Schweißen hochfester Stähle – Besonderheiten beim Schweißvorgang

Hochfeste Stähle haben besondere Materialeigenschaften. Diese führen speziell beim Schweißen zu speziellen Anforderungen im Umgang mit dem Material. Die Mindeststreckgrenze ist bei diesen Stählen gesteigert und die Festigkeit besonders hoch.

Hier ist sehr viel Sorgfalt beim Schweißen gefragt. Das gilt besonders für dickere Bleche. Sorgfältiges Arbeiten ist wichtig bei der Vorbereitung des Werkstücks ebenso wie bei der Auswahl der Zusätze zum Schweißen. Qualitativ hochwertige basische Schweißzusätze erweisen sich hier vielfach als ideal. In der Schweißglut sollte ein möglichst niedriger Wasserstoffgehalt herrschen. So kann unter anderem Kaltrissen vorgebeugt werden. In diesem Beitrag werden weitere Anforderungen an das Schweißen hochfester Stähle zusammengefasst.

Hochfester Stahl, seine Materialeigenschaften und Einsatzbereiche

Hochfeste Stähle weisen einen erhöhten Gehalt an feinkornbildenden Legierungselementen auf. Dabei handelt es sich vor allem um Mangan und Kohlenstoff. Diese Elemente wirken sich direkt auf die Schweißbarkeit aus.

Steigt ihr Anteil, wird das Schweißen schwieriger bis unmöglich. Auch die Herstellungsverfahren sind bei hochfesten Stählen speziell. Eine eindeutige Definition für diese Formen von Stahl gibt es nicht. Die Mindeststreckgrenze mit > 500 N /mm² spielt bei der Definition eine Rolle. Allgemein handelt es sich um ein Material, das sich durch hohe Festigkeit, hohe Streckgrenzen sowie eine überlegene Toleranz gegenüber Tiefsttemperaturen auszeichnet. Hochfeste Stähle sind deshalb oftmals die erste Wahl, wenn es um Baugruppen mit starker Beanspruchung geht.

Die mögliche Kehrseite der hohen Festigkeit und Streckbarkeit ist die erhöhte Gefahr innerer Spannungen. Diesem Gesichtspunkt muss auch beim Schweißen Rechnung getragen werden.

Vorbereitung des Werkstücks aus hochfestem Stahl für das Schweißen

Um spröde Aufhärtungszonen zu vermeiden, sollte das Werkstück vorgeschwärmt werden. Der Vorwärmprozess beginnt nach der Prüfung auf die Trockenheit von Nahtfugen sowie auf Freiheit von Brennschneidschlacken, Verunreinigungen, Rost und Zunder. Diese eingehende Prüfung des Werkstücks vor Arbeitsbeginn ist unbedingt notwendig, um etwa Porenbildung zu vermeiden. Zur Vorbereitung gehört es auch, dass vor dem Schweißen die Schläuche für die Zufuhr von Gas und sämtliche Schlauchpakete mit Schutzgas umfassend gespült werden. Ebenso sind etwaige Kühlkreise im System daraufhin zu überprüfen, ob an einer Stelle ein Leck besteht. Kondenswasserbildung muss unbedingt vermieden werden. Sind die verwendeten Schläuche für diesen Einsatzzweck nicht geeignet, müssen sie durch geeignete Schläuche ersetzt werden. Die ungeeigneten Schläuche ziehen Feuchtigkeit an.

Vorgaben ist bereits bei relativ geringer Blechdicke ab 12 mm angezeigt. Dabei sollte das Werkstück auf 80-150 °C erwärmt werden. Ebenso wichtig ist die Zwischenlagertemperatur. Sie sollte etwa 50° über der Vorwärmtemperatur liegen. Als Maximum wird hier 250 °C angesehen.

Alles, was eine Aufhärtung fördern könnte, wie etwa zu schnelles Abkühlen, steigert die Rissgefahr. Als Brenngas beim Vorwärmen empfiehlt sich Acetylen. Es hat den niedrigsten Wasserstoffgehalt aller Brenngase und verringert die Gefahr, dass Wasserstoff in die Oberfläche des Werkstücks eindringt. Es darf außerdem beim Vorwärmprozess kein Wasserdampf an kühleren Stellen des Werkstücks kondensieren.

In der Vorbereitung ist die Schweißtemperatur bereits festzulegen. Sie darf nicht zu hoch angesetzt werden. Ansonsten kommt es zur Grobkornbildung. Diese kann die Festigkeit des feinkörnigen hochfesten Stahls negativ beeinflussen. Das Spannungsarmglühen ist das Mittel der Wärmenachbehandlung bei hochfesten Stählen. In der weiteren Vorbereitung ist das Schweißen selbst zu planen. Es sind Schweißzusätze zu wählen, die die Eigenschaften des Materials nicht negativ beeinflussen.

Der Schweißprozess bei hochfesten Stählen

Besondere Aufmerksamkeit gilt der Gefahr von Kaltrissen bei den Werkstücken aus hochfestem Stahl. Man kann die Empfindlichkeit eines Stahls gegenüber Kaltrissen anhand der sogenannten Kohlenstoffäquivalenz CET gut abschätzen. MAG-Schweißen eignet sich zum Schweißen dieses Stahls besser als WIG-Schweißen oder Lichtbogen-Schweißen, weil beim MAG-Schweißen der Wasserstoffgehalt bei dieser Schweißart geringer ist. Auch Laserschweißen kommt infrage.

Die üblicherweise genutzten Schutzgase sind beim MAG-Schweißen primär Gemische mit dem Edelgas Argon und weiteren Aktivgaskomponenten wie Kohlendioxid oder Sauerstoff. Die Schweißgeschwindigkeit ist ausreichend zu wählen, damit die Streckenenergie erhalten wird.

Niederaktive Gase können vorteilhaft beim Schweißen hochfester Stähle sein. Mit ihnen wird weniger Legierung abgetragen, die Spritzertätigkeit fällt geringer aus und es bildet sich weniger Schlacke auf der Nahtoberfläche. Niederaktive Gase haben etwa Sauerstoffgehalte von 4 % oder 8 % Gehalte von Kohlendioxid. Es kann vorteilhaft sein, mit Fülldrähten zu arbeiten. Beim Laserschweißen sind das Schutzgas Helium oder eine Mischung aus Argon und Aktivgasen empfehlenswert.

Insgesamt ist das Schweißen hochfester Stähle eine anspruchsvolle Aufgabe. Die Arbeit gehört in erfahrene Hände. Alle Komponenten müssen optimal aufeinander abgestimmt sein, um ebenso optimale Ergebnisse zu erreichen.

Bild: ©Photocreo Bednarek /Adobe Stock

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