Als Wärmeeinflusszone (WEZ) bezeichnet man den nicht geschmolzenen Metallbereich, der sich zwischen einer Schweißnaht und dem unveränderten Grundwerkstoff befindet. Aufgrund der starken thermischen Belastung weist er materielle Schwachstellen auf, die es gewissenhaft zu behandeln gilt. In diesem Artikel erfahren Sie, welche Veränderungen die Wärmeeinflusszone aufweist und wie man dagegen vorgeht.
Inhalt
Wie entstehen wärmebeeinflusste Zonen?
Wärmeeinflusszonen entstehen durch die spezifische Temperaturleitfähigkeit unterschiedlicher Materialien. Bei Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit werden die Wärmeschwankungen schneller übertragen. Entsprechend kühlen sie schneller ab, wodurch sich auch die Wärmeeinflusszone reduziert. Anders sieht das bei Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit aus. Sie halten die Wärme länger zurück, wodurch die WEZ breiter ausfällt.
Grundsätzlich kann man sagen, dass das Ausmaß der WEZ abhängig von der Menge der zugeführten Wärme, dem Zeitfaktor der Wärmeeinwirkung und den Materialeigenschaften ist. Je länger ein Material einer größeren Energiemenge ausgesetzt wird, desto größer ist auch die WEZ.
Die verschiedenen WEZ-Bereiche
So wie die WEZ zwischen der Schweißzone und dem unbeeinflussten Metall auftritt, weist sie auch selbst noch einmal verschiedene Bereiche auf, die sich durch ihre Nähe zur Hitzequelle unterscheiden. Hier ein Überblick über alle Zonen mit ihren jeweiligen Eigenschaften.
- Schweißzone
Bei der Schweißzone handelt es sich um den schmelzflüssigen Bereich, in dem der Schweißprozess selbst stattfindet. Hier sind die thermischen Belastungen und die Veränderungen des Metalls am stärksten ausgeprägt.
- Fusionszone
Die Fusionszone ist der Bereich, in dem sowohl flüssige als auch feste Phasen des Metalls vorhanden sind. Er schließt sich unmittelbar an die Schweißzone an.
- Wärmeeinflusszone
Die WEZ untergliedert sich in vier Bereiche:
- Kornwuchszone: Diese Zone befindet sich nahe der erwärmten Fläche
- Rekristallisierte Zone
- Teilweise transformierte Zone
- Temperierte Zone
Die verschiedenen Bereiche zeichnen sich durch unterschiedliche Temperaturen des Grundwerkstoffs aus. Erkennbar sind sie an den jeweiligen Anlauffarben. Sie geben einen ungefähren Hinweis darauf, welche Temperatur vom Metall erreicht wurde. Bei Edelstahl, der unter normalem Einfluss von Umgebungsluft erwärmt wurde, sind zum Beispiel folgende Farben zu erkennen:
- 290°C: Hellgelb
- 340°C: Strohgelb
- 370°C: Gelb
- 390°C: Braun
- 420°C: Violettbraun
- 450°C: Dunkelviolett
- 540°C: Blau
- 600°C: Dunkelblau
Die Anlauffarben sind von der Oxidationsbeständigkeit des Materials abhängig. Entsprechend weisen Metalle mit einem höheren Stahl-Chrom-Gehalt eine weniger starke Färbung auf, da sie widerstandsfähiger gegen Oxidation sind. Ebenso können Schutzgas- und Elektrodenbeschichtungen zu einer Reduktion der Hitzeeinwirkung beitragen und so gegen Oxidation schützen. Andersherum kommt es auf rauen Oberflächen schneller zu Oxidation und damit zu dunkleren Farben. Weiterhin kann die wärmebedingte Farbveränderung auch durch Farben und Öle beeinflusst werden.
- Unbeeinflusstes Basismaterial
Bei dem letzten Bereich handelt es sich eine Zone, die so weit von der Schmelzstelle entfernt, dass hier keine thermische Veränderung auftritt.
Wie wirken sich wärmebeeinflusste Zonen aus?
Durch die Erwärmung ändern sich das Metallgefüge und damit die Eigenschaften in diesem Bereich. Diese Veränderungen gegenüber dem Grundwerkstoff sind in der Regel unerwünscht, da die Materialeigenschaften schlechter werden. Typische Probleme in diesem Bereich sind:
- Erhöhte Sprödigkeit durch Diffusion im Schweißgut und Druckbildung im Metallgitter
- Schweißrisse (Heiß- und Kaltrisse)
- Eigenspannungen
- Verminderte Korrosionsbeständigkeit durch Chromkarbidbildung an Korngrenzen
- Verminderte Materialfestigkeit
- Verminderte Schweißbarkeit durch Oberflächennitrieren
Das ist auch der Grund dafür, dass es sich bei Bereichen mit Ausfällen oft um die WEZ handelt. Aus diesem Grund ist es wichtig, die passenden Maßnahmen gegen die Veränderungen in der WEG zu ergreifen.
So lassen sich Wärmeeinflusszonen reduzieren
Durch eine Reduzierung der wärmebeeinflussten Zone ist es möglich, damit in Zusammenhang stehende Probleme wie Korrosion, Rissbildung, Versprödung und Korrosion zu verhindern. Möglich ist dies mithilfe verschiedener Verfahren.
Wärmebehandlung nach der Abkühlung des Materials
Die Wärmebehandlung umfasst Verfahren, bei denen Werkstücke in einem bestimmten Verlauf erwärmt und abgekühlt werden, um ihre Materialeigenschaften, z. B. die Härte, zu verbessern. Beispiele sind das Verhärten, das Diffusionsglühen, das Randschichthärten und das Vergüten.
Probleme bestehen hierbei allerdings darin, dass das Verfahren kostspielig und vergleichsweise zeitaufwendig ist. Darüber hinaus bietet es keine vollständige Lösung. Der Behandlungsumfang des Bauteils ist durch die Größe des Brenners bzw. Ofens beschränkt.
Schleifen
Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, die durch die Oxidation entstandene Hitzeeinfärbung abzuschleifen. Auf diese Wiese wird die Schicht darunter freigelegt und die Selbstpassivierung des Chroms aktiviert. Allerdings besteht dadurch auch die Gefahr, dass das Bauteil geschwächt wird.
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