Ursachen für Kaltrisse beim Schweißen

Kaltrisse sind eine häufigere Art von Rissen in der Schweißproduktion und treten auf, wenn die Schweißnaht auf eine niedrigere Temperatur (bei niedriglegierten hochfesten Stählen) abgekühlt wird, etwa um die martensitische Umwandlungstemperatur. Die drei Elemente der Kaltrissbildung sind die Verhärtungsneigung des Stahls, der Wasserstoffgehalt der Schweißnaht und seine Verteilung sowie der Spannungszustand der Schweißverbindung.

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I. Verhärtungsneigung

Die Härtungsneigung von Stahl hängt hauptsächlich von seiner chemischen Zusammensetzung und den Abkühlbedingungen ab. Je größer die Verhärtungsneigung des Stahls ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass es beim Schweißen zu Kaltrissen kommt. Denn je größer die Verfestigungstendenz ist, desto stärker wird die Martensitorganisation der Schweißnaht beim Erhitzen erzeugt, und die Verformungsfähigkeit des Martensits ist gering, sodass es zu Sprödbrüchen kommt. Die Verhärtungsneigung von Schweißverbindungen hängt neben der chemischen Zusammensetzung, den Abkühlbedingungen, aber auch mit dem Schweißprozess vom Aufbau der Blechdicke ab.

Unter diesen kann der Einfluss der chemischen Zusammensetzung auf die Härtungsneigung von Stahl mithilfe der Kohlenstoffäquivalentmethode [2] wie folgt grob abgeschätzt werden.

CE (IIW) = C + Mn / 6 + (Cr + Mo + V) / 5 + (Cu + Ni) / 15

Beispielsweise ist bei Stahlplatten mit einer Dicke von weniger als 20 mm die Verhärtungsneigung nicht signifikant, wenn CE < 0,4 % ist.

Metall mit einer großen Härtungsneigung bildet unter der Bedingung eines thermischen Ungleichgewichts eine große Anzahl von Gitterfehlern, und unter der Bedingung von Spannung und thermischem Ungleichgewicht bildet es Rissquellen und dehnt sich sogar aus, um Makrorisse zu bilden.

Wenn Wasserstoff in der Schweiß- und Wärmeeinflusszone vorhanden ist, verringert sich die Zähigkeit und es kommt zu einer Wasserstoffversprödung. Das martensitisch gehärtete Gewebe mit hohem Kohlenstoffgehalt ist sehr empfindlich gegenüber Wasserstoffversprödung und Kälterissempfindlichkeit. Die maximale Härte der Wärmeeinflusszone wird beim Schweißen üblicherweise zur Beurteilung der Verhärtungsneigung bestimmter hochfester Stähle herangezogen.

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Zweitens Wasserstoff

Wasserstoff ist einer der wichtigen Faktoren, die die Bildung von Kaltrissen beim Schweißen hochfester Stähle verursachen und dazu führen, dass diese einen verzögerten Charakter haben, üblicherweise wasserstoffinduzierte verzögerte Risse, die als „Wasserstoffrisse“ oder „wasserstoffinduzierte Risse“ bezeichnet werden. Der Grund für die „Verzögerung“ liegt darin, dass Wasserstoff eine gewisse Zeit benötigt, um im Stahl zu diffundieren, sich an mikroskopischen Defekten anzusammeln, Spannungen zu erzeugen und Risse zu bilden.

Je höher der Wasserstoffgehalt in der Schweißverbindung aus hochfestem Stahl ist, desto größer ist die Rissanfälligkeit. Wenn der Wasserstoffgehalt einen bestimmten kritischen Wert überschreitet, treten Risse auf, wobei die Größe des kritischen Werts von Fall zu Fall unterschiedlich ist.

Wenn die Wasserstoffkonzentration in der geschweißten Wärmeeinflusszone hoch genug ist, kommt es zu einer weiteren Versprödung des martensitischen Gewebes (falls vorhanden) und damit zur Bildung von Rissen.

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Drittens der Stresszustand

Die Kaltrissbildung beim Schweißen hochfester Stähle hängt nicht nur von der Verhärtungsneigung des Stahls und den schädlichen Auswirkungen von Wasserstoff ab, sondern auch vom Spannungszustand der Schweißverbindung, und manchmal spielt der Spannungszustand sogar eine entscheidende Rolle. Die thermische Spannung (ungleichmäßige Erwärmung und Abkühlung), die Phasenwechselspannung (Volumenänderung der Organisation beim Phasenwechsel) und die Strukturform, Schweißreihenfolge usw. der Schweißverbindung können die Zwangskraft bilden.

Die oben genannten drei Elemente der Entstehung von Kaltrissen haben jeweils ihre eigenen Gesetzmäßigkeiten, beeinflussen sich aber