Mischverbindungen schweißen: unlegierte & niedrig legierte Stähle
In diesem Blog diskutieren wir die häufigsten Kombinationen von Mischverbindungen im Bereich der un- und niedriglegierten Stähle.
Diese sind:
- Unlegierte mit unlegierten Werkstoffen unterschiedlicher Festigkeited
- Unlegierte Stähle werden mit hochfesten Stählen kombiniert. (Häufig handelt es sich um Anbauteile)
- High-strength steel with High-strength steels (different strength)
- Unlegierte Stähle mit warmfesten und hitzebeständigen Stählen
- Heat-resistant - Heat-resistant (different strengths)
- Unlegierte Stähle mit kaltzähen Stählen
- Cold tough with colg tough (different low temperatures and strengths)
- Unlegierte Stähle mit Vergütungsstählen
- Quenched and tempered - Quenched and tempered (different strengths)
- Unlegierte Stähle mit Hartmanganstählen (besonderer Fall)
Unlegierte mit unlegierten Werkstoffen unterschiedlicher Festigkeit
Hierbei ist zu beachten, dass die Festigkeit des Schweißzusatzwerkstoffes nur der Festigkeit des schwächeren Werkstoffes entsprechen muss, d.h. bei einer Kombination von z.B. S235 mit S355 / 460 ist eine Streckgrenze von 235 MPa ausreichend.
In der Praxis gibt es jedoch kaum Schweißzusätze, die eine Streckgrenze von 355 MPa unterschreiten. Anders sieht es bei der Kerbschlagzähigkeit aus. Hier sollte die konstruktive Anforderung als zweites Auswahlkriterium herangezogen werden.
Unlegierte Stähle werden mit hochfesten Stählen kombiniert. (Häufig handelt es sich um Anbauteile)
Diese Konstellation ist mit Abstufungen in der Festigkeitsdifferenz zu betrachten. Auch hier genügt es, den niedrigeren Werkstoff zu wählen.
Bei sehr großen Festigkeitsunterschieden, z. B. S460 zu S890, sollte jedoch die Festigkeit des Schweißzusatzes im mittleren Bereich gewählt werden. Damit wird vermieden, dass durch einen zu großen Festigkeitssprung die Schweißnaht zur Schwachstelle der Konstruktion wird. Die Schweißparameter sind dem höherfesten Bauteil anzupassen.
Hochfester Stahl mit hochfesten Stählen (unterschiedlicher Festigkeit)
Bei der Auswahl des Schweißzusatzes für zwei hochfeste Stähle sollte das gleiche Prinzip angewendet werden. Besteht jedoch ein sehr großer Unterschied zwischen den Festigkeiten, wie bei S460 und S890, sollte die Festigkeit des Schweißzusatzes im mittleren Bereich gewählt werden. Dadurch wird verhindert, dass die Schweißnaht durch einen hohen Festigkeitssprung zu einer Schwachstelle in der Konstruktion wird. Die Schweißparameter sollten auf das höherfeste Bauteil abgestimmt werden.
Unlegierte Stähle mit warmfesten und hitzebeständigen Stählen
Das Schweißen erfolgt in der Regel mit dem artgleichen Schweißzusatz des niedriglegierten Werkstoffes. Ist eine Wärmebehandlung erforderlich, muss die Glühtemperatur auf die beiden Grundwerkstoffe und den Schweißzusatz abgestimmt werden. Meist werden Mo-legierte oder CrMo-legierte Schweißzusätze verwendet. Dabei ist zu beachten, dass CrMo-legierte Schweißzusätze fast immer eine Wärmebehandlung benötigen, um ihre Eigenschaften zu erreichen. Auch bei der Kombination von zwei unterschiedlichen warmfesten Werkstoffen ist die Orientierung für die Auswahl des Schweißzusatzwerkstoffes die niedriglegierte Seite, z.B. 16Mo3 mit 13CrMo4-5.
Es sollte jedoch eine Wärmebehandlung gewählt werden, die für alle beteiligten Werkstoffe geeignet ist. Einige Richtwerte für die Temperaturführung und Wärmebehandlung des Schweißzusatzes sind in der Tabelle angegeben. Diese sind auch in den entsprechenden Normen der Schweißzusätze angegeben.
Warmfeste / hitzebeständige Stähle mit unterschiedlichen Festigkeiten
Bei der Kombination von zwei unterschiedlich warmfesten Werkstoffen orientiert man sich bei der Wahl des Schweißzusatzwerkstoffes an der niedrig legierten Seite, z.B. 16Mo3 mit 13CrMo4-5 dann 16Mo3.
Es sollte jedoch eine Wärmebehandlung gewählt werden, die für alle beteiligten Werkstoffe geeignet ist. Richtwerte für die Temperaturführung und Wärmebehandlung des Schweißzusatzes sind in der Tabelle angegeben. Diese sind auch in den entsprechenden Normen für die Schweißzusätze angegeben.
| Schweißzusatzwerkstoff | Vorwärm- und Zwischenlagentemperatur (°C) | PWHT | |
| Temp. (°C) | min. Zeit (h) | ||
| Mo, MoL | < 250 | 570 - 620 | >0,5 |
| CrMo1, CrMo1L | 200 - 300 | 660 - 700 | >0,5 |
| CrMo2, CrMo2L | 200 - 350 | 690 - 750 | >0,5 |
| CrMo5 | 300 - 350 | 730 - 760 | > 1 |
| CrMo9 | 200 - 300 | 750 - 770 | > 2 |
Unlegierte Stähle mit kaltzähen Stählen
Kaltarbeitsstähle besitzen neben ihrer Festigkeit ein ausreichendes plastisches Verformungsvermögen bei tiefen Temperaturen.
