Steuern der Wärmeeinbringung beim Schweißen von Duplex-Rohren: Vermeidung der Sigma-Phase-Embrittlung in der Wärmeeinflusszone (HAZ)

Wenn Sie Duplex- oder Super-Duplex-Edelstähle (DSS/SDSS) schweißen, bewegen Sie sich auf einem Drahtseil. Zu niedrige Temperaturen führen zu übermäßigem Ferritgehalt und einem Verlust der Zähigkeit. Zu hohe Temperaturen hingegen rufen den stillen Killer von Duplex-Schweißverbindungen hervor: Sigma-(σ)-Phasen-Sprödbruchbildung in der Wärmeeinflusszone (HAZ).

Die Sigma-Phase ist eine intermetallische Verbindung, die Schweißnähte spröde macht und die Korrosionsbeständigkeit zerstört. Während sie sich im Grundwerkstoff bei unsachgemäßer Wärmebehandlung bildet, ist sie beim Schweißen eine direkte Folge unzureichender wärmeeinbringungskontrolle .

Dieser Artikel bietet eine technische Vertiefung dazu, wie die Wärmezufuhr bei der Schweißung von Duplex-Rohren so angepasst werden kann, dass die Bildung der Sigma-Phase verhindert wird und damit die mechanische Festigkeit sowie die Lochkorrosionsbeständigkeit gewährleistet sind.

Das Problem: Warum sich die Sigma-Phase in der Wärmeeinflusszone bildet

Die Ausscheidung der Sigma-Phase tritt auf, wenn die Schweiß-Wärmeeinflusszone (HAZ) für zu lange Zeit Temperaturen im Bereich von etwa 600 °C bis 950 °C ausgesetzt ist . Bei einer Duplex-Mikrostruktur entsteht Sigma hauptsächlich an den Grenzflächen zwischen Ferrit und Austenit. Es wächst durch Verbrauch von Ferrit (δ), der reich an Chrom und Molybdän ist – genau jenen Elementen, die dem Duplex-Stahl seine Korrosionsbeständigkeit verleihen. .

Der Mechanismus ist eutektoid: δ → σ + γ₂ (sekundärer Austenit) . Während sich Sigma bildet, entzieht es dem umgebenden Gefüge Chrom und Molybdän. Sobald Sigma ausgeschieden ist, lässt es sich nur durch eine vollständige Lösungsglühhitzebehandlung (1050–1100 °C) wieder entfernen, was bei großen Rohrsegmenten praktisch nicht durchführbar ist. im als-geschweißten Zustand ist Sigma eine harte, spröde Phase, die die Kerbschlagzähigkeit sowie die Lochkorrosionsbeständigkeit drastisch verringert.

Die primäre Variable: Wärmezufuhr und Abkühlgeschwindigkeit (t12/8)

Während die chemische Zusammensetzung entscheidend ist, stellt der thermische Zyklus den Auslöser dar. Der branchenübliche Parameter zur Messung dieses Vorgangs ist die Abkühlzeit von 1200 °C auf 800 °C (t12/8) . Dieser Bereich umfasst das kritische Fenster sowohl für die Austenitbildung als auch für die Ausscheidung von Sigma-Phase.

Um die Bildung von Sigma-Phase zu vermeiden und gleichzeitig das Phasengleichgewicht aufrechtzuerhalten, benötigen Sie im Allgemeinen eine t12/8-Zeit von 8 bis 15 Sekunden . Überschreitet t12/8 etwa 15 Sekunden (was bei hoher Wärmezufuhr der Fall ist), besteht die Gefahr der Sigma-Phasenbildung. .

Für ein Duplex-Stahl mit 22 % Chrom (wie 2205) liegt die empfohlene Wärmezufuhr beim Rohrschweißen typischerweise im Bereich von 0,5 kJ/mm bis 2,5 kJ/mm bei einer Wanddicke von 10–15 mm jedoch deuten neuere Studien darauf hin, dass diese Grenzwerte nicht statisch sind; sie ändern sich je nach Wanddicke und Fügegeometrie.

Neue Perspektiven: Die Plattendicke verändert die Regeln

Jüngste Forschungsergebnisse stellen die Annahme in Frage, dass „hohe Wärmeeintragraten immer schlecht sind“. Eine Studie aus dem Jahr 2025 zum Schweißen von dickwandigem Duplexstahl zeigte, dass bei Platten mit einer Dicke von über 10 mm die obere Grenze des zulässigen Wärmeeintrags deutlich ansteigt. .

• Für Rohre mit dünner Wand (< 10 mm): Die langsame Wärmeableitung hält die Wärmeeinflusszone (HAZ) heiß. Die Anwendung herkömmlicher Berechnungen für den Wärmeeintrag ist entscheidend, um Durchbrennen oder Überhitzung zu vermeiden.

• Für Rohre mit dicker Wand (> 14 mm): Die Masse des Rohrs wirkt als massiver Wärmesenke und leitet die Wärme rasch ab. In diesen Fällen ist ein höherer Wärmeeintrag erforderlich, um eine ordnungsgemäße Schmelzverbindung und Austenitbildung zu erreichen. Die Studie bestätigte, dass bei 20 mm dicken Platten Wärmeeinträge von 5 kJ/mm und 7 kJ/mm ohne jegliche Sigma-Ausscheidung in der Wärmeeinflusszone (HAZ) eingesetzt werden konnten. .

Zusammenfassung: Sie müssen die Wärmeeintragung in Relation zur Materialdicke berechnen. Je dicker das Rohr ist, desto höher kann die „sichere“ Wärmeeintragung sein, da die Abkühlgeschwindigkeit weiterhin ausreichend hoch bleibt, um den Sigma-Bereich der ZTU-Schaubilder zu umgehen.

