Die Wärmeeinflusszone (WEZ) entsteht, wenn Metall hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Es wirkt sich negativ auf das Design und die Struktur des Metalls aus. Welche Effekte führen zu ZUT und wie lässt sich deren Reduktion beeinflussen?
 

Wärmeeinflusszone (WEZ)

Mechanisches Schneiden, thermisches Schneiden und Schweißen sind nur einige Produktionsprozesse, die die sogenannte Wärmeeinflusszone (HAZ) verursachen.

Beim mechanischen Schneiden muss die Scherfestigkeit des Metalls überwunden werden. Während dieses Prozesses wird der größte Teil der Energie in Wärmeenergie umgewandelt, was sich auf die Haltbarkeit der Werkzeuge und Metalle auswirkt, die dem Schneidprozess unterzogen werden.

Bei thermischen Schneidverfahren wie Laserschneiden oder Plasmaschneiden wird mit Hitze geschnitten. Und diese Methode verursacht die gleichen strukturellen und ästhetischen Veränderungen.

Beim Schweißen werden ähnlich wie beim thermischen Schneiden sehr hohe Temperaturen beim Hinzufügen von geschmolzenem Metall oder beim Schmelzen der Teile selbst verwendet.

Da die Bildung der Wärmeeinflusszone einen erheblichen Einfluss auf die Qualität des Endprodukts hat, ist es gut, die verschiedenen relevanten Aspekte zu verstehen, die zum Auftreten der Wärmeeinflusszone oder ihren Folgen führen.

 

Was ist die Wärmeeinflusszone?

Beim Metallschneiden oder Metallschweißen nimmt das zu bearbeitende Metall die dabei entstehende Wärme auf. Diese Wärme wird von der Klinge durch den Metallkörper übertragen, da Metall ein guter Wärmeleiter ist.

Zwischen dem geschmolzenen Metall und dem unveränderten Grundmetall bildet sich eine Zone, die Wärmeeinflusszone (WEZ) genannt wird. In dieser Zone wird das Metall nicht geschmolzen, aber die Hitze hat zu Veränderungen in der Metallstruktur geführt. Diese Strukturänderungen können sich auf die verringerte Festigkeit des Metalls auswirken.

WEZ ist an einer Reihe hellfarbiger Bänder zwischen der Schnitt-/Schweißnaht und dem unveränderten Grundmetall zu erkennen. Die Farben reichen von hellgelb bis violett.

 

Was sagt uns Farbe?

Durch die Verwendung unterschiedlicher Temperaturen während des Produktionsprozesses treten bei WEZ unterschiedliche Farbnuancen auf. Diese Farbtöne reichen von hellgelb bis dunkelblau, wenn die Temperatur ansteigt.

Die Farben der Bänder entsprechend dem Temperaturanstieg sind:

Hellgelb 290º C

Strohgelbe Farbe 340º C

Gelb 370º C

Braun 390º C

Purpurbraun 420º C

Dunkelviolett 450º C

Blau 540º C

Dunkelblau 600º C

Die Faktoren, die die Erstellung dieser thermischen Farbtöne weiter beeinflussen, sind:

• Oberflächenzustand – rauere Oberflächen oxidieren schneller und erzeugen eine ausgeprägtere Farbe.
• Oberflächenverschmutzung – Verunreinigungen wie Rost, Farbe und Öl wirken sich auch auf den Farbton aus. Verschmutzungen können den thermischen Farbton verändern, beeinträchtigen jedoch nicht die Ausdehnung der WEZ.
• Verfügbarkeit von Sauerstoff – da die Begrenzung des Zugangs zu Sauerstoff die Oxidation reduziert, kann die Verwendung von Elektrodenbeschichtung oder Schweißschutzgas den Hitzeschutz beeinflussen.
• Chromgehalt – Chrom erhöht die Oxidationsbeständigkeit. Daher verringert ein höherer Chromgehalt die Intensität des Hitzeschutzes.

 

Bildung der Zone unter Wärmeeinfluss

Die Ursache der WEZ-Bildung ist offensichtlich Hitze. Die Breite der Zone hängt immer noch von mehreren Faktoren ab, wie z. B. der thermischen Diffusion und der Wahl des Schneidverfahrens.

