Der ultimative Leitfaden für Vorwärmtechniken beim Schweißen

Das Vorwärmen ist eine häufig verwendete Technik beim Schweißen. Dabei wird das zu schweißende Werkstück vor oder während des Schweißvorgangs auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur erwärmt.

Die meisten modernen Spezifikationen verlangen je nach Norm und Art des zu schweißenden Materials bestimmte Vorwärmtemperaturbereiche.

In diesem Artikel werden wir die Bedeutung des richtigen Vorwärmens, seine Vorteile und die Folgen eines unsachgemäßen Vorwärmens anhand von Beispielen erörtern.

Vorwärmen beim Schweißen

1. Techniken

Beim Vorwärmen wird das zu schweißende Werkstück entweder vor oder während des Schweißens auf eine höhere Temperatur als die Umgebungstemperatur erwärmt.

Das Vorwärmen ist eine zwingende Voraussetzung für das Schweißen, und spezifische Vorwärmtemperatur Bereiche sind in den Spezifikationen für das Schweißen vor und nach dem Schweißen angegeben. Unter bestimmten Bedingungen können jedoch auch alternative Vorwärmmethoden verwendet werden.

Das Vorheizen bietet mehrere Vorteile, unabhängig davon, ob es vorgeschrieben ist oder nicht:

  • Reduziert die Schrumpfspannung zwischen der Schweißnaht und dem angrenzenden Grundwerkstoff, was besonders bei hochbelasteten Schweißnähten wichtig ist.
  • Verlangsamt die Abkühlungsgeschwindigkeit bei der Schweißnahtabkühlung im Schlüsseltemperaturbereich, wodurch eine übermäßige Verfestigung verhindert und die Duktilität der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone (WEZ) verringert wird.
  • Verlangsamt die Abkühlungsgeschwindigkeit im Temperaturbereich von 400°F, so dass mehr Zeit für das Entweichen von Wasserstoff aus der Schweißnaht und dem angrenzenden Grundwerkstoff zur Verfügung steht, wodurch wasserstoffinduzierte Risse verhindert werden.
  • Entfernt Verunreinigungen.

Die für das Schweißen erforderliche Vorwärmzeit wird nicht allein durch den in der Spezifikation festgelegten Mindeststandard bestimmt. Stattdessen können eine oder mehrere der folgenden Methoden angewendet werden:

  • Tabellen zur Berechnung
  • Schätzung des Kohlenstoffäquivalents
  • Schätzung der Rissparameter
  • Schätzung des Spark-Tests
  • Faustformel

Der Vorwärmtemperaturbereich ist im Allgemeinen für verschiedene Schweißnahtgrößen und -beschränkungen geeignet.

Während in vielen Spezifikationen eine Mindestvorwärmtemperatur angegeben ist, kann in einigen Fällen eine niedrigere Vorwärmtemperatur verwendet werden, während in anderen Fällen eine höhere Vorwärmtemperatur erforderlich sein kann.

2. Berechnungsbogen

Es gibt mehrere "Vorwärm-Berechnungstabellen", die entweder lineare oder kreisförmige Lineale zur Bestimmung der Vorwärmtemperatur verwenden. Anhand dieser Tabellen können Sie die erforderliche Vorwärmtemperatur auf der Grundlage des Materials und der Dicke des Grundmetalls vorhersagen.

3. Kohlenstoffäquivalent

Das Kohlenstoffäquivalent (CE) ist ein nützliches Maß, um festzustellen, ob und in welchem Umfang ein Vorheizen erforderlich ist. Hier sind die Leitlinien:

  • Wenn CE kleiner oder gleich 0,45% ist, ist das Vorwärmen optional.
  • Wenn CE zwischen 0,45% und 0,60% liegt, sollte der Vorwärmtemperaturbereich zwischen 200°F und 400°F (100°C bis 200°C) liegen.
  • Wenn CE größer als 0,60% ist, sollte der Vorwärmtemperaturbereich zwischen 400°F und 700°F (200°C bis 350°C) liegen.

Liegt der CE-Wert über 0,5, ist es ratsam, die abschließende zerstörungsfreie Prüfung (NDE) um mindestens 24 Stunden zu verschieben, um festzustellen, ob verzögerte Risse vorhanden sind.

