Schweißen von warmfesten Stählen: Bedeutung von Vorwärmung, PWHT und geeigneten Schweißzusatzwerkstoffen
Warmfeste Stähle, die auch als hitzebeständige Stähle bezeichnet werden, sind für den Einsatz bei hohen Temperaturen mit langfristiger mechanischer Beanspruchung konzipiert. In Anlagen wie Dampferzeugern, Wärmetauschern und Druckbehältern sind sie unverzichtbar. Die Schweißbarkeit dieser Stähle stellt hohe Anforderungen an die Kenntnisse der Metallurgie, die Beherrschung der auftretenden Spannungen und die richtige Wärmeeinbringung. Unsachgemäßes Schweißen kann zu Eigenspannungen, einem spröden Gefüge, Heißrissen, Wasserstoffrissen und einer verminderten Kriechfestigkeit führen. Daher sind Vorwärmung und Wärmenachbehandlung keine optionalen Schritte, sondern von grundlegender Bedeutung für eine zuverlässige Verbindung.
Wenn Stahl über einen längeren Zeitraum einer konstanten mechanischen Spannung und einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, dehnt er sich langsam aus, auch wenn die Spannung niedriger als die Streckgrenze ist. Das Kriechverhalten wird bei Temperaturen relevant, die höher sind als das 0,4-fache der Schmelztemperatur des Werkstoffs in Kelvin. Bei Stahl liegt diese in der Regel über 400 °C. So verformt sich beispielsweise ein Stahlrohr in einem Kraftwerk mit konstantem Druck und einer Betriebstemperatur von 600 °C langsam, selbst wenn die Spannung konstant bleibt.
Warmfeste Stähle werden auch als hitzebeständige Werkstoffe bezeichnet. Bei warmfesten Stählen handelt es sich um legierte Stähle, die ihre Festigkeit bei hohen Temperaturen über längere Zeiträume beibehalten. Diese Stähle zeichnen sich durch eine hohe Zugfestigkeit in Verbindung mit einer hohen Kriechfestigkeit und einer hohen Zähigkeit aus, auch bei erhöhten Temperaturen. Zum Vergleich: Unlegierte Stähle sind „nur“ bis etwa 350°C einsetzbar, während die hoch vanadiumlegierten CrMo(Ni)-Stähle bis etwa 650°C (je nach Legierung) verwendet werden.
Elemente, die die Zeitstandfestigkeit erhöhen, sind Kohlenstoff, Chrom, Molybdän, Vanadium und Titan. Je mehr Chrom und Molybdän, desto höher die Temperatur, bei der die Stähle eingesetzt werden können.
Beispiele:
- 16Mo3: Einfacher 0,5% Mo-Stahl bis 530°C
- 13CrMo4-5 / 10CrMo9-10: für Anlagen bis zu 560 - 600°C
- X10CrMoVNb9-1 (P91): bis zu 620 - 650°C
| Stahl Typ | C (%) | Cr (%) | Mo (%) | V (%) | Nb (%) | Rm (MPa) | Rp0,2 (MPa) | Max. Einsatztemp. (°C) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
16Mo3 |
0.12 - 0.20 | - | 0.25 - 0.35 | - | - | 450 - 600 | ≥ 280 | 530°C |
|
13CrMo4-5 (P11) |
0.08 - .018 | 0.70 - 1.15 | 0.40 - 0.60 | - | - | 440 - 590 | ≥ 290 | 570°C |
|
10CrMo9-10 (P22) |
0.08 - 0.14 | 2.00 - 2.50 | 0.90 - 1.10 | - | - | 510 - 670 | 300 - 450 | 600°C |
|
X10CrMoVnB9-1 (P91) |
0.08 - 0.12 | 8.00 - 9.50 | 0.85 - 1.05 | 0.18 - 0.25 | 0.06 - 0.10 | 620 - 850 | ≥ 450 | 620 - 650°C |
| Gruppe | Beschreibung | Typ |
|---|---|---|
|
1.1 |
C-Mo (0.5Mo) | 16Mo3 |
|
5.1 |
CrMo-Stähle: 0.75% ≤ Cr ≤ 1.5%, Mo ≤ 0.7% (1.25Cr - 0.5Mo) |
13CrMo4-5 |
|
5.2 |
CrMo-Stähle: 1.5% < Cr ≤ 3.5%, 0.7 % < Mo ≤ 1.2% (2.25Cr - 1.0Mo) |
10CrMo9-10 |
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6.4 |
Martensit Stähle 7.0% < Cr ≤ 12.5%, 0.7% < Mo ≤ 1.2%, V ≤ 0.35% (9 - 12% Cr-Staal) |
X10CrMoVNb9-1 |
| P-No. | Beschreibung | Typisch |
|---|---|---|
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4 |
1.25Cr – 0.5Mo | SA-182 F11 CL1 SA 213 T11 SA-335 P11 |
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5A |