 

Wärmeleitzahl

Die Temperaturleitfähigkeit des Metalls spielt eine primäre Rolle bei der Bestimmung der Wirkung von WEZ auf das Metall. Es ist das Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit des Metalls dividiert durch seine Dichte und spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck.

Einfach ausgedrückt ist die Temperaturleitfähigkeit eines Metalls ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der Wärme durch einen Metallkörper übertragen wird. Wenn der Wärmediffusionskoeffizient hoch ist, kann das Metall Wärme früher übertragen.

Dies führt zu einer schnelleren Abkühlung und die WEZ wird schmaler. Andererseits hält eine niedrige Temperaturleitfähigkeit die Wärme länger im Metall und erzeugt eine breitere WEZ.

Die Temperaturleitfähigkeit von Edelstahl AISI 304 beträgt 4,2 mm2/s, während die von Baustahl 11,72 mm2/s beträgt. Dies bedeutet, dass Baustahl, wenn er Hitze ausgesetzt wird, eine kleinere WEZ erzeugt, weil er schneller abkühlt.

Die Erstellung von WEZ hängt auch von verschiedenen anderen Faktoren ab. Die Breite der Zone hängt von der erzeugten Wärmemenge, der Dauer der Wärmeeinwirkung und der Dicke des Materials ab.

Dünnes Blech erwärmt sich schneller und erzeugt dadurch eine größere Wärmeeinflusszone.

 

Wahl der Schnittmethode

Jedes thermische Schneidverfahren ist etwas anders und daher variiert auch die resultierende Wärmeeinflusszone.

Brennschneiden und Lichtbogenschweißen erzeugen die maximale Wärmemenge und haben die breiteste WEZ von allen.

Schnelle und stabile Schweißnähte reduzieren die Hitzeeinwirkung auf ein Minimum. Daher kann der Einsatz eines erfahrenen Schweißers die Größe des WEZ reduzieren und folglich zu einer stärkeren Verbindung führen.

Die Größe der WEZ beim Plasmaschneiden ist relativ dünner, da die Schnittgeschwindigkeiten manipuliert werden können, um eine dünne WEZ zu erzeugen.

Durch das Laserschneiden entsteht ein noch kleineres WEZ, da es eine schmale Schneidkante hat und die Hitze auf eine kleine Fläche aufgebracht wird.

Prozesse wie Wasserstrahlschneiden und Sägen erzeugen keine WEZ, da sie keine Überhitzung des Materials beinhalten. Dies ist bei der Konstruktion von Teilen zu berücksichtigen, die zusätzliche Zuverlässigkeit erfordern.

 

Auswirkungen von WEZ

Die Wärmeeinflusszone führt zu Gefügeveränderungen im Metall, die einen Teil des Metalls in diesem Bereich schwächen. Dies wirkt sich auf die mechanischen Eigenschaften des Metalls wie Beständigkeit gegen Ermüdung, Verformung und Oberflächenrisse aus.

Aus diesem Grund ist es äußerst wichtig, die Auswirkungen von WEZ zu kennen. Dies gilt auch beim selbstständigen Schneiden und Schweißen von Metall.

Verschiedene Wirkungen von WEZ auf Metall

Metallurgische und chemische Veränderungen

Beim Schneiden von Metall nimmt das Metall sehr viel Wärme auf, was die Mikrostruktur und die Eigenschaften des Metalls im betroffenen Bereich erheblich verändern kann.

Die Molekularstrukturen von Metallen dehnen sich bei Erwärmung aus. Wenn die zugeführte Wärme über den Metallquerschnitt variiert, führt dies zu einer ungleichmäßigen Ausdehnung und anschließenden Kontraktion des Metallkörpers. Während des Abkühlvorgangs können Verformungen wie Verwerfungen auftreten. Ähnliche Ergebnisse zeigt beispielsweise die Produktion von warmgewalzten Stählen.

Chemische Veränderungen werden auch als verschiedene Phasen angesehen, die sich nebeneinander bilden, abhängig von den spezifischen Temperaturen, die von verschiedenen Teilen des Metalls erreicht werden.

 

Oberflächennitrieren

Beim Oberflächennitrieren wird einer Metalloberfläche Stickstoff zugesetzt, um deren Härte zu verbessern. Bei Prozessen zum Schneiden und Schweißen von Metall bei hoher Temperatur wird dieser Effekt beobachtet. Aus diesem Grund nimmt die Härte im erhitzten Bereich zu und die Möglichkeit des Schweißens nimmt ab.

