Kohlenstoffäquivalent und Schweißbarkeit: Die Formeln für CEV und Pcm

Warum eine einzige Kennzahl?

Die Härte der Wärmeeinflusszone (WEZ) nach dem Schweißen — und damit das Risiko der wasserstoffinduzierten Kaltrissbildung — steigt mit dem gemeinsam wirkenden Kohlenstoff- und Legierungsgehalt. Formeln für das Kohlenstoffäquivalent verdichten die Schmelzenanalyse zu einem einzigen Kennwert, der mit der Aufhärtbarkeit der WEZ und dem Rissrisiko korreliert, sodass Verfahren geprüft werden können, bevor eine Probeschweißung ausgeführt wird.

Die IIW-Formel (CEV)

CEV = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15 — alle Elemente in Gewichtsprozent.

Dies ist die in der EN- und ISO-Praxis übernommene Formel: EN 10025 gibt für jede Baustahlsorte ein maximales CEV an, und EN 1011 verwendet das CEV in ihren Hinweisen zu Schweißverfahren. Sie wurde für herkömmliche Kohlenstoff-Mangan-Stähle entwickelt. Weit verbreitete Auslegungsbereiche sind:

• CEV bis etwa 0.40 — unter gewöhnlichen Bedingungen in der Regel ohne Vorwärmung schweißbar.
• Etwa 0.40–0.50 — Vorwärmung in der Regel erforderlich, zunehmend mit Dicke, Einspannung und Wasserstoffgehalt; wasserstoffarme Praxis ist anzuwenden.
• Über etwa 0.50 — hohes Rissrisiko; Vorwärmung, kontrollierte Zwischenlagentemperatur und wasserstoffarme Schweißzusätze sind Standard, eine Verfahrensprüfung ist unerlässlich.

Rechenbeispiel (beispielhafte Werkswerte): C 0.16, Mn 1.50, Cr+Mo+V 0.10, Ni+Cu 0.15 ergibt CEV = 0.16 + 0.25 + 0.02 + 0.01 = 0.44 — genau im Bereich mit Vorwärmung.

Pcm: die Formel für moderne kohlenstoffarme Stähle

Thermomechanisch gewalzte Stähle und HSLA-Stähle enthalten wenig Kohlenstoff, aber eine Reihe von Legierungselementen, und die IIW-Formel überschätzt ihr Rissrisiko. Das Pcm nach Ito–Bessyo gewichtet die Elemente anders:

Pcm = C + Si/30 + (Mn + Cu + Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B

Pcm ist Standard in der Praxis für Leitungsrohre (API 5L begrenzt es für PSL2-Sorten, typischerweise auf 0.25) und in japanischen Normen. Als Faustregel weist ein Pcm bis etwa 0.20–0.25 auf eine gute Schweißbarkeit kohlenstoffarmer Stähle hin. EN 1011 bietet die verwandte CET-Formel als weitere Alternative für Verfahrensberechnungen an.

Was das CEV nicht aussagt

• Die Vorwärmtemperatur lässt sich nicht allein aus dem CEV ablesen: Das Verfahren A der EN 1011-2 kombiniert das CEV mit der kombinierten Dicke, der Wasserstoffskala von Verfahren und Schweißzusatz, der Einspannung und dem Wärmeeintrag.
• Zwei Stähle mit gleichem CEV können sich unterschiedlich verhalten — eine Schmelze mit höherem Kohlenstoffgehalt und niedriger Legierung stellt nicht dasselbe Schweißproblem dar wie eine Schmelze mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und höherer Legierung.
• Verwenden Sie für die Verfahrensarbeit die tatsächliche Schmelzenanalyse aus dem Zeugnis. Das Maximum der Sorte (zum Beispiel S355J2 mit typischerweise ≤ 0.45 bei üblichen Dicken) ist eine Obergrenze, die die Schmelze einhalten muss, nicht der Wert der vorliegenden Schmelze.
• Austenitische nichtrostende Stähle und gehärtete Werkzeugstähle liegen vollständig außerhalb des Anwendungsbereichs beider Formeln.
• Schließlich ist das CEV keine Eigenschaft des Stahls im Betrieb: Es sagt nichts über die Festigkeit oder Zähigkeit einer fertigen Verbindung aus, sondern nur über die Aufhärtungsneigung der WEZ während des Schweißens. Ein Stahl mit niedrigem CEV kann durch schlechte Passung, feuchte Schweißzusätze oder ein nicht qualifiziertes Verfahren dennoch eine mangelhafte Schweißnaht ergeben — der Kennwert prüft die Chemie, nicht die Ausführung.