102410_Leseprobe

Seyffarth · Meyer· Scharff
FACHBUCHREIHE SCHWEISSTECHNIK
Großer Atlas
Schweiß-ZTU-
Schaubilder

Seyffarth · Meyer · Scharff
Großer Atlas
Schweiß-ZTU-
Schaubilder
2., aktualisierte und erweiterte Auflage

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar.
Fachbuchreihe Schweißtechnik
Band 110
ISBN 978-3-96144-010-8
Alle Rechte vorbehalten.
© DVS Media GmbH, Düsseldorf · 2018
Herstellung: Griebsch & Rochol Druck GmbH, Hamm

Vorwort zur 1. Auflage
Fragen der Qualitätssicherung und die Produkthaftung gewinnen auch für den Schweißfachingenieur
zunehmend an Bedeutung. Vereinheitlichte technische Regeln und das europäische
Normenwerk unterstützen und entlasten den Schweißfachmann bei seinem täglichen Streben
nach Qualität in der Fertigung geschweißter Bauteile.
Neben dem Normenwerk gehören aber auch weitere wissenschaftlich-technische Unterlagen
zum Handwerkszeug des Ingenieurs. Hierzu sind Schweiß-Zeit-Temperatur-Umwandlungs-
Schaubilder zu zählen, mit deren Hilfe schwierige Probleme der Wärmeführung beim
Schweißen von Stählen gelöst werden können. Fragen der erforderlichen Vorwärmtemperatur,
der erwünschten Abkühlgeschwindigkeit, der anzuwendenden Streckenenergie oder der Parameter
einer Kurzzeitwärmenachbehandlung können ebenso bearbeitet werden wie die der
Wärmewirkung von Zwischenlagentemperaturen oder der erreichbaren mechanischen Gütewerte
in der Wärmeeinflusszone oder im Schweißgut. Auch Grenzabkühlzeiten für das
sogenannte „Abkühlzeitkonzept“ können fundiert nur mit Hilfe von Schweiß-ZTU-Schaubildern
angegeben werden. Ein breites Spektrum der Lösung dieser und ähnlicher Fragestellungen bis
hin zur wirtschaftlichen Auswahl von Schweißverfahren kann durch die Anwendung von
Schweiß-ZTU-Schaubildern unterstützt werden.
Insbesondere dann, wenn für Werkstoffprobleme beim Schweißen durch das Normenwerk
keine Regelung vorgesehen ist oder wenn neue, unkonventionelle Wege beschritten werden
sollen, die wissenschaftlich abgesichert sein sollen und mit denen eine fertigungsbegleitende
Qualitätssicherung bei gleichzeitig verringertem Fertigungsaufwand gewährleistet werden soll,
können Lösungen bezüglich der Technologie der Wärmeführung mit Hilfe von Schweiß-ZTU-
Schaubildern gefunden werden. Aber auch bei der Entwicklung und Herstellung und der frühzeitigen
Beurteilung der Schweißeignung von Stählen sind derartige Umwandlungsschaubilder
gebräuchlich.
Die vorliegende Sammlung von Schweiß-ZTU-Schaubildern einschließlich der zugehörigen Diagramme
der mechanischen Gütewerte für Stähle, Stahlguss, Schweißgut und Modellstähle
wurde von den Autoren am Arbeitsbereich Werkstoff- und Schweißtechnik des Fachbereiches
Maschinenbau und Schiffstechnik an der Universität Rostock erarbeitet. Bereits im Jahre 1978
erschien im Eigenverlag der Universität Rostock ein zweibändiger „Atlas Schweiß-ZTU-Schaubilder“
in begrenzter Auflagenhöhe, dem im Jahre 1982 eine Gemeinschaftsveröffentlichung im
VEB Verlag Technik Berlin und im Deutschen Verlag für Schweißtechnik Düsseldorf folgte.
Im vergangenen Jahrzehnt wurden zahlreiche neue Schaubilder erarbeitet. Die Erfahrungen
und die Akzeptanz durch die Benutzer der Schaubilder stiegen durch insgesamt 10 ein- und
zweiwöchige Lehrgänge, die an der Universität Rostock zur Anwendung von Schweiß-ZTU-
Schaubildern durchgeführt wurden. Ein Nachfolgewerk des stark bearbeiteten und erheblich
erweiterten Atlasses ist daher wünschenswert im Interesse der Anwender. Geplant ist die
Herausgabe eines weiteren Bandes, der die Grundlagen zum Umwandlungsverhalten der
Stähle unter Schweißbedingungen und insbesondere die praktische Anwendung von Schweiß-
ZTU-Schaubildern zum Inhalt hat.
Die Autoren erhoffen sich für den Großen Atlas Schweiß-ZTU-Schaubilder eine breite und
nutzbringende Anwendung durch das schweißtechnische Fachpersonal. Gleichzeitig sind die
Autoren aber auch dankbar für kritische Hinweise und Anregungen aus dem Leserkreis, die der
weiteren Verbesserung des Inhaltes dienen können.
Rostock, im August 1992
Die Autoren

Vorwort zur 2. Auflage
Die erste Auflage ist vergriffen! Das beweist den Autoren, dass die schon lang gehegte Idee
einer Neuauflage auf fruchtbaren Boden fällt. Fünf Jahre lang haben die Autoren parallel zu
ihren täglichen Aufgaben versucht, die vorliegende aktualisierte und ergänzte Sammlung nach
Verfügbarkeit und bestem Wissen zusammen zu stellen.
In den vergangenen 25 Jahren sind eine Reihe neuer Stähle entwickelt oder modifiziert worden,
insbesondere im Bereich der hochfesten Sorten, die hinsichtlich ihres Umwandlungsverhaltens
beim konventionellen Schmelzschweißen untersucht worden sind. Da es daneben auch zahlreiche
Entwicklungen auf dem Gebiet der Schweißverfahren gab, wie die verstärkte Einführung
des Laserstrahlschweißens von Stahl, haben sich die Autoren auch dieses Themas angenommen.
Um die Akzeptanz der Schweiß-ZTU-Schaubilder zu verbreitern, wurde in den neunziger
Jahren das computergestützte schweißtechnologische Beratungssystem WeldWare ins Leben
gerufen, das bis heute gepflegt und weiterentwickelt wird. WeldWare basiert in seinen
Aussagen bezüglich Gefüge und Eigenschaften in der Wärmeeinflusszone auf Regressionsgleichungen,
die aus dem jeweils vorliegenden Datenmassiv an inhouse gemessenen Schweiß-
ZTU-Schaubildern gewonnen wurden.
Die numerische Ermittlung von Wärmeableitungsbedingungen (Abschnitt 2.6.4) steckte zum
Zeitpunkt des Entstehens der 1. Auflage des Großen Atlas Schweiß-ZTU-Schaubilder noch
in den Anfängen. Heute ist die Finite-Element-Methode ein probates Mittel, Temperaturen,
Spannungen und Deformationen an jedem Punkt eines zu schweißenden Bauteiles zu
kalkulieren. Dazu werden Werkstoffdaten benötigt, die über WeldWare oder eine Gleeble-
Anlage bestimmt werden können.
An dieser zweiten Auflage konnte der Initiator und Hauptautor, Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c.
mult. Peter Seyffarth, nicht mehr mitarbeiten, da er im Jahr 2010 verstorben ist. Er war
langjähriger Leiter des Fachbereiches Werkstoffkunde und Schweißtechnik der Universität
Rostock und schuf die Arbeitsgruppe „Anwendung von Schweiß-ZTU-Schaubildern“. 1994 war
Prof. Seyffarth Begründer der SLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH, die er bis 2004 leitete.
Wie schon zuvor erhoffen sich die Autoren auch für diese 2. Auflage eine breite und nutzbringende
Anwendung durch das schweißtechnische Fachpersonal, das sich in den zurückliegenden
25 Jahren natürlich verändert hat. Gleichzeitig sind die Autoren nach wie vor dankbar
für kritische Anregungen aus dem Leserkreis zur Verbesserung der vorliegenden Sammlung.
Die Autoren hoffen auch auf den Mut und das Verständnis der Werkstoffentwickler, sie auf dem
Weg zu einer dritten Auflage zu unterstützen und zu begleiten.
Rostock, im Mai 2018
Dr.-Ing. Barbara Meyer
Dr.-Ing. Arite Scharff

