Die Auswirkungen des Schweißens auf die Metallstruktur

Schweißen ist eine weit verbreitete Technik zum Verbinden von Metallen in verschiedenen Industriezweigen wie dem Baugewerbe, der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt und der Fertigung. Schweißen ist zwar für die Herstellung starker, dauerhafter Verbindungen unerlässlich, hat aber auch erhebliche Auswirkungen auf die Mikrostruktur des Metalls. Diese Veränderungen im Gefüge des Metalls können dessen mechanische Eigenschaften wie Festigkeit, Härte, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit beeinflussen. Das Verständnis der Auswirkungen des Schweißens auf die Struktur von Metallen ist entscheidend für die Gewährleistung der Integrität und Leistung geschweißter Komponenten. Dieser Artikel untersucht die Auswirkungen des Schweißens auf die Struktur von Metallen, einschließlich der Wärmeeinflusszone (WEZ), des Kornwachstums, der Phasenumwandlungen und der Bildung von Schweißfehlern.
Der Schweißprozess und die Metallstruktur
Beim Schweißen wird Hitze eingesetzt, um zwei oder mehr Metallteile zu schmelzen und zu verschmelzen. Das Verfahren umfasst in der Regel einen Zusatzwerkstoff, der den Spalt zwischen den Grundmetallen überbrückt und beim Abkühlen und Erstarren der Werkstoffe eine feste Verbindung schafft. Die beim Schweißen erzeugte Hitze führt zu lokalen Veränderungen im Gefüge des Metalls, insbesondere in dem Bereich, der als Wärmeeinflusszone (WEZ) bezeichnet wird.
Schlüsselbereiche, die vom Schweißen betroffen sind:
- Schmelzzone: Dies ist der Bereich, in dem die Grundmetalle und der Zusatzwerkstoff geschmolzen und erstarrt sind, um die Schweißnaht zu bilden. Das Gefüge in dieser Zone unterscheidet sich häufig sowohl vom ursprünglichen Grundwerkstoff als auch von der WEZ.
- Wärmebeeinflusste Zone (WEZ): Die WEZ ist der an die Schweißnaht angrenzende Bereich, in dem sich das Gefüge des Grundmetalls durch die Hitze verändert hat, aber nicht geschmolzen ist. Die Ausdehnung der WEZ hängt vom Schweißverfahren, der Wärmezufuhr und den thermischen Eigenschaften des Metalls ab.
- Grundwerkstoff: Der Grundwerkstoff ist der ursprüngliche Werkstoff, der nicht durch die Schweißwärme beeinflusst wurde. Sein Gefüge bleibt unverändert, es sei denn, es werden nachfolgende Schweiß- oder Wärmebehandlungsverfahren angewandt.
Getreidestruktur und Wachstum
Eine der wichtigsten Auswirkungen des Schweißens auf die Metallstruktur ist die Veränderung der Korngröße und -form. Körner sind die einzelnen Kristalle, aus denen das Metall besteht, und ihre Größe und Ausrichtung beeinflussen die mechanischen Eigenschaften des Materials erheblich.

1. Kornwachstum in der WEZ:
   o Grobkörnig: In der WEZ ist das Metall hohen Temperaturen ausgesetzt, erreicht aber nicht den Schmelzpunkt. Diese Hitze kann dazu führen, dass die Körner im Metall größer werden, insbesondere in den Bereichen, die der Schmelzzone am nächsten liegen. Grobe Körner sind im Allgemeinen weniger erwünscht, da sie die Zähigkeit des Metalls verringern und es anfälliger für Risse machen können.
   o Feine Körner: Weiter von der Schmelzzone entfernt ist die Temperatur niedriger, und die Körner wachsen möglicherweise nicht so stark. Feine Körner werden in der Regel bevorzugt, da sie zu einer höheren Festigkeit und Zähigkeit des Metalls beitragen.
