Wärmeeintragskontrolle beim Edelstahlschweißen

Bei jeder Schweißung wird Energie in das Grundmetall eingetragen. Diese als Wärmeeintrag gemessene Energie steuert direkt die Größe der Wärmeeinflusszone (HAZ), die Abkühlgeschwindigkeit und letztendlich die Mikrostruktur und die Eigenschaften der Schweißverbindung. Bei rostfreien Stählen, bei denen Korrosionsbeständigkeit die primäre Leistungsanforderung ist, ist die Steuerung der Wärmezufuhr nicht optional – sie ist von grundlegender Bedeutung.

Der Wärmeeintrag wird aus drei Schweißparametern berechnet: Stromstärke (Stromstärke), Spannung und Verfahrgeschwindigkeit. Der Zusammenhang ist einfach: Der Wärmeeintrag entspricht dem Produkt aus Strom und Spannung, dividiert durch die Verfahrgeschwindigkeit, mit einem Korrekturfaktor für den Schweißprozess. Doch trotz dieser Einfachheit bleibt der Wärmeeintrag einer der am meisten missverstandenen und falsch angewendeten Parameter bei der Herstellung von Edelstahl.

Warum ist es wichtiger als Sie denken? Denn nicht immer sind die Folgen einer falschen Wärmeeinbringung sofort sichtbar. Eine Schweißnaht, die die Sichtprüfung und die Röntgenaufnahme besteht, kann dennoch aufgrund von Sensibilisierung, Sigma-Phasenbildung oder übermäßigem Kornwachstum ausfallen – alles Faktoren, die direkt mit dem beim Schweißen auftretenden Wärmezyklus zusammenhängen. Dieser Artikel erläutert die metallurgischen Grundlagen für Wärmeeintragsgrenzen und bietet praktische Anleitungen für verschiedene Edelstahlfamilien.

Berechnung des Wärmeeintrags

Die Standardformel für den Wärmeeintrag ist aus der Grundlagenphysik abgeleitet. Leistung (Watt) entspricht Spannung multipliziert mit Strom. Energie (Joule) ist gleich Leistung multipliziert mit Zeit. Beim Schweißen interessiert uns die Energie pro Längeneinheit der Schweißnaht, das heißt, wir dividieren durch die Bewegungsgeschwindigkeit.

Der Effizienzfaktor berücksichtigt den Wärmeverlust an die Umgebung – Strahlung, Konvektion und Spritzer. Verschiedene Schweißverfahren haben unterschiedliche Wirkungsgrade:

Tabelle 1: Wärmeeintragseffizienzfaktoren nach Schweißverfahren

Quelle: AWS D1.6:2017; ASME Abschnitt IX (2023); Schweißmetallurgie, Kou (2003)

Beispielrechnung: Eine GTAW-Schweißung, hergestellt bei 12 Volt, 150 Ampere und einer Vorschubgeschwindigkeit von 150 mm/min: Wärmeeintrag=(12 x 150 x 0,6 x 60) / (150 x 1000)=0.43 kJ/mm. Dabei handelt es sich um einen relativ geringen Wärmeeintrag, der typisch für austenitischen Edelstahl mit dünnem Querschnitt ist.

Austenitische rostfreie Stähle: Eine mäßige Wärmezufuhr verhindert eine Sensibilisierung

Austenitische Edelstählesind von allen Edelstahlfamilien die am besten schweißbaren, sind jedoch nicht immun gegen thermische Schäden. Das Hauptrisiko ist die Sensibilisierung – die Ausfällung von Chromkarbiden an den Korngrenzen, wenn das Metall den Temperaturbereich von 500–850 Grad Celsius durchläuft. Eine hohe Wärmezufuhr verlängert die Zeit, die die HAZ in dieser kritischen Temperaturzone verbringt, und erhöht so den Schweregrad der Sensibilisierung.