4. Riss-Parameter

Der Ito & Bessyo Parameter Riss-Erkennung (PCM)-Methode kann verwendet werden, wenn das Kohlenstoffäquivalent gleich oder kleiner als 0,17 wt-% ist oder wenn hochfester Stahl verwendet wird. Dieser Ansatz ist hilfreich, um genau zu bestimmen, wann eine Vorwärmung erforderlich ist, wann eine erzwungene Vorwärmung durchgeführt werden muss und welche Temperatur zu verwenden ist. Hier sind die Leitlinien:

  • Wenn PCM kleiner oder gleich 0,15% ist, ist das Vorheizen optional.
  • Wenn das PCM zwischen 0,15% und 0,26-0,28% liegt, heizen Sie auf einen Temperaturbereich von 100°C bis 200°C (200°F bis 400°F) vor.
  • Ist das PCM größer als 0,26-0,28%, auf einen Temperaturbereich von 200°C bis 350°C (400°F bis 700°F) vorheizen.

5. Funkenprüfung

Der Funkentest wird seit vielen Jahren als Methode zur Schätzung der Kohlenstoffgehalt in Kohlenstoffstahl. Die Qualität des erzeugten Funkens hängt von der Höhe des Kohlenstoffgehalts ab, wobei ein höherer Kohlenstoffgehalt zu einem besseren Funken und einem größeren Bedarf an Vorwärmung führt.

Diese Methode ist zwar nicht die genaueste, aber sie ist einfach und kann einen allgemeinen Hinweis auf die erforderliche Vorwärmtemperatur liefern. Durch Prüfung der Qualität des erzeugten Funkens kann die erforderliche Vorwärmtemperatur bestimmt werden.

6. Faustformel

Eine andere wirksame, aber weniger präzise Methode zur Auswahl der Vorwärmtemperatur besteht darin, sie für jeweils 10 Punkte auf der Grundlage des Kohlenstoffgehalts (0,10 wt-%) um 100°F (50°C) zu erhöhen. Beträgt der Kohlenstoffgehalt beispielsweise 0,25 wt-%, sollte die Vorwärmtemperatur mindestens 125°C (250°F) oder höher betragen.

Befinden sich jedoch Beschichtungen oder andere Komponenten in der Nähe der Schweißstelle, ist die in der ursprünglichen Produktionsspezifikation angegebene Vorwärmtemperatur möglicherweise nicht angemessen.

Wenn die Schweißwärme Wenn die Wärmezufuhr in der Nähe des für das Standardverfahren zulässigen Höchstwerts liegt, kann die auf die geschweißten Bauteile übertragene Wärme ausreichen, um die Vorwärmanforderungen auszugleichen. Dies kann dazu führen, dass das betroffene Metall auf oder über den Mindestwert der Vorwärmanforderungen erwärmt wird. In solchen Fällen können externe Methoden eingesetzt werden, um die Vorwärmanforderungen zu reduzieren.

Es ist zu beachten, dass dieser Ansatz Spannen und ungenaue Umrechnungen (z. B. von °F in °C) beinhaltet, da das Vorwärmen keine exakte Wissenschaft ist.

In vielen Fällen ist es auch üblich, die Vorwärmtemperatur kontinuierlich zu erhöhen, bis das Problem, z. B. das Verschwinden von Rissen, behoben ist.

Andererseits kann es in bestimmten Situationen möglich sein, den beabsichtigten Zweck zu erreichen, auch wenn die Vorwärmtemperatur niedriger ist als der empfohlene Wert oder die in der Produktionsspezifikation angegebene Temperatur.

7. Praktische Anwendung

Um eine Erweichung des Materials durch das Vorheizen zu vermeiden, ist es wichtig, auf die tatsächliche Betriebsfähigkeit zu achten.

Wählen Sie Schweißverfahren und Elektroden, die nur selten Wasserstoff einleiten.

Es gibt bestimmte Techniken, die zur Verringerung oder Linderung der Eigenspannung.

Um die korrekte Anwendung der Vorwärmmethode sicherzustellen, ist eine sorgfältige Überwachung erforderlich.