Inhaltsverzeichnis
Vorwort zur 1. und 2. Auflage
1 Einleitung ........................................................................................................................................................ 1
2 Hinweise und Erläuterungen zum Gebrauch der Schweiß-ZTU-Schaubilder .......................................... 3
2.1 Allgemeines ...................................................................................................................................................... 3
2.2 Bestimmungsmethode ...................................................................................................................................... 4
2.3 Diagramme der mechanisch-technologischen Gütewerte ............................................................................... 5
2.4 Thermo-mechanische Simulationsanlage vom Typ „Gleeble 3500“ ................................................................. 6
2.5 Handhabung der Schweiß-ZTU-Schaubilder ................................................................................................... 9
2.6 Ermittlung der Abkühlzeit ................................................................................................................................ 10
2.6.1 Allgemeines .................................................................................................................................................... 10
2.6.2 Experimentelle Ermittlung ............................................................................................................................... 11
2.6.3 Analytische Ermittlung .................................................................................................................................... 15
2.6.4 Numerische Ermittlung ................................................................................................................................... 17
2.7 Anwendung der Schweiß-ZTU-Schaubilder ................................................................................................... 18
2.8 WeldWare ....................................................................................................................................................... 20
3 Stahlumschlüsselung .................................................................................................................................. 22
3.1 Stähle .............................................................................................................................................................. 22
3.1.1 Allgemeine Baustähle ..................................................................................................................................... 22
3.1.2 Hochfeste und korrosionsträge schweißgeeignete Baustähle ....................................................................... 22
3.1.3 Einsatz- und Vergütungsstähle ...................................................................................................................... 23
3.1.4 Warmfeste und druckwasserstoffbeständige Stähle ...................................................................................... 23
3.1.5 Unlegierter Werkzeugstahl ............................................................................................................................. 23
3.1.6 Korrosionsbeständiger Stahl .......................................................................................................................... 23
3.1.7 Hochfeste Stähle mit einer Streckgrenze ≥ 360 MPa .................................................................................... 24
3.2 Stahlguss ........................................................................................................................................................ 24
3.2.1 Unlegierter Stahlguss ..................................................................................................................................... 24
3.2.2 Niedriglegierter Stahlguss .............................................................................................................................. 24
3.2.3 Warmfester Stahlguss .................................................................................................................................... 25
3.2.4 Weitere Stahlgusssorten ................................................................................................................................ 25
3.3 Strahlschweißgeeignete Stähle ...................................................................................................................... 25
3.3.1 Laserstrahlschweißen ..................................................................................................................................... 25
3.3.2 Elektronenstrahlschweißen ............................................................................................................................ 25
4 Schweiß-ZTU-Schaubilder für Stähle ......................................................................................................... 26
4.1 Allgemeine Baustähle ..................................................................................................................................... 28
R 1 W St 3sp/Charge 1
R 2 W St 3sp/Charge 2
R 3 W St 3sp/Charge 3
R 4 St 3 SU
R 5 St 4 SU
R 6 St 44-3
4.2 Hochfeste und korrosionsträge schweißgeeignete Baustähle ....................................................................... 34
R 7 RSB
R 8 D32
R 9 09 G 2/Charge 1
R 10 09 G 2/Charge 2
R 11 09 G 2/Charge 3
R 12 09 G 2/Charge 4
R 13 09 G 2/Charge 5
R 14 09 G 2S
R 15 10 G 2S1D/Charge 1
R 16 10 G 2S1D/Charge 2
R 17 10 G 2S1
R 18 15 GA
R 19 15 GB
R 20 15 GA 2A Nb
R 21 15 G 2N Nb
R 22 OX 525

R 23 St 315 N
R 24 St 355/Charge 1
R 25 St 355/Charge 2
R 26 St 355 T/Charge 1
R 27 St 355 T/Charge 2
R 28 St 355 T/Charge 3
R 29 St 355 T/Charge
R 30 St 355 E/Charge 1
R 31 St 355 E/Charge 2
R 32 St 355 E/Charge 3
R 33 St 355 E Z
R 34 St 440
R 35 St 460 E/Charge 1
R 36 St 460 E/Charge 2
R 37 St 460 E/Charge 3
R 38 St 460 E/Charge 4
R 39 St 600/Charge 1
R 40 St 600/Charge 2
R 41 St 600/Charge 3
R 42 St 600/Charge 4
R 43 10 ChSND/Charge 1
R 44 10 ChSND/Charge 2
R 45 13 MnCuNi 6.6.2 (N)
R 46 13 MnCuNi 6.6.2 (V)
R 47 13 MnNiCu 8.2.6
R 48 10 MnCrNiMo 6.6.4.4
R 49 10 MnCrNiMo 5.6.2.4
R 50 10 MnCrMoNi 6.6.4.1
R 51 10 MnCrMo 6.5.4
R 52 10 MnCrMo 6.5.3
R 53 10 MnCrMo 5.5.4
R 54 KT 315
R 55 KT 355
4.3 Einsatz- und Vergütungsstähle ...................................................................................................................... 83
R 56 C 45
R 57 42 MnV 7
R 58 34 CrNi 3 Mo
R 59 24 CrNiMoV 8.5.7
R 60 28 CrNi 7 Mo
R 61 24 CrNi 3 MoV
R 62 P19 NiCrMo 15.4 V
R 63 14 Cr 2 MnMoB
4.4 Warmfeste und druckwasserstoffbeständige Stähle ...................................................................................... 91
R 64 10 CrMo 9.10
R 65 12 CrMo 4.3
R 66 13 CrMo 4.4/Charge 1
R 67 13 CrMo 4.4/Charge 2
R 68 13 CrMo 4.4/Charge 3
R 69 15 Mo 3
R 70 15 Ch 1M 1F
R 71 17 CrMoV 10
R 72 20 CrMoV 13.5
R 73 24 CrMo 5
R 74 34 CrMo 4
4.5 Unlegierter Werkzeugstahl ........................................................................................................................... 102
R 75 C 100
4.6 Korrosionsbeständiger Stahl ......................................................................................................................... 103
R 76 X 20 Cr 13
4.7 Hochfeste Stähle mit einer Streckgrenze ≥ 360 MPa ................................................................................... 104
R 77 Jakutsk
R 78 St 45/60
R 79 St 52-3
R 80 St 52-3
R 81 X52

R 82 X60
R 83 X60 TM
R 84 StE 355
R 85 StE 355 TM
R 86 StE 355
R 87 StE 460
R 88 V5
R 89 V6
R 90 S460N
R 91 P460NH
R 92 P500NH
R 93 S550M
R 94 S690QL
R 95 S690Q
R 96 S690QL
R 97 S890QL
R 98 S890QL
R 99 S960QL
R 100 S960QL/2
R 101 S1100QL
R 102 S1100QL/2
R 103 S1100QL/3
R 104 S1100QL/4
R 105 S1100QL/5
R 106 20MnMoNi4-5
R 107 44MnSiV5-6
R 108 DP780
R 109 LH800
R 110 33MnCrB5-2
5 Schweiß-ZTU-Schaubilder für Modellstähle ............................................................................................ 138
5.1 C-Mn-Stähle ................................................................................................................................................. 139
M1 0,03 C – 0,15 Mn
M2 0,15 C – 0,40 Mn
M 3 0,25 C – 0,40 Mn
M 4 0,35 C – 0,40 Mn
M 5 0,40 C – 0,40 Mn
M 6 0,45 C – 0,40 Mn
M 7 0,50 C – 0,40 Mn
M 8 0,65 C – 0,40 Mn
M 9 0,65 C – 0,40 Mn
M 10 0,75 C – 0,40 Mn
M 11 0,85 C – 0,40 Mn
M 12 0,95 C – 0,40 Mn
M 13 0,01 C – 0,15 Mn
M 14 0,01 C – 0,50 Mn
M 15 0,01 C – 0,90 Mn
M 16 0,01 C – 1,35 Mn
M 17 0,01 C – 1,75 Mn
M 18 0,05 C – 0,10 Mn
M 19 0,05 C – 0,50 Mn
M 20 0,05 C – 2,00 Mn
M 21 0,15 C – 0,10 Mn
M 22 0,15 C – 0,40 Mn
M 23 0,15 C – 2,00 Mn
M 24 0,30 C – 0,40 Mn
M 25 0,30 C – 0,80 Mn
M 26 0,30 C – 2,00 Mn
5.2 C-Si-Stähle ................................................................................................................................................... 165
M 27 0,01 C – 0,30 Si
M 28 0,01 C – 0,60 Si
M 29 0,01 C – 1,00 Si
M 30 0,10 C – 0,30 Si
M 31 0,10 C – 1,00 Si

M 32 0,45 C – 0,05 Si
M 33 0,45 C – 0,60 Si
5.3 C-Si-Mn-Stähle ............................................................................................................................................. 172
M 34 0,15 C – 0,60 Si – 0,80 Mn
M 35 0,15 C – 1,00 Si – 2,00 Mn
M 36 0,20 C – 0,30 Si – 0,70 Mn
M 37 0,20 C – 0,30 Si – 1,75 Mn
M 38 0,20 C – 1,00 Si – 0,05 Mn
M 39 0,20 C – 1,00 Si – 0,70 Mn
M 40 0,20 C – 1,00 Si – 1,60 Mn
6 Schweiß-ZTU-Schaubilder für Stahlguss ................................................................................................. 179
6.1 Unlegierter Stahlguss ................................................................................................................................... 180
GS 1 GS-45/Charge 1
GS 2 GS-45/Charge 2
GS 3 GS-50
GS 4 GS-60/Charge 1
GS 5 GS-60/Charge 2
GS 6 GS-60/Charge 3
6.2 Niedriglegierter Stahlguss ............................................................................................................................ 186
GS 7 GS-15 Mn 4
GS 8 GS-28 Mn 6
GS 9 GS-25 CrMo 4
GS 10 GS-30 CrMo 4
6.3 Warmfester Stahlguss .................................................................................................................................. 190
GS 11 GS-C25/Charge 1
GS 12 GS-C25/Charge 2
GS 13 GS-17 CrMo 5.5
GS 14 GS-17 CrMoV 6.11/Charge 1
GS 15 GS-17 CrMoV 6.11/Charge 2
6.4 Weitere Stahlgusssorten .............................................................................................................................. 195
GS 16 GS-52/Charge 2
GS 17 GS-20 Mn 5
GS 18 GS-22 Mo 4
GS 19 GS-18 CrMo 9 10
7 Schweiß-ZTU-Schaubilder für Schweißgut .............................................................................................. 199
7.1 Lichtbogenhand- (E-) Schweißgut ................................................................................................................ 201
SG 1 Garant K
SG 2 EB 12
7.2 MAG-Schweißgut ......................................................................................................................................... 203
SG 3 MSG – 0,89 % Mn
SG 4 MSG – 1,10 % Mn
SG 5 MSG – 1,52 % Mn
SG 6 MSG – 1,42 % Mn
SG 7 MSG/Charge 1
SG 8 MSG/Charge 2
SG 9 MSG – 0,23 % Mo
SG 10 MSG – 0,37 % Mo
SG 11 MSG – 0,66 % Mo
SG 12 MSG – 0,22 % Ni
SG 13 MSG – 0,38 % Ni
SG 14 MSG – 0,58 % Ni
SG 15 MSG – 0,27 % Cr
SG 16 MSG – 0,44 % Cr
SG 17 MSG – 0,86 % Cr
7.3 UP-Schweißgut ............................................................................................................................................. 218
SG 18 9 CrMo 4.5
7.4 Weiteres Schweißgut ..................................................................................................................................... 219
7.4.1 Lichtbogenhand- (E-) Schweißgut ................................................................................................................ 219
SG 19 OK 15.17
SG 20 OK 48.08
SG 21 OK Femax 33.30
SG 22 OK Femax 33.30 MSG