2. Kornverfeinerung in der Schweißnaht:
   o Erstarrung: Wenn das geschmolzene Metall in der Schmelzzone abkühlt und erstarrt, bilden sich neue Körner. Die Geschwindigkeit der Abkühlung beeinflusst die Größe und Ausrichtung dieser Körner. Eine schnelle Abkühlung führt tendenziell zu feineren Körnern, die die Festigkeit und Härte der Schweißnaht erhöhen können.
   o Säulenförmige Körner: Bei einigen Schweißverfahren, wie z. B. dem Lichtbogenschweißen, können die Körner in der Schmelzzone säulenförmig und senkrecht zur Schweißlinie wachsen. Diese länglichen Körner können sich auf die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht auswirken und führen oft zu Anisotropie, d. h. die Materialeigenschaften variieren je nach Richtung der Kornstruktur.
   Phasenumwandlungen
   Die mit dem Schweißen verbundenen hohen Temperaturen können zu Phasenumwandlungen im Metall führen, die seine kristalline Struktur verändern. Diese Umwandlungen können erhebliche Auswirkungen auf die Eigenschaften des Metalls haben.
3. Transformation von Stahl:
   o Austenit-Bildung: Bei Kohlenstoffstählen wird das Metall beim Schweißen häufig in die austenitische Phase erhitzt, in der sich die Eisenatome in einer kubisch-flächenzentrierten Struktur (FCC) anordnen. Beim Abkühlen kann sich der Austenit je nach Abkühlgeschwindigkeit in verschiedene Phasen wie Martensit, Bainit oder Ferrit umwandeln.
   o Martensit-Bildung: Das schnelle Abkühlen (Abschrecken) von Austenit kann zur Bildung von Martensit führen, einer harten und spröden Phase. Martensit kann zwar die Härte der Schweißnaht erhöhen, macht das Metall aber auch anfälliger für Risse, insbesondere bei Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt.
   o Anlassen: Um die Sprödigkeit des Martensits abzumildern, wird häufig ein Anlassen (kontrolliertes Wiedererwärmen und Abkühlen) durchgeführt, um einen Teil des Martensits in duktilere Phasen, wie z. B. angelassenen Martensit oder Bainit, umzuwandeln und die Zähigkeit der Schweißnaht zu verbessern.
4. Aluminium-Legierungen:
   o Ausscheidungshärtung: Bestimmte Aluminiumlegierungen, insbesondere die der Serien 2xxx, 6xxx und 7xxx, können ausscheidungsgehärtet werden. Beim Schweißen dieser Legierungen können die Ausscheidungen, die zur Festigkeit der Legierung beitragen, aufgelöst werden, was zu einem Härteverlust in der WEZ führt. Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) kann erforderlich sein, um die Festigkeit des Werkstoffs durch erneute Ausscheidung der Verfestigungsphasen wiederherzustellen.
5. Rostfreie Stähle:
   o Sensibilisierung: Austenitische nichtrostende Stähle können, wenn sie beim Schweißen Temperaturen zwischen 450°C und 850°C ausgesetzt werden, einen Prozess durchlaufen, der Sensibilisierung genannt wird. Dies geschieht, wenn sich Chromkarbide an den Korngrenzen ablagern, wodurch die umgebenden Bereiche an Chrom verarmt werden und die Korrosionsbeständigkeit des Materials verringert wird. Eine ordnungsgemäße Steuerung der Wärmezufuhr und Wärmebehandlungen nach dem Schweißen können dazu beitragen, Sensibilisierung zu verhindern.
   Bildung von Schweißnahtfehlern
   Beim Schweißen können Defekte in die Metallstruktur eingebracht werden, die die Integrität und Leistung der Schweißverbindung beeinträchtigen können. Um die Qualität der Schweißnähte zu gewährleisten, ist es wichtig, diese Fehler und ihre Ursachen zu verstehen.
6. Porosität:
   o Gaseinschlüsse: Porosität tritt auf, wenn Gasblasen in der Schweißnaht eingeschlossen werden, während diese erstarrt. Dies kann durch Verschmutzung, unsachgemäße Schutzgasabdeckung oder übermäßige Feuchtigkeit im Grundwerkstoff oder Zusatzwerkstoff verursacht werden. Porosität schwächt die Schweißnaht und kann zu einem Versagen unter Belastung führen.
   o Vorbeugung: Saubere Oberflächen, ein ordnungsgemäßer Schutzgasfluss und die Verwendung trockener Schweißzusatzwerkstoffe können helfen, Porosität zu vermeiden. Außerdem kann die Kontrolle der Schweißparameter zur Vermeidung von Überhitzung die Wahrscheinlichkeit von Gaseinschlüssen verringern.