Insbesondere Ni verbessert die Kaltzähigkeit. Kaltzähe Stähle enthalten bis zu 3,5 % Ni. Beide Seiten der Mischverbindung können sowohl mit dem unlegierten als auch mit dem Ni-haltigen Werkstoff mit artgleichen oder artähnlichen Schweißzusätzen geschweißt werden. Diese Güten liefern in der Regel ausreichende Av-Werte bis -60°C, in Ausnahmefällen auch bis -80°C.
Entscheidend für die Auswahl des Schweißzusatzes ist die Prüftemperatur für die Kerbschlagarbeit.
Darüber hinaus, z.B. bis -120°C und tiefer, muss der Ni-Gehalt auf 5 bis 9 % erhöht werden. Dies erhöht die Gefahr der Heißrissbildung. Aus diesem Grund wird die Verwendung von artgleichen Schweißzusätzen nicht empfohlen. Es sollte mit überlegierten austenitischen oder Nickelbasis-Schweißzusätzen geschweißt werden.
Kaltzähe Stähle unterschiedlicher Temperatur und Festigkeit
Unterhalb einer Temperatur von -120°C und darunter muss der Ni-Gehalt auf 5 bis 9 % erhöht werden. Dies erhöht die Gefahr der Heißrissbildung. Aus diesem Grund wird ein Schweißzusatz dieses Typs nicht empfohlen. Es sollte mit überlegierten austenitischen oder Nickelbasis-Schweißzusätzen geschweißt werden.
Unlegierte Stähle mit Vergütungsstählen
Was ist eine Vergütung?
Das Vergüten ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Metallen, bei dem das Härten (Erhitzen und schnelles Abkühlen) mit dem Anlassen kombiniert wird. Ziel des Vergütens ist in der Regel die Erzeugung eines harten Gefüges aus Martensit, Bainit oder einer Mischung aus beiden.
Es kann erforderlich sein, die beiden Werkstoffseiten durch unterschiedliche Vorwärmung auf das Schweißen vorzubereiten.
Dies wäre z.B. bei der Kombination S355 mit 42CrMo 4 der Fall. Die S355-Seite müsste ohne Vorwärmung oder je nach Materialdicke auf ca. 80°C und die 42CrMo4-Seite wegen des hohen C-Gehaltes auf mindestens 300°C vorgewärmt werden. Die Zwischenlagentemperatur ist dem kritischeren Partner anzupassen.
Die Schweißparameter sind so zu wählen, dass die Aufmischung minimiert wird. Auf eine langsame Abkühlung des Bauteils ist zu achten. (Gegebenenfalls sind Maßnahmen zu treffen, die dies ermöglichen).
In besonderen Fällen können auch hier Schweißzusätze auf Nickelbasis eingesetzt werden.
Vergütungsstähle sind im Allgemeinen nur bedingt schweißgeeignet. Mit steigendem C-Gehalt verschlechtert sich die Schweißeignung weiter.
Sie erfordern daher eine besondere Wärmebehandlung beim Schweißen und eine anschließende Glühbehandlung.
Gleichartig legierte Schweißzusätze sind kaum verfügbar. Die Auswahl erfolgt nach den gegebenen Festigkeitseigenschaften unter Berücksichtigung der erforderlichen Wärmebehandlung.
Vergütungsstähle unterschiedlicher Festigkeit
Die Schweißbarkeit vergüteter Stähle ist im Allgemeinen begrenzt. Ihre Schweißbarkeit verschlechtert sich mit steigendem Kohlenstoffgehalt.
Sie erfordern daher eine besondere Wärmeführung beim Schweißen und ein anschließendes Glühen.
Ähnlich legierte Schweißzusätze sind selten verfügbar. Die Auswahl erfolgt nach den gegebenen Festigkeitseigenschaften unter Berücksichtigung der erforderlichen Wärmebehandlung.
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In vielen Fällen erlauben die praktischen Einsatzbedingungen die Verwendung weicherer Schweißzusätze.
Auch der Einsatz von Schweißzusätzen auf Nickelbasis ist möglich. Der Einsatz von superlegierten austenitischen CrNi-Zusatzwerkstoffen sollte nur dann in Betracht gezogen werden, wenn keine nachfolgende Wärmebehandlung erforderlich ist.
Für diese Mischverbindungen (z.B. X120Mn12 mit S235JRG1) wird die Verwendung von austenitischen Cr-Ni-Schweißzusätzen mit erhöhtem Mn-Gehalt empfohlen.
In vielen Fällen erlauben die praktischen Anwendungsbedingungen die Verwendung weicherer Schweißzusatzwerkstoffe.
Auch der Einsatz von Nickelbasislegierungen ist möglich.
Die Verwendung von superlegierten austenitischen CrNi-Schweißzusätzen sollte nur in Betracht gezogen werden, wenn keine nachfolgende Wärmebehandlung durchgeführt wird.
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