MAG-Schweißen Hochfester Feinkornbaustähle

3.4 MAG-Schweißverfahren MAG-Schweißen hochfester Feinkornbaustähle Geeignete Fügetechnologien 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. Wasservergütete hochfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen im Bereich von 690 bis 960 MPa werden seit Jahren erfolgreich z.B. im Druckbehälter-, Mobilkran-, Betonpumpen- und Nutzfahrzeugbau sowie für Bergbaugeräte eingesetzt. 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 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 LkwBetonpumpen 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 Die 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.

3.4.1 Vorwärmen Vermeidung von Kaltrissen Die Schweißeignung hochfester Stähle, 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. Abb. 16: Schweißer beim Vorwärmen

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 HD0,35 + (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 hohen 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. 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.

Tab. 1: TV nach SEW 088 (abhängig vom Kohlenstoffäquivalent CET)

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. Abb. 17: Mindestvorwärm- und Zwischenlagentemperatur beim Schutzgasschweißen

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 zu schaffen. Die Kontrolle der Vorwärm- und Zwischenlagentemperatur kann mit Temperaturmessstiften, Magnethaftthermometer, digitalen Temperaturmessgeräten oder einem Pyrometer erfolgen.

3.4.2 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. Formel:

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

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 und 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.

Abb. 19: Wasserstoffinduzierte Kaltrisse

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 t8/5, 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 (siehe Tab. 1). CE, PCM, CEM, CEN Aus Gründen der Vollständigkeit soll an dieser Stelle noch auf andere Kohlenstoffäquivalente hingewiesen werden. CE Das Kohlenstoffäquivalent CE geht auf eine vor mehr als 20 Jahre erschienene Veröffentlichung des International Institute of Welding (IIW) zurück. Es basiert in erster Linie auf Härtemessungen und wurde unter der Annahme abgeleitet, dass Legierungselemente, die zum Aufhärten beitragen, in gleichem Maß die Kaltrissneigung fördern. Da das Kohlenstoffäquivalent CE – im Vergleich zu neueren Kohlenstoffäquivalenten – den Effekt des Kohlenstoffs stark unterbewertet, eignet es sich weniger für die Behandlung von Kaltrissproblemen als neuere Modelle. Es ist insbesondere im Bereich kurzer Abkühlzeiten nicht geeignet.

Formel:

CE = C + Mn / 6 + (Cr + Mo + V) / 5 + (Cu + Ni) / 15 PCM Das Kohlenstoffäquivalent PCM beruht auf japanischen Ergebnissen von Ito und Bessyo aus dem Jahr 1969. Es ist für kurze Abkühlzeiten und Wurzelschweißungen einsetzbar. Formel:

PCM = C + Si / 30 + (Mn + Cu + Cr) / 20 + Mo / 15 + Ni / 60 + V / 10 + 5 × B CEM > Das Kohlenstoffäquivalent CEM ist nur unter den sehr eingeschränkten Bedingungen des kurzen Abkühlzeitbereichs (2 bis 6 s) und des engen Gültigkeitsbereichs der chemischen

Zusammensetzung (C: 0,02–0,22, Si: 0,00–0,50, Mn: 0,40–2,10, Cu: 0,00–0,60, Cr: 0,00– 0,50, Ni: 0,00–3,50, Mo: 0,00–0,50, V: 0,00–0,10) nutzbar. Formel:

CEM = C + Si / 25 + (Mn + Cu) / 20 + (Cr + V) / 10 + Mo / 15 + Ni / 40 CEN Das in Japan entwickelte Kohlenstoffäquivalent CEN stellt eine rein mathematische Kombination der Kohlenstoffäquivalente CE und PCM dar. Zur Beschreibung des Kaltrissverhaltens ist es jedoch nicht besser geeignet als die zugrunde liegenden Kohlenstoffäquivalente 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 während eines Lichtbogendurchgangs an einer definierten Stelle auftretende TemperaturZeit-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 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 t8/5, d.h. die Zeit, in der bei Abkühlung einer Schweißraupe der Temperaturbereich von 800 bis 500 °C durchlaufen wird. Mit zunehmender Abkühlzeit t8/5 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 t8/5 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-ZeitVerlauf beim Schweißen abhängig, genauer 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 Einflussgrößen, wie die folgenden: 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. ProWeld Das Programm „ProWeld“ basiert auf dem bei ThyssenKrupp Stahl entwickelten Konzept der Abkühlzeit t 8/5 und auf dem CET-Konzept zur Berechnung des Kohlenstoffäquivalents. Die Abkühlzeit t8/5 ist die Zeit, die eine Schweißnaht und die Wärmeeinflusszone, also der Bereich im Material, der beim Schweißen mit erwärmt wird, benötigen, um von 800 auf 500 °C abzukühlen. Hiermit lässt sich der Einfluss der Temperaturführung beim Schweißen auf die Eigenschaften des Schweißguts und auf die Materialeigenschaften in der Wärmeeinflusszone beschreiben. Auf der Grundlage des CET-Konzepts kann man ermitteln, wie das Material vorgewärmt werden muss, um Kaltrisse beim Schweißen zu vermeiden. ProWeld-Benutzer müssen die komplizierten Formeln nicht selbst beherrschen, sondern können den Kollegen Computer für sich arbeiten lassen. Über entsprechende Eingabemasken

