Warum lässt sich Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt problemlos schweißen, während Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt eine Herausforderung darstellt? Dieser Artikel befasst sich mit der Schweißbarkeit verschiedener Arten von Kohlenstoffstahl und zeigt auf, wie sich der unterschiedliche Kohlenstoffgehalt auf den Prozess auswirkt. Sie erfahren, welche spezifischen Eigenschaften kohlenstoffarmen Stahl zum Schweißen prädestinieren und warum kohlenstoffreicher Stahl besondere Techniken erfordert, um Rissbildung zu vermeiden. Erfahren Sie, welche Faktoren zu berücksichtigen sind, um erfolgreiche Schweißergebnisse bei verschiedenen Kohlenstoffstählen zu gewährleisten.
Je nach chemischer Zusammensetzung kann Stahl in zwei Haupttypen eingeteilt werden: Kohlenstoffstahl und legierter Stahl.
Kohlenstoffstähle werden weiter unterteilt in:
(i) Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt: Kohlenstoffgehalt < 0,25%
(ii) Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt: Kohlenstoffgehalt 0,25 - 0,60%
(iii) Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt: Kohlenstoffgehalt > 0,60%
Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, der oft auch als Baustahl bezeichnet wird, enthält weniger als 0,25% Kohlenstoff. Er zeichnet sich durch relativ geringe Festigkeit, Härte und Duktilität aus. Zu dieser Kategorie gehören die meisten normalen Kohlenstoffbaustähle und einige hochwertige Kohlenstoffbaustähle. Baustahl wird in der Regel für Konstruktionsbauteile verwendet, die keiner Wärmebehandlung bedürfen, sowie für mechanische Teile, die verschleißfest sein müssen, was durch Aufkohlen oder andere Oberflächenhärtungen erreicht werden kann.
Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (0,25% bis 0,60%) lässt sich gut warm bearbeiten und zerspanen, ist aber schlecht schweißbar. Er besitzt eine höhere Festigkeit und Härte im Vergleich zu Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, aber eine geringere Plastizität und Zähigkeit. Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt kann direkt in kaltgewalzter oder kaltgezogener Form oder nach einer Wärmebehandlung ohne zusätzliche Bearbeitung verwendet werden.
Richtig vergüteter Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt weist insgesamt hervorragende mechanische Eigenschaften auf. Er kann eine maximale Härte von etwa HRC55 (entspricht HB538) und eine Zugfestigkeit von 600 bis 1100 MPa erreichen. Diese Eigenschaften machen Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt zum meistverwendeten Werkstoff für Anwendungen mittlerer Festigkeit. Er findet breite Anwendung im Bauwesen und bei der Herstellung verschiedener mechanischer Komponenten.
Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt (0,60% bis 1,70%) wird auch als Werkzeugstahl bezeichnet. Er ist für das Vergüten geeignet, lässt sich aber schlecht schweißen. Der Kohlenstoffgehalt wird auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten:
Jede Kohlenstoffstahlsorte bietet einzigartige Eigenschaften und wird auf der Grundlage der spezifischen Anforderungen der Anwendung ausgewählt, wobei Faktoren wie Festigkeit, Härte, Duktilität und Bearbeitbarkeit abgewogen werden.
Vergleich der Schweißeigenschaften von kohlenstoffarmen und kohlenstoffreichen Stählen
Die Schweißbarkeit von Stahl wird in erster Linie durch seine chemische Zusammensetzung bestimmt, wobei der Kohlenstoffgehalt der wichtigste Faktor ist. Andere Legierungselemente können zwar die Schweißbarkeit beeinflussen, ihr Einfluss ist jedoch im Allgemeinen geringer als der von Kohlenstoff.
Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (typischerweise <0,25% C) weist eine ausgezeichnete Schweißbarkeit auf und erfordert oft keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen. Beim Schweißen in Niedrigtemperaturumgebungen, mit dicken Blechen oder für Hochleistungsanwendungen kann jedoch die Verwendung von basischen Elektroden und Vorwärmen erforderlich sein. Nähert sich der Kohlenstoff- und Schwefelgehalt dem oberen Grenzwert für kohlenstoffarmen Stahl, sollten zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um thermische Rissbildung zu verhindern. Dazu gehören die Verwendung hochwertiger, wasserstoffarmer Schweißzusatzwerkstoffe, Wärmebehandlungen vor und nach dem Schweißen sowie die Optimierung der Verbindungskonstruktion.
Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (0,25-0,60% C) ist anfälliger für schweißinduzierte Risse, insbesondere wenn der Kohlenstoffgehalt steigt. Dies ist auf die größere Härtbarkeit der Wärmeeinflusszone (WEZ) zurückzuführen, die das Risiko der Kaltrissbildung erhöht und die Schweißbarkeit insgesamt verringert. Darüber hinaus steigt der Kohlenstoffgehalt des Schweißguts proportional zum Grundwerkstoff, wodurch sich das Rissrisiko weiter erhöht.
Das Vorhandensein von Schwefel in Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt kann die Wahrscheinlichkeit von Heißrissen beim Schweißen erheblich erhöhen. Um diese Risiken zu mindern, ist es entscheidend, Basiselektroden mit hervorragenden Rissbeständigkeitseigenschaften auszuwählen. Die Durchführung geeigneter Wärmebehandlungen vor und nach dem Schweißen kann die Rissneigung ebenfalls wirksam verringern, indem thermische Spannungen und mikrostrukturelle Veränderungen kontrolliert werden.
Hochgekohlter Stahl (>0,60% C) weist aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts die schwierigsten Schweißeigenschaften auf. Dies führt zu hohen Schweißspannungen und einem deutlich erhöhten Risiko von Warm- und Kaltrissen in der WEZ. Schweißnähte in Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt sind im Vergleich zu denen in Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt besonders anfällig für Warmrisse. Daher wird Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt nur selten in der allgemeinen Schweißfertigung verwendet und ist in erster Linie auf spezielle Anwendungen wie Reparaturschweißen oder Auftragen von verschleißfesten Komponenten beschränkt.
Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen, insbesondere das Anlassen, ist für alle Schweißnähte aus Kohlenstoffstahl unerlässlich, insbesondere für Schweißnähte aus Stählen mit mittlerem und hohem Kohlenstoffgehalt. Dieser Prozess dient dem Abbau von Eigenspannungen, der Stabilisierung des Gefüges und der deutlichen Verringerung des Risikos einer verzögerten Rissbildung. Ein ordnungsgemäßes Anlassen kann die mechanischen Eigenschaften, die Zähigkeit und die Gesamtleistung der Schweißnaht erheblich verbessern.
Um optimale Ergebnisse beim Schweißen von Kohlenstoffstählen zu erzielen, müssen Faktoren wie Vorwärm- und Zwischenlagentemperaturen, die Steuerung der Wärmezufuhr, die Wahl des richtigen Schweißzusatzes und die Parameter der Wärmebehandlung nach dem Schweißen berücksichtigt werden. Diese Variablen sollten sorgfältig auf den spezifischen Kohlenstoffgehalt und die Anwendungsanforderungen abgestimmt werden, um qualitativ hochwertige, fehlerfreie Schweißnähte mit den gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erzielen.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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