2.25Cr – 1Mo | SA-182 F22 CL1 SA-213 T22 SA-335 P22 |
|
5B |
5-9Cr – 0.5Mo | SA-182 F5 & F9 SA-213 T5 & T9 SA-335 P5 & P9 |
|
15E |
9Cr-1Mo-V | SA-335 P91 |
Das Vorwärmen ist beim Schweißen von warmfesten Stählen aus mehreren Gründen unerlässlich:
Wenn Sie das Grundmaterial vor dem Schweißen erwärmen, verhindern Sie, dass das Schweißbad und das Grundmaterial zu schnell abkühlen. Langsames Abkühlen verringert die Gefahr von:
• Martensitbildung (hart und spröde)
• Eigenspannungen
• Wasserstoffrisse (Kaltrisse)
Wasserstoff, der aus Feuchtigkeit in Schweißzusätzen, Schutzgasen, Schweißpulver oder dem Grundwerkstoff stammt, kann zu großen Problemen führen. Bei niedrigen Temperaturen kann er sich in der Wärmeeinflusszone festsetzen, was das Gefüge verändert und Risse verursachen kann. Durch Vorwärmen wird die Diffusion von Wasserstoff aus dem Schweißgut beschleunigt, bevor sich schädliche Gefüge (wie Martensit) bilden können.
Bei Konstruktionen mit großen Wandstärken sorgt das Vorwärmen dafür, dass keine großen Temperaturunterschiede zwischen dem kalten Grundwerkstoff und dem heißen Schweißgut entstehen. Ohne Vorwärmen würde der Grundwerkstoff die Wärme des Schweißguts zu schnell aufnehmen, was zu inneren Spannungen und Verformungen im Material führen kann
Vorwärmen einer Schweißverbindung der Güteklasse P91
Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Post Weld Heat Treatment, PWHT) ist bei kriechfesten Stählen aus mehreren Gründen notwendig. Diese hängen alle mit den mechanischen und metallurgischen Eigenschaften des Materials nach dem Schweißen zusammen.
Aus den folgenden Gründen ist die PWHT für kriechfeste Stähle unerlässlich:
Beim Schweißen kommt es zu thermischer Ausdehnung und Kontraktion, was zu Eigenspannungen führt. Wenn das flüssige Schweißgut erstarrt, schrumpft es, was zu Eigenspannungen führt. PWHT reduziert diese Eigenspannungen.
Kriechfeste Stähle haben ein speziell entwickeltes Gefüge (oft ferritisch-perlitisch, bainitisch oder martensitisch), das bei hohen Temperaturen für Kriechfestigkeit sorgt. Durch das Schweißen wird dieses Gefüge gestört, insbesondere in der Wärmeeinflusszone (WEZ). Martensitische Stähle, wie z. B. P91, enthalten nach dem Schweißen und in der WEZ ein hartes und sprödes Schweißgut. Die PWHT bewirkt eine Umwandlung von Martensit in angelassenen Martensit mit feinen Karbiden entlang der Korngrenzen. Dies erhöht die Kriechfestigkeit und Duktilität.
Ohne PWHT besteht ein hohes Risiko, dass das geschweißte Teil bei längerer Einwirkung von hohen Temperaturen und Spannungen vorzeitig versagt. Die PWHT stimuliert die Bildung stabiler Karbide, die das Stahlgefüge langfristig stabilisieren und die Kriechfestigkeit erhöhen.
Beispiel für ein PWHT-Diagramm des Stahles P91
GTAW:
Wurzelschweißen, geringe Wasserstoffdiffusion
GMAW:
Wurzelschweißen, Füllen- und Decklagen
FCAW:
Fertigungsschweißen in alllen Position möglich
SMAW:
Robust, Außenarbeit/ Feldeinsatz
Die Wahl des Schweißzusatzwerkstoffs für das Schweißen von warmfesten Stählen ist entscheidend für die Gewährleistung der mechanischen Eigenschaften und der Kriechfestigkeit der Schweißnaht. Diese Wahl basiert auf mehreren wichtigen Kriterien:
• Der Schweißzusatzwerkstoff muss chemisch mit dem Grundwerkstoff kompatibel sein
• Häufig wird ein Schweißzusatzwerkstoff mit etwas höheren Legierungselementen gewählt, um die gewünschte Festigkeit und Kriechfestigkeit nach dem Schweißen zu erhalten
• Bei hohen Temperaturen muss der Schweißzusatzwerkstoff beständig gegen Kriechverformung sein.