lässt sich einstellen, welche Stahlsorten und Blechdicken mit welchem Schweißzusatz gefügt werden sollen. Schweißverfahren und Nahtformen können aus einer Liste ausgewählt werden, wobei ProWeld die Werte für den thermischen Wirkungsgrad und die Nahtfaktoren gleich mitliefert. Aus diesen Daten errechnet ProWeld selbsttätig Empfehlungen für die Vorwärmund Zwischenlagertemperatur und die Wärmeeinbringung beim Schweißen. Die Ergebnisse, einschließlich der vertretbaren Toleranzen, werden grafisch in Gestalt eines zulässigen Arbeitsfelds für das Schweißen dargestellt. In einer weiteren Grafik präsentiert ProWeld den Einfluss der Abkühlzeit t 8/5 auf die Höchsthärte in der Wärmeeinflusszone, sodass man hier z.B. die minimale Abkühlzeit ablesen kann, wenn man die Aufhärtung des Werkstoffs begrenzen möchte. Abb. 20: Computerprogramm „ProWeld“ (Quelle: ThyssenKrupp Stahl AG)

Zu den neuen Funktionen, die ProWeld neben der verbesserten grafischen Darstellung bietet, gehören z.B. die automatische Berechnung des Nahtfaktors für Kehlnähte abhängig von Streckenenergie und Blechdicke und die Abschätzungen zur Abkühlzeit von Kehlnähten aus unterschiedlich dicken Blechen. Auch die Berechnung der Abkühlzeit beim Lichtbogenhandschweißen auf der Grundlage des Ausziehverhältnisses 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 Oxelösund aus Schweden entwickelt worden. Das Programm „WeldCalc“ mit ähnlichem Inhalt kann ebenfalls bei SSAB kostenlos angefordert werden.

3.4.4 Vorgehensweise in der Praxis Qualifikation der Schweißer Die Schweißer müssen eine Qualifikation nach DIN EN 287-1 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 Grundsätzlich sind alle Schutzgase nach DIN EN 439 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. Die hochfesten Feinkornbaustähle lassen sich infolge der eingestellten chemischen Zusammensetzung nach allen gebräuchlichen Verfahren sowohl automatisch als auch von Hand schweißen. Wichtige Hinweise 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. Abb. 21: Strichraupentechnik

Produkthaftung Vor der Aufnahme der Schweißarbeiten ist sicherzustellen, dass eine gültige Herstellerqualifikation nach DIN18800-7, der geeigneten Klasse,

eine gültige Schweißverfahrensprüfung (Qualifikation von Schweißverfahren) bzw. Arbeitsprobe (WPS) und mindestens zwei gültige Schweißerprüfungen vorliegen. Schweißnahtvorbereitung Beim Schweißen hochfester Feinkornbaustähle ist zu beachten, dass mit steigender Streckgrenze und zunehmender Wanddicke eine erhöhte Sorgfalt bei der Verarbeitung notwendig wird. Die Schweißnahtvorbereitung muss so gestaltet werden, dass die Nahtfugen trocken sowie frei von Brennschneidschlacke, Rost, Zunder und Verunreinigungen sind. Heißrissbildung Die Gefahr der Heißrissbildung ist wegen geringer Schwefelgehalte bei diesen Stählen gering. Dagegen sollte der Bildung von Terrassenbrüchen durch konstruktive und/oder schweißtechnische Maßnahmen entgegengewirkt werden, z.B. durch die Verringerung der Spannungen. Geringe Wärmeeinbringung Für die hochfesten Feinkornbaustähle S 690 QL,S 960 QL und S 1100 QL sind die Verfahren Lichtbogenhandschweißen und Schutzgasschweißen aufgrund des geringen Wärmeeintrags vorzuziehen. Laserstrahlschweißen Bei dünneren Blechen ist neben den konventionellen Verfahren das Laserstrahlschweißen wegen der sehr hohen Schweißgeschwindigkeit und der geringen WEZ besonders empfehlenswert. Kaltrisse Dennoch muss beim Schweißen darauf geachtet werden, dass hochfeste Feinkornbaustähle kaltrissanfällig sind. Kaltrisse entstehen, wenn infolge schneller Abkühlung der Wasserstoff nicht aus dem Nahtbereich entweichen kann und durch eine Volumenzunahme des molekularen Wasserstoffs das Gefüge aufreißt. Kohlenstoffäquivalent CET Neben dem Wasserstoffgehalt des Schweißguts, dem Eigenspannungslevel und dem Wärmeeinbringen ist die chemische Zusammensetzung des Grundwerkstoffs, insbesondere das Kohlenstoffäquivalent CET, eine entscheidende Größe zur Beurteilung der Kaltrisssicherheit. Freies Schrumpfen

