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 |
|---|---|---|
|
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:
Door het basismateriaal op te warmen vóór het lassen, voorkom je dat het smeltbad en basismateriaal te snel afkoelt. Een langzame afkoeling geeft minder kans op:
• Martensietvorming (hard en bros)
• Restspanningen
• waterstof scheuren (Koud scheuren)
Waterstof, afkomstig van vocht in lastoevoegmateriaal, beschermgas of basismateriaal kan grote problemen veroorzaken. Bij lage temperaturen kan deze zich insluiten in de HAZ (heat-affected zone) waardoor de kristalstructuur zal veranderen en mogelijk scheuren veroorzaken. Voorverwarmen versnelt de diffusie van waterstof uit het lasmetaal vóórdat het schadelijke microstructuren (zoals martensiet) vormt.
Bij constructies met grote wanddiktes zorgt voorverwarmen ervoor dat er geen grote temperatuurverschillen ontstaan tussen het koude basismateriaal en het warme lasmateriaal. Zonder voorverwarming zou het basismateriaal de warmte van het lasmetaal te snel opnemen, wat kan leiden tot inwendige spanningen en vervormingen in het materiaal
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:
Tijdens het lassen ontstaat thermische uitzetting en krimp, wat leidt tot restspanningen. Als vloeibaar lasmetaal gaat stollen dan zal het krimpen met restspanningen tot gevolg. PWHT verlaagt deze restspanningen.
Kruipvast staal heeft een speciaal ontworpen microstructuur (vaak ferritisch-perlitisch, bainitisch of martensitisch) die kruipweerstand biedt bij hoge temperatuur. Lassen verstoort deze microstructuur, vooral in de warmte-beïnvloede zone (HAZ). Martensitisch staal, zoals P91, bevat na het lassen een hard en bros lasmetaal en in de HAZ. PWHT zorgt voor omzetting van martensiet naar getemperde martensiet, met fijne carbiden langs de korrelgrenzen. Dit verhoogt de kruipweerstand en ductiliteit.
Zonder PWHT is het risico groot dat het gelaste onderdeel voortijdig faalt tijdens langdurige blootstelling aan hoge temperaturen en spanningen. PWHT stimuleert de vorming van stabiele carbiden die de staalstructuur op lange termijn stabiliseren en kruipweerstand verhogen.
Beispiel für ein PWHT-Diagramm des Stahles P91
GTAW:
grondlagen, lage diffusie van waterstof
GMAW:
grondlagen en vullagen
FCAW:
productielassen in positie
SMAW:
Robuust, veldwerk
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:
• Het lastoevoegmateriaal moet chemisch compatibel zijn met het basismateriaal.
• Vaak wordt een toevoegmateriaal gekozen met iets hogere legeringselementen om de gewenste sterkte en kruipvastheid te behouden na het lassen.
• Bij hoge temperaturen moet het lastoevoegmateriaal bestand zijn tegen kruipvervorming.
• Materiaal moet bestand zijn tegen temperatuursveroudering en oxidatie.
• Typische werktemperaturen zijn vaak >450°C, en soms tot 600–650°C.
• Rekgrens, treksterkte en kruipsterkte moeten overeenkomen met of iets hoger liggen dan die van het basismateriaal.
• vermoeiingssterkte en taaiheid moeten, vooral bij overgangszones, voldoende zijn.
• De meeste toevoegmaterialen vereisen een Post Weld Heat Treatment (PWHT) om spanningen te verminderen en structuur te normaliseren.
• Het toevoegmateriaal moet goed reageren op deze behandeling zonder bros te worden.
| 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