SG 23 OK Femax 33.80
SG 24 OK Femax 33.80 MSG
SG 25 OK Femax 38.65
SG 26 OK Femax 38.65 MSG
7.4.2 MAG-Schweißgut ......................................................................................................................................... 227
SG 27 0,11 % C – 0,68 % Si – 1,24 % Mn
SG 28 0,10 % C – 0,65 % Si – 1,17 % Mn
SG 29 0,11 % C – 0,70 % Si – 1,27 % Mn
SG 30 0,11 % C – 0,70 % Si – 1,27 % Mn
SG 31 0,049 % C – 0,795 % Si – 1,235 % Mn
SG 32 0,0637 % C – 0,747 % Si – 1,30 % Mn
SG 33 0,085 % C – 0,72 % Si – 1,219 % Mn
SG 34 0,0774 % C – 0,666 % Si – 1,21 % Mn
SG 35 0,065 % C – 0,559 % Si – 1,144 % Mn
SG 36 0,0657 % C – 0,66 % Si – 1,36 % Mn
SG 37 0,09 % C – 0,68 % Si – 1,90 % Mn
SG 38 0,09 % C – 0,73 % Si – 2,08 % Mn
SG 39 0,08 % C – 0,7 % Si – 1,92 % Mn
SG 40 0,08 % C – 0,65 % Si – 1,93 % Mn
SG 41 0,1 % C – 0,72 % Si – 2,02 % Mn
SG 42 0,096 % C – 0,66 % Si – 1,9 % Mn
SG 43 0,069 % C – 0,64 % Si – 1,61 % Mn
SG 44 0,069 % C – 0,64 % Si – 1,61 % Mn
SG 45 0,1 % C – 0,54 % Si – 1,42 % Mn
SG 46 0,08 % C – 0,60 % Si – 1,70 % Mn
SG 47 0,08 % C – 0,60 % Si – 1,70 Mn
7.4.3 UP-Schweißgut ............................................................................................................................................. 248
SG 48 0,081 % C – 0,22 % Si – 0,98 % Mn
SG 49 0,086 % C – 0,22 % Si – 1,01 % Mn
SG 50 0,080 % C – 0,40 % Si – 1,42 % Mn
SG 51 0,091 % C – 0,40 % Si – 1,36 % Mn
SG 52 0,076 % C – 1,17 % Si – 1,86 % Mn
SG 53 0,092 % C – 1,18 % Si – 1,81 % Mn
8 Schweiß-ZTU-Schaubilder für das Strahlschweißen .............................................................................. 254
8.1 Laserstrahlschweißen ................................................................................................................................... 255
LB 1 L24N
LB 2 L36TM
LB 3 StE 690
LB 4 GL-E36
LB 5 10CrMo9-10
LB 6 S890Q
LB 7 S355J2G3
LB 8 15Mo3
LB 9 13CrMo4-4
LB 10 S690QL
LB 11 S960QL
LB 12 S700M
LB 13 EH36
LB 14 S1100QL
LB 15 S890QL
8.2 Elektronenstrahlschweißen .......................................................................................................................... 270
EB 1 P355NL1
EB 2 S690QL
EB 3 S890QL
EB 4 S960QL
9 Schrifttum .................................................................................................................................................... 274

1 Einleitung
1. Auflage (Ausgabe 1992)
Nachdem zahlreiche Praxisanwendungen den vorteilhaften Einsatz von Schweiß-Zeit-Temperatur-Umwandlungs-
Schaubildern erwiesen haben, macht sich eine Neuausgabe und Erweiterung des im Jahre 1982 mit dem als Band
75 in der Fachbuchreihe des Deutschen Verlages für Schweißtechnik erschienenen Atlas „Schweiß-ZTU-Schaubilder“
erforderlich. Der vorliegende Band liegt in völliger Neubearbeitung und in einem neuen, übersichtlicheren
Format vor. Die Zuordnung von Gefügekomposition und mechanischen Gütewerten in der Wärmeeinflusszone
oder im Schweißgut von Schweißverbindungen aus Stahl wird dadurch wesentlich erleichtert. Die Abbildung von
Mikroschliffen charakteristischer Gefüge von ausgewählten Abkühlungszyklen ergänzt die Angaben.
Gegenüber den 61 Schweiß-ZTU-Schaubildern des vor einem Jahrzehnt erschienenen Atlas stellt das vorliegende
Werk mit insgesamt 149 Schweiß-ZTU-Schaubildern eine wesentliche Erweiterung dar. Die in den vergangenen
Jahren am Arbeitsbereich Werkstoff- und Schweißtechnik der Universität Rostock zur Schweißbarkeitsproblematik
und zum Umwandlungsverhalten von Stählen beim Schweißen durchgeführten Arbeiten haben die Voraussetzung
zum vorliegenden Band geschaffen. Der auf mehr als das Doppelte gewachsene Umfang ermöglicht Anwendung
und Einsatz von Umwandlungsschaubildern in der Schweißtechnologie in noch größerem Maße, so dass mit der
zusammengefassten Veröffentlichung der bisherigen Arbeiten auch ein Schub hinsichtlich einer weiteren
verstärkten Anwendung erwartet wird.
Durch die im Rahmen mehrerer Forschungsthemen und Dissertationen erstellten Umwandlungsschaubilder konnte
der Umfang des Materials auf weitere Anwendungsfelder vergrößert werden. Das Inhaltsverzeichnis weist eine
Einteilung in Schweiß-ZTU-Schaubilder der allgemeinen Baustähle, der hochfesten und korrosionsträgen schweißgeeigneten
Baustähle, der Einsatz- und Vergütungsstähle, der warmfesten und druckwasserstoffbeständigen
Stähle sowie je eines Werkzeugstahles und eines korrosionsbeständigen Stahles auf. Schon diese Aufzählung
zeigt die Breite einer möglichen Anwendung hinsichtlich der angesprochenen Industriezweige. Ferner wurden die
Schaubilder von 40 Modellstählen aufgenommen, die den prinzipiellen Einfluss von Kohlenstoff und der
Legierungselemente Silizium und Mangan im Bereich von 0,01 bis 0,94 % Kohlenstoff, 0,02 bis 1,04 % Silizium
und 0,05 bis 2,11 % Mangan zeigen. Sie sind zur Abschätzung des Einflusses möglicher Chargenstreuungen
ebenso geeignet wie zur Anwendung auf silizium-manganlegierte Stähle oder auf entsprechenden Stahlguss im
angegebenen Legierungsbereich.
15 Stahlgussmarken (jeweils ein Drittel unlegierter, niedriglegierter sowie warmfester Stahlguss) sind berücksichtigt.
Gerade beim Schweißen von Stahlguss sind zahlreiche vorteilhafte Anwendungsfälle für Schweiß-ZTU-
Schaubilder zur Bestimmung von Vorwärmtemperaturen oder adäquater alternativer Wärmeführungen, z. B. das
Kurzzeitnachwärmen aus der Schweißhitze heraus, bekannt geworden.
Schließlich ergänzen weitere 18 Schaubilder des Mischschweißgutes niedriglegierter Stähle die vorliegende
Sammlung. Sie betreffen hauptsächlich MAG-Schweißgut, das mit unterschiedlichen Zusatzdrähten und verschiedenen
niedriglegierten Stählen erhalten wurde, so dass Schweißgut mit Mangangehalten von 0,89 bis 1,52 %,
mit Molybdängehalten von 0,23 bis 0,66 %, Nickelgehalten von 0,22 bis 0,58 % und Chromgehalten von 0,27 bis
0,86 % vorliegt. Damit wird eine breite Palette möglicher Schweißgutzusammensetzungen abgedeckt. Drei
Diagramme für E- oder UP- Schweißgut runden die Beispiele ab.
Mit der Angabe von Eigenschaften und Gefügezusammensetzungen des Mischschweißgutes aus Grund- und
Zusatzwerkstoff kann auch die metallurgische Kerbe, die in der Schweißverbindung beim Übergang vom
unbeeinflussten Grundwerkstoff über die Wärmeeinflusszone und das Schweißgut vorliegt, bei technologischen
Kalkulationen und bei Festigkeitsabschätzungen realer berücksichtigt werden.
Schweiß-ZTU-Schaubilder können für viele Anwendungsfälle nützlich sein. So sind sie z. B. zur Reduzierung von
kostenaufwendigen Vorwärmmaßnahmen, zur Bestimmung sowohl werkstoffseitig als auch hinsichtlich des
Energieaufwandes optimierter Vorwärmtemperaturen, beim Ersatz des Vorwärmens durch die Ausnutzung der
Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweißen oder durch eine äquivalente Streckenenergie einsetzbar. Sie
sind hilfreich beim Aufrechterhalten des Vergütungseffektes beim Schweißen von Vergütungsstählen ohne
zusätzliche Wärmenachbehandlung oder beim Bestimmen von Schweißdaten und erforderlichem Wärmeeintrag
zur Sicherung der Schweißnahtqualität. Sie können aber auch angewendet werden zur Abschätzung der Zuverlässigkeit
von Schweißtechnologien unter extremen Bedingungen, z. B. beim Unterwasserschweißen mit den sich
dabei ergebenden hohen Abkühlungsgeschwindigkeiten oder bei den ebenfalls zu hohen Abkühlungsgeschwindigkeiten
führenden Strahlverfahren. Weiterhin helfen sie bei der Stahlauswahl, der Auswahl von Schweißverfahren,
bei der Verhütung und bei der Beurteilung von Schadensfällen. Auch der gezielte Einsatz bei der Entwicklung
ökonomisch legierter Stähle bei Gewährleistung der Liefereigenschaften und der schweißtechnischen
Verarbeitung ist bekannt geworden. Sie bieten darüber hinaus Hinweise für Mitarbeiter von Stahlwerken,
Klassifikations- und technischen Überwachungsbehörden, wissenschaftlichen Instituten, von Konstruktions- oder
technologischen Abteilungen stahlverarbeitender Betriebe.
Insbesondere bei der Anwendung des sogenannten „Abkühlzeitkonzeptes“ sind das Vorliegen und die Kenntnis
des jeweils zutreffenden Schweiß-ZTU-Schaubildes unerlässlich. Die Angabe einer sich aus verfahrensbedingter
Wärmeeinbringung, Nahtart und -form, Bauteilgeometrie und weiteren Faktoren ergebenden Abkühlzeit ist nutzlos,
1