7. Knacken:
   o Heißrissbildung: Diese auch als Erstarrungsrisse bezeichnete Erscheinung tritt während der Abkühlung und Erstarrung der Schweißnaht auf. Sie wird häufig durch hohe thermische Spannungen, eine schlechte Schweißkonstruktion oder das Vorhandensein von Verunreinigungen wie Schwefel oder Phosphor im Metall verursacht.
   o Kaltrissbildung: Die auch als wasserstoffinduzierte Rissbildung bezeichnete Kaltrissbildung tritt auf, nachdem die Schweißnaht abgekühlt ist. Sie ist in der Regel mit dem Vorhandensein von Wasserstoff in der Schweißnaht verbunden, der insbesondere bei hochfesten Stählen zu einem Sprödbruch führen kann.
   o Vorbeugung: Um Rissbildung zu verhindern, ist es wichtig, die Abkühlungsgeschwindigkeit zu kontrollieren, geeignete Zusatzwerkstoffe zu verwenden und das Metall vor- oder nachzuwärmen, um Eigenspannungen zu reduzieren. Bei Kaltrissen ist die Minimierung des Wasserstoffgehalts im Schweißbereich entscheidend.
8. Verzerrung:
   o Thermische Ausdehnung: Beim Schweißen entsteht große Hitze, wodurch sich das Metall beim Abkühlen ausdehnt und zusammenzieht. Diese thermische Ausdehnung kann zu Verformungen führen, die die geschweißten Komponenten verziehen und die Maßhaltigkeit des Endprodukts beeinträchtigen.
   o Kontrolle: Die Steuerung der Wärmezufuhr, die Verwendung geeigneter Schweißsequenzen und der Einsatz von Vorrichtungen oder Klemmen können dazu beitragen, den Verzug zu minimieren. In einigen Fällen kann eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erforderlich sein, um Eigenspannungen abzubauen und Verformungen zu korrigieren.
   Die Rolle der wärmebeeinflussten Zone (HAZ)
   Die WEZ ist ein kritischer Bereich beim Schweißen, der durch die Einwirkung hoher Temperaturen erhebliche strukturelle Veränderungen erfährt. Die Eigenschaften der WEZ können je nach Werkstoff, Schweißverfahren und Wärmemanagement während des Schweißens stark variieren.
9. Metallurgische Veränderungen:
   o Kornwachstum: Wie bereits erwähnt, können die Körner in der WEZ durch die Hitze größer werden, was zu einer Verringerung der Zähigkeit und einem erhöhten Risiko der Rissbildung führt.
   o Phasenänderungen: In der WEZ können Phasenumwandlungen auftreten, die denen in der Schweißzone ähneln, insbesondere bei Metallen wie Stahl. Diese Veränderungen können die Härte, Festigkeit und Duktilität des Materials beeinflussen.
10. Mechanische Eigenschaften:
    o Härte und Festigkeit: Die WEZ weist oft andere mechanische Eigenschaften auf als das Grundmetall und die Schweißnaht. Sie kann zum Beispiel härter und spröder werden oder aufgrund der Auflösung von Verfestigungsphasen an Festigkeit verlieren (wie bei ausscheidungsgehärteten Aluminiumlegierungen).
    o Schlagzähigkeit: Die Kerbschlagzähigkeit der WEZ kann erheblich verringert werden, wenn das Korngefüge grobkörnig wird oder wenn sich spröde Phasen wie Martensit bilden. Dies macht die WEZ zu einer potenziellen Schwachstelle im geschweißten Gefüge.
11. Korrosionsbeständigkeit:
    o Sensibilisierung in nichtrostendem Stahl: Wie bereits erwähnt, kann es bei nichtrostenden Stählen zu einer Sensibilisierung in der WEZ kommen, was zu einer Verringerung der Korrosionsbeständigkeit führt. Um die Korrosionsbeständigkeit des geschweißten Bauteils aufrechtzuerhalten, sind ein angemessenes Wärmemanagement und Nachbehandlungen nach dem Schweißen unerlässlich.
    o Oxidation: Die hohen Temperaturen in der WEZ können auch zu Oxidation führen, die die Oberflächenbeschaffenheit und Korrosionsbeständigkeit des Metalls beeinträchtigen kann. In einigen Fällen kann eine Passivierung oder Schutzbeschichtung erforderlich sein, um die Korrosionsbeständigkeit wiederherzustellen.