Die folgenden Beschreibungen sind entscheidend für die erfolgreiche Umsetzung dieser Techniken.

8. Größe und Fähigkeiten der Schweißnuten

Schweißerisches Können hat einen erheblichen Einfluss auf die Schweißschrumpfung, Eigenspannung, Kontrolle der Wärmezufuhr und Vermeidung von Rissen.

Kurze Schweißnähte haben eine geringere Längsschrumpfung als lange Schweißnähte.

Um Eigenspannungen zu reduzieren, können Gegenhandschweißungen oder spezielle Schweißfolgen eingesetzt werden.

Die Wärmezufuhr sollte kontrolliert oder reduziert werden.

Es sollten lineare Schweißnähte mit kleinen Schwingungen anstelle von solchen mit großen Schwingungen verwendet werden.

9. Risse verkleinern

Geeignete Herstellungsverfahren können zur Verringerung oder Beseitigung von Kratern und Schweißrisse.

  • Im Vergleich zu Schweißnähten mit dünnen und breiten Querschnitten weisen solche mit kreisförmigen Querschnitten die wenigsten Risse auf.
  • Plötzliche Starts oder Stopps beim Schweißen sollten vermieden werden. Die Schweißvorgänge und die Schweißnahtbildung können durch Aufwärts-/Abwärtsschweißtechniken oder durch elektrische Mittel unter Verwendung des Schweißleistung Versorgung.
  • Es sollte ausreichend abgeschiedenes Material verwendet werden, um Risse durch Schweißschrumpfung oder normales Schweißen zu verhindern.

Erfahrungsgemäß sollte die Menge des aufgetragenen Metalls mindestens 3/8 Zoll (10 mm) oder 25% der Schweißnahtdicke betragen, um Risse durch unzureichendes Schweißgut zu vermeiden (was auch eine Anforderung in vielen Produktionsspezifikationen ist).

10. Vorwärmverfahren

In Werkstätten oder auf dem Feld kann das Vorwärmen durch Flammenerwärmung (Luft- oder Acetylenbrennstoff), Widerstandserwärmung, elektronische Induktionserwärmung und andere Methoden erfolgen.

Unabhängig von der verwendeten Methode muss das Vorwärmen gleichmäßig erfolgen.

Sofern keine besonderen Anforderungen bestehen, sollte das Vorwärmen die gesamte Dicke des Schweißstücks durchdringen.

Abbildung 1 zeigt Geräte, die mit Widerstandserwärmung (ohne Isolierung, spätere Anwendung) und Induktionserwärmung arbeiten.

Widerstandserwärmung (links) und Induktionserwärmung

Abb. 1 - Widerstandserwärmung (links) und Induktionserwärmung (rechts)

11. Überwachung des Vorwärmens

Zur Messung und Überwachung der Temperatur können verschiedene Geräte eingesetzt werden.

Bauteile oder Schweißteile, die geschweißt werden sollen, sollten vorgewärmt werden, bis das Material vollständig mit Wärme gesättigt ist.

Wann immer möglich, sollte der Grad der thermischen Durchdringung getestet oder bewertet werden.

Für die meisten Schweißanwendungenist es in der Regel ausreichend, die Temperatur in einem gewissen Abstand zur Schweißnaht zu überwachen.

Die Temperaturüberwachung oder -ablesung sollte nicht die Schweißfuge.

12. Temperaturanzeigestift

Zur Bestimmung der beim Vorwärmen erreichten Mindesttemperatur werden Anzeigestifte oder bleistiftähnliche Werkzeuge verwendet. Diese Werkzeuge schmelzen bei einer bestimmten Temperatur, was eine einfache und kostengünstige Methode zur Bestimmung der Schmelztemperatur des Stiftes ermöglicht.

Wenn die Temperatur des Werkstücks jedoch die Schmelztemperatur des Anzeigestifts übersteigt, funktioniert er nicht richtig. In solchen Fällen müssen möglicherweise mehrere Anzeigestifte mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen verwendet werden, um genaue Temperaturmessungen zu gewährleisten.

