ist neu im Programm. ProWeld kann auf einer CD-ROM kostenfrei beim Profit Center Grobblech der ThyssenKrupp Stahl AG angefordert werden.

WeldCalc

Ein weiteres Computerprogramm ist von der Firma SSAB Oxelsund aus Schweden entwickelt worden. Das Programm WeldCalc mit hnlichem Inhalt kann ebenfalls bei SSAB kostenlos angefordert werden.

3.4.4 Vorgehensweise in der Praxis

Qualifikation der Schweier

Die Schweier mssen eine Qualifikation nach DIN EN 287-1 fr die Werkstoffgruppe nachweisen. Interne Schulungen und Unterweisungen der Schweier ber Vorwrmen und ggf. Nachwrmen sowie die Einhaltung der geforderten Streckenenergie (Mehrlagentechnik) in Abhngigkeit von den verwendeten Werkstoffen mssen laufend durchgefhrt und dokumentiert werden.

Schutzgase

Grundstzlich sind alle Schutzgase nach DIN EN 439 fr die MAG-Schweiung geeignet, wobei die Gase der Gruppe M 1 nur in Ausnahmefllen 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 bercksichtigen. Dies gilt umso mehr, je hher die Festigkeit und je tiefer die Einsatztemperatur ist.

Einflussfaktoren

Um der Gefahr von wasserstoffinduzierten Rissen beim Schutzgasschweien mit Massivdrahtelektroden Rechnung zu tragen, mssen die oben beschriebenen Einflussfaktoren eingehalten werden. Hier besteht zustzlich die Gefahr von Einbrandkerben sowie Bindefehlern in den Nahtflanken. Der Nahtaufbau sollte an den Nahtflanken begonnen werden, durch die nachfolgende Raupe kann dann die Wrmeeinflusszone gnstig beeinflusst werden.

Zwangspositionen

Beim Schweien in Zwangspositionen sind geringere Zusatzwerkstoffdurchmesser zu empfehlen. Liegt die Bauteiltemperatur bei der Raumtemperatur, braucht zum Heften nicht vorgewrmt zu werden, wenn die Heftnaht spter Bestandteil der Schweinaht wird. Der Temperatur-Zeit-Verlauf ist fr die mechanischen Eigenschaften der Wrmeeinflusszone von groer Bedeutung. Die Empfehlungen der Grundwerkstoffhersteller auch hinsichtlich der Streckenenergie sind unbedingt zu bercksichtigen.

Die hochfesten Feinkornbausthle lassen sich infolge der eingestellten chemischen Zusammensetzung nach allen gebruchlichen Verfahren sowohl automatisch als auch von Hand schweien.

Wichtige Hinweise

Zu beachten:

Die Strichraupen im gesamten Decklagenbereich mssen weich, also kerbfrei, ineinander und zum Grundwerkstoff hin flach auslaufen.

Die Kehlnhte mssen eine konvexe Nahtform haben und absolut kerbfrei sein.

Die Oberflchen von Schweinhten drfen beim Verputzen nicht angeschliffen werden. Die Schuppung muss sichtbar bleiben.

Beim Verputzen drfen 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 Schweinhte sind bndig zu berschleifen, wobei die Schleifriefen in Spannungsrichtung verlaufen mssen (auf keinen Fall quer dazu).

Beim Anschweien von Rippen, Versteifungen etc. ist darauf zu achten, dass Endkrater nicht im Bereich der Ecken bzw. der stirnseitigen Umschweiung liegen, sondern ca. 20 mm innerhalb der Schweinaht. Der Endkrater muss gefllt und rissfrei sein.

Heftstellen zum Anbringen von behelfsmigen Hilfsblechen oder Verstrebungen (Montagehilfen) sind nicht zugelassen. Hier sind ausschlielich schraubbare Vorrichtungen zu verwenden.

Fallnhte drfen grundstzlich nicht durchgefhrt werden.

Abb. 21: Strichraupentechnik

Produkthaftung

Vor der Aufnahme der Schweiarbeiten ist sicherzustellen, dass

eine gltige Herstellerqualifikation nach DIN18800-7, der geeigneten Klasse,

eine gltige Schweiverfahrensprfung (Qualifikation von Schweiverfahren) bzw. Arbeitsprobe (WPS) und

mindestens zwei gltige Schweierprfungen

vorliegen.

Schweinahtvorbereitung

Beim Schweien hochfester Feinkornbausthle ist zu beachten, dass mit steigender Streckgrenze und zunehmender Wanddicke eine erhhte Sorgfalt bei der Verarbeitung notwendig wird. Die Schweinahtvorbereitung muss so gestaltet werden, dass die Nahtfugen trocken sowie frei von Brennschneidschlacke, Rost, Zunder und Verunreinigungen sind.

