Die Wärmeeinflusszone (HAZ) ist der Materialbereich, der zwar nicht die Schweißnaht selbst ist, aber so hohen Temperaturen ausgesetzt ist, dass sich seine Mikrostruktur und seine Eigenschaften verändern. Und genau deshalb „übertrifft“ die HAZ die Schweißnaht bei Ausfällen in der Praxis so oft. Die Schweißnaht sieht gut aus, die Verschmelzung ist vorhanden, die Oberfläche ist glatt, doch nach einer Weile treten Risse, Sprödigkeit oder lokale Schwachstellen auf. Das ist in der Regel keine Zauberei. Es ist eine Folge des thermischen Zyklus.

Wenn Sie gleichmäßige Schweißergebnisse erzielen möchten, müssen Sie sich die Wärmeeinflusszone als einen Bereich vorstellen, den Sie durch Ihre Parameter und die Gestaltung des Prozesses steuern. Sie können sie später nicht mehr mit einem Schleifgerät oder Farbe „ausbessern“.

HAZ in der Praxis: Warum es sich nicht um den „an die Schweißnaht angrenzenden Bereich“ handelt

Im Wärmeeinflussbereich (HAZ) finden ähnliche strukturelle Veränderungen statt wie bei der Wärmebehandlung, mit dem Unterschied, dass diese Veränderungen lokal und sehr ungleichmäßig auftreten. Am nächsten an der Schmelzgrenze erreicht das Material die höchste Temperatur und ist in der Regel am stärksten gefährdet: Die Korngröße kann zunehmen, die Schlagzähigkeit nimmt ab und die Rissanfälligkeit steigt. Etwas weiter entfernt können „überhitzte“ oder „übertemperierte“ Zonen auftreten, in denen das Material entweder zu hart wird oder umgekehrt an einer Stelle, an der man es am wenigsten erwarten würde, weich wird und an Festigkeit verliert.

Das ist wichtig, weil Menschen eine Schweißnaht instinktiv beurteilen. Dabei liegt die Wärmeeinflusszone unter der Oberfläche und sieht oft „normal“ aus. Erst wenn man die Härte, die Makro- oder Mikrostruktur oder das Verhalten im Einsatz untersucht, erkennt man den Unterschied.

Die beiden Faktoren, die die Wärmeeinflusszone (HAZ) bestimmen: Wärmezufuhr und Kühlung

In den meisten Fällen kommt es darauf an, wie viel Energie man pro Längeneinheit zuführt und wie schnell das Werkstück Wärme abgibt. Die Wärmezufuhr ist nicht nur eine Zahl auf dem Taschenrechner. Sie ist das Ergebnis einer Reihe von Entscheidungen: Stromstärke und Spannung, Schweißgeschwindigkeit, Anzahl der Schweißgänge, Fugengeometrie, Lichtbogenlänge, Schweißtechnik und sogar die Frage, ob man in einem Bereich schweißt, der Wärme gut „abführt“, oder in einer Ecke, die leicht überhitzt.

Eine hohe Wärmezufuhr vergrößert in der Regel die Wärmeeinflusszone (HAZ) und begünstigt eine Kornvergröberung. Umgekehrt kann eine sehr schnelle Abkühlung in bestimmten Bereichen des Stahls die Härte innerhalb der HAZ erhöhen und den Weg für Kaltbrüche ebnen, insbesondere wenn Wasserstoff und Spannungen im System vorhanden sind. Aus diesem Grund spielen die Themen Vorwärmung und Zwischenlagentemperaturregelung in der Praxis eine so große Rolle. Sie dienen nicht „der Bequemlichkeit“, sondern stabilisieren die HAZ.

Und noch etwas, das oft übersehen wird: Selbst bei gleichen Schweißmaschineneinstellungen kann sich die Wärmeeinflusszone (HAZ) ändern, wenn sich die Werkstückdicke, die Stützmethode, die Reihenfolge der Schweißnähte, die Umgebungstemperatur oder der Oberflächenzustand ändern. Die Wärmeeinflusszone duldet keine Zufälligkeiten.