Aufgrund des Wasserstoffgehalts im Schweißgut und des Eigenspannungszustands der Schweißkonstruktion kann es im Bereich der Schweißnaht zu wasserstoffinduzierten Kaltrissen kommen. Diese Gefahr nimmt mit der Blechdicke zu. Bauteile, die nicht frei schrumpfen können, müssen daher mit besonderer Sorgfalt behandelt werden. Art der Wärmeführung Dabei ist zu beachten, dass lediglich die Art der Wärmeführung wasserstoffinduzierte Kaltrisse verhindern kann. Dies bedeutet, dass die betroffenen Schweißnähte in jedem Falle in einer gleichbleibenden Temperatur geschweißt werden müssen. Unterbrechung des Schweißvorgangs Sobald der Schweißvorgang für längere Zeit unterbrochen werden muss (Mittagspause) und die teilweise ausgeführte Schweißnaht unter 80 °C fällt, können diese Risse entstehen. Eine Fortsetzung der Schweißarbeit auch nach dem nachträglichen Wiederaufwärmen bedeutet ein unzulässiges Überschweißen eventuell schon vorhandener Risse. Diese breiten sich dann durch das Schweißgut bis zur Oberfläche aus und können, in Abhängigkeit von der Blechdicke, zwischen 24 und 72 Stunden, bei Schweißkonstruktionen aus dicken Blechen (> 80 mm) auch später, auftreten. Daher gilt: Jede Schweißnaht muss komplett ausgeführt sein, bevor der Schweißvorgang unter- oder abgebrochen wird! Unterbrechung der Schweißarbeiten Ist dies aus fertigungstechnischen Gründen nicht möglich, muss die angefangene Schweißnaht während der Unterbrechung auf 120 bis 150 °C gehalten werden. Nachwärmen Schweißnähte an Blechdicken ≥ 20 mm müssen grundsätzlich sofort nach der Fertigstellung aus der Schweißwärme heraus nochmals auf 180 bis 200 °C aufgewärmt und mindestens vier Stunden auf dieser Temperatur gehalten werden. Abb. 22: Nachwärmen mit Gasstrahler

Abb. 23: Nachwärmen mit Widerstandsglühanlage

Abb. 24: Nachwärmen im Durchlaufofen

Daher gilt: Alle Schweißnähte müssen in einer Wärme, d.h. gleichbleibender Temperatur, geschweißt werden! Quer im Schweißgut Wasserstoffinduzierte Risse verlaufen quer im Schweißgut und können unter ungünstigen Umständen über die WEZ hinaus in den Grundwerkstoff übergehen. Das bedeutet, dass nach dem Ausschleifen dieser Risse die Nahtflanken unbedingt oberflächenrissgeprüft werden müssen! Eventuell im Grundwerkstoff noch vorhandene Risse müssen ebenfalls ausgeschliffen werden. Dies führt zu sehr kostenintensiven Reparaturschweißungen! Fischaugen Der im Werkstoff gelöste atomare Wasserstoff kann sich im Bereich von gröberen Einschlüssen anreichern und zu molekularem Wasserstoff rekombinieren, was zum Aufbau hoher lokaler Drücke führt. Es entstehen irreversible Schäden, die als Blasen, Flocken und Fischaugen bekannt sind. Oberflächenrissprüfung Die Oberflächenrissprüfung darf in Abhängigkeit der Blechdicke frühestens nach 48 Stunden nach dem Schweißen durchgeführt werden. Bei Schweißkonstruktionen aus Blechen ≥ 20 mm

bzw. bei mehrachsigen Spannungszuständen muss die Liegezeit über 48 Stunden hinaus verlängert werden. Die Ultraschallprüfung kann nach dem Erkalten sofort durchgeführt werden. Beachte: Über die durchgeführte Werkstoffprüfung an den Schweißkonstruktionen ist ein Prüfprotokoll zu erstellen und aufzubewahren. Die Zuordnung zum tatsächlichen Bauteil muss sichergestellt sein! Regeln zur Vermeidung Kaltrisse können wirksam verhindert werden, indem folgende Regeln berücksichtigt werden: In Abhängigkeit von Nahtgeometrie, Werkstoffdicke und Stahlsorte ist vorzuwärmen. Die Nahtfugen sollten trocken und sauber sein. Nur trockene Stabelektroden, Pulver oder spezielle Elektroden mit sehr niedrigem Wasserstoffgehalt einsetzen. Schweißfolgepläne zur Vermeidung eines hohen Spannungslevels berücksichtigen. Härte im Bereich der Wärmeeinflusszone Es muss weiterhin berücksichtigt werden, dass hohe Abkühlungsgeschwindigkeiten durch geringes Wärmeeinbringen beim Schweißen zu hohen Härten im Bereich der Wärmeeinflusszone WEZ führen können und somit erhöhte Kaltrissgefahr besteht. Härtewerte Nachfolgend sind typische Härtewerte von hochfesten Feinkornbaustählen angegeben. Die Härtewerte wurden aus den mittleren Zugfestigkeitswerten von Kollektiven der laufenden Produktion von ThyssenKrupp Stahl gemäß DIN 50150 umgerechnet.

