Hochfester Stahl, robuste Verbindungen: Schweißen von Feinkornbaustahl

Die Anforderungen nach Materialreduzierung in Zeiten der Nachhaltigkeit und des effizienten Einsatzes von Ressourcen wurden von der Industrie aufgenommen. Man hat hochfeste Stähle entwickelt sowie Konzepte für deren Verarbeitung in der Praxis. So ist es möglich, zum Beispiel bei Fahrzeugen, Emissionen durch Reduzierung des Kraftstoffverbrauches zu erzielen, die auf Gewichtsreduzierung des Chassis zurückzuführen ist. Darüber hinaus können Nutztraglasten erhöht werden bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung im Kranbau und vieles mehr. Optimierte Herstellverfahren, wie beispielsweise das thermomechanische Walzen und der erhöhte Gehalt an feinkornbildenden Legierungselementen, führen bei Feinkornbaustählen zu sehr hohen Festigkeiten und Streckgrenzen, verbunden mit ausgezeichneten Zähigkeitswerten bei tiefen Temperaturen und Streckgrenzen bis zu 1300 MPa.

Was versteht man eigentlich unter dem Begriff hochfester Feinkornbaustahl?

Höher- und hochfeste Feinkornbaustähle sind Baustähle mit einer Nennstreckgrenze größer 420 MPa.
Normalisierte (oder normalisierend gewalzte Stähle): Streckgrenzen bis S460N genormt nach DIN EN 10113-2
Vergütete Stähle: Streckgrenzen bis S1300Q genormt nach DIN EN 10137-2
Thermomechanisch gewalzte Stähle: Streckgrenzen bis S460M genormt nach DIN EN 10 113-3.
AHSS steht für Advanced High Strength Steel (weiterentwickelter hochfester Stahl) und bezeichnet moderne hochfeste, unlegierte Stahlsorten, die auch als Kohlenstoffstahl, Karbonstahl, C-Stahl und AHS-Stahl bezeichnet werden. Außerdem werden auch einige traditionelle Stähle, wie Messerstahl, Kohlenstoff- oder Karbonstahl genannt. AHSS-Stähle zählen in der Regel zu den Edelstählen und kommen eigentlich nur im Automobilbau zum Einsatz.

Was sind die größten Herausforderungen beim Schweißen hochfester Feinkornbaustähle?

Hohe Festigkeit mit sehr guten Kerbschlagwerten, teilweise bis – 60°C
- Besonderheit der Offshore-Anforderungen an den Zusatzwerkstoff: 10% der Streckgrenze bei der jeweiligen Prüftemperatur in J (also 69J bei -60°C für 690 MPa)
Keine Risse (das größte Risiko hier sind die wasserstoffinduzierten Risse)
Keine Härtespitzen sowohl in der Schweißnaht als auch in den Übergangszonen
Das Finden der richtigen Schweißparameter, um die Anforderungen zu erreichen

Widmen wir uns zuerst einmal dem Wasserstoff [H2] und den Problemen, die er beim Schweißen verursacht.

Hier ist die Wasserstoffrissbildung bei Schweißverbindungen oder HACC Hydrogen Assisted Cold Cracking wohl das größte Problem.

Nach dem heutigen Stand der Technik wird angenommen, dass HACC in geschweißten Stählen das Ergebnis von drei miteinander verbundenen Hauptfaktoren ist:

- Wasserstoffkonzentration in der Schweißnaht (sollte < 5 ml/100gSG liegen)
- Lokale Eigenspannungen, die auf die Schweißnaht einwirken durch Spannungen und thermische Kontraktion beim Abkühlen
- Rissanfällige(s) WEZ und/oder Schweißgutgefüge (Grobkorn)

Querrisse in der Schweißnaht
Querrisse in der WEZ
WEZ Übergangsrisse / Kerbrisse
Schweißnaht Wurzelriss
WEZ Wurzelriss
Unternahtriss

Wann besteht die Gefahr solcher Risse?

Immer wenn die Faktoren

Spannungen
Mikrostruktur
Wasserstoff

in einer ungünstigen Konstellation aufeinandertreffen

Was empfehlen wir, um diesen Problemen entgegenzuwirken?

Wasserstoffgehalt des Schweißgutes
Schweißverfahren
Kohlenstoffäquivalent
Blechdicke
Vorbereitung der Verbindung
Chemische Zusammensetzung des Schweißguts
Mechanische Eigenschaften
Wärmezufuhr
Abkühlungszeit t_8/5 zwei- oder dreidimensional
Vorwärm- und Zwischenlagentemperatur
Eigenspannung der Konstruktion nach dem Schweißen

Hydrogen content in the weld metal, height and cause.

Ein kurzer Blick auf die internationalen Normen und ihre Grenzwerte

	ISO	ASME (AWS)	JIS	AS/NZS
Hydrogen levels	Diffusible weld metal hydrogen (ml/100g)
Controlled	≤15	≤16	≤15,≤15,≤12	≤15
Low	≤10	≤8	≤10, ≤9, ≤7	≤10
Very low	≤5	≤4	≤6	≤5

Die H2 - Level sind in 5-er bzw. 4-er Schritten eingeteilt und spiegeln sich auch bei den Normeinstufungen der Zusatzwerkstoffe wider.