    Beherrschung der Auswirkungen des Schweißens auf die Metallstruktur
    Um die Unversehrtheit und Leistungsfähigkeit geschweißter Bauteile zu gewährleisten, müssen die Auswirkungen des Schweißens auf die Metallstruktur durch eine sorgfältige Kontrolle des Schweißprozesses und die Anwendung geeigneter Nachbehandlungen beherrscht werden.
12. Wärmemanagement:
    o Vorwärmen: Das Vorwärmen des Metalls vor dem Schweißen kann die thermischen Gradienten reduzieren und das Risiko der Rissbildung minimieren, insbesondere bei Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt und dicken Profilen.
    o Kontrolle der Zwischenlagentemperatur: Beim Mehrlagenschweißen hilft die Kontrolle der Zwischenlagentemperatur (die Temperatur zwischen den aufeinanderfolgenden Schweißlagen), Überhitzung und übermäßiges Kornwachstum zu vermeiden.
13. Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT):
    o Spannungsabbau: Die PWHT kann dazu beitragen, Eigenspannungen in der Schweißnaht und der WEZ abzubauen, wodurch das Risiko von Rissen und Verformungen verringert wird. Sie kann auch die Umwandlung von spröden Phasen in duktilere Gefüge fördern.
    o Normalisieren und Glühen: Diese Behandlungen können die Kornstruktur verfeinern und die mechanischen Eigenschaften des Metalls wiederherstellen. Normalisieren wird häufig für Kohlenstoffstähle verwendet, während Glühen sowohl für Stähle als auch für Nichteisenmetalle verwendet werden kann.
14. Design und Technik von Schweißnähten:
    o Fugengestaltung: Die richtige Gestaltung der Verbindungen kann die thermischen Spannungen minimieren und das Risiko von Fehlern verringern. Zum Beispiel können doppelseitige Schweißnähte oder versetzte Schweißnähte die Wärme gleichmäßiger verteilen und den Verzug verringern.
    o Schweißparameter: Die Kontrolle von Parametern wie Strom, Spannung, Fahrgeschwindigkeit und Schutzgasdurchfluss ist entscheidend für eine qualitativ hochwertige Schweißung mit minimalen Auswirkungen auf die Metallstruktur.
15. Qualitätskontrolle und Inspektion:
    o Zerstörungsfreie Prüfung (NDT): ZfP-Methoden wie Ultraschallprüfung, Durchstrahlungsprüfung und Farbeindringprüfung können verwendet werden, um innere und Oberflächenfehler in der Schweißnaht zu erkennen. Regelmäßige Inspektionen tragen dazu bei, dass alle Probleme erkannt und umgehend behoben werden können.
    o Zerstörende Prüfung: In einigen Fällen können zerstörende Prüfungen, wie z. B. Zugversuche oder Kerbschlagbiegeversuche, durchgeführt werden, um die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht und der WEZ zu beurteilen.
    Schlussfolgerung
    Das Schweißen hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Struktur von Metallen und beeinflusst deren mechanische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Gesamtleistung. Das Verständnis dieser Auswirkungen und deren Beherrschung durch geeignete Schweißtechniken, Wärmebehandlungen und Qualitätskontrollen ist für die Herstellung starker, zuverlässiger Schweißnähte unerlässlich.
    Durch eine sorgfältige Kontrolle des Schweißprozesses und die Bewältigung der mit Kornwachstum, Phasenumwandlungen und Schweißnahtfehlern verbundenen Herausforderungen können die Hersteller sicherstellen, dass ihre geschweißten Komponenten die strengen Anforderungen moderner technischer Anwendungen erfüllen. Im Zuge der Weiterentwicklung der Schweißtechnik werden neue Methoden und Werkstoffe die Fähigkeit zur Beherrschung der Auswirkungen des Schweißens auf die Metallstruktur weiter verbessern, was zu einer noch besseren Leistung und Haltbarkeit der geschweißten Produkte führt.