Kohlenstoffarme Sorten (304L, 316L) und stabilisierte Sorten (321, 347) wurden speziell entwickelt, um einer Sensibilisierung zu widerstehen. Allerdings sind auch diese Sorten nicht immun gegen die Auswirkungen übermäßiger Wärmeeinbringung. Hohe Hitze verursacht auch Kornwachstum, was die Zähigkeit verringern und das Risiko von Heißrissen in vollständig austenitischen Schweißmetallen erhöhen kann.

Der empfohlene Wärmeeintragsbereich für austenitische Güten gleicht zwei konkurrierende Anforderungen aus: genügend Wärme, um eine ausreichende Verschmelzung und Fließfähigkeit des Schweißbades zu gewährleisten, aber nicht so viel, dass die HAZ übermäßig viel Zeit im Sensibilisierungsbereich verbringt. Die Temperaturkontrolle zwischen den Durchgängen (normalerweise unter 150 Grad Celsius) reduziert die kumulative thermische Belastung weiter.

Tabelle 2: Richtlinien zur Wärmezufuhr für austenitische Edelstähle

Quelle: Outokumpu Stainless Steel Handbook (2020); AWS D1.6:2017; ASME Abschnitt VIII Div.1 (2023)

Duplex-Edelstähle: Die Wärmezufuhr steuert das Austenit--Ferrit-Gleichgewicht

Duplex-EdelstähleIhre außergewöhnliche Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit verdanken sie einer ausgewogenen Mikrostruktur aus etwa 50 % Austenit und 50 % Ferrit. Schweißen stört dieses Gleichgewicht. Der schnelle Wärmezyklus begünstigt die Ferritbildung, und wenn die Wärmezufuhr zu gering ist, können das Schweißgut und die HAZ übermäßig viel Ferrit (über 70 %) zurückhalten, was die Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit verringert.

Wenn umgekehrt die Wärmezufuhr zu hoch ist, fördert die längere Zeit bei erhöhter Temperatur die Bildung schädlicher intermetallischer Phasen – insbesondere der Sigma-Phase und der Chi-Phase. Diese Phasen verbrauchen Chrom und Molybdän aus der umgebenden Matrix und erzeugen verarmte Zonen, die anfällig für Lochfraß und Spannungsrisskorrosion sind. Die Bildung der Sigma-Phase ist das schwerwiegendste metallurgische Risiko beim Duplexschweißen.

Die Lösung ist ein sorgfältig kontrolliertes Wärmeeintragsfenster in Kombination mit geeigneten Zusatzmetallen. Füllmetalle für Duplexsorten sind mit Nickel überlegiert (typischerweise 8–9 %), um die Austenitneubildung beim Abkühlen zu fördern. Der Wärmeeintrag muss hoch genug sein, um Zeit für diese Austenitumwandlung zu lassen, aber nicht so hoch, dass sich eine Sigma-Phase bildet.

Tabelle 3: Richtlinien zur Wärmeeinbringung für Duplex-Edelstähle

Quelle: Outokumpu Duplex Stainless Steel Handbook (2015); Sandvik SAF 2205/2507 Schweißrichtlinien; NACE MR0175/ISO 15156

Martensitische Edelstähle: Geringe Wärmezufuhr mit Vorwärmung verhindert Rissbildung

Martensitische Edelstähle verwandeln sich beim Abkühlen von der Austenitisierungstemperatur in harten, spröden Martensit. Diese Umwandlung erzeugt hohe Eigenspannungen und macht die WEZ extrem anfällig für wasserstoffinduzierte Rissbildung (auch verzögerte Rissbildung oder Kaltrissbildung genannt). Im Gegensatz zu austenitischen Sorten sind martensitische Stähle nicht durch eine stabile FCC-Kristallstruktur geschützt.

Die Steuerung der Wärmezufuhr für martensitische Sorten dient zwei Zwecken. Erstens vergrößert eine übermäßige Wärmezufuhr die Größe der ausgehärteten HAZ, wodurch ein größeres Volumen an sprödem Material entsteht. Zweitens verlangsamt eine geringe Wärmezufuhr in Kombination mit dem Vorwärmen die Abkühlgeschwindigkeit, was die Härte des Martensits verringert und dem Wasserstoff mehr Zeit gibt, aus der Schweißzone zu diffundieren.