Heirissbildung

Die Gefahr der Heirissbildung ist wegen geringer Schwefelgehalte bei diesen Sthlen gering. Dagegen sollte der Bildung von Terrassenbrchen durch konstruktive und/oder schweitechnische Manahmen entgegengewirkt werden, z.B. durch die Verringerung der Spannungen.

Geringe Wrmeeinbringung

Fr die hochfesten Feinkornbausthle S 690 QL,S 960 QL und S 1100 QL sind die Verfahren Lichtbogenhandschweien und Schutzgasschweien aufgrund des geringen Wrmeeintrags vorzuziehen.

Laserstrahlschweien

Bei dnneren Blechen ist neben den konventionellen Verfahren das Laserstrahlschweien wegen der sehr hohen Schweigeschwindigkeit und der geringen WEZ besonders empfehlenswert.

Kaltrisse

Dennoch muss beim Schweien darauf geachtet werden, dass hochfeste Feinkornbausthle kaltrissanfllig sind. Kaltrisse entstehen, wenn infolge schneller Abkhlung der Wasserstoff nicht aus dem Nahtbereich entweichen kann und durch eine Volumenzunahme des molekularen Wasserstoffs das Gefge aufreit.

Kohlenstoffquivalent CET

Neben dem Wasserstoffgehalt des Schweiguts, dem Eigenspannungslevel und dem Wrmeeinbringen ist die chemische Zusammensetzung des Grundwerkstoffs, insbesondere das Kohlenstoffquivalent CET, eine entscheidende Gre zur Beurteilung der Kaltrisssicherheit.

Freies Schrumpfen

Aufgrund des Wasserstoffgehalts im Schweigut und des Eigenspannungszustands der Schweikonstruktion kann es im Bereich der Schweinaht zu wasserstoffinduzierten Kaltrissen kommen. Diese Gefahr nimmt mit der Blechdicke zu. Bauteile, die nicht frei schrumpfen knnen, mssen daher mit besonderer Sorgfalt behandelt werden.

Art der Wrmefhrung

Dabei ist zu beachten, dass lediglich die Art der Wrmefhrung wasserstoffinduzierte Kaltrisse verhindern kann. Dies bedeutet, dass die betroffenen Schweinhte in jedem Falle in einer gleichbleibenden Temperatur geschweit werden mssen.

Unterbrechung des Schweivorgangs

Sobald der Schweivorgang fr lngere Zeit unterbrochen werden muss (Mittagspause) und die teilweise ausgefhrte Schweinaht unter 80 C fllt, knnen diese Risse entstehen. Eine Fortsetzung der Schweiarbeit auch nach dem nachtrglichen Wiederaufwrmen bedeutet ein unzulssiges berschweien eventuell schon vorhandener Risse.

Diese breiten sich dann durch das Schweigut bis zur Oberflche aus und knnen, in Abhngigkeit von der Blechdicke, zwischen 24 und 72 Stunden, bei Schweikonstruktionen aus dicken Blechen (> 80 mm) auch spter, auftreten.

Daher gilt:

Jede Schweinaht muss komplett ausgefhrt sein, bevor der Schweivorgang unter- oder abgebrochen wird!

Unterbrechung der Schweiarbeiten

Ist dies aus fertigungstechnischen Grnden nicht mglich, muss die angefangene Schweinaht whrend der Unterbrechung auf 120 bis 150 C gehalten werden.

Nachwrmen

Schweinhte an Blechdicken 20 mm mssen grundstzlich sofort nach der Fertigstellung aus der Schweiwrme heraus nochmals auf 180 bis 200 C aufgewrmt und mindestens vier Stunden auf dieser Temperatur gehalten werden.

Abb. 22: Nachwrmen mit Gasstrahler

Abb. 23: Nachwrmen mit Widerstandsglhanlage

Abb. 24: Nachwrmen im Durchlaufofen

Daher gilt:

Alle Schweinhte mssen in einer Wrme, d.h. gleichbleibender Temperatur, geschweit werden!

Quer im Schweigut

Wasserstoffinduzierte Risse verlaufen quer im Schweigut und knnen unter ungnstigen Umstnden ber die WEZ hinaus in den Grundwerkstoff bergehen. Das bedeutet, dass nach dem Ausschleifen dieser Risse die Nahtflanken unbedingt oberflchenrissgeprft werden mssen! Eventuell im Grundwerkstoff noch vorhandene Risse mssen ebenfalls ausgeschliffen werden. Dies fhrt zu sehr kostenintensiven Reparaturschweiungen!

