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Was ist die Wärmeeinflusszone

Die Wärmeeinflusszone (WEZ) ist ein nicht geschmolzener Bereich neben einer Schweißnaht oder Schnittkante, der durch die Einwirkung hoher Temperaturen Veränderungen der Materialeigenschaften erfahren hat. Diese Veränderungen der Materialeigenschaften sind in der Regel auf das Schweißen oder das Schneiden zurückzuführen. Die WEZ ist beim Schweißen der Bereich zwischen der Schweißnaht und dem Grundwerkstoff. Beim Schneiden liegt sie zwischen dem Schnitt und dem Grundwerkstoff.

Der WEZ-Bereich kann in Intensität und Größe variieren, abhängig von den Materialeigenschaften, der Konzentration und Intensität der Wärme sowie dem verwendeten Schweiß- oder Schneidverfahren.

Was sind die Ursachen für wärmebeeinflusste Zonen?

Die Wärmeeinflusszone wird durch Temperaturleitfähigkeit beeinflusst, die gelegentlich auch Wärmediffusivität (von englisch thermal diffusivity) genannt wird und von der Wärmeleitfähigkeit, der Dichte und der spezifischen Wärme eines Stoffes abhängig ist. Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind in der Lage, Wärmeschwankungen schneller zu übertragen, d.h. sie kühlen schneller ab und reduzieren dadurch die WEZ. Andererseits halten diejenigen Materialien mit einem niedrigeren Wärmeleitfähigkeits-Koeffizienten die Wärme zurück, was bedeutet, dass die WEZ breiter ist. Im Allgemeinen ist die Ausdehnung der WEZ abhängig von der Menge der zugeführten Wärme, der Dauer der Wärmeeinwirkung und den Eigenschaften des Materials selbst. Wenn ein Material über längere Zeiträume größeren Energiemengen ausgesetzt ist, ist die WEZ größer.

Bei Schweißverfahren kühlen die Prozesse mit hoher Wärmeeinbringung schneller ab, was zu einem kleineren WEZ führt, während langsamere Wärmeeinträge eine langsamere Abkühlrate und damit zu einem größeren WEZ führen. Darüber hinaus wächst auch die Größe der WEZ mit abnehmender Geschwindigkeit des Schweißprozesses. Die Schweißgeometrie ist ein weiterer Faktor, der bei der Größe der WEZ eine Rolle spielt.

Hochtemperatur-Schneidvorgänge können auch eine WEZ verursachen, und ähnlich wie bei Schweißverfahren neigen Prozesse, die bei höheren Temperaturen und langsamen Geschwindigkeiten arbeiten, dazu, eine größere WEZ zu erzeugen, während bei Prozessen mit niedrigeren Temperaturen oder höheren Geschwindigkeiten die WEZ-Größe reduziert wird. Die Tiefe der WEZ wird durch den Schneidprozess, die Schnittgeschwindigkeit, die Materialeigenschaften und die Dicke bestimmt.

Unterschiedliche Schneidprozesse haben unterschiedliche Auswirkungen auf die WEZ, unabhängig vom zu schneidenden Material. So erzeugen beispielsweise das Scheren und Wasserstrahlschneiden keine WEZ, da sie das Material nicht wesentlich erhitzen, während das Laserschneiden eine kleine WEZ erzeugt, da die Wärme nur auf eine kleine Fläche aufgebracht wird. Hingegen führt das Plasmaschneiden zu einem mittelmäßigen WEZ, wobei die höheren Ströme eine höhere Schnittgeschwindigkeit und damit eine schmalere WEZ ermöglichen, während das Autogenschneiden aufgrund der hohen Hitze, langsamen Geschwindigkeit und Flammenbreite die breiteste WEZ erzeugt. Das Lichtbogenschweißen liegt zwischen den beiden Extremen, wobei die einzelnen Prozesse in der Wärmeeinbringung variieren.

WEZ-Bereiche

Während die WEZ zwischen der Schweiß- oder Schneidzone und dem unbeeinflussten Grundmetall auftritt, weist die WEZ selbst unterschiedliche Bereiche auf, je nachdem, wie nah sie an der Stelle sind, an der die Schneid- oder Schweißwärme auf das Material aufgebracht wurde.

Die Schneid- oder Schweißzone ist der schmelzflüssige Bereich, in dem der Prozess selbst stattfindet und an den sich die Schmelzgrenze anschließt. Die Fusionsgrenze ist die Grenze der Fusionszone, in der die flüssigen und festen Phasen des Metalls koexistieren. Weiter von der Schweiß- oder Schneidzone entfernt befindet sich die WEZ selbst, in der der nicht geschmolzene metallische Grundwerkstoff Veränderungen an der Mikrostruktur erfahren hat. Die WEZ kann in die Kornwuchszone (nahe der erwärmten Fläche), die rekristallisierte Zone, die teilweise transformierte Zone und die temperierte Zone unterteilt werden. Außerhalb dieser WEZ-Bereiche befindet sich das unbeeinflusste Basismaterial.