wenn nicht auch nachfolgend die sich im Ergebnis des Austenitzerfalls während des Abkühlprozesses ergebende
Gefügezusammensetzung und die dadurch bestimmten mechanischen Gütewerte in der Wärmeeinflusszone oder
dem Schweißgut ermittelt werden können. Nur dadurch lassen sich zuverlässige Angaben über die Zulässigkeit der
gewählten Technologie und ggf. Rückschlüsse auf eine erforderliche Veränderung gewinnen.
Da sich moderne Qualitätssicherung immer mehr von der reinen Prüfung nach der Fertigung in die fertigungsvorbereitenden
Bereiche verlagert, um nicht „Qualität zu prüfen“, sondern „Qualität zu erzeugen“, ist die Anwendung
von Schweiß-ZTU-Schaubildern im Rahmen der schweißtechnischen Fertigungsvorbereitung auch ein Beitrag zur
Qualitätssicherung.
Der vorliegenden Sammlung von Schweiß-ZTU-Schaubildern wird in Kürze ein weiterer Band folgen, der das breite
Spektrum möglicher Anwendungen darstellen und dem Praktiker erläutern soll. Sicherlich wird auch dieser
Anwendungsband den vorteilhaften Gebrauch der hier veröffentlichten Umwandlungsschaubilder in verschiedenen
Bereichen der Schweißtechnik unterstützen.
2. Auflage (Ausgabe 2018)
25 Jahre nach der Veröffentlichung der 1. Auflage im Jahre 1992 ist die vorliegende Sammlung um weitere
92 Schweiß-ZTU-Schaubilder erweitert worden. Dabei handelt es sich um 35 Stahlchargen, vor allem aus dem
Bereich „hochfest“, 4 Stahlgusschargen, 8 E-Schweißgut, 20 MAG-Schweißgut, 6 UP-Schweißgut sowie
15 Chargen Stahl, die unter den für das Laserstrahlschweißen typischen Bedingungen (Aufheizrate von 6000 K/s
gegenüber konventionellem Schweißen mit 700 K/s) erstellt wurden. Weitere 4 Chargen wurden für das
Elektronenstrahlschweißen aufgestellt. Diese 92 Schaubilder sind im Rahmen von Beleg- und Diplomarbeiten,
verschiedenen Forschungsthemen und Dissertationen sowie im Industrieauftrag an der Universität Rostock, der
Schweißtechnischen Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH und der Ingenieur-Gemeinschaft
Meyer & Horn-Samodelkin GbR entstanden [52 bis 61].
Das Inhaltsverzeichnis der aktuellen Ausgabe wurde um diese Erweiterungen ergänzt. Aus drucktechnischen
Gründen wurden die neuen Schaubilder rubrikweise an diejenigen der Ausgabe 1992 angehängt, ohne bisherige
Nummerierungen zu verändern. So sind die Realstähle in den Abschnitten 3.1.7 (Stahlumschlüsselung) und 4.7
(Schweiß-ZTU-Schaubilder für hochfeste Stähle mit einer Streckgrenze größer 360 MPa) ab Nummer R 77
eingeordnet, fortlaufend mit steigendem Wert der Streckgrenze. Die ergänzten Stahlgussmarken (ab Nummer
GS 16) finden sich zwecks Umschlüsselung der Werkstoffbezeichnungen im Abschnitt 3.2.4 sowie „inhaltlichchemisch“
im Abschnitt 6.4 wieder. Die neuen Chargen für Schweißgut sind nur im Abschnitt 7.4 eingeordnet (ab
SG 19), da sie keiner Umschlüsselung bedürfen. Die Abschnitte 3.3 und 8 informieren den Leser über das Strahlschweißen.
Die ursprüngliche Werkstoffbezeichnung in den alten und den ergänzten Schaubildern wurde beibehalten, um
deren Rückverfolgbarkeit aufrecht zu erhalten. Jedoch gibt es im Inhaltsverzeichnis, so dies möglich war, eine Umschlüsselung
auf die heute üblichen Stahlbezeichnungen nach DIN EN oder DIN EN ISO. Auf einen Vergleich mit
GOST-Bezeichnungen wurde an dieser Stelle verzichtet.
Leider ist es den Autoren nicht gelungen, alle relevanten Angaben, wie sie noch in der Ausgabe 1992 verwendet
wurden, zu recherchieren. Die grafische Aufbereitung der ergänzten Schaubilder wurde, sofern möglich, jener der
vorherigen Ausgabe angepasst. Im Gegensatz zu allen anderen hier dargestellten Werkstoffen sind die Stähle
R 90 bis R 93, R 96, R 106 bis R 110, LB 1 bis LB 15 sowie EB 1 bis EB 4 mit Hilfe eines thermo-mechanischen
Simulators vom Typ „Gleeble“ untersucht worden.
2

2 Hinweise und Erläuterungen zum Gebrauch der Schweiß-ZTU-
Schaubilder
2.1 Allgemeines
Schweiß-ZTU-Schaubilder (ZTU = Zeit-Temperatur-Umwandlung) stellen eine besondere Art von Umwandlungsschaubildern
dar. Sie gestatten Aussagen über die Gefügeveränderungen in der Wärmeeinflusszone von Schweißverbindungen
infolge des typischen thermischen Schweißzyklus und müssen daher mit den für das Schweißen
charakteristischen Austenitisierungsbedingungen aufgenommen werden.
Der durch einen schnellen Anstieg auf Temperaturen bis in Schmelzpunktnähe und einen sofortigen Abfall der
Temperaturen von der beim Durchgang der Wärmequelle erreichten Spitzentemperatur ohne weitere Haltezeit
charakterisierte Wärmezyklus (Bild 2-1) beeinflusst wesentlich den Austenitzerfall beim nachfolgenden Abkühlen.
Insbesondere unter dem Einfluss der hohen Spitzentemperaturen kommt es zu einer Austenitkornvergröberung,
wobei als thermodynamische Triebkraft der Zwang zur Minimierung der freien Energie durch Verringerung der
Grenzflächenenergie bei absoluter Verringerung der Korngrenzenfläche wirkt. Hierdurch wird beim Abkühlen aus
der Schweißhitze die Keimbildung für die --Umwandlung erschwert, und es kommt zu einer Umwandlungsverzögerung.
Diese wirkt sich in einer Verschiebung des Umwandlungsgebietes im Schweiß-ZTU-Schaubild nach
rechts zu längeren Abkühlzeiten und nach unten zu tieferen Temperaturen aus. Die prozentuale Zusammensetzung
des Umwandlungsproduktes verändert sich damit in Richtung steigender Martensitgehalte.
Bild 2-1.
a) Austenitisierungsbedingungen
beim Schweißen und
bei üblicher Wärmebehandlung;
b) Übergang von der linearen
zur logarithmischen Teilung
der Zeitachse mit
Nullpunkt beim Durchgang
durch 850 °C.
3