Drei typische Ausfallszenarien im Zusammenhang mit HAZ

Das erste Szenario betrifft Sprödigkeit und Rissbildung aufgrund einer verminderten Schlagzähigkeit im Bereich der Schweißnaht. Die Verbindung hält statischen Belastungen stand, versagt jedoch bei Stößen, Vibrationen, niedrigen Temperaturen oder unter Ermüdungseinflüssen. Auf dem Papier sieht alles „in Ordnung“ aus, da niemand die Schweißnaht unter dem Gesichtspunkt der Schlagzähigkeit und der Mikrostruktur betrachtet hat, sondern lediglich ihr Aussehen und ihre Abmessungen.

Das zweite Szenario betrifft das Wasserstoffrissbilden. Hier ist die Wärmeeinflusszone (HAZ) ein häufiger Ausgangspunkt, da sie eine erhöhte Härte und hohe Spannungen aufweisen kann. Wenn dazu noch Feuchtigkeit, ein ungeeignetes Zusatzmaterial, ein zu kaltes Bauteil und eine mangelhafte Kühlungssteuerung hinzukommen, kann der Riss erst Stunden oder sogar Tage später auftreten. Und dann sagen die Leute: „Es ist plötzlich gerissen“, obwohl sich der Riss bereits seit dem Zeitpunkt des Schweißens gebildet hat.

Das dritte Szenario ist heimtückischer und betrifft häufig hochfeste Stähle oder TMCP: eine Erweichung in der Wärmeeinflusszone (HAZ). Man hat es hier nicht mit einem „harten Problem“ zu tun, sondern mit einem lokalen Festigkeitsabfall, der den schwächsten Punkt vom Grundwerkstoff oder der Schweißnaht in die Wärmeeinflusszone verlagert. Die Konstruktion kann dann „normal“ funktionieren, bis sie sich an einer Stelle, die nicht besonders gefährlich aussieht, aufgrund von Ermüdung zu verformen beginnt oder versagt.

Was muss überwacht werden, um sicherzustellen, dass HAZ konsistent ist?

Die praktischste Regel lautet: Kontrolliere alles, was in der Produktion wiederholt werden kann. Parameter sind eine Sache, aber Temperaturen und die Prozessorganisation sind ebenso wichtig. Vorwärm- und Zwischenlagentemperatur müssen sich nach Werkstoff und Dicke richten, nicht nach Intuition. Die Schweißgeschwindigkeit muss für den Schweißer realistisch einhaltbar sein, denn „ideale“ Parameter, die niemand einhalten kann, sind wertlos.

Hinzu kommen sinnvolle Prüfverfahren: Härtemessungen im Wärmeeinflussbereich, Makrountersuchungen und je nach Anwendung manchmal auch Mikrountersuchungen. Das sind einfache Hilfsmittel, die schnell Aufschluss darüber geben, ob der Prozess unter Kontrolle ist. Das schlimmste Szenario ist eines, bei dem das Aussehen der Schweißnaht das einzige Kriterium ist. In diesem Fall macht der Wärmeeinflussbereich, was er will.

Zusammenfassung

Die Wärmeeinflusszone ist kein Nebenaspekt, sondern der Hauptrisikobereich bei vielen Schweißverbindungen. Sie wird durch den Wärmeeintrag und die Abkühlung gesteuert und durch das Prozessmanagement stabilisiert: Temperaturen, die Reihenfolge der Schweißgänge, eine einheitliche Technik und eine sinnvolle Qualitätskontrolle. Ist die Wärmeeinflusszone vorhersehbar, hält die Verbindung in der Regel jahrelang. Wird die Wärmeeinflusszone dem Zufall überlassen, treten früher oder später unweigerlich Probleme auf, wenn auch nicht unbedingt sofort in der Werkstatt.