Bei der Bearbeitung von Federstahl stellt sich oft die Frage, ob er sich überhaupt schweißen lässt. Abhängig ist dies vor allem von seiner Legierung. Um zu erkennen, welche Federstähle sich so bearbeiten lassen, ist es also wichtig, immer die Werkstoffzusammensetzung nachzuschlagen.
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Welcher Federstahl kann geschweißt werden?
Zum Schweißen eignet sich beispielsweise nichtrostender Federstahl 1.4310. Anwender sollten dabei beachten, dass sich bei der Bearbeitung die mechanischen Werte der kaltverformten Federn in der Schweißzone stark verändern. Vor allem der Kohlenstoffgehalt wirkt sich negativ aus: Kohlenstoff-Federstahlarten wie etwa C75S lassen sich nur sehr schlecht verbinden. Generell gilt: Je höher der Kohlenstoffgehalt, desto schwieriger ist es, den Stahl zu schweißen. Grundsätzlich gilt als Richtlinie: Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt unter 0,22 Prozent sind gut schweißbar. Liegt der Kohlenstoffgehalt bei etwa 0,3 Prozent, sind meist einige Vorarbeiten wie Vorwärmen oder Spannungsarmglühen erforderlich.
Dieser Richtwert gilt jedoch nur für unlegierte Federstähle. Bei legierten und hoch legierten Stählen spielt es eine wichtige Rolle, auch den Einfluss der einzelnen Legierungsbestandteile zu berücksichtigen. Je nach Menge wirken sie sich ebenfalls auf die Schweißbarkeit aus.
Berechnung des Kohlenstoffäquivalents hilft bei der Einschätzung der Schweißeignung
In der Werkstoffkunde gibt es ein Maß, um die Schweißeignung von unlegierten und niedriglegierten Federstählen zu beurteilen: das sogenannte Kohlenstoffäquivalent. Denn sowohl der Kohlenstoffgehalt als auch eine Vielzahl anderer Legierungselemente im Stahl beeinflussen sein Verhalten. Im Kohlenstoffäquivalent ist der Kohlenstoffgehalt und der gewichtete Teil der Elemente zu einem Zahlenwert zusammengefasst. Denn die Elemente beeinflussen die Schweißeignung des Stahls fast genauso wie der Kohlenstoff. Liegt der Wert des Kohlenstoffäquivalents bei weniger als 0,45 Prozent, ist er sehr gut zum Schweißen geeignet. Abhängig von der Verarbeitungsdicke erfordern höhere Werte das Vorwärmen des Materials. Bei mehr als 0,65 Prozent lässt sich das Werkstück nur mit einem hohen Aufwand schweißen, da durch Martensitbildung das Risiko von Kalt- oder Härterissen steigt.
Die wichtigsten Prozentwerte des Kohlenstoffäquivalents in der Übersicht:
- bis 0,45 Prozent: Dieser Wert bedeutet eine gute Schweißeignung.
- bis 0,65 Prozent: Der Werkstoff ist grundsätzlich zum Schweißen geeignet.
- ab 0,65 Prozent: Der Federstahl ist nur mit sehr hohem Aufwand oder überhaupt nicht schweißbar.
Wie wirken sich hohe Kohlenstoffäquivalente aus?
Steigt das Kohlenstoffäquivalent an, vermehren sich auch die Probleme, die dann beim Schweißen des Federstahls auftreten können. Beispielsweise ist eine Aufhärtung und Versprödung in der Wärmeeinflusszone möglich. Dadurch kommt es zu verschiedenen Arten von Rissen.
Möglichkeiten, die Schweißbarkeit von Federstahl zu steigern
- Vorwärmen
- Auswahl einer geeigneten Nahtgeometrie
- Verwendung geeigneter Elektroden
Berechnung des Kohlenstoffäquivalents
Um aus den Legierungsbestandteilen das sogenannte Kohlenstoffäquivalent eines Federstahls zu berechnen, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Da kein allgemeingültiges Verfahren existiert, werden daher je nach Zweck unterschiedliche Verfahren angewandt:
Hier eine Übersicht der gebräuchlichsten Berechnungen:
Generell dabei gilt:
C = Kohlenstoff
Mn = Mangan
Cu = Kupfer
Ni = Nickel
Cr = Chrom
Mo = Molybdän
V= Vanadium
Si = Silicium
B = Bor
CEV (Carbon Equivalent Value)
CEV = C + Mn/6 + (Cu + Ni)/15 + (Cr + Mo + V)/5
Diese Berechnung ist ab einem Kohlenstoffgehalt von 0,18 Prozent sinnvoll. Mit ihr können Anwender die Notwendigkeit des Vorwärmens abschätzen. Damit wiederum lassen sich Aufhärtungsrisse (genormt in EN 10025-1) vermeiden. Mit speziellen Formeln ist es möglich, die Vorwärmtemperatur langsam anzunähern.
CET (Carbon Equivalent Thyssen)
CET = C + (Mn + Mo)/10 + (Cr + Cu)/20 + Ni/40
Dieses Verfahren eignet sich zur besseren Abschätzung der Vorwärmtemperatur oder der Zwischenlagentemperatur
. Ziel ist es, durch eine höhere Anfangstemperatur eine genügend lange Abkühlung zu bewirken. Dadurch kann sich der Wasserstoff gut aus dem Schweißgut lösen, und es bilden sich keine wasserstoffunterstützten Risse.
Für die Vorwärmtemperatur besteht dieser Zusammenhang:
Dabei gilt:
HD = Menge des diffusiblen Wasserstoffs in ml/100 g Schweißgut
Q = bei elektrischen Schmelzschweißverfahren die Wärmeeinbringung mit
k= relative thermische Wirkungsgrad
v = die Schweißgeschwindigkeit.
PCM (Critical Metal Parameter)
PCM = C + Si/30+ (Mn + Cu + Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5 B
Diese Berechnung wird eingesetzt, wenn kurze Abkühlzeiten und Wurzelschweißungen erforderlich sind.
Generell werden alle Legierungsanteile des Federstahls in Prozent eingefügt. Häufig wird im Werkszeugnis das Kohlenstoffäquivalent selbst schon mit angegeben, sodass eine Berechnung in den meisten Fällen gar nicht erforderlich ist. Trotzdem sollte immer geprüft werden, ob der angegebene CEV für die jeweilige Anwendung genutzt werden kann.
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