Bei martensitischen Sorten ist das Vorwärmen unerlässlich. Die Vorwärmtemperatur hängt vom Kohlenstoffgehalt und der Abschnittsdicke ab, liegt jedoch typischerweise zwischen 200 und 300 Grad Celsius. Die Zwischenlagentemperatur muss über dem Vorheizminimum gehalten werden. Fast immer ist eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Anlassen bei 650–750 °C) erforderlich.

Tabelle 4: Wärmezufuhr und Vorwärmanforderungen für martensitische rostfreie Stähle

Quelle: ASM Specialty Handbook: Stainless Steels (1994); AWS D1.6:2017; ASME Abschnitt VIII Div.1

Kühlratenanbindung: Warum die Wärmezufuhr allein nicht ausreicht

Der Wärmeeintrag ist ein Maß für die deponierte Energie, aber die Abkühlungsrate bestimmt die endgültige Mikrostruktur. Die gleiche Wärmezufuhr bei einer 3-mm-Platte führt zu einer viel schnelleren Abkühlungsrate als bei einer 25-mm-Platte. Aus diesem Grund müssen neben der Querschnittsdicke auch immer Empfehlungen zur Wärmeeinbringung berücksichtigt werden.

Die Abkühlgeschwindigkeit beim Schweißen wird typischerweise als Zeit zum Abkühlen von 800 auf 500 Grad Celsius (t8/5) gemessen. Bei Kohlenstoffstählen bestimmt dieser Parameter direkt die Härte und Mikrostruktur der WEZ. Bei Edelstählen unterscheidet sich der kritische Temperaturbereich – für die Sensibilisierung kommt es auf die Zeitspanne zwischen 850 und 500 Grad Celsius an.

Der Zusammenhang zwischen Wärmeeintrag und Abkühlgeschwindigkeit kann mithilfe von Wärmeflussgleichungen angenähert werden. Bei dünnen Abschnitten (bei denen die Wärme hauptsächlich in zwei Dimensionen fließt) ist die Abkühlgeschwindigkeit umgekehrt proportional zum Quadrat der Wärmezufuhr. Bei dicken Abschnitten (dreidimensionaler Wärmefluss) ist die Abkühlungsrate umgekehrt proportional zur Wärmezufuhr. Das bedeutet, dass in dünnen Abschnitten eine kleine Erhöhung der Wärmezufuhr die Abkühlgeschwindigkeit drastisch verlangsamt.

Tabelle 5: Variation der Abkühlrate mit Wärmeeintrag und Abschnittsdicke

Quelle: Welding Metallurgy, Kou (2003); ASM-Handbuch Band 6A (2011)

Mehrlagenschweißen: Kumulierte Wärmeeinbringung und Zwischenlagentemperatur

Das Mehrdurchgangsschweißen führt zu einer Komplikation, die beim Eindurchgangsschweißen nicht auftritt: Bei jedem weiteren Durchgang werden das darunter liegende Schweißgut und die HAZ zusätzlichen Wärmezyklen ausgesetzt. Dies kann je nach Grad vorteilhaft oder schädlich sein. Bei einigen austenitischen Schweißnähten kann die Wärme späterer Durchgänge Karbide auflösen, die bei früheren Durchgängen entstanden sind. Bei Duplex-Qualitäten beschleunigt wiederholtes Erhitzen auf 600–900 Grad Celsius die Bildung der Sigma-Phase.

Die Zwischenlagentemperatur ist die Temperatur der Schweißzone unmittelbar vor dem Auftragen der nächsten Lage. Bei den meisten Edelstählen sollte diese Temperatur unter 150 Grad Celsius gehalten werden, um die kumulative thermische Belastung zu begrenzen. Einige Duplex-Spezifikationen sind sogar noch restriktiver und erfordern für Super-Duplex-Qualitäten wie 2507 einen Zwischendurchgang unter 100 Grad Celsius.