Hier zu gibt es auch genormte Messverfahren, die im Wesentlichen auf zwei Methoden beruhen.

Quecksilbermethode

lange Messzeit 72 -144 h
aufwändig
wegen Einsatz des Quecksilbers nicht mehr in vielen Ländern Zugelassen

Trägergasmethode

schnell (ca. 20-30 Minuten bei max. 400 °C)
einfach
unbedenklich
Software-Unterstützung

Die Quellen für Wasserstoff beim Schweißen

Am Beispiel des MAG-Schweißens möchten wir auf einen wesentlichen, oft unterschätzten, Faktor - den Stickout und seinen Einfluss auf die Aufnahme von Gasen aus der Umgebung - hinweisen.

Einflussfaktoren

Flüssigkeiten
Luft
Oberflächenschmutz

Hier sind N₂, O₂, und H₂ als die bekanntesten Verursacher von Rissen, Härtespitzen sowie deren Einfluss auf Dehnung und Festigkeit zu nennen.

Langer Stick out

- Negative Auswirkung auf N2 / O2
- Positiver Einfluss auf H2

Kurzer Stick out

- Negative Auswirkung auf H2
- Positiver Einfluss auf N2 / O2

N2, O2, and H2 are the best-known causes of cracks

Aus diesem Diagramm ergibt sich eine Empfehlung für ein Stickout von 15 - 20 mm für das Schutzgasschweißen.

Parameters that affect the cooling time between 800 and 500 °C the T8 5 concept

Parameter die sich auf die Abkühlzeit zwischen 800 und 500 °C auswirken das T8/5 Konzept

Der Fokus muss hier auf die richtige Auswahl des Schweißverfahrens, des Zusatzwerkstoffes und der Schweißparameter gelegt werden.

Die optimale Abkühlzeit t_8/5beim Schweißen zu erzielen ist der Schlüssel zum Erfolg.

Dies bedeutet, dass im Extremfall für die richtige Ermittlung der Schweißparameter (Strom, Spannung, Schweißgeschwindigkeit) jede Schweißraupe einzeln betrachtet werden sollte.

Hierzu gibt es von vielen Stahlherstellern Tools, die man hervorragend nutzen kann.

Über die Eingabe der Nahtvorbereitung, der Analysen von Zusatz- und Grundwerkstoff sowie der Schweißparameter bekommt man Auskunft über die zu erwartenden Werte der Schweißnaht.

Die Analyse spiegelt sich dann im Kohlenstoffäquivalent wider.

Die beiden gängigsten Kohlenstoffäquivalente sind CE (für 0,05 – 0,25% C-Gehalt) und CET (0,05 -0,32% C-Gehalt).

Aus unserer Sicht ist das CET-Konzept besser geeignet für den Umgang mit Fragen bezüglich des Kaltrissverhaltens.

IIW-Formula

$C E = C + = \frac{M n}{6} + \frac{C r + M o + V}{5} + \frac{C u + N i}{15}$

CET-Formula

$C E T = C + = \frac{M n + M o}{10} + \frac{C r + C u}{20} + \frac{N i}{40}$

(EN 1011-2 attachment C.3)

Oft findet man auch schon in der Literatur oder den Datenblättern der Stahlhersteller berechnete CET-Werte.

Dieser CET-Wert in Kombination mit der Blechdicke dient zur Ermittlung der Vorwärmtemperatur.

Unsere Erfahrungen decken sich mit den Diagrammen aus dem DNV-GL Regelwerk.

Min - Preheating temperatures (working temperatures) for welding processes with relatively low heat input (line energy Q ≈ 0.5 kJ/mm) as a function of the carbon equivalent CET of the base material and hydrogen content of the weld metal.

Min - Preheating temperatures (working temperatures) in welding processes with relatively high heat input (line energy Q ≈ 3.5 kJ/mm) as a function of the carbon equivalent CET of the base material and hydrogen content of the weld metal.

Der richtige Messpunkt für die Vorwärmung ist hierbei sehr wichtig.

t ≤ 50: A= 4 x t, max. 50 mm

t > 50: A= 75 mm

workable welding space of welding consumables

Optimalerweise werden dann alle Parameter in einem Diagramm mit Arbeitsbereich angezeigt und man hat die Möglichkeit Anpassungen vorzunehmen.

Für Stahl mit CET = 0.39 und HD 2-5 ml

Einfluss des Lagenaufbaus auf die Gütewerte

Breit gependelt

Rm	560	MPa
Rp0,2	500	MPa
A5	27	%
CEV	74	J (-40°C )

Leicht gependelt

Rm	620	MPa
Rp0,2	560	MPa
A5	27	%
CEV	120	J (-40°C )

Nicht gependelt

Rm	650	MPa
Rp0,2	580	MPa
A5	23	%
CEV	63	J (-40°C )

Gerne helfen wir Ihnen bei der Auswahl des für Ihre Anwendung richtigen Verfahrens, des richtigen CEWELD Zusatzwerkstoffes, sowie der entsprechenden Parameter für ein optimales Schweißergebnis.

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