Beurteilung der Schweißbarkeit – wie führt man sie durch?

Das Schweißverfahren und seine Auswirkungen auf Werkstoffe verstehen

Die beim Schweißen freigesetzte Wärme hat einen großen Einfluss auf die Struktur und die Umwandlungen, die in der Schweißnaht und im Grundwerkstoff, also dem zu schweißenden Werkstück, stattfinden. Alle mit dem Kohlenstoffgehalt zusammenhängenden Umwandlungen beeinflussen die Festigkeit, Härte, Sprödigkeit oder Rissanfälligkeit des Metalls. Es ist zu beachten, dass die für die Vorfertigung verwendeten Werkstoffe nicht vollkommen rein sind und Verunreinigungen enthalten können, die einen weiteren Faktor darstellen, der die Entstehung von Fehlern im Schweißprozess beeinflusst.

Die Steifigkeit einer Konstruktion hängt von ihren Abmessungen, der Anordnung sowie der Größe der Schweißnähte ab. All diese Parameter beeinflussen die Steifigkeit der Konstruktion sowie die Spannungen, die durch die von der Konstruktion übertragenen Kräfte verursacht werden, und auch die Spannungen, die durch die Einbringung großer Wärmemengen beim Lichtbogenschweißen entstehen. Wir versuchen, Spannungen der zweiten Gruppe mit verschiedenen Methoden zu vermeiden. Um negative Auswirkungen der auf die Werkstücke einwirkenden Kräfte zu vermeiden, muss die Menge der Verunreinigungen im Inneren und auf der Oberfläche des Materials reduziert werden.

Eine weitere Gruppe bilden technologische Faktoren, die darauf abzielen, Probleme im Zusammenhang mit Schweißkonstruktionen und deren Aufbau zu reduzieren. In diesem Zusammenhang ist die Auswahl des Schweißverfahrens, der Wärmequelle sowie der Schweißparameter wie der Vorschubgeschwindigkeit des Schweißbrenners oder der Schweißströme von Bedeutung.

Rissgefahr beim Schweißen

Eines der Probleme, die durch die Schweißbarkeitsbewertung beseitigt werden sollen, sind Schweißrisse. Diese sind für jedes Schweißverfahren und jedes Schweißgut ungünstig und werden meist durch den Temperatureinfluss im Schweißbereich verursacht. Solche Veränderungen beeinflussen die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung, und es ist nur natürlich, dass in einem solchen Fall ihre Festigkeit drastisch abnimmt. Es ist unerlässlich, eine qualitative und quantitative Bewertung dieser Veränderungen durchzuführen, um die richtigen Schweißparameter auszuwählen. Das Ergebnis ist die Erhaltung der Festigkeit und der Größe der Schweißnaht bei gleichzeitiger Verhinderung der Rissbildung. Weitere Faktoren, die ebenfalls analysiert und berücksichtigt werden müssen, sind durch das Schweißgut verursachte Fehler, wie beispielsweise: Fehler im Grundmetall oder nichtmetallische Verunreinigungen.

Um negative Auswirkungen auf die zu verbindenden Werkstoffe zu vermeiden, sollten Versuche für die jeweilige Werkstoffgruppe durchgeführt werden, die wir verwenden möchten. Wir führen diese auf technologische oder experimentelleWeise durch. Zu diesen Versuchen gehören Untersuchungen, die die in der Schweißverbindung herrschenden Bedingungen widerspiegeln. Diese Methoden ermöglichen jedoch nur in begrenztem, theoretischem Umfang die Überprüfung der Qualität, Festigkeit und des Einflusses verschiedener Faktoren auf die jeweilige Kombination der zu verbindenden Werkstoffe sowie auf die Schweißverbindung selbst. Die theoretische Methodeermöglicht durch die Analyse der chemischen Zusammensetzung des Werkstoffs die Bestimmung des Kohlenstoffgehalts im Vergleich zu den übrigen Legierungsbestandteilen. Das Verhältnis dieser Werte lässt die Anfälligkeit für die Bildung spröder Strukturen wie Martensit und Bainit innerhalb der Wärmeeinflusszone vorhersagen.

