Vorwärmung und Wärmebehandlungen nach dem Schweißen

Was der Schweißinspektor über das Vorwärmen und die Wärmebehandlung nach dem Schweißen wissen sollte

Beim Schweißen einiger Grundwerkstoffe und für bestimmte Einsatzzwecke können ein Vorwärmen und/oder eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erforderlich sein. Diese Arten von Wärmebehandlungen sind erforderlich, um die Integrität der Schweißnaht zu gewährleisten und verhindern oder beseitigen in der Regel unerwünschte Eigenschaften der fertigen Schweißnaht. Jede Form der Wärmebehandlung ist kostspielig, da sie zusätzliche Ausrüstung, zusätzliche Zeit und zusätzliche Bearbeitung erfordert. Aus diesen Gründen sollte eine Wärmebehandlung nur nach sorgfältiger Abwägung der möglichen Vorteile durchgeführt werden. In bestimmten Fällen ist eine Wärmebehandlung zwingend erforderlich, z. B. bei massiven Teilen aus niedrig legierten Stählen, während sie in anderen Fällen eine berechtigte Vorsichtsmaßnahme gegen frühzeitiges Versagen im Betrieb darstellt.

Es gibt mehrere Gründe für die Einbeziehung dieser thermischen Behandlungen in das Schweißverfahren. Wir werden einige der häufigsten betrachten.

Vorwärmung

Vorwärmen ist nach den AWS-Standardschweißbedingungen und -definitionen „die Wärme, die dem Grundwerkstoff oder dem Substrat zugeführt wird, um die Vorwärmtemperatur zu erreichen und zu halten“. Die Vorwärmtemperatur wird in demselben Dokument definiert als „die Temperatur des Grundwerkstoffs in dem die Schweißstelle umgebenden Volumen unmittelbar vor Beginn des Schweißvorgangs. Bei einer Mehrlagenschweißung ist dies auch die Temperatur unmittelbar vor Beginn der zweiten und der nachfolgenden Lagen“ (Zwischenlagentemperatur).

So geht das Vorwärmen

Das Vorwärmen kann mit Gasbrennern, Autogenflammen, elektrischen Heizdecken, Induktionserwärmung oder in einem Ofen erfolgen. Für hervorragende Ergebnisse ist es wichtig, dass die Erwärmung um den Verbindungsbereich herum gleichmäßig ist. Intensives, ungleichmäßiges Erhitzen ist wenig nützlich, um das Abkühlen zu verzögern, und kann nachteilig sein, indem es höhere Restspannungen, Verformungen oder unerwünschte metallurgische Veränderungen im Grundmaterial verursacht.

Wenn eine Vorwärmung vorgeschrieben ist, sollte die gesamte Schweißverbindung gleichmäßig durch die Materialdicke hindurch auf die gewünschte Mindesttemperatur erwärmt werden. Um eine gleichmäßige Temperatur durch die Materialdicke hindurch zu erhalten, ist es wünschenswert, die Heizquellen auf einer Seite der Materialoberfläche anzubringen und die Materialtemperatur auf der gegenüberliegenden Seite zu messen.

Wenn die Erhitzung und die Temperaturmessung an derselben Oberfläche vorgenommen werden müssen, muss der Prüfer sicherstellen, dass mehr als nur die Oberfläche des Materials erhitzt wurde. Es ist darauf zu achten, dass die gesamte Materialstärke auf eine gleichmäßige Temperatur erwärmt wurde.

Zusätzlich zur Festlegung einer Vorwärmtemperatur muss bei einigen Anwendungen möglicherweise eine Begrenzung der Zwischenlagentemperatur berücksichtigt werden. Diese Informationen sollten in den Schweißanweisungen angegeben werden. Wenn eine Zwischenlagentemperatur angegeben ist, muss der Schweißbereich vor dem Auftragen der nächsten Schweißraupe inspiziert werden. Das Schweißen darf nicht fortgesetzt werden, wenn die gemessene Temperatur die für das Schweißverfahren festgelegten maximalen Zwischenlagenbedingungen überschreitet. Das Schweißgut muss auf die angegebene Obergrenze der Zwischenlagentemperatur abkühlen, bevor mit dem Schweißen fortgefahren wird.

Abhängig von den metallurgischen Eigenschaften des Materials und/oder den gewünschten mechanischen Eigenschaften der geschweißten Komponente können Vorwärm- und Zwischenlagentemperatur aus verschiedenen Gesichtspunkten bewertet werden. Bei einem Verfahren zum Schweißen von Baustahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und relativ geringer Härtbarkeit, kann bei Anwendungen ohne besondere Anforderungen eine Mindestvorwärm- und Zwischenlagentemperatur in Abhängigkeit von der Materialstärke festgelegt werden.