• Die Werkstoffe müssen gegen Temperaturalterung und Oxidation beständig sein.
• Typische Betriebstemperaturen sind oft >450°C und manchmal bis zu 600-650°C
• Streckgrenze, Zugfestigkeit und Kriechfestigkeit müssen gleich oder etwas höher sein als die des Grundmaterials.
• Ermüdungsfestigkeit und Zähigkeit müssen ausreichend sein, insbesondere in Übergangsbereichen.
• Die meisten Zusatzwerkstoffe dieser Gruppe erfordern eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Post Weld Heat Treatment, PWHT), um Spannungen zu reduzieren und die Struktur zu normalisieren.
• Der Zusatzwerkstoff muss dieser Behandlung standhalten, ohne spröde zu werden.
| Grundwerkstoff | GTAW | GMAW | FCAW | SMAW |
| 16Mo3 / P1 | CEWELD SG Mo Tig CEWELD ER80S-D2 Tig |
CEWELD SG Mo | CEWELD AA R Mo | CEWELD E 7018-A1 |
| 13CrMo4-5 / P11 | CEWELD SG CrMo1 Tig CEWELD ER 80S-B2 Tig |
CEWELD SG CrMo1 CEWELD ER 80S-B2 |
CEWELD AA R CrMo1 | CEWELD E 8018-B2 |
| 10CrMo9-10 / P22 | CEWELD SG CrMo2 Tig CEWELD ER 90S-B3 Tig |
CEWELD SG CrMo2 CEWELD ER 90S-B3 |
CEWELD AA B CrMo2 | CEWELD E 9018-B3 |
| X10CrMoVNb9-1 / P91 | CEWELD ER90S-B9 (P91) Tig | CEWELD ER90S-B9 (P91) | CEWELD AA 90S-B9 | CEWELD E 9018-B9 |
Wichtig: Verwenden Sie immer passende Schweißzusatzwerkstoffe. Falsche Materialwahl kann zu Unterschieden in der Kriechfestigkeit, Spannungskonzentrationen und zu Rissen in der WEZ führen.
Beispiel für Risse in der Wärmeeinflusszone einer CrMoV-Schweißnaht mit einem Zusatzwerkstoff von 2,25Cr-1Mo.
(A) Makro des Risses
(B) Mikro der Bruchstelle (nicht in der gleichen Schweißnaht)
(C) Beispiel für das Gefüge in der Wärmeeinflusszone
Gjerde, M. (2018). Designing with urban daylight: A social agenda. Lighting Research & Technology, 50(3), 366–380. https://doi.org/10.1080/09506608.2017.1410943
| Material | Vor (°C) | Zwischenlagen (°C) | PWHT (°C) | Haltezeit (min/mm Minimum 30 minutes |
| 16Mo3 / P1 | 100 - 150 | <250 | 580 - 620 | 2 min/mm |
| 13CrMo4-5 / P11 | 150 - 200 | <300 | 630 - 700 | 2 min/mm |
| 10CrMo9-10 / P22 | 200 - 250 | <300 | 660 - 700 | 4 min/mm |
| X10CrMoVNb9-1 / P91 | 200 - 250 | <300 | 740 - 780 | 4 min/mm |
Hinweis:
Eine zu schnelle Abkühlung nach dem Schweißen der Sorte P91 führt zu ungehärtetem Martensit und verursacht Sprödigkeit. Ohne rechtzeitige PWHT kommt es zu nicht optimalen Ausscheidungen, die die langfristigen mechanischen Eigenschaften, wie z. B. die Kriechfestigkeit, erheblich verschlechtern.
| Ursachen | Konsequenz |
| Keine Vorwärmung | Wasserstoffrisse, hohe Härte in der WEZ |
| Keine PWHT oder zu kurze PWHT | Versprödung, Kriechrissbildung |
| Überhöhte Zwischenlagentemperatur | Grobkörniges Gefüge, Verlust der Zeitstandfestigkeit |
| Falsche Auswahl des Schweißzusatzwerkstoffs | Risse in der WEZ |
| Zu schnelle Abkühlung | Material bleibt Martensit, was zu Sprödigkeit führt |
- Vorwärmen verhindert Rissbildung und verbessert die Wasserstoffdiffusion
- PWHT ist wichtig für den Spannungsabbau und die metallurgische Stabilisierung
- Verwendung der richtigen Schweißzusatzwerkstoffe, die dem Grundwerkstoff entsprechen
- Kontrolle der Zwischenlagentemperaturen zur Vermeidung grobkörniger Bereiche