Oft wird das Grundmaterial vor dem Schweißen vorgewärmt. Was sind die genauen Gründe dafür?
Beginnen wir mit dem Fazit: Es gibt zwei Hauptgründe:
Das erste Ziel ist die Reduzierung von Eigenspannungen in der Schweißnaht; das zweite Ziel ist die Reduzierung der Bildung von gehärteten Strukturen in der Schweißnaht, wodurch das Auftreten von Kaltrissen während des Schweißens verringert wird.
Wie lässt sich diese Schlussfolgerung verstehen?
Ich gebe Ihnen ein Beispiel: Vor dem Sport wärmen wir uns normalerweise auf, hauptsächlich um unsere Muskeln und Gelenke zu dehnen, damit wir während des Trainings weniger wahrscheinlich Muskelzerrungen erleiden.
Tatsächlich benötigt auch unser Stahl vor dem Schweißen einige Vorbereitungsmaßnahmen. Vorwärmen ist eine gute Vorbereitungsmaßnahme.
Stahl wird üblicherweise vor Verlassen des Werks einer entsprechenden Wärmebehandlung unterzogen. Dennoch weist er auch nach der Wärmebehandlung noch Eigenspannungen auf. Durch Vorwärmen des Stahls vor dem Schweißen lassen sich diese Eigenspannungen minimieren.
Diese Eigenspannung wird in der Technik als Zwangsspannung bezeichnet, was im Wesentlichen dasselbe ist.
Bei der Kaltrissbildung beim Schweißen gibt es drei Hauptfaktoren: Zwangsspannung, gehärtetes Gefüge und den Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff.
Die Belastung durch Zwangsbedingungen ist einer der Einflussfaktoren.
Der zweite Aspekt besteht, wie wir gerade besprochen haben, darin, die Bildung von verhärteten Strukturen zu verringern.
Martensit ist ein typisches gehärtetes Gefüge; es handelt sich um eine übersättigte feste Lösung von Kohlenstoff in α-Eisen. Martensit wird außerdem in Lamellenmartensit und Nadelmartensit unterteilt.
Im Allgemeinen weist Lamellenmartensit relativ bessere Eigenschaften auf, während Nadelmartensit schlechtere Eigenschaften besitzt. Ich werde hier aber nicht näher darauf eingehen; wir können das Thema Martensit später bei Gelegenheit besprechen.
Allerdings sollte beim Schweißen die Bildung von Martensit in der Schweißnaht vermieden werden.
Sie können das obige Bild sehen. Dieses Bild ist ein typisches isothermes Umwandlungskurvendiagramm für eutektoiden Stahl.
In Wirklichkeit ist die CCT-Kurve für Schweißarbeiten wesentlich komplexer. Zur Veranschaulichung verwenden wir vorübergehend dieses Diagramm, um die Martensitbildung zu erklären.
Im obigen Diagramm stellen die fünf Linien von V1 bis V5 unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten dar. V1 hat die geringste Steigung, daher ist die Abkühlgeschwindigkeit hier am niedrigsten. V5 weist die höchste Abkühlgeschwindigkeit auf. Im unteren Teil des Diagramms befinden sich zwei Kurven, Ms und Mf. Ms repräsentiert die Temperaturkurve, bei der die martensitische Umwandlung beginnt, im Allgemeinen um 230 °C. Mf repräsentiert die Temperaturkurve, bei der die martensitische Umwandlung endet.
Die Wahrscheinlichkeit der Martensitbildung variiert mit der Abkühlungsgeschwindigkeit. V5 repräsentiert die schnellste Abkühlungsgeschwindigkeit und führt am ehesten zur Martensitbildung.
Durch das Vorwärmen des Stahls vor dem Schweißen erhöht sich die Schweißtemperatur. Dies verlängert die Abkühlzeit der Schweißverbindung, wodurch die Abkühlgeschwindigkeit sinkt und folglich die Wahrscheinlichkeit der Martensitbildung abnimmt.
Dies ist einer der Hauptgründe, warum Vorwärmen vor dem Schweißen notwendig ist.
Ist eine höhere Vorheiztemperatur also immer besser? Natürlich nicht!
Ist die Vorwärmtemperatur zu hoch, verlängert sich die Abkühlzeit der Schweißnaht. Insbesondere im Temperaturbereich von 800 bis 500 Grad Celsius führt eine zu lange Abkühlzeit zu verstärktem Kornwachstum.
Die Festigkeit und Härte der Schweißnaht werden deutlich abnehmen. Daher sollte die Vorwärmtemperatur nicht zu hoch sein.