Die Wärmeeinflusszone (oder kurz WEZ) entsteht, wenn Metall hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Sie wirkt sich nachteilig auf das Design und die Struktur des Metalls aus. In diesem Artikel werden diese Effekte sowie Möglichkeiten zu deren Reduzierung erläutert.
Zu den Fertigungsverfahren, die eine WEZ verursachen, zählen mechanisches Schneiden, thermisches Schneiden und Schweißen.
Beim mechanischen Schneiden muss die Scherfestigkeit des Metalls überwunden werden. Der Großteil der eingesetzten Energie wird in Wärme umgewandelt, was sowohl die Lebensdauer der Werkzeuge als auch das zu schneidende Metall beeinflusst.
Thermische Schneidverfahren wie Laserschneiden und Plasmaschneiden nutzen gezielt Wärme zum Schneiden. Auch hier treten strukturelle und optische Veränderungen auf.
Beim Schweißen werden, ähnlich wie beim thermischen Schneiden, sehr hohe Temperaturen eingesetzt, um entweder Schweißzusatzwerkstoffe einzubringen oder die Werkstücke selbst aufzuschmelzen.
Da die Entstehung der WEZ einen erheblichen Einfluss auf die Qualität des Endprodukts hat, ist es wichtig, deren verschiedene zu verstehen.
Beim Schneiden oder Schweißen von Metall wird dieses durch die entstehende Wärmeenergie aufgeheizt. Da Metall ein guter Wärmeleiter ist, breitet sich diese Wärme vom Schneidbereich aus durch das gesamte Werkstück aus.
Zwischen dem geschmolzenen Metall und dem unbeeinflussten Grundmaterial entsteht die sogenannte Wärmeeinflusszone (WEZ). In diesem Bereich wird das Metall zwar nicht geschmolzen, jedoch verändert die Hitze die Mikrostruktur des Metalls. Diese strukturellen Veränderungen können die Festigkeit des Materials verringern.
Die WEZ lässt sich anhand einer Reihe von leuchtend gefärbten Bändern zwischen der Schnitt- bzw. Schweißnaht und dem unbeeinflussten Grundwerkstoff identifizieren. Die Farben reichen dabei von Hellgelb bis Violett, wie in der untenstehenden Tabelle dargestellt.
Es ist äußerst wichtig zu wissen, dass die WEZ für eine verminderte Festigkeit verantwortlich ist, um sichere Konstruktionen gewährleisten zu können. Die schwächsten Stellen einer Struktur befinden sich oft in der WEZ.
Eine Konstruktion ist nur so stark wie ihr schwächstes Glied. Daher kann das Erkennen der WEZ über den Erfolg oder das Versagen eines Bauteils entscheiden.
Durch die Verwendung unterschiedlicher Temperaturen bei Fertigungsprozessen entstehen in der WEZ verschiedene Farbtöne. Diese reichen von Hellgelb bis Dunkelblau, entsprechend steigender Temperatur.
Faktoren, die die Bildung dieser Farbtöne weiter beeinflussen, sind:
| Farbe | Schnitttemperatur |
| Hellgelb | 290º C |
| Strohgelb | 340º C |
| Gelb | 370º C |
| Braun | 390º C |
| Purpurbraun | 420º C |
| Dunkelviolett | 450º C |
| Blau | 540º C |
| Dunkelblau | 600º C |
Die Ursache für die Entstehung der WEZ ist eindeutig die Wärmeeinwirkung. Die Breite der Zone hängt jedoch von mehreren Faktoren ab, wie der thermischen Diffusivität und der Wahl des Schneidverfahrens.
Die thermische Diffusivität eines Metalls ist entscheidend dafür, wie stark die WEZ das Material beeinflusst. Sie ist das Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit des Metalls zu dessen Dichte und spezifischer Wärmekapazität bei konstantem Druck.
Einfach ausgedrückt gibt die thermische Diffusivität an, wie schnell sich Wärme durch das Metall ausbreitet. Ist sie hoch, leitet das Metall die Wärme zügig ab.
Dies führt zu einer schnelleren Abkühlung und einer schmaleren WEZ. Eine geringe thermische Diffusivität hingegen hält die Wärme länger im Werkstück und erzeugt eine breitere WEZ.
Die thermische Diffusivität von Edelstahl AISI 304 beträgt 4,2 mm²/s, während sie bei Baustahl 11,72 mm²/s beträgt. Das bedeutet, dass Baustahl bei Wärmeeinwirkung eine kleinere WEZ erzeugt, da er schneller abkühlt.
Die Entstehung der WEZ hängt zudem von weiteren Faktoren ab. Die Breite der Zone richtet sich nach der erzeugten Wärmemenge, der Dauer der Wärmeeinwirkung und der Materialdicke.
Dünne Bleche erhitzen sich schneller und erzeugen daher eine größere WEZ.
Jedes thermische Schneidverfahren ist unterschiedlich, daher variiert auch die resultierende Wärmeeinflusszone.
Brennschneiden und Lichtbogenschweißen erzeugen die meiste Hitze und verursachen die breiteste WEZ.
Schnelle und gleichmäßige Schweißnähte begrenzen die Wärmeeinwirkung auf ein Minimum. Ein erfahrener Schweißer kann somit die Größe der WEZ verringern und zu einer stärkeren Verbindung beitragen.
Beim Plasmaschneiden ist die WEZ vergleichsweise schmal, da die Schnittgeschwindigkeit angepasst werden kann, um eine dünne WEZ zu erzielen.
Laserschneiden erzeugt eine noch kleinere WEZ, da der Schnittspalt sehr schmal ist und die Hitze auf einen kleinen Bereich konzentriert wird.