Die praktische Konsequenz besteht darin, dass mehrlagige Schweißnähte eine sorgfältigere Planung erfordern als einlagige Schweißnähte. Der Schweißer muss zwischen den Durchgängen genügend Zeit zum Abkühlen einplanen oder erzwungene Kühlmethoden (Luftstoß, Wassernebel) anwenden, die die Schweißzone nicht verunreinigen. Überstürztes Mehrlagenschweißen bei Duplex- oder Super-Duplex-Qualitäten ist eine häufige Ursache für die Bildung von Sigma-Phasen und daraus resultierenden Betriebsausfällen.

Tabelle 6: Temperaturrichtlinien zwischen den Lagen für das Mehrlagenschweißen

Quelle: Outokumpu-Schweißrichtlinien (2020); Handbuch zum Schweißen von Spezialmetallen; NACE MR0175

Folgen übermäßiger Wärmeeinbringung

Die Folgen einer schlechten Wärmeeintragskontrolle sind nicht theoretisch. Sie erscheinen regelmäßig in Fehleranalyseberichten verschiedener Branchen. Das Verständnis dieser Fehlermodi hilft Ingenieuren und Prüfern, die Symptome zu erkennen und sie auf die Grundursache zurückzuführen.

Interkristalline Korrosion: Verursacht durch Sensibilisierung in der WEZ. Die Korngrenzen werden selektiv angegriffen, was zu einer „Zuckerbildung“ auf der Oberfläche führt. Häufig bei 304/316-Schweißnähten mit übermäßiger Wärmezufuhr ohne ordnungsgemäße L--Qualität oder Stabilisierung.

Lochfraß: Durch die Bildung der Sigma-Phase in Duplexstählen werden Chrom und Molybdän verbraucht, wodurch Zonen mit verringerter Lochfraßbeständigkeit entstehen. Gruben entstehen bevorzugt in der WEZ von Schweißnähten mit hoher -Wärmeeinleitung-.

Spannungsrisskorrosion (SCC): Hoher Wärmeeintrag erzeugt größere HAZ mit höherer Eigenspannung. In Kombination mit der Sensibilisierung werden dadurch ideale Bedingungen für SCC in chloridhaltigen Umgebungen geschaffen.

Reduzierte Zähigkeit: Übermäßiges Kornwachstum in austenitischen HAZ verringert die Schlagzähigkeit. Bei Duplexstählen verringern sowohl ein hoher Ferritgehalt als auch eine Sigmaphase die Zähigkeit erheblich.

Heißrissbildung: Bei vollständig austenitischen Schweißmetallen (310, einige Nickellegierungen) verlängert eine hohe Wärmezufuhr die Verweildauer im spröden Erstarrungsbereich und erhöht so das Risiko von Erstarrungsrissen.

Tabelle 7: Fehlermodi im Zusammenhang mit übermäßiger Wärmezufuhr

Quelle: ASM Handbook Band 11: Fehleranalyse (2002); NACE-Korrosionsdatenerhebung; Fallstudien zu Ausfällen bei JN Alloys

Praktische Wärmeeintragssteuerung: Von WPS bis Shop Floor

Die Wärmeeintragsregelung beginnt im Ingenieurbüro und endet in der Werkstatt. Die Schweißanweisung (WPS) muss explizite Grenzwerte für die Wärmeeinbringung enthalten, nicht nur die Grundparameter Stromstärke, Spannung und Verfahrgeschwindigkeit. Für kritische Anwendungen sollte das WPS den akzeptablen Bereich für jeden Parameter und die berechneten Wärmeeintragsgrenzen angeben.

Geben Sie den Wärmeeintrag im WPS an: Gehen Sie nicht davon aus, dass die Angabe der Stromstärke- und Spannungsbereiche ausreicht. Berechnen Sie den maximalen Wärmeeintrag und geben Sie ihn explizit an (z. B. „Maximaler Wärmeeintrag: 2,0 kJ/mm“).

