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1.0 Theoretische Grundlagen 1.1 Was passiert beim - hemathie.de

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1.0 Theoretische Grundlagen
1.1 Was passiert beim Schweißen im Werkstoff
Der Werkstoff wird an der Schweißstelle durch annähernd punktförmig wirkende, also sehr
konzentrierte Wärmequellen (Leistungsdichte bis 107 W/cm²), örtlich aufgeschmolzen. Dabei
werden Temperaturen ≥ 2000°C erreicht. Die konzentrierte Energiezufuhr führt zu extrem
großen Aufheiz- (bis 1000 K/s) und Abkühlgeschwindigkeiten (mehrere 100 K/s), wobei die
Verweilzeit bei der jeweiligen Höchsttemperatur höchstens einige Sekunden beträgt. Kurzum
die beim Schweißen stattfindende ,,Wärmebehandlung’’ hat nichts mit der technischen
Wärmebehandlung von Metallen zu tun. Die Aufheizgeschwindigkeiten sind wesentlich
größer: Eigenspannungen sind die Folge. Die Maximaltemperaturen sind in der
Schmelzgrenze sehr hoch, obwohl nur kurz: Grobkorn im Werkstoff kann eine Folge der
hohen Temperatur sein. Da auch die Abkühlgeschwindigkeit enorm schnell ist, kommt es zu
Eigenspannungen im Werkstück. Und bei der wichtigen Werkstoffgruppe >Stähle< kann es
in den Austenitischen Bereichen der Schweiß-Verbindung zu unerwünschten Härtespitzen
infolge Martensitbildung kommen.
1.2 Grundlagen der Schweißeignung von Stählen
Die Schweißeignung von Stählen wird vom Werkstoff abhängig und getrennt betrachtet.
Dabei wird unterschieden:
• unlegierte Stähle
• niedriglegierte Stähle
• hochlegierte Stähle
Bei den unlegierten Stählen ist die Schweißeignung nur vom Kohlenstoff abhängig. Wobei zu
erwähnen ist das die gut schweißbaren Stähle ohne vorwärmen oder Wärmebehandlung
schweißbar sind (z.b. St275JR, S355JO) .
 nicht

härtbar bedingt
 gut

C ≤ 0,22%
gut 

0,23% ≤ C ≤ 0,45% bedingt schweißbar
0,46% ≤ C
nicht 
In der Gruppe der niedriglegierten Stähle ist nicht nur der Kohlenstoff entscheidend sondern
auch die Summe der Legierungselemente (∑LE) . Die für die Schweißeignung
entscheidende Größe ist das Kohlenstoffäquivalent CÄ
% Mn % Ni %Cr % Mo %V Cu Ni P
+
+
+
+
+
+
+ + 0,0024 s
6
15
5
4
4
13 15 2
C Ä = Kohlenstoffäquivalent
C Ä = %C +
LE = Legierungselemente
s = Blechdicke
C Ä ≤ 0,45%
gut 
 nicht


härtbar bedingt 0,46% ≤ C Ä ≤ 0,60% bedingt schweißbar
 gut
0,60% ≤ C Ä
nicht 

Werden bedingt schweißbare Stähle zum Schweißen verwendet ohne sie einer
Wärmebehandlung zu unterziehen, kommt es zur Martensitbildung in der
Wärmeeinflusszone. Selbiges passiert auch bei unlegierten Stählen.
Ist die Summe der Legierungselemente größer 5% (∑LE≥5%) handelt es sich um die Gruppe
der hochlegierten Stähle. Und auch hier ist es unverzichtbar den Kohlenstoffgehalt im Stahl
zu betrachten um eine Schweißeignung bestimmen zu können. Dabei gibt es zwei
besonders wichtige Stahlgruppen der hochlegierten Stähle:
• Rost- und säurebeständige Stähle
• Hitze- und Zunderbeständige Stähle
2.0 Geräte und Zubehör
StE355
355 N/mm2 (Re)
Feinkornbaustahl (mit Angabe der Streckgrenze)
2 Proben
vorgewärmte Probe (auf 200°C)
nicht vorgewärmte Probe
Schleifmaschine mit Wasserkühlung
Methanol
3% ige HNO3
Föhn
Vickers Prüfautomat (Zwick/Materialprüfung)
HVT 1
über die Eindringtiefe gemessen
Härteprüfung Vickers
3.0 Durchführung
Feinschleifen der Oberfläche
Abspülen der Oberfläche zur Rostvorbeugung
Ätzen der Oberfläche (3% ige HNO3)
Abspülen mit Wasser und Methanol (dadurch ist die Schweißnaht im Querschnitt
sichtbar)
Trocknen der Proben mit dem Föhn
Prüfautomat einstellen und Proben einspannen
vorgewärmte Probe
Schweißnaht
Wärmeeinflusszone
StE355
(Bild1)
Prüflinie
Grundwerkstoff
Nicht vorgewärmte Probe
Schweißnaht
Wärmeeinflusszone
StE355
Grundwerkstoff
(Bild2)
Prüflinie
4.0 Auswertung
Die Härteprüfung der Schweißproben ergab das die Wahl des Werkstoffs mit dem
Fertigungsverfahren zusammen hängt. So ist speziell für den StE355 eine
Wärmebehandlung notwendig wenn der Werkstoff durch das Schweißen gefügt werden soll.
Andernfalls tritt lokal eine Martensitbildung auf, die jedoch vom Werkstoffanwender nicht
erwünscht ist. Da Martensit ein sehr geringes plastisches Verformungsvermögen besitzt,
nicht umformbar, spröde und sehr hart ist. Weiterhin weist Martensit eine hohe Zugfestigkeit,
geringe Bruchdehnung und Brucheinschnürung auf. Die Vickersprüfung ergab das beim nicht
vorgewärmten StE355 in der Wärmeeinflusszone Martensit entstanden ist, dies wird durch
den enormen Härteanstieg im Prüfdiagramm sichtbar. Hingegen bei der wärmebehandelten
Schweißprobe ist eine fast gleichförmige Härte festzustellen, was bedeutet das man durch
Vorwärmung der Aufhärtung (Martensitbildung) entgegenwirken kann. Somit ist die
Schweißeignung der Metalle nicht nur abhängig vom Kohlenstoffgehalt oder dem
Kohlenstoffäquivalent sondern auch von der Vorbereitung (Wärmebehandlung) der
Schweißnaht. Da es in der Fertigung auch auf Zeit und Kosten ankommt, ist mit dem
gewählten Fügeverfaren auch ein Werkstoff zu wählen der Konstruktiv die Belastungen
sowie das Fügeverfahren ohne zusätzliche Prozesse mitmacht.
5.0 Literaturnachweis
Bargel – Schulze, Springer Verlag, Werkstoffkunde 7. Auflage
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Gesundheitswesen
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