Verzug beim Schweißen: Ursachen und Gegenmaßnahmen

Warum verzieht sich Stahl beim Schweißen?

Beim Schweißen wird der Werkstoff örtlich auf Schmelztemperatur gebracht, während der Rest des Bauteils kalt bleibt. Das erhitzte Material dehnt sich aus, wird dabei vom kalten Umfeld eingespannt und plastisch gestaucht. Beim Abkühlen schrumpft die Naht und zieht am Bauteil. Das Ergebnis sind Eigenspannungen und, sobald diese die Steifigkeit des Bauteils übersteigen, sichtbarer Verzug.

In der Praxis unterscheidet man vier Erscheinungsformen:

• Querschrumpfung: Die Naht zieht die Fügeteile quer zur Nahtrichtung zusammen.
• Längsschrumpfung: Das Bauteil verkürzt sich in Nahtrichtung und krümmt sich bei außermittigen Nähten wie eine Banane.
• Winkelverzug: Einseitige Nähte, etwa Kehlnähte am T-Stoß, kippen den Flansch zur Nahtseite.
• Beulen: Bei Blechen unter etwa 4 mm reichen die Schrumpfspannungen aus, um Felder auszubeulen.

Welche Faktoren verstärken den Verzug?

Die Antwort in einem Satz: alles, was mehr Wärme ins Bauteil bringt oder die Schrumpfkräfte unsymmetrisch wirken lässt.

Im Detail sind vier Stellgrößen entscheidend. Erstens die Streckenenergie, also die eingebrachte Wärme pro Nahtlänge. Ein Verfahren mit hoher Energiekonzentration wie das Laserhandschweißen erzeugt eine deutlich kleinere Wärmeeinflusszone als ein konventioneller Lichtbogen. Zweitens das Nahtvolumen: Das Volumen einer Kehlnaht wächst mit dem Quadrat des a-Maßes. Eine Naht mit a = 4 statt a = 3 bedeutet rund 78 Prozent mehr aufgeschmolzenes Material und entsprechend mehr Schrumpf. Überdimensionierte Nähte sind der häufigste vermeidbare Verzugstreiber, den wir in Zeichnungen sehen. Drittens der Werkstoff: Austenitischer Edelstahl dehnt sich mit rund 16 µm/(m·K) etwa ein Drittel stärker aus als Baustahl mit rund 12 µm/(m·K) und leitet Wärme schlechter ab. Edelstahlkonstruktionen verziehen sich deshalb spürbar mehr als identische Teile aus S235. Aluminium liegt mit etwa 23 µm/(m·K) noch einmal deutlich darüber. Viertens die Nahtanordnung: Alle Nähte auf einer Bauteilseite bedeuten, dass alle Schrumpfkräfte in dieselbe Richtung ziehen.

Was kann die Konstruktion gegen Verzug tun?

Der wirksamste Hebel liegt vor dem ersten Lichtbogen, nämlich am Konstruktionstisch. Wer diese vier Regeln beachtet, entschärft die meisten Verzugsprobleme:

1. Nahtvolumen minimieren. Das a-Maß nach Statik auslegen, nicht nach Gefühl. Für viele Anschlüsse im Maschinenbau reicht a = 3 bis a = 4.
2. Symmetrisch anordnen. Nähte möglichst paarig zur Schwerachse des Bauteils legen, damit sich Schrumpfkräfte gegenseitig aufheben.
3. Nur schweißen, was geschweißt werden muss. Unterbrochene Nähte statt Durchgangsnähte, wo Dichtheit keine Rolle spielt.
4. Bearbeitungszugabe vorsehen. An Funktionsflächen von Schweißkonstruktionen sind 3 bis 5 mm Aufmaß üblich, damit nach dem Schweißen maßhaltig gefräst werden kann.

Welche Maßnahmen helfen in der Fertigung?

In der Werkstatt entscheidet die Reihenfolge. Geheftet wird von der Mitte nach außen, geschweißt in einer geplanten Folge, die das Bauteil abwechselnd von beiden Seiten belastet. Beim Pilgerschrittverfahren wird die Naht in kurzen Abschnitten entgegen der Gesamtrichtung geschweißt, damit sich Wärme nicht vor der Naht aufstaut. Steife Spannvorrichtungen halten das Bauteil während des Schweißens in Form; ein Teil der Spannungen bleibt dann allerdings im Bauteil und muss gegebenenfalls durch Glühen abgebaut werden. Erfahrene Schweißer arbeiten zudem mit Vorhalten: Das Bauteil wird bewusst um den erwarteten Verzug entgegengesetzt vorgespannt oder vorgekippt, sodass es sich beim Abkühlen in die Sollposition zieht.

Ein Praxis-Tipp aus unserer Fertigung: Legen Sie die Schweißfolge bei verzugskritischen Baugruppen gemeinsam mit dem Fertiger fest, bevor der Auftrag startet. Diese halbe Stunde Abstimmung erspart später Diskussionen über Richtaufwand und Toleranzen.

Übersicht: Maßnahmen, Wirkung und Aufwand

Was tun, wenn das Bauteil schon verzogen ist?

Auch dafür gibt es erprobte Wege. Beim Flammrichten wird die Gegenseite lokal auf etwa 550 bis 700 °C erwärmt; die dort entstehende Schrumpfung zieht das Bauteil zurück. Das verlangt Erfahrung, denn jede Wärmestelle ist ein neuer Eingriff ins Spannungsgefüge. Mechanisches Richten mit Presse oder Richtplatte eignet sich für Träger und Bleche. Spannungsarmglühen bei 550 bis 620 °C (Haltezeit als Faustwert rund 2 Minuten je Millimeter Wanddicke) baut Eigenspannungen ab und verhindert, dass sich ein Bauteil bei der späteren Zerspanung erneut verzieht, weil aufgeschnittene Spannungen frei werden.

Warum ist die mechanische Bearbeitung nach dem Schweißen so entscheidend?

Weil sie die einzige Methode ist, mit der eine Schweißkonstruktion enge Toleranzen sicher erreicht. Richten korrigiert die Form, aber keine Passung. Deshalb gilt im Maschinenbau die Reihenfolge: schweißen, gegebenenfalls glühen, dann Funktionsflächen, Passungen und Bohrbilder fräsen. Mit ausreichender Bearbeitungszugabe sind an geschweißten Gestellen danach Ebenheiten und Positionstoleranzen im Zehntelbereich und darunter erreichbar, je nach Bauteilgröße und Aufspannung. Wer Schweißbau und Zerspanung an zwei verschiedene Lieferanten vergibt, verliert an genau dieser Schnittstelle Zeit und Verantwortlichkeit.