Verwenden Sie kalibrierte Geräte: Moderne Stromquellen können die tatsächliche Stromstärke und Spannung anzeigen und aufzeichnen. Verwenden Sie diese Daten, um die tatsächliche Wärmezufuhr zu berechnen, nicht nur die Sollwerte.

Schulen Sie Schweißer über die Konsequenzen: Schweißer, die verstehen, dass eine übermäßige Wärmezufuhr zu Korrosionsfehlern führen kann, werden motivierter sein, die Fahrgeschwindigkeit und die Zwischenlagentemperatur zu kontrollieren.

Überwachen Sie die Fahrgeschwindigkeit: Die Fahrgeschwindigkeit ist der Parameter, der von Schweißern während der Produktion am häufigsten angepasst wird. Bieten Sie Anleitungen zur Aufrechterhaltung einer konstanten Geschwindigkeit oder zum Einsatz mechanisierter/automatisierter Systeme für kritische Schweißnähte.

Dokumentieren Sie den Wärmeeintrag für kritische Schweißnähte: Berechnen und protokollieren Sie für Druckbehälter, Offshore-Komponenten und Rohrleitungen von Chemieanlagen den tatsächlichen Wärmeeintrag für jede Schweißnaht. Dies ermöglicht eine Rückverfolgbarkeit im Falle zukünftiger Ausfälle.

Verwenden Sie Wärmeeintragsrechner: Mit kostenlosen Apps und Online-Rechnern können Schweißer den Wärmeeintrag schnell aus den Grundparametern berechnen. Fördern Sie deren Einsatz in der Werkstatt.

Die Kosten für die Wärmeeintragskontrolle sind im Vergleich zu den Kosten eines Korrosionsausfalls im Betrieb minimal. Ein einziger Lochfraßfehler in einer Chemieanlage kann zu Produktionsausfällen, Umweltsanierungen und dem Austausch von Geräten in Millionenhöhe führen. Die Investition in eine ordnungsgemäße Steuerung der Wärmezufuhr ist nicht nur eine gute Technik, sondern auch eine gute Wirtschaftlichkeit.

Zusammenfassung

Die folgende Tabelle fasst die Empfehlungen aus diesem Artikel in einem Kurzreferenzformat zusammen. Ingenieure und Hersteller können diese Matrix verwenden, um Wärmeeintragsgrenzen für ihre spezifischen Anwendungen festzulegen.

Tabelle 8: Entscheidungsmatrix für den Wärmeeintrag nach Edelstahlfamilie

Quelle: Zusammengestellt aus den technischen Richtlinien von AWS D1.6, ASME Abschnitt VIII/IX, Outokumpu, Sandvik, Special Metals und JN Alloys

Abschluss

Der Wärmeeintrag ist die am besten kontrollierbare Variable, die die Qualität und Leistungsfähigkeit von Edelstahlschweißnähten bestimmt. Die metallurgischen Folgen der Wärmezufuhr – Sensibilisierung, Sigma-Phasenbildung, Kornwachstum und Phasenungleichgewicht – sind gut verstanden und vorhersehbar. Was oft fehlt, ist die Disziplin, dieses Wissen in die Praxis umzusetzen.

Die Empfehlungen in diesem Artikel basieren auf jahrzehntelanger Forschung und Praxiserfahrung. Es handelt sich hierbei nicht um willkürliche Grenzwerte - – sie spiegeln die zugrunde liegende Physik und Metallurgie des Schweißens wider. Durch die Steuerung der Wärmezufuhr innerhalb des geeigneten Bereichs für jede Edelstahlfamilie können Hersteller Schweißnähte herstellen, die die von ihren Kunden erwartete Korrosionsbeständigkeit, mechanische Eigenschaften und langfristige Zuverlässigkeit beibehalten.

Für technische Unterstützung zu Verfahren zum Schweißen von Edelstahl, zur Auswahl von Zusatzwerkstoffen oder zur Optimierung des Wärmeeintrags wenden Sie sich an JN Alloys - – Ihren Partner für Hochleistungslegierungslösungen.

Webseite:www.jnalloys.com