13. Elektronische Temperaturüberwachung

Für Vorwärm- und Schweißarbeiten können auch direkte Messgeräte wie Kontaktpyrometer oder direkt ablesbare Thermoelemente mit analogen oder digitalen Messwerten verwendet werden. Diese Geräte sollten kalibriert sein oder ihre Fähigkeit, den Temperaturbereich zu messen, sollte auf irgendeine Weise überprüft werden.

Das Thermoelement hat vor allem den Vorteil, dass es Daten kontinuierlich überwacht und speichert. Daher kann es mit einem Kurvenschreiber oder einem Datenerfassungssystem während des Vorwärmens oder der Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) verwendet werden.

Die American Welding Society (AWS) D10.10 enthält verschiedene Schemata und Beispiele für die richtige Positionierung von Thermoelementen.

14. Überwachung des "Eingeborenenrechts"

Seit vielen Jahren werden verschiedene "einheimische Methoden" angewandt, um festzustellen, ob die Vorwärmtemperatur ausreichend ist. Eine dieser Methoden besteht darin, Speichel oder Rauch direkt auf das Werkstück zu sprühen. Das vom Speichel erzeugte Geräusch wird als Temperaturindikator verwendet, obwohl diese Methode nicht sehr genau ist. Einige erfahrene Personen wenden diese Technik noch immer an.

Eine genauere Methode zur Bestimmung der Vorwärmtemperatur ist die Verwendung eines Acetylenbrenners. Die Flamme wird so eingestellt, dass sie eine starke Verkohlung erzeugt, wodurch in dem vorzuwärmenden Bereich eine graue Rauchschicht entsteht. Der Schweißbrenner wird dann so eingestellt, dass eine mittlere Rauchschicht entsteht, und erhitzt den grauen Rauchbereich. Wenn der graue Rauch verschwindet, zeigt dies an, dass die Oberflächentemperatur über 200°C (400°F) erreicht hat.

Es ist wichtig, sicherzustellen, dass die Vorwärmtemperatur über die gesamte Dicke des Werkstücks und des Schweißbereichs erreicht wird. Meistens wird nur die Außenfläche des Werkstücks überwacht, aber AWS D10.10 enthält empfohlene Praktiken für die Durchwärmungszone und verlangt, dass die gesamte Dicke des Werkstücks beim Rohrschweißen erwärmt wird.

Während des Vorwärmens ist eine sorgfältige Beobachtung erforderlich, um eine Überhitzung des Grundmetalls zu vermeiden, insbesondere bei der Verwendung von Widerstands- oder Induktionserwärmungsverfahren. Viele Versender verlangen inzwischen, dass unter jeder Widerstandsheizplatte oder Induktionsspulenbaugruppe Thermoelemente angebracht werden, um eine Überhitzung zu überwachen und zu verhindern.

15. Zusammenfassung

Unabhängig davon, ob ein Vorwärmen erforderlich ist und welche Vorwärmmethode angewandt wird, bietet das Vorwärmen mehrere Vorteile, unter anderem:

  • Verringerung der Schrumpfspannung in der Schweißnaht und im angrenzenden Grundwerkstoff, was besonders vorteilhaft ist für Schweißnähte unter hohem Zwang;
  • Verlangsamung der Abkühlung des Werkstücks im kritischen Temperaturbereich, wodurch eine übermäßige Verfestigung verhindert und die Erweichung der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone (WEZ) verringert wird;
  • Durch Verlangsamung der Abkühlungsgeschwindigkeit beim Durchlaufen des Temperaturbereichs von 200°C (400°F) wird dem Wasserstoff mehr Zeit gegeben, aus der Schweißnaht und dem angrenzenden Grundwerkstoff zu diffundieren, wodurch wasserstoffinduzierte Rissbildung verhindert wird;
  • Dekontaminierung des Werkstücks;

Beim Vorheizen ist es am besten, die gesamte Fläche gleichmäßig zu erhitzen. Schweißdicke auf die angegebene Vorwärmtemperatur. Eine Überhitzung eines lokalen Bereichs kann zu Materialschäden führen und sollte daher so weit wie möglich vermieden werden.

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Shane
Autor

Shane

Gründerin von MachineMFG

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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