Verfahren wie Wasserstrahlschneiden und Scherschneiden verursachen keine WEZ, da sie das Material nicht überhitzen. Dies ist ein wichtiger Aspekt bei der Konstruktion von Teilen, deren Zuverlässigkeit besonders hoch sein muss.
Die Wärmeeinflusszone führt zu strukturellen Veränderungen im Metall, die das Bauteil in diesem Bereich schwächen. Mechanische Eigenschaften wie Ermüdungsfestigkeit, Verzug und Oberflächenrisse werden beeinflusst.
Daher ist es äußerst wichtig, die Auswirkungen der WEZ zu kennen – selbst wenn man nicht selbst schweißt oder schneidet.
Im Folgenden betrachten wir die verschiedenen Effekte der WEZ auf das Metall.
Beim Metallschneiden nimmt das Material Wärme sehr schnell auf. Gleichzeitig erfolgt die Abkühlung durch das Kühlmittel meist sofort. Dies kann die Mikrostruktur und die Eigenschaften des Metalls im betroffenen Bereich erheblich verändern.
Die Molekularstruktur von Metallen dehnt sich bei Erwärmung aus. Wird die Wärme unterschiedlich über den Querschnitt aufgebracht, führt dies zu ungleichmäßiger Ausdehnung und anschließender Kontraktion. Während des Abkühlens können Verformungen wie Verzug auftreten. Beispielsweise bei der Herstellung von warmgewalzten Stählen zeigen sich ähnliche Effekte.
Auch chemische Veränderungen treten auf, da sich je nach Temperaturbereich unterschiedliche Phasen im Metall ausbilden können.
Oberflächennitrierung beschreibt das Einbringen von Stickstoff in die Metalloberfläche zur Erhöhung der Härte. Bei Hochtemperatur-Schneid- und Schweißprozessen tritt dieser Effekt ungewollt auf. Die Härte im betroffenen Bereich steigt, die Schweißbarkeit nimmt jedoch ab.
Metalle, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, können oxidieren. Dies ist verantwortlich für die typischen, farbigen Bänder, die charakteristisch für die WEZ sind.
Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm hilft, die Phasen von Stahl zu verstehen. Je nach Temperatur entstehen unterschiedliche Phasen im Stahl.
Wird beispielsweise austenitischer Edelstahl hohen Temperaturen ausgesetzt, wandelt er sich in martensitischen Stahl um. Martensitischer Stahl ist härter, aber auch spröder. In manchen Fällen schwächt Hitze das Metall sogar.
Wasserstoffversprödung bezeichnet die Diffusion von Wasserstoff ins Metallgitter, wodurch Duktilität und Zähigkeit des Metalls reduziert werden.
Hohe Temperaturen können zur Wasserstoffversprödung führen. Es kann dabei zu Phasenumwandlungen durch atomaren Wasserstoff kommen, was Wasserstoffrisse selbst noch 24 Stunden nach dem Schneidprozess verursachen kann.
Selbst Edelstahl kann in der WEZ korrodieren. Extreme Hitze führt zur Ausfällung von Chromkarbiden an den Korngrenzen, wodurch der Chromgehalt unter 10,5 % sinkt.
Die Folge ist der Verlust der Selbstpassivierung (Fähigkeit zur Bildung einer schützenden Chromoxidschicht), was zu interkristalliner Korrosion führt. Das Material verliert seine rostfreie Eigenschaft und kann im Extremfall sogar schwarz werden.
Die Wärmeeinflusszone ist ein unerwünschtes Nebenprodukt. Sie lässt sich jedoch nicht vollständig vermeiden, sondern lediglich verringern.
Ob beim Schweißen oder Schneiden – entscheidend ist die Geschwindigkeit. Wie bereits erläutert, führt eine kürzere Wärmeeinwirkung zu einer kleineren WEZ.
Die Möglichkeit, die Geschwindigkeit zu optimieren, hängt von der Ausrüstung und den Maschinenbedienern ab. Erfahrung und das richtige Setup sind entscheidend für optimale Ergebnisse.
Nach der Entstehung der WEZ ist es möglich, das Metall zu behandeln und einen Teil der verlorenen Festigkeit zurückzugewinnen.
Beim Schweißen kann dies durch Vor- oder Nachbehandlung erfolgen. Eine gleichmäßige Phasenumwandlung im gesamten Metall mindert die Auswirkungen auf das umliegende Material.
Glühen ist besonders im Stahlbereich hilfreich. Dabei wird das Metall auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und gehalten, um die Elementverbindungen zu stärken. Bei Edelstahl ist das Passivieren nach dem Schweißen üblich.
Mechanische Nachbearbeitung verbessert das äußere Erscheinungsbild.
Eine Möglichkeit ist das Entfernen der Oxidationsfarben mit Schleifpapier. Dadurch wird die darunterliegende Schicht freigelegt und bei Edelstahl die Selbstpassivierung durch Chrom ermöglicht. Allerdings kann dabei auch eine Schwächung des Bauteils eintreten.
Die effektivste Methode, die gesamte WEZ zu entfernen, ist das maschinelle Abtragen. Dies führt jedoch zwangsläufig zu Materialverlust.
Die Wärmeeinflusszone ist ein unvermeidlicher Bestandteil von Hochtemperatur-Schneid- und Schweißverfahren an Metallen. Ursache ist die Überhitzung des Materials, welche dessen Eigenschaften beeinflussen kann.
Die Entstehung lässt sich bis zu einem gewissen Grad steuern. Daher ist es ratsam, einen erfahrenen Metallbearbeiter zu beauftragen, der über das nötige Know-how verfügt, um Veränderungen auf ein Minimum zu reduzieren.