Daher können ZTU-Schaubilder, die für die übliche Wärmebehandlung bestimmt sind [1 bis 6], die Verhältnisse
beim Schweißen nur sehr unvollkommen widerspiegeln, sodass ihre Anwendung in der Schweißtechnik zu großen
Fehlern führt. Mit [7] liegt ein Atlas vor, bei dem in 18 Schaubildern russischer und meist höher gekohlter Stähle die
beim Schweißen herrschenden Austenitisierungsbedingungen bereits berücksichtigt wurden.
In der deutschsprachigen Literatur sind Schweiß-ZTU-Schaubilder unter anderem mit [8 bis 13] veröffentlicht. Mit
[14] liegen weitere für das Schweißen geltende Umwandlungsschaubilder vor, denen allerdings keine Eigenschaftsdiagramme
beigeordnet sind.
Um den Anforderungen der schweißtechnischen Praxis gerecht zu werden, wurden in [15 bis 22, 52, 53] weitere
Umwandlungsschaubilder mit dem spezifischen Schweißwärmezyklus nach Bild 2-1 aufgenommen, die damit als
„Schweiß-ZTU-Schaubilder“ die beim Schweißen herrschenden Bedingungen für verschiedene Werkstoffgruppen
berücksichtigen.
Solche Schweiß-ZTU-Schaubilder sind ursprünglich für 76 Stähle, nun erweitert auf 110 Stähle, im Kapitel 4
zusammengestellt. Die chemische Zusammensetzung dieser Stähle ist aus der einführenden Tabelle ersichtlich.
Es handelt sich dabei in erster Linie um niedriglegierte hochfeste schweißgeeignete Baustähle, die im Schiffbau,
Stahlbau, Anlagenbau und ähnlichen Industriezweigen verwendet werden. Darüber hinaus wurden 8 Einsatz- und
Vergütungsstähle, 11 warmfeste und druckwasserstoffbeständige Stähle sowie einige allgemeine bzw. korrosionsträge
Baustähle aufgenommen. Für einige Stahlmarken wurden mehrere Chargen untersucht und deren Schweiß-
ZTU-Schaubilder angegeben, um damit auf den Einfluss von Chargenstreuungen innerhalb ein und derselben
Stahlmarke hinzuweisen sowie um die Größe möglicher Abweichungen zu zeigen.
Legierungselemente wie Mn, Cr, Ni, Mo, V und W erschweren beispielsweise die Diffusion des Kohlenstoffs und
beeinflussen damit insbesondere das Umwandlungsverhalten in der Perlitstufe. Eine Martensitbildung wird dadurch
erleichtert.
Zur besseren Beurteilung der Chargenstreuungen und deren Einfluss auf das Umwandlungsverhalten unter
Schweißbedingungen wurden bei 40 Modellstählen die Gehalte an Kohlenstoff und den Hauptlegierungselementen
Mangan und Silizium systematisch variiert und deren Schweiß-ZTU-Schaubilder zusammengestellt (siehe Tabelle
der chemischen Zusammensetzung im Kapitel 5).
Darüber hinaus beinhaltet Kapitel 6 Schweiß-ZTU-Schaubilder für 6 unlegierte Stahlgusschargen, 4 niedriglegierte,
5 warmfeste sowie weitere 4 Stahlgusssorten (chemische Zusammensetzung in der Tabelle im Kapitel 6).
Von den Autoren wurden auch Schweiß-ZTU-Schaubilder und Diagramme mechanisch-technologischer Kennwerte
für Schweißgut aufgestellt. Im Kapitel 7 werden für E-, MAG- und UP-Schweißgut zutreffende insgesamt 53 Schaubilder
aufgeführt. Sie geben die Möglichkeit, den Einfluss von Legierungselementen, zum Beispiel des Titans, auf
Umwandlungsverhalten und mechanisch-technologische Gütewerte abzuschätzen (chemische Zusammensetzung
in der Tabelle im Kapitel 7). Zur Aufstellung dieser Schaubilder wurde zunächst reines Schweißgut nach dem
jeweiligen Schweißverfahren hergestellt und daraus Proben entsprechend Bild 2-2 gefertigt, die dann nach der im
Abschnitt 2.2 erläuterten Bestimmungsmethode untersucht wurden.
Zusätzlich werden im Kapitel 3 Stahlumschlüsselungstabellen angeboten. Diese ermöglichen die Umschlüsselung
der Originalbezeichnungen der untersuchten Stähle nach TGL, GOST und weiteren Normen in die entsprechende
DIN-, DIN EN- und DIN EN-Norm.
2.2 Bestimmungsmethode
Zur Simulation der beim Schweißen gebräuchlichen schnellen Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten wurde ein in
[23 bis 25] beschriebenes, induktiv arbeitendes Hochgeschwindigkeitsdilatometer angewendet.
Die zu untersuchenden Proben (Bild 2-2) wurden in wassergekühlte Stromzuführungen eingespannt und durch
Widerstandserwärmung mittels Wechselstrom mit 700 K/s auf eine Austenitisierungstemperatur von 1350 °C
aufgeheizt. Die Abkühlung erfolgte ohne Haltezeit bei Maximaltemperatur mit unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten.
Die so simulierten T-t-Zyklen entsprechen denen in der Wärmeeinflusszone (Grobkornzone) einer
Schweißverbindung. Dadurch konnten sowohl die Bedingungen des E- und der MIG-/MAG-Verfahren, aber auch
für die Schweißverfahren mit höherem Wärmeeintrag und größerem Wärmevorlauf (zum Beispiel UP- und ES-
Verfahren) zutreffenden Bedingungen realisiert werden. Die Probendehnung, gemessen über den Querschnitt der
Probe, wurde von Quarzstiften über Hebel reibungsarm auf einen induktiven Wegaufnehmer vom Typ „IWT 101“
übertragen und auf einem x-y-Koordinatenschreiber vom Typ „endim 2200“ als Funktion der Temperatur dargestellt.
Der Registriervorgang konnte durch rhythmisches Abheben der Schreibfeder des Koordinatenschreibers im
Takt einer wählbaren Periodendauer unterbrochen werden. Dies gestattete das punktweise Übertragen der
während der Abkühlung aufgenommenen Dilatometerkurven in halblogarithmische Temperatur-Zeit-Verläufe.
Die Messung der Dilatation erfolgte auf Grund der exakten Zuordnung von Temperatur und Probenausdehnung am
Ort der Temperaturmessung in Probenmitte. Die Regelung der Temperatur der Probe am Ort der Messung wurde
über Pt/PtRh(10 %)-Thermodrähte, die mittig auf der Probenoberfläche aufgeschweißt waren, realisiert. Das
Thermoelement besaß auf Grund der geringen Drahtdurchmesser von nur 0,05 mm eine kleine Wärmekapazität,
4

sodass die Voraussetzungen für eine minimale Wärmeableitung durch das Thermoelement selbst und eine geringe
Ansprechzeit des Thermoelementes gewährleistet waren. Nach [24] garantierte die gewählte Probenform einen
konstanten Temperaturverlauf und damit gleichartiges Gefüge über eine Länge von 20 mm. Die anlagenbedingten
Abweichungen von der Sollspitzentemperatur haben nach [24, 25] keinen Einfluss auf die Umwandlung.
Bild 2-2.
Probenformen;
a) Dilatometerprobe,
b) Zugprobe,
c) Kerbschlagprobe, Kerb geschliffen für 13MnCuNi
und 13MnNiCu.
Aus den Dilatometerproben wurden nach einer Härtemessung Zug- und Kerbschlagproben entsprechend Bild 2-2
gefertigt.
Die dilatometrischen Messungen und mechanisch-technologischen Untersuchungen wurden durch metallographische
Untersuchungen ergänzt. Die Bestimmung der prozentualen Gefügeanteile erfolgte ebenfalls mit einer
kombinierten Methode, die auf dilatometrischer Messung und metallographischer Untersuchung basiert [23, 24].
Für ausgewählte, dilatometrisch schwierig auswertbare Fälle wurde ein Differenzierverstärker eingesetzt.
Für jedes Schaubild wurden zwischen 40 und 50 Dilatometerproben untersucht. Zur besseren Übersichtlichkeit
wurden jeweils nur einige der 40 bis 50 Abkühlungszyklen in das Schweiß-ZTU-Schaubild eingezeichnet.
Einheitlich wurde für alle Schaubilder als Nullpunkt der Zeitachse der Durchgang des Abkühlungszyklus durch
850 °C gewählt. Mit der einheitlichen Festlegung des Nullpunktes der Zeitachse ist eine bessere Vergleichbarkeit
der Schaubilder verschiedener Stahlmarken gegeben (Bild 2-1).
Die Bestimmung der A c1 - und A c3 -Punkte erfolgte mit einem Dilatometer nach Bollenrath der Fa. Leitz, Wetzlar, bei
Aufheizgeschwindigkeiten von 3 K/min.
2.3 Diagramme der mechanisch-technologischen Gütewerte
Um dem Anwender weitere zweckdienliche Angaben für die Beurteilung der Betriebsbewährung der verschiedenartigen
Gefügezusammensetzungen zu bieten, wurde jedes Schweiß-ZTU-Schaubild durch ein Diagramm der
mechanisch-technologischen Gütewerte ergänzt, aus dem in Abhängigkeit von der Abkühlzeit zwischen 850 und
500 °C die Gütewerte Härte, Zugfestigkeit, 0,2-Dehngrenze, Bruchdehnung, Brucheinschnürung und Kerbschlagarbeit
zu ersehen sind.
5