Stahltyp S 690 MC (< 8 mm)

Rm in MPaHärte HVHärte HB 810

253

240

S 690 MC (> 8–15 mm)840

262

249

S 690 QL (< 15 mm)

850

265

252

S 960 QL (< 15 mm)

1.050

327

311

Zähigkeitseigenschaften Bei der Einstellung zu niedriger Abkühlungsgeschwindigkeiten durch zu hohes Wärmeeinbringen werden zum einen die Zähigkeitseigenschaften verschlechtert und zum anderen wird die wärmebeeinflusste Zone verbreitert. Die t8/5-Zeit Die t8/5-Zeit sollte je nach Schweißzusatzwerkstoff im Bereich von 5 bis 20 s., die Zwischenlagentemperatur in Abhängigkeit der Blechdicke im Bereich von 100 bis 200 °C liegen. Empfehlungen für die t8/5-Zeiten und die Zwischenlagentemperaturen:

Stahlsorte/SZW

t8/5-Zeit Zwischenlagentemperaturen (°C) (s)

S 690 QL/ G Mn4Ni1,5CrMo EN 12534 S 960 QL/S 1100 QL/ G Mn4Ni2CrMo EN 12534

5–20

100–200

5–10

100–150

Streckenenergie/Zwischenlagentemperatur Beim Schweißen von wasservergüteten und thermomechanisch umgeformten Feinkornbaustählen muss neben der Verwendung des richtigen Schweißzusatzwerkstoffs vor allem auf die Wärmeeinbringung (Streckenenergie, Zwischenlagentemperatur) und den Nahtaufbau (Mehrlagentechnik) geachtet werden. Die mechanisch-technologischen Eigenschaften des Schweißguts und der Wärmeeinflusszone WEZ werden maßgebend vom Temperatur-Zeit-Verlauf beeinflusst. Computerprogramme Diese kann mit diversen Computerprogrammen und messtechnisch ermittelt werden. Dazu dient ein mikroprozessorgesteuertes Abkühlzeitmeter. Zum Messen der Abkühlzeit t 8/5 wird eine Sonde (Thermoelement) in das flüssige Schweißgut unmittelbar hinter dem Lichtbogen getaucht. Das Messgerät zeigt nun die tatsächlichen Abkühlbedingungen der Schweißraupe 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 Abkühlzeit t 8/5. Abb. 25: Abkühlzeitmeter

Abb. 26: Messen der Abkühlzeit

Abb. 27: Thermoelement nach der Messung

Weiter über Das Autorenverzeichnis lesen Zurück zur Schweißaufsicht kompakt Hauptseite.       

        

Was ist neu? Wegweiser Normen in der Schweißtechnik Die neue DIN EN 1090 Arbeitsschutz beim Schweißen Aktuell: Künstliche optische Strahlung Hochfeste Feinkornbaustähle o 3 MAG-Schweißen hochfester Feinkornbaustähle  3.4 MAG-Schweißverfahren o Download: MAG-Schweißverfahren o Inhaltsverzeichnis "Hochfeste Feinkornbaustähle" Brandschutz, Notfallplanung und Erste Hilfe bei Schweißarbeiten Dokumentations- und Aufsichtspflichten der Schweißaufsichtsperson Schweißerprüfung, Schweißanweisungen und Herstellerqualifikation Anforderungen an Schweißnähte Zerstörungsfreie und zerstörende Schweißnahtprüfung Schweißpraxis aktuell: Hochfeste Feinkornbaustähle Schweißen von Aluminium Zerstörungsfreie und zerstörende Schweißnahtprüfung Schweißen von Duplex-Stählen

      

Schweißen von Kupfer Schweißen von Titan und Titanlegierungen Laserstrahlschweißen Wirtschaftlichkeit in der Schweißtechnik Unterweisungen für die Schweißaufsicht Mustervorlagen und Checklisten Aktuelle Vorschriften und Regelungen

Weiter Lesen: http://www.schweissaufsicht-kompakt.de/34-mag-schwei%C3%9Fverfahren0#ixzz3SjLJFsTz