Oxidation

Wenn Metalle hohen Temperaturen ausgesetzt werden, können sie unter anderem dem Oxidationsprozess unterliegen. Dieser ist für die für WEZ charakteristischen bunten Bänder verantwortlich.

Phasenwechsel

Das Eisenkarbid-Diagramm half uns, die Phasen von Stahl zu verstehen. Je nach Temperatur des Stahls bilden sich unterschiedliche Phasen.

Austenitischer Edelstahl wandelt sich beispielsweise bei hohen Temperaturen in martensitischen Stahl um. Martensitischer Stahl ist härter und spröder. In einigen Fällen wird die Hitze das Metall schwächen.

Wasserstoffversprödung

Wasserstoffversprödung ist die Diffusion von Wasserstoff in das Metallgitter, was die Duktilität und Zähigkeit des Metalls verringert.

Hohe Temperaturen können zu Wasserstoffversprödung führen. Bei manchen Metallen kann es durch diesen atomaren Wasserstoff zu einer Phasenumwandlung kommen. Dies kann selbst nach 24 Stunden des Schneidvorgangs zu Wasserstoffrissen führen.

Korrosion

Edelstahl kann in der Wärmeeinflusszone sogar korrodieren. Extreme Hitze führt dazu, dass Chromkarbide in der Nähe von Korngrenzen ausfallen. Dadurch sinkt der Chromgehalt von Edelstahl auf unter 10,5 Prozent.

Das Ergebnis ist ein Verlust der Selbstpassivierung (die Fähigkeit, eine Schutzschicht aus Chromoxid zu regenerieren, um Korrosion zu verhindern), was zu interkristalliner Korrosion führt. Außerdem verliert es seine Eigenschaft, rostfrei zu sein, und im Extremfall wird das Metall schwarz.

 

Reduktion der WEZ-Bildung

Die Wärmeeinflusszone ist ein unerwünschtes Nebenprodukt. Es ist jedoch unmöglich, WEZ vollständig zu eliminieren. Nach seiner Entstehung ist nur noch eine Reduktion möglich.

Ob Sie Metall schweißen oder schneiden, Geschwindigkeit ist der Schlüssel. Wie bereits beschrieben, hinterlässt eine kürzere Hitzeeinwirkung weniger WEZ.

Die Fähigkeit, die Geschwindigkeit zu optimieren, hängt von den Anlagen- und Maschinenbedienern ab. Zu wissen, wie Sie Ihre Maschinen zur Höchstleistung bringen, führt zu großartigen Ergebnissen.

 

Reparaturen nach Gründung

Nach der Bildung von WEZ kann das Metall behandelt werden, um einen Teil der verlorenen Festigkeit zurückzugewinnen.

Beim Schweißen kann dies durch Bearbeitung vor oder nach dem Schweißen erfolgen. Der gleichmäßige Phasenwechsel des Metalls sorgt für einen geringeren Effekt im Vergleich zum umgebenden Metall.

Lösungsglühen hilft bei Stahl. Bei der Methode wird das Metall erhitzt und auf einer bestimmten Temperatur gehalten, um die elementaren Bindungen zu stärken.

Die mechanische Nachbearbeitung kann auf der ästhetischen Seite helfen. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, Sandpapier zu verwenden, um die durch die Oxidation entstandene Hitzeverfärbung zu entfernen. Dies legt die darunter liegende Schicht frei und führt im Fall von Edelstahl zu einer Selbstpassivierung des Chroms. Es ist jedoch auch eine Schwächung des Teils möglich.

Der effektivste Weg, die gesamte Wärmeeinflusszone loszuwerden, ist die mechanische Entfernung. Dies führt zwar zu einem Materialverlust.

 

Fazit

Die Wärmeeinflusszone ist ein unvermeidlicher Bestandteil von Hochtemperatur-Metallschneide- und -schweißprozessen. Die Ursache liegt in der Überhitzung des Metalls bei diesen Prozessen und kann die Eigenschaften des Materials beeinflussen.

Die Formation ist bis zu einem gewissen Grad steuerbar. Der beste Weg, dem entgegenzuwirken, besteht also darin, sich an einen vertrauenswürdigen Metalllieferanten zu wenden, der das Wissen hat, Änderungen auf ein Minimum zu beschränken.

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