Fischaugen

Der im Werkstoff gelste atomare Wasserstoff kann sich im Bereich von grberen Einschlssen anreichern und zu molekularem Wasserstoff rekombinieren, was zum Aufbau hoher lokaler Drcke fhrt. Es entstehen irreversible Schden, die als Blasen, Flocken und Fischaugen bekannt sind.

Oberflchenrissprfung

Die Oberflchenrissprfung darf in Abhngigkeit der Blechdicke frhestens nach 48 Stunden nach dem Schweien durchgefhrt werden. Bei Schweikonstruktionen aus Blechen 20 mm bzw. bei mehrachsigen Spannungszustnden muss die Liegezeit ber 48 Stunden hinaus verlngert werden. Die Ultraschallprfung kann nach dem Erkalten sofort durchgefhrt werden.

Beachte:

ber die durchgefhrte Werkstoffprfung an den Schweikonstruktionen ist ein Prfprotokoll zu erstellen und aufzubewahren. Die Zuordnung zum tatschlichen Bauteil muss sichergestellt sein!

Regeln zur Vermeidung

Kaltrisse knnen wirksam verhindert werden, indem folgende Regeln bercksichtigt werden:

In Abhngigkeit von Nahtgeometrie, Werkstoffdicke und Stahlsorte ist vorzuwrmen.

Die Nahtfugen sollten trocken und sauber sein.

Nur trockene Stabelektroden, Pulver oder spezielle Elektroden mit sehr niedrigem Wasserstoffgehalt einsetzen.

Schweifolgeplne zur Vermeidung eines hohen Spannungslevels bercksichtigen.

Hrte im Bereich der Wrmeeinflusszone

Es muss weiterhin bercksichtigt werden, dass hohe Abkhlungsgeschwindigkeiten durch geringes Wrmeeinbringen beim Schweien zu hohen Hrten im Bereich der Wrmeeinflusszone WEZ fhren knnen und somit erhhte Kaltrissgefahr besteht.

Hrtewerte

Nachfolgend sind typische Hrtewerte von hochfesten Feinkornbausthlen angegeben. Die Hrtewerte wurden aus den mittleren Zugfestigkeitswerten von Kollektiven der laufenden Produktion von ThyssenKrupp Stahl gem DIN 50150 umgerechnet.

StahltypRm in MPaHrte HVHrte HB

S 690 MC (< 8 mm)810253240

S 690 MC (> 815 mm)840262249

S 690 QL (< 15 mm)850265252

S 960 QL (< 15 mm)1.050327311

Zhigkeitseigenschaften

Bei der Einstellung zu niedriger Abkhlungsgeschwindigkeiten durch zu hohes Wrmeeinbringen werden zum einen die Zhigkeitseigenschaften verschlechtert und zum anderen wird die wrmebeeinflusste Zone verbreitert.

Die t8/5-Zeit

Die t8/5-Zeit sollte je nach Schweizusatzwerkstoff im Bereich von 5 bis 20 s., die Zwischenlagentemperatur in Abhngigkeit der Blechdicke im Bereich von 100 bis 200 C liegen.

Empfehlungen fr die t8/5-Zeiten und die Zwischenlagentemperaturen:

Stahlsorte/SZWt8/5-Zeit (s)Zwischenlagentemperaturen (C)

S 690 QL/

G Mn4Ni1,5CrMo EN 12534520100200

S 960 QL/S 1100 QL/

G Mn4Ni2CrMo EN 12534510100150

Streckenenergie/Zwischenlagentemperatur

Beim Schweien von wasservergteten und thermomechanisch umgeformten Feinkornbausthlen muss neben der Verwendung des richtigen Schweizusatzwerkstoffs vor allem auf die Wrmeeinbringung (Streckenenergie, Zwischenlagentemperatur) und den Nahtaufbau (Mehrlagentechnik) geachtet werden. Die mechanisch-technologischen Eigenschaften des Schweiguts und der Wrmeeinflusszone WEZ werden magebend vom Temperatur-Zeit-Verlauf beeinflusst.

Computerprogramme

Diese kann mit diversen Computerprogrammen und messtechnisch ermittelt werden. Dazu dient ein mikroprozessorgesteuertes Abkhlzeitmeter. Zum Messen der Abkhlzeit t 8/5 wird eine Sonde (Thermoelement) in das flssige Schweigut unmittelbar hinter dem Lichtbogen getaucht. Das Messgert zeigt nun die tatschlichen Abkhlbedingungen der Schweiraupe an. Bei Erreichen von 800 C schaltet sich eine Uhr zu, die nun die Zeit bis zum Erreichen der Temperatur von 500 C misst. Die nun angezeigte Zeit in Sekunden ist die Abkhlzeit t 8/5.

Abb. 25: Abkhlzeitmeter

Abb. 26: Messen der Abkhlzeit

Abb. 27: Thermoelement nach der Messung

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