Die Super-Duplex-Herausforderung (25-Cr-Werkstoffe)

Beim Schweißen von Super-Duplex-Werkstoffen (z. B. 2507, Zeron 100) verringert sich der Toleranzbereich für Fehler. Diese stärker legierten Werkstoffe weisen eine höhere treibende Kraft für die Ausscheidung von Sigma-Phase auf.

• Empfindlichkeit der Wurzelpasse: Beim Rohrschweißen ist die Wurzelpasse besonders anfällig. Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Wurzelpasse mit einer höher wärmeeintragung (über 1,0 kJ/mm) im Vergleich zu den ersten nachfolgenden Pässen erfolgen sollte. Warum? Eine niedrige Wärmeeintragung in der Wurzelpasse kann zur Ausscheidung von Chromnitriden auf der Innenseite führen, da eine ausreichende Nachwärmung fehlt. .

• Geeignetheit für den Verwendungszweck: Während Spezifikationen häufig eine Sigma-Phase von null fordern, zeigt die industrielle Realität (insbesondere bei Projekten in der britischen Nordsee), dass eine begrenzte Sigma-Phase in der Warmebeeinflussten Zone (HAZ) bei niedrigen Temperaturen (2–5 mm vom Schmelzlinienrand entfernt) manchmal toleriert werden kann. Untersuchungen haben bis zu 2,5 Vol.-% sigma-Phase in der HAZ akzeptiert, vorausgesetzt, die Bruchzähigkeitstests nach CTOD (Crack Tip Opening Displacement) und die Korrosionstests nach ASTM G48 werden bestanden . Dies stellt jedoch eine Zulassungsgrenze dar, keine Produktionszielvorgabe.

Praktische Richtlinien für den Schweißtechniker

Um die Bildung der Sigma-Phase bei Schweißverbindungen aus Duplex-Rohren zu verhindern, sollten allgemeine Vorgaben wie „geringe Wärmeeinbringung“ überdacht werden. Setzen Sie stattdessen folgende Maßnahmen um:

1. Steuerung der Zwischentemperatur

Die Sigma-Phase bildet sich kumulativ. Bei jeder weiteren Nahtlage wird die durch vorherige Lagen beeinflusste Zone erneut in den kritischen Temperaturbereich (700–900 °C) erhitzt. Halten Sie die Zwischentemperatur daher streng ein. Bei Superduplex-Werkstoffen (25 % Cr) beträgt die zulässige maximale Zwischentemperatur im Allgemeinen 150°C  . Für Standard-Duplex-Werkstoffe mit 22 % Cr liegt die Obergrenze üblicherweise bei 200 °C .

2. Vermeiden Sie die Falle der „vielen kleinen Lagen“

Es erscheint widersprüchlich, doch die Verwendung einer großen Anzahl von Schweißdurchgängen mit geringer Wärmeeinbringung kann gefährlicher sein als weniger, dafür größere Durchgänge. Jeder kleine Durchgang erwärmt die vorherige Wärmeeinflusszone (HAZ) erneut und bewirkt dadurch eine Alterung des Werkstoffs sowie die Ausscheidung der Sigma- und Chi-(χ)-Phasen. .

• Strategie: Wählen Sie eine Schweißfolge, die die Anzahl thermischer Zyklen in jedem bestimmten Bereich der Wärmeeinflusszone (HAZ) minimiert.

3. Ferritzahl ausbalancieren

Sigma bildet sich bevorzugt in Ferrit. Überschreitet der Ferritgehalt Ihrer Wärmeeinflusszone (HAZ) 70–75 %, steigt das Risiko der Sigma-Ausscheidung sprunghaft an, da mehr instabiler Ferrit zur Umwandlung zur Verfügung steht.

• Stellen Sie sicher, dass Ihr Schutzgas und Ihre Zusatzwerkstoffe eine ausreichende Austenit-Rebildung fördern. Nickelhaltige Zusatzwerkstoffe sind hilfreich, achten Sie jedoch darauf: Ein höherer Nickelgehalt erweitert den Temperaturbereich, in dem Sigma gebildet wird. .

4. Effektive Wärmeeinbringung berechnen

Verlassen Sie sich nicht auf das „Gefühl“. Verwenden Sie die Formel:

$$\text{Wärmeeintrag (kJ/mm)}=\frac{\text{Spannung (V)}\times \text{Stromstärke (A)}\times 60}{\text{Vorschubgeschwindigkeit (mm/min)}\times 1000}$$

Bei GTAW-(WIG-)Verfahren ist der thermische Wirkungsgradfaktor (η) zu berücksichtigen, der für WIG typischerweise bei etwa 0,6 liegt. .

Fazit

Die Sigma-Phase-Embrittlung ist ein vermeidbarer Versagensmodus. Sie ist ein Hinweis darauf, dass die Schweißnaht zu viel Wärme über zu lange Zeit ausgesetzt war – entweder global (hoher Wärmeeintrag bei dünnwandigen Rohren) oder lokal (mehrfache Nachwärmungen durch kleine Schweißlagen).

Das moderne Schweißen von Duplex-Rohren erfordert einen Paradigmenwechsel vom bloßen „Befolgen der Schweißanweisung (WPS)“ hin zum Verständnis der thermischen Geschichte . Durch die gezielte Steuerung der Abkühlzeiten t12/8, die Einhaltung der Zwischenschweißtemperaturgrenzen und die Anpassung des Wärmeeintrags an die tatsächliche Rohrwanddicke können HAZ-Mikrostrukturen erzeugt werden, die frei von Sigma-Phase sind, zäh und korrosionsbeständig.