Bei Schweißverfahren für wärmebehandelbare niedrig legierte Stähle und Chrom-Molybdän-Stähle mit Kerbschlagzähigkeit werden in der Regel Mindest- und Höchstwerte für die Vorwärm- und Zwischenlagentemperaturen festgelegt. Diese niedriglegierten Materialien können eine hohe Härtbarkeit aufweisen und sind anfällig für Wasserstoffrisse. Diese Materialien zu schnell abkühlen zu lassen oder sie zu überhitzen, kann ihre Leistungsanforderungen ernsthaft beeinträchtigen. Beim Schweißen der Nickellegierungen kommt es vor allem auf einen hohen Wärmeeintrag während des Schweißvorgangs an. Die Wärmeeinbringung durch den Schweißprozess sowie die Vorwärm- und Zwischenlagentemperatur können diese Werkstoffe stark beeinträchtigen. Ein hoher Wärmeeintrag kann zu übermäßiger konstitutioneller Verflüssigung, Karbidausscheidungen und anderen schädlichen metallurgischen Phänomenen führen. Diese metallurgischen Veränderungen können zu Rissbildung oder zum Verlust der Korrosionsbeständigkeit führen. Beim Schweißen einiger Aluminiumlegierungen, z. B. der wärmebehandelbaren 2xxx-, 6xxx- und 7xxx-Serien, geht es oft um die Reduzierung der Gesamtwärmeeinbringung. Bei diesen Materialien wird die maximale Vorwärm- und Zwischenlagentemperatur gesteuert, um den Einfluss des Glühens und der Überalterung auf die Wärmeeinflusszone (WEZ) und den daraus resultierenden Verlust an Zugfestigkeit zu minimieren.

Bei kritischen Anwendungen muss die Vorwärmtemperatur genau geregelt werden. In diesen Situationen werden regelbare Heizsysteme verwendet und Thermoelemente angebracht, um das zu erwärmende Teil zu überwachen. Diese Thermoelemente liefern ein Signal an die Steuereinheit, die die zum Heizen erforderliche Stromquelle regeln kann. Durch den Einsatz dieser Art von Geräten kann das zu erwärmende Teil mit extrem engen Toleranzen kontrolliert werden.

Warum Vorwärmen erforderlich ist

Zu den Hauptgründen für die Vorwärmung gehören:

a) Um dem Schweißbereich Feuchtigkeit zu entziehen: Typischerweise geschieht dies durch Erhitzen der Materialoberfläche auf eine relativ niedrige Temperatur, knapp über dem Siedepunkt von Wasser. Dadurch wird die Plattenoberfläche getrocknet und die unerwünschten Verunreinigungen werden entfernt, die andernfalls Porosität, Wasserstoffversprödung oder Rissbildung durch das Einbringen von Wasserstoff während des Schweißprozesses verursachen könnten.

b) Um den thermischen Gradienten zu verringern: Alle Lichtbogenschweißverfahren verwenden eine Hochtemperatur-Wärmequelle. Zwischen der lokalen Wärmequelle und dem kühlen Grundwerkstoff, der geschweißt wird, entsteht eine große Temperaturdifferenz. Dieser Temperaturunterschied führt zu einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung und -kontraktion sowie zu hohen Spannungen im geschweißten Bereich. Die Verringerung des Temperaturunterschieds durch Vorwärmen des Grundmaterials minimiert Probleme im Zusammenhang mit Verzug und übermäßiger Eigenspannung. Wenn keine Vorwärmung durchgeführt wird, kann ein großer Temperaturunterschied zwischen dem Schweißbereich und dem Grundmaterial auftreten. Dies kann zu einer raschen Abkühlung führen, die beim Schweißen einiger Werkstoffe mit hoher Härtbarkeit zur Bildung von Martensit und wahrscheinlich zu Rissen führt.

Wärmenachbehandlung nach dem Schweißen

Verschiedene Arten von Wärmebehandlungen nach dem Schweißen werden aus unterschiedlichen Gründen und für verschiedene Werkstoffe eingesetzt.

a) Spannungsabbau – Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen wird am häufigsten zum Spannungsabbau verwendet. Der Zweck des Spannungsabbaus besteht darin, innere Spannungen oder Eigenspannungen zu beseitigen, die durch den Schweißvorgang entstanden sein könnten. Ein Spannungsabbau nach dem Schweißen kann erforderlich sein, um die Gefahr eines Sprödbruchs zu verringern, einen späteren Verzug bei der Bearbeitung zu vermeiden oder die Gefahr von Spannungskorrosion zu beseitigen.

b) Erzielung einer geeigneten metallurgischen Struktur – Bei einigen legierten Stählen kann eine thermische Anlassbehandlung erforderlich sein, um eine geeignete metallurgische Struktur zu erhalten. Diese Behandlung erfolgt nach dem Erkalten der Schweißnaht, kann aber unter Umständen auch vor dem Erkalten durchgeführt werden, um Risse zu vermeiden.

c) Normalisieren nach dem Schweißen – Bei Stahl könnten extrem grobe Schweißnähte, wie sie beim Elektroschlackeschweißen entstehen, nach dem Schweißen ein Normalisieren erfordern. Diese Behandlung verfeinert die grobe Kornstruktur, reduziert Spannungen nach dem Schweißen und entfernt alle harten Zonen in der Wärmeeinflusszone.

d) Wiedererlangung der ursprünglichen Eigenschaften – Ausscheidungshärtende Legierungen, z. B. die wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen, müssen manchmal einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen unterzogen werden, um ihre ursprünglichen Eigenschaften wiederzuerlangen. In einigen Fällen wird nur eine Alterungsbehandlung verwendet, obwohl eine vollständige Lösungswärmebehandlung und eine künstliche Alterungsbehandlung eine bessere Wiederherstellung der Eigenschaften nach dem Schweißen bieten.

Wenn die Schweißarbeiten ein Vorwärmen und/oder eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen beinhalten, ist es wichtig, dass der Schweißinspektor diese Anforderungen versteht, um sicherzustellen, dass sie korrekt und gemäß den relevanten Schweißverfahrensspezifikationen und/oder Vorschriften durchgeführt werden.