Diese Gütewerte wurden mit Probenformen nach Bild 2-2 bestimmt. Die Proben wurden nach der schweißsimulierenden
Behandlung aus den Dilatometerproben hergestellt. Die Ergebnisse der mechanischen Prüfung
wurden statistisch verarbeitet und als Polynome geplottet.
Dabei wurden folgende Polynomgrade und Stricharten zur Kennzeichnung der einzelnen Gütewerte verwendet:
Polynom 5. Gr.: ––– Härte HV 30
Polynom 4. Gr.: -.-.- Zugfestigkeit R m
-.-.- Dehngrenze R p0,2
Polynom 3. Gr.: - - - Brucheinschnürung Z
––– Bruchdehnung A 5
........ Kerbschlagarbeit K
Wenige, hiervon abweichende Zuordnungen sind nicht extra gekennzeichnet worden.
Verwechslungen zwischen R m und R p0,2 sind trotz gleicher Stricharten nicht möglich, da R m immer über R p0,2 liegt.
Verwechslungen zwischen HV 30 und A 5 können ebenfalls vermieden werden, wenn beachtet wird, dass HV 30 im
Allgemeinen zu kürzeren Zeiten hin ansteigt, A 5 aber abfällt.
Für die eingezeichneten Kurvenverläufe wurden die Reststreuungen s R in die Eigenschaftsdiagramme aufgenommen.
Die Reststreuung s R wurde nach den Regeln der Ausgleichsrechnung als mittlerer Fehler bestimmt aus
∆
(1)
mit
N = Anzahl der Messwerte,
n = Grad des Polynoms.
Die Einheit des mittleren Fehlers entspricht der der jeweiligen Eigenschaft, also HV 30 für die Härte, N/mm² oder
MPa für Zugfestigkeit und 0,2-Dehngrenze, % für Bruchdehnung und Brucheinschnürung und J für die Kerbschlagarbeit.
Der Anwender erhält damit eine zusätzliche Information über die gemessenen Streubandbreiten und über zu
erwartende Abweichungen. In einigen Fällen reichte die Probenanzahl nicht aus, um eine statistische Auswertung
vornehmen zu können. In diesen Fällen wurden die Kurvenverläufe von Hand ausgestrakt und sind durch den
Hinweis „s 0 nicht bestimmt“ im Diagramm kenntlich gemacht worden. In Ausnahmefällen wurden die Kurvenverläufe
nach Regressionsgleichungen berechnet [13]. Diese Diagramme erhielten den Hinweis „berechnet“. Beispiele
dafür sind die Diagramme R 12, R 24, R 29 und GS 9.
Beachtet werden muss, dass die Kerbschlagarbeit in der Regel wegen der verwendeten geringen Probenabmessungen
nicht derjenigen entspricht, die an Kerbschlagbiegeproben üblicher Abmessungen (zum Beispiel
Charpy-V-Proben, DVM-Proben usw.) bestimmt wird. Ausnahmefälle sind zum Beispiel die Stahlgusschargen GS 7
und GS 8.
Die Angaben zur Kerbschlagarbeit gestatten deshalb nur einen Vergleich der untersuchten Stähle untereinander
und weisen auf Abkühlzeitbereiche mit optimaler bzw. verringerter Zähigkeit des zugehörigen Gefüges hin.
In allen Fällen wurde die Kerbschlagarbeit bei Raumtemperatur ermittelt. Alle übrigen Gütewerte entsprechen
denen, die mit standardisierten Normproben ermittelt werden, und sind mit Angaben aus Werkstoffnormen vergleichbar.
Zusätzlich wurden – außer für Schweißgut – die mechanischen Gütewerte des Ausgangszustandes neben dem
Schweiß-ZTU-Schaubild angegeben.
2.4 Thermo-mechanische Simulationsanlage vom Typ „Gleeble 3500“
Ab 1996 kam an der Schweißtechnischen Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH (SLV M-V)
zwecks Simulation von Schweißzyklen eine konduktiv arbeitende „Gleeble 3500“-Anlage zum Einsatz. Nachfolgend
werden daher die relevanten Unterschiede in Messtechnik, Probenform sowie Versuchsablauf und -auswertung im
Vergleich zum induktiven Hochgeschwindigkeitsdilatometer an der Universität Rostock beschrieben. Darüber
hinaus kann sich der Leser auf die Inhalte der bisherigen Abschnitte beziehen.
Der Hersteller der „Gleeble 3500“-Anlage, das US-amerikanische Unternehmen Dynamic Systems Incorporation
(DSI), entwickelt und baut thermomechanische Simulationsanlagen seit 1960. Die Markenbezeichnung „Gleeble“
ist nicht erklärt. Der Typ „3500“ entspricht der 3. Generation. Zu jedem Anlagentyp gibt es verschiedene kundenspezifische
Ausführungsvarianten.
6

Der Simulator an der SLV M-V verbindet – vereinfacht ausgedrückt – Hochgeschwindigkeitsdilatometrie mit Zug-/
Druck-Prüfung. Es können physikalisch rein thermische oder thermische kombiniert mit mechanischen oder im
Einzelfall rein mechanische Prozesse simuliert werden [63]. Die Rostocker Anlage wurde 1996 erstmals für die
physikalische Simulation von Strahlschweißprozessen konzipiert und gefertigt. Damit konnten, je nach Werkstoff
sowie Probenform und -größe, die hierfür typischen Aufheizraten von bis zu 6000 K/s oder höher erreicht werden.
Je nach Zielstellung wurden unterschiedliche Probenformen verwendet, die während des Versuches in Kupferbacken
eingespannt waren.
Die Simulation des konventionellen Schmelzschweißens (Aufheizrate 700 K/s) erfolgte nach wie vor an Proben
gemäß Bild 2-2a. Zur Messung der mechanischen Kennwerte im Zugversuch wurden diese schweißsimulierten
Proben, wie in Bild 2-2b gezeigt, umgearbeitet. Allerdings kamen ausschließlich Proben mit einer Dicke von 2 mm
auf Messlänge zur Anwendung sowie gegebenenfalls solche mit längeren Einspannköpfen (Bild 2-3).
Bild 2-3.
Dilatometerprobe (Simulation konventionelles
Schweißen).
Bild 2-4.
Dilatometerprobe Sonderform, Dicke
durchgängig 1,2 mm.
In einzelnen Fällen, zum Beispiel beim Stahl DP780 (R 108), wurden im Dünnblechbereich auch Sonderformen
zum Einsatz (Bild 2-4) gebracht. Die Herstellung dieser Proben erfolgte durch Laserstrahlschneiden, um eine
Deformation der Proben vor Versuchsbeginn zu vermeiden.
Bild 2-5.
Dilatometerprobe (Simulation Strahlschweißen).
Zur Schweißsimulation von Strahlprozessen wurde die vom Anlagenhersteller favorisierte Probenform (Bild 2-5)
verwendet. Für die kürzesten T-t-Zyklen wies diese Probe am Kopf beidseitig eine Bohrung auf, die ein System zur
Innenkühlung aufnehmen konnte.
Die „Gleeble 3500“-Anlage bietet die Option, mit verschiedenen Probenaufnahmen zu arbeiten. Daher wurden
auch genormte Kerbschlagproben gefertigt und verwendet (Bild 2-6).
7