Die verschiedenen WEZ-Bereiche werden durch unterschiedliche Temperaturen im Grundwerkstoff weiter von der Schweißnaht entfernt gebildet oder selbst geschnitten. Dies ist beispielsweise an einer Reihe von sichtbaren Farbbändern zu erkennen, die durch Oberflächenoxidation in der Nähe einer Schweißnaht aus Edelstahl entstehen. Diese verschiedenen Anlauffarben, auch Anlassfarben genannt, geben einen ungefähren Hinweis auf die vom Metall erreichte Temperatur. Bei unter Umgebungslufteinfluss erwärmtem Edelstahl 1.4301 (AISI 304) stellen sich die Bandfarben und die damit verbundenen Temperaturen wie folgt dar:

Hellgelb 290 °C / 550 °F

Strohgelb 340 °C / 640 °F

Gelb 370 °C / 700 °F

Braun 390 °C / 735 °F

Violettbraun 420 °C / 790 °F

Dunkelviolett 450 °C / 840 °F

Blau 540 °C / 1000 °F

Dunkelblau 600 °C / 1110 °F

Die Anlauffarben hängen von der Oxidationsbeständigkeit des Materials ab, wobei Metalle mit einem höheren Stahl-Chromgehalt eine weniger intensive Färbung aufweisen, da sie resistenter gegen Oxidation sind. Der Einsatz von Schutzgas- und Elektrodenbeschichtungen kann auch die Hitzeeinwirkung reduzieren, da sie das Metall teilweise vor Oxidation schützen. Umgekehrt oxidieren rauere Oberflächen schneller und führen zu dunkleren Farben. Darüber hinaus können Farbe, Öl, Rost und sogar Fingerabdrücke die Hitzetönung verändern, obwohl sie das Ausmaß der WEZ selbst nicht beeinflussen.

Welche Auswirkungen haben wärmebeeinflusste Zonen?

Aufgrund der in der WEZ erfahrenen Erwärmung ändern sich das Gefüge und die Eigenschaften in diesem Bereich, so dass sie sich vom Grundwerkstoff unterscheiden. Diese Veränderungen sind in der Regel unerwünscht und führen dazu, dass Materialeigenschaften in diesem Bereich schlechter werden als die des Grundwerkstoffs. Der Wärmeeinfluss kann zu Eigenspannungen, Schweißrissen (sowohl zu Heißrissen als auch zu Kaltrissen), zu erhöhter Sprödigkeit, verminderter Materialfestigkeit und zu verminderter Korrosionsbeständigkeit führen. Infolgedessen ist die WEZ oft der Bereich, in dem Ausfälle auftreten.

Darüber hinaus kann bei Edelstählen das Oberflächennitrieren zu einer erhöhten Härte und einer verminderten Schweißbarkeit führen. Korrosion ist ein weiterer häufiger Nebeneffekt der hohen Temperaturen, die die WEZ bei Edelstählen beeinflusst. Die im Schweißraupenbereich erzeugte Wärme bewirkt, dass sich Chromkarbide um die Korngrenzen ausbreiten und der Chromgehalt unter 10,5% sinkt, wodurch der Stahl die Fähigkeit zur Bildung eines Passivfilms verliert und nicht mehr rostfrei ist. Dies führt zu interkristalliner Korrosion.

Die Wasserstoffversprödung ist ein weiterer unerwünschter Nebeneffekt der hohen Temperaturen, bei denen Gas durch das Schweißgut diffundiert, Druck im Gitter erzeugt und die Zugfestigkeit und Zähigkeit des Metalls reduziert wird. Wird das Wasserstoffgas nicht entfernt, kann es bereits nach 24 Stunden nach dem Erwärmen zu einer spontanen Rissbildung führen.

In einigen Fällen kann die Erwärmung zu einer lokalen Verfestigung führen, und austenitische Edelstähle können martensitisch werden, was sowohl die Härte als auch die Sprödigkeit erhöht. In anderen Fällen, insbesondere bei Aluminium, kann das erwärmte Metall geschwächt werden.

So reduzieren Sie die Wärmeeinflusszone

Die Reduzierung der wärmebeeinflussten Zone kann helfen, die damit verbundenen Probleme von WEZ-Rissen, Korrosion, Versprödung usw. zu lindern. Dies kann durch eine Wärmebehandlung nach der Normalisierung oder dem Glühen des Materials erreicht werden. Dieser Prozess kann jedoch kostspielig und zeitaufwendig sein und keine vollständige Lösung bieten. Die Wärmebehandlung wird auch durch die Größe des Teils im Vergleich zum Brenner oder Ofen, der für die Behandlung verwendet wird, eingeschränkt.

Das Schneiden kann auch als Alternative zur Wärmebehandlung eingesetzt werden, um die Auswirkungen der WEZ zu reduzieren. Dies kann entweder durch Schleifen oder Schneiden erreicht werden, wobei darauf geachtet werden muss, dass dadurch nicht noch mehr Wärme in das Bauteil einbracht wird.

Die mechanische Bearbeitung ist der effektivste Weg, um die gesamte WEZ zu entfernen, aber dies kann die Materialausbeute reduzieren sowie die Arbeits- und Maschinenbelegngszeit erhöhen.

Schließlich kann die durch Oxidation entstandene Hitzeeinfärbung abgeschliffen oder mit feinem Schleifpapier entfernt werden. Dadurch wird die darunterliegende Schicht freigelegt und die Selbstpassivierung des Chroms aktiviert – allerdings kann dies auch das Bauteil schwächen.

Im Idealfall sollte die Wärmeeinflusszone durch die Wahl des richtigen Schweiß- oder Schneidverfahrens für das Material minimiert werden. TWI kann Ihnen bei dieser Art der Auswahl helfen und Sie können sich über die besten Materialien für Ihre Aufgabe informieren.

Für weitere Informationen senden Sie bitte eine englischsprachige E-Mail an:

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