Anhand dieser Formel lässt sich bestimmen, inwieweit Stahl als leicht schweißbar angesehen werden kann:

• CEV<0,42 % – leicht schweißbarer Stahl,
• CEV=(0,42 %–0,60 %) – mäßig schweißbarer Stahl. Um unerwünschte Einflüsse auszugleichen, wird empfohlen, die Schweißgeschwindigkeit zu verringern oder das Material nachzuwärmen. Dies gilt für Bauteile mit einer Dicke von mehr als 20 mm.
• CEV>0,60 % – schwer schweißbarer Stahl, der unabhängig von der Materialdicke zusätzliche Maßnahmen erfordert (Vor- und Nacherwärmung).

Wie lässt sich feststellen, ob Stahl leicht schweißbar ist

Die indirekte und direkte Methode sind aufwendigere Verfahren, die einen größeren Aufwand an Ressourcen, Fachwissen und Messgeräten erfordern. Sie sind besonders bei großen Abmessungen problematisch. Zu diesen Prüfungen zählen: mechanische, statische und dynamische Prüfungen. Dazu gehören unter anderem Zug-, Biege- und Schlagzähigkeitsprüfungen, das Aufschweißen von Proben unter für den Schweißlichtbogen variablen Bedingungen sowie die Härtemessung innerhalb der Wärmeeinflusszone. Bei der letztgenannten Methode führen wir eine Messung nach Vickers durch, mit der die Härte des untersuchten Materials bestimmt wird. Beträgt der Unterschied zwischen der Härte des Grundwerkstoffs und der Wärmeeinflusszone mehr als 30 % zugunsten der Wärmeeinflusszone, deutet dies auf eine Neigung zur Rissbildung aufgrund hoher Härtbarkeit hin.

Weitere Methoden sind:

• das Varestraint-Verfahren (Variable-Deformation-Test), der Blanchet-Test (zur Untersuchung der Rissneigung beim Schweißen dünner Bleche) oder der segmentierte Kreistest (zur Prüfung von dicken Blechen) zur Prüfung auf Heißrisse,
• Prüfungen an befestigten Verbindungen (CTS-Prüfung – Prüfung mit einstellbarer thermischer Schärfe) sowie Prüfungen mit einstellbaren Spannungen (z. B. Stiftprüfung oder TRC-Prüfung mit kontrollierter Verbindungssteifigkeit) zur Prüfung auf Kaltbruch,
• Maß für den Einschnürungsgrad der Probe, bei dem das Material einer Zugbeanspruchung ausgesetzt und der Grad der Einschnürung der Blechdicke analysiert wird für lamellaren Bruch,
• Prüfungen der technologischen Schweißbarkeit (z. B. der Tanaka-Test und der gängige T-Test zur Auswahl der Schweißelektrode), bei denen der Einfluss von Faktoren im Zusammenhang mit der Schweißquelle – meist Lichtbogenschweißen – sowie die Auswahl der Schweißparameter (Schweißgeschwindigkeit, Schweißstrom und Art des gewählten Schweißzusatzes) auf die Ausbruchsrissbildung.

Die spezifische Auswahl der Werkstoffe und Schweißparameter für die jeweilige Konstruktion ist ein unverzichtbarer Faktor, der es ermöglicht, eine optimale Qualität der hergestellten Schweißverbindung zu erzielen. Die Auswahl der richtigen Werkstoffe und Schweißparameter ist von entscheidender Bedeutung für die Gewährleistung der Festigkeit, Langlebigkeit und Sicherheit der zu fertigenden Konstruktion. Dabei sind zahlreiche Faktoren zu berücksichtigen, wie beispielsweise die chemische Zusammensetzung der Werkstoffe, ihre physikalischen Eigenschaften sowie die spezifischen Einsatzbedingungen des Endprodukts. Der Einsatz von Prüfverfahren wie der Varestraint-Methode, Schweißbarkeitsversuchen oder der Vickers-Methode ermöglicht die Überprüfung und Optimierung der Schweißprozesse und gewährleistet so die Herstellung widerstandsfähiger und zuverlässiger Konstruktionen. Denken Sie daran, dass jede Konstruktion einzigartig ist und eine individuelle Herangehensweise erfordert, und dass Tests und Prüfungen unerlässlich sind, um höchste Qualitätsstandards zu gewährleisten.