Alle Proben wurden auf eine Austenitisierungstemperatur von 1350 °C aufgeheizt, die etwa der Temperatur in der
Grobkornzone der Wärmeeinflusszone entspricht. Auch mit der „Gleeble“-Anlage erfolgte die Abkühlung ohne
Haltezeit auf Maximaltemperatur mit unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten, die typisch sind für die o. g. Zone
einer realen Schweißverbindung.
8
Bild 2-6.
Dilatometerproben;
a) „Kerbschlag“, konventionelles Schweißen,
b) „Kerbschlag“, Strahlschweißen.
Die „Gleeble“-Anlage verfügt über WINDOWS-basierte Software zur Datenaufnahme und Auswertung. Über eine
unabhängige Workstation konnten die erforderlichen Schweißwärmezyklen programmiert werden (QuikSim,
Gleeble Script Language). Die Abkühlgeschwindigkeiten wurden über die Wärmeleitung gesteuert, erforderlichenfalls
konnten zusätzliche Kühlmedien (Gas, Wasser) durch Sprühbacken oder Probeninnenkühlung über ein
optionales, regelbares Zwei-Tank-Hochdurchfluss-Kühlsystem genutzt werden. Die Regelung der Temperatur
erfolgte über ein mittig an der Probe angeschweißtes Ni-/NiCr-Thermoelement (Typ K, Durchmesser maximal
0,25 mm). Die beschriebenen Probenformen garantierten auch in der „Gleeble“-Anlage einen konstanten Temperaturverlauf
und damit gleichartiges Gefüge über 20 mm Länge. Die grundlegenden Spezifikationen zum
thermischen System sowie zur Reproduzierbarkeit von Temperaturen und thermischen Zyklen an der „Gleeble“-
Anlage können [63] entnommen werden. Anlagenbedingte Abweichungen hatten keinen Einfluss auf die
Gefügeumwandlungen.
Per Software im Industrierechner der Steuerkonsole wurden die T-t-Werte an der Probe während der Erwärmung
und Abkühlung mit einer frei wählbaren Abtastrate aufgenommen und gespeichert. Zwischen Steuerkonsole und
Workstation bestand eine Hochgeschwindigkeitsdatenverbindung. An letzterem erfolgte softwaregestützt (Origin)
die grafische Weiterverarbeitung der aufgenommenen Daten zum Schweiß-ZTU-Schaubild sowie deren Druck und
Speicherung als Bilddatei.
Die Probendehnung, gemessen über den Querschnitt bzw. Durchmesser der Probe, wurde von taktilen Quarzstiften
auf einen LVDT-basierten Differentialtransformator übertragen [63] und zusammen mit den zugehörigen
T-t-Werten gespeichert (LVDT = linear variabler Differenzial-Transformator). Die Messung der Dilatation erfolgte
auf Probenmitte. Die dilatometrischen Messungen wurden wie zuvor ebenfalls durch metallographische Untersuchungen
ergänzt. Die Art und Weise der Bestimmung der prozentualen Gefügeanteile ist grundsätzlich in
[23, 24] beschrieben und wurde für die Auswertung an der „Gleeble“-Anlage übernommen.
Nach wie vor wird jedes Schweiß-ZTU-Schaubild durch ein Diagramm der mechanischen Kennwerte ergänzt. An
allen Dilatometerproben (außer den gekerbten) wurde die Härte nach Vickers gemessen, ursprünglich HV 30, in
jüngerer Zeit HV 10, bei laserstrahlschweißsimulierten Proben auch HV 5. Die jeweils angewandten Einheiten sind
den entsprechenden Diagrammen zu entnehmen.
Zugproben nach Bild 2-2b kamen nur bei Stählen zur Anwendung, die mit einer Aufheizrate von 700 K/s schweißsimuliert
wurden. Die bei der Simulation des Strahlschweißens erforderliche Probenform nach Bild 2-5, die zu der
hier geforderten Aufheizgeschwindigkeit von 6000 K/s kompatibel war, eignete sich nicht für einen normgerechten
Zugversuch. Daher wurde bei den Stählen zum Laserstrahlschweißen (LB 1 bis LB 15) auf diese Kennwerte verzichtet.
Bei den mit der „Gleeble“-Anlage entstandenen Eigenschaftsdiagrammen sind für die grafische Auswertung der
jeweiligen Kennwerte unterschiedliche Polynomgrade verwendet worden. Die tatsächlichen Polynomgrade waren
nicht in allen Fällen recherchierbar. Die Standardabweichung s 0 ist i. d. R. nicht ermittelt worden. Demzufolge

fehlen diese Angaben in den neueren Diagrammen der mechanisch-technologischen Kennwerte. Jedoch gilt
sicher, dass die dargestellten Kurven bestmöglich per Polynom x-ten Grades an die Messwerte anpasst worden
sind. Mit der „Gleeble“-Anlage sind die Werkstoffe R 90 bis R 93, R 96, R 106 bis R 110, LB 1 bis LB 15 sowie
EB 1 bis EB 4 untersucht worden.
2.5 Handhabung der Schweiß-ZTU-Schaubilder
Schweiß-ZTU-Schaubilder sind in der gleichen Form aufgebaut wie die kontinuierlichen ZTU-Schaubilder für die
Wärmebehandlung (siehe Bild 2-7). Sie werden längs der Abkühlungskurven gelesen. Beim Schnitt der
Abkühlungskurve mit der Umwandlungslinie beginnt die Umwandlung des unterkühlten Austenits. Durch die
Buchstaben F, P, Zw oder M wird darauf hingewiesen, ob die Umwandlung als diffusionsgesteuerte Ferrit- oder
Perlitumwandlung (F, P), als diffusionslose geordnete durch einen Umklappvorgang (Martensitumwandlung, M)
oder als Zwischenstufenumwandlung (Zw, Umklappvorgang und Diffusion von C) vonstattengeht. Am Schnittpunkt
der Abkühlungskurve mit der nächsten Umwandlungslinie ist die jeweilige Umwandlung abgeschlossen, und es
beginnt die Umwandlung nach einem anderen Umwandlungsmechanismus. Am Ende eines jeden Umwandlungsbereiches
(F, P oder Zw) wird rechts neben der Abkühlungskurve der in dieser Umwandlungsstufe erhaltene
prozentuale Gefügeanteil vermerkt. Beim Unterschreiten der Martensit-Startlinie (M s ) ergibt sich der prozentuale
Anteil an Martensit im Gefüge durch die Ergänzung der bis zu diesem Zeitpunkt bereits umgewandelten
Gefügemengen bis 100 %. Die sich für die vorliegende Gefügezusammensetzung ergebende Härte HV 30 (bzw.
HV 10) ist am Ende der Abkühlungskurve im Kreis vermerkt.
Als Beispiel sei das Schweiß-ZTU-Schaubild R1 der Stahlmarke W St 3sp, Charge 1, betrachtet. So ist die vierte
Abkühlungskurve von links wie folgt zu verstehen:
Bild 2-7.
Lesebeispiel Schweiß-
ZTU-Schaubild.
9

2,5 s nach Durchgang durch 850 °C wird bei einer Temperatur von 685 °C das Gebiet der Ferritumwandlung (F)
erreicht. Beim weiteren Abkühlen unter die eingezeichnete Umwandlungslinie beginnt die Ferritumwandlung. Diese
wird bei 6,7 s und einer Temperatur von 600 °C abgeschlossen (das Ende der Ferritumwandlung wurde hier
gestrichelt eingezeichnet, da in diesem Fall dilatometrisch der Übergang von der Ferrit- zur Zwischenstufenumwandlung
nur annähernd bestimmt werden konnte). Die gebildete Ferritmenge beträgt 37 %, das heißt, dass bei
600°C neben 37 % F noch 63 % bisher nicht umgewandelter unterkühlter Austenit vorliegt. Die Zwischenstufenumwandlung
(Zw) folgt unmittelbar auf die Ferritumwandlung und ist bei 7,6 s und 570 °C abgeschlossen. Die
gebildete Zwischenstufenmenge ist rechts neben der Abkühlungskurve mit 43 % angegeben. Beim weiteren
Abkühlen können infolge der gesunkenen Temperatur Diffusionsvorgänge nur noch unvollkommen ablaufen,
sodass keine nennenswerten Umwandlungsvorgänge gemessen werden können. Erst beim Erreichen der M s -Linie
nach 10,2 s wird bei 460 °C die thermodynamische Triebkraft infolge der wachsenden Differenz der freien
Enthalpie (entsprechend der Unterkühlung unter die Gleichgewichtstemperatur) so groß, dass die martensitische
Umwandlung ablaufen kann. Die Martensitumwandlung (M) geht unterhalb der M s -Linie vonstatten. Der bei M s
noch vorliegende Austenitanteil wandelt unterhalb M s bis Zimmertemperatur vollkommen martensitisch um, wenn in
den Schaubildern keine Restaustenitgehalte angegeben sind. Zum Beispiel werden in den Schaubildern von M 10
bis M 12 Restaustenitanteile (RA) von 5 oder 10 % angegeben. Für den vorliegenden Stahl R 1 ergeben sich für
die vierte Abkühlungskurve 37 % Ferrit, 43 % Zwischenstufe und 20 % Martensit. Die für diese Gefügekomposition
gemessene Härte wird mit 206 HV 30 abgelesen.
In gleicher Weise erhält man für alle anderen Abkühlungskurven in jedem Schweiß-ZTU-Schaubild entsprechende
Angaben. Die Diagramme der mechanisch-technologischen Gütewerte sind in Abhängigkeit von der Abkühlzeit t A
im Temperaturintervall von 850 bis 500 °C aufgestellt. Für die als Beispiel betrachtete Abkühlungskurve des
Schaubildes R 1 ergibt sich beim Schnitt der 500 °C-Isotherme eine Abkühlzeit t A = 9,2 s.
Für die vorliegende Gefügezusammensetzung ergeben sich bei t A = 9,2 s aus dem Diagramm der mechanischtechnologischen
Gütewerte für R 1 die zugehörigen Eigenschaften Härte (206 HV 30), Zugfestigkeit (635 N/mm²),
0,2-Dehngrenze (425 N/mm²), Bruchdehnung (18 %), Brucheinschnürung (43 %) und Kerbschlagarbeit (17,5 J).
Die einfache Zuordnung zwischen Gefüge und mechanisch-technologischen Gütewerten wird an Bild 2-7 demonstriert.
Für alle untersuchten Stahlmarken wurden metallografische Untersuchungen durchgeführt. Eine Auswahl
charakteristischer Gefügebilder (einschließlich des Ausgangszustandes) ergänzt die Schweiß-ZTU-Schaubilder.
Die Schliffe wurden mit 3 %-iger Salpetersäure (HNO 3 ) geätzt und mit 500-facher Vergrößerung aufgenommen.
Die zugehörigen Abkühlzeiten sind aus den Schliffbildern ersichtlich.
2.6 Ermittlung der Abkühlzeit
2.6.1 Allgemeines
Für die Anwendung von Schweiß-ZTU-Schaubildern ist die Kenntnis von Abkühlzeiten erforderlich. Diese stellen
den Bezug zwischen der Schweißtechnologie und der Konstruktion auf der einen Seite und dem Werkstoff auf der
anderen Seite her. Schweißverfahren, Schweißdaten, eine eventuelle Vorwärmung als technologische Haupteinflussfaktoren
sowie Nahtart und -form, Werkstückdicke und damit wärmeableitender Querschnitt als konstruktive
Haupteinflussfaktoren bestimmen Abkühlgeschwindigkeit und Abkühlzeit. Über die Abkühlzeit ergeben sich Zuordnungen
zwischen Technologie und Konstruktion und den im Werkstoff der Schweißverbindung vorhandenen
Gefügen und der dadurch bestimmten Eigenschaftsdegradationen der mechanisch-technologischen Gütewerte.
Nur durch diese Abhängigkeitskette wird die Anwendung des sogenannten Abkühlzeitkonzeptes sinnvoll.
Als Abkühlzeit wird die während des Abkühlverlaufes aus der Schweißhitze zum Durchlaufen eines bestimmten
Temperaturintervalls benötigte Zeit bezeichnet. Prinzipiell können zur Charakterisierung des Abkühlverlaufes
beliebige Temperaturintervalle herangezogen werden. Üblich sind jedoch in der Schweißpraxis Temperaturintervalle,
in denen der Austenitzerfall vonstattengeht und die damit auch im Umwandlungsschaubild direkt abgelesen
werden können. Da eine sinnvolle obere Temperaturgrenze mit der A 3 -Temperatur gegeben ist und diese für
die schweißgeeigneten Stähle im Bereich um 850 °C liegt, wird zur Charakterisierung des Abkühlverlaufes im
Schweiß-ZTU-Schaubild häufig die Abkühlzeit zwischen 850 und 500 °C (t A ) herangezogen. Diese Abkühlzeit wird
von den Autoren bevorzugt, da sich durch neuere Stahlentwicklungen in Richtung auf perlitarme Stähle die A 3 -
Temperatur zu höheren Temperaturen verschiebt. Jedoch sind auch andere Temperaturintervalle üblich und zur
Charakterisierung des Abkühlverlaufes und zur Zuordnung von technologischen Schweißparametern und Gefügen
in Schweiß-ZTU-Schaubildern bzw. mechanisch-technologischen Gütewerten in den Eigenschaftsdiagrammen
geeignet. So wird häufig die Abkühlzeit t 8/5 als Abkühlzeit zwischen 800 und 500 °C verwendet oder auch als
untere Temperaturgrenze des Abkühlzeitintervalls 300 °C benutzt. Letzteres ist dann der Fall, wenn die Frage der
Wasserstoffdiffusion ein relevantes Beurteilungskriterium ist.
Da die Abkühlzeiten neben den genannten Faktoren durch eine Vielzahl miteinander korrelierender Größen beeinflusst
werden [26 bis 29], ist eine exakte Ermittlung der Abkühlzeit nur dann möglich, wenn alle wirkenden
Einflussfaktoren mit ihren absoluten Werten bekannt sind. Das ist aber nur in den seltensten Fällen möglich.
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Schematisierungen, Vereinfachungen und Näherungsverfahren sind daher für die Ermittlung der Abkühlzeit unerlässlich.
Prinzipiell sind drei unterschiedliche Bestimmungsmethoden geeignet:
– experimentelle Ermittlung,
– analytische Ermittlung,
– numerische Ermittlung.
2.6.2 Experimentelle Ermittlung
Bei der praktischen Anwendung standen zu Beginn der Anwendung von Schweiß-ZTU-Schaubildern experimentell
ermittelte Abkühlzeiten im Vordergrund. Zahlreiche Verfasser führten umfangreiche Messreihen durch und stellten
den Anwendern die Ergebnisse in Form von Nomogrammen zur Verfügung.
Die Bilder 2-8 bis 2-16 zeigen eine Auswahl von grafischen Darstellungen zur Abkühlzeitbestimmung bei verschiedenen
Schweißverfahren, die in der Literatur [30 bis 32, 36 bis 39] veröffentlicht wurden. Die ausgewählten Bilder
umfassen ein breites Spektrum von Wärmeeinbringung und wärmeableitendem Querschnitt. Soweit in den Bildern
nicht anders angegeben, gelten die so ermittelten Abkühlzeiten für einlagige Schweißverbindungen bzw. für das
Schweißen von Blechen, die keine als Vorwärmung wirkende Restwärme durch das Schweißen vorangehender
Lagen enthalten. Außer in den Bildern 2-14 und 2-16 werden in allen anderen auch Vorwärmtemperaturen berücksichtigt.
Bild 2-8. Abkühlzeiten beim Lichtbogenhandschweißen von 15 mm dickem Blech [36].
Bei den in der Praxis auftretenden unterschiedlichen Stößen, Nähten und Werkstückdicken ist die Zuordnung zum
massiven Bauteil bzw. zur Platte oder auch zu Versuchsergebnissen mit spezieller Auftrag-, Stumpf- oder Kehlnaht
problematisch. Man behilft sich mit geschätzten Geometriefaktoren, wie sie zum Beispiel in [35] gefunden wurden.
Bild 2-9.
Abkühlzeit von 850 bis 500 °C
beim Lichtbogenhandschweißen
von Steilflankennähten mit Elektroden
von 5 mm Durchmesser
[37].
[35] stellte fest, dass die gemessenen Abkühlzeiten über den Geometriefaktor 1/√ ∗ als Faktor vor q s vereinheitlicht
werden können (vergleiche Bild 2-10). Dabei ist n* = 1 für die Wurzel einer V-Fuge, n* = 2 bei einer
Auftragschweißung und n* = 3 für Kehlnähte am T-Stoß (ansteigend mit dem Winkelbereich der Wärmeableitung)
einzusetzen.
Beim Schweißen von Kehlnähten verringern sich die Abkühlzeiten gegenüber dem Schweißen von Stumpfnähten
durch die zusätzliche Wärmeableitung in das gestoßene Blech. Für das Schweißen von Kehlnähten kann eine
Vergleichsblechdicke
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gebildet werden. Mit dieser Vergleichsblechdicke kann in die Diagramme für Stumpfnähte hineingegangen werden.
Im Fall des Nomogramms Bild 2-11 wurde die Kehlnahtschweißung speziell aufgeführt. Hier wurde vorausgesetzt,
dass Steg und Gurt der Kehlnahtverbindung die gleiche Blechdicke haben, die auf der rechten Nomogrammleiter
aufgetragen wird. Mit der o. a. Verfahrensweise kann das Bild 2-11 aber auch für unterschiedliche Dicken von Gurt
und Steg verwendet werden.
(2)
Bild 2-10.
Abkühlzeit von 800 bis 500 °C
beim Lichtbogenhandschweißen
in Abhängigkeit vom Kennwert
[38], n Faktor, der die Geometrie
der Wärmeableitung be-
√
rücksichtigt; E in V Spannung;
I in A Stromstärke; v in cm/min
Schweißgeschwindigkeit; d in mm
Blechdicke.
Der Wärmeeintrag in das Werkstück errechnet sich als Streckenenergie aus den Schweißdaten nach der
Gleichung
mit
U Li = Lichtbogenspannung [V],
I s = Schweißstrom [A],
= Schweißgeschwindigkeit [cm/min].
v s
Der Wirkungsgrad der Wärmeeinbringung eff wird hierbei nicht berücksichtigt, da die Grafiken aus Messergebnissen
zusammengestellt wurden, bei denen der Wirkungsgrad eff schon implizit enthalten ist.
(3)
Bild 2-11. Nomogramm für die Abkühlzeit von 800 bis
500 °C beim Lichtbogenhandschweißen [31].
Bild 2-12. Nomogramm für die Abkühlzeit von 800 bis
500 °C beim MAG-Schweißen [32].
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Bild 2-13. Nomogramm für die Abkühlzeit von 800 bis
500 °C beim UP-Schweißen [30].
Bild 2-14. Abkühlzeit von 800 bis 500 °C beim
UP-Schweißen in Abhängigkeit vom Kennwert
[38], n Faktor, der die Geometrie der Wärmeableitung
berücksichtigt; E in V Spannung; I in A Strom-
√
stärke; v in cm/min Schweißgeschwindigkeit; d in mm
Blechdicke.
Selbstverständlich können die Bilder 2-8 bis 2-16 auch benutzt werden, um über eine aus dem Schweiß-ZTU-
Schaubild oder dem Diagramm der mechanisch-technologischen Gütewerte mit den im Abschnitt 2.7 genannten
Kriterien bestimmte Grenzabkühlzeit den erforderlichen Wärmeeintrag zu ermitteln.
Wie bereits in Abschnitt 2.6.1. bemerkt worden ist, verwenden einige Verfasser zur Charakterisierung des Abkühlungsverlaufes
die Abkühlzeit t 8/5 . Mit ausreichender Genauigkeit ergibt sich hieraus auch die Abkühlzeit t A
zwischen 850 und 500 °C mit 10 % höheren Werten gegenüber t 8/5 . Das muss bei der Ermittlung von experimentell
bestimmten Abkühlzeiten aus Nomogrammen unterschiedlicher Verfasser (Bilder 2-8 bis 2-16) und Übertrag dieser
Werte in die Schweiß-ZTU-Schaubilder oder die Diagramme der mechanisch-technologischen Gütewerte berücksichtigt
werden, da die Zeitachse in diesen Diagrammen beim Durchgang durch 850 °C beginnt, vergleiche Bild
2-1b.
Bild 2-15.
Abkühlzeit von 850 bis 500 °C für UP-
Wurzelschweißung an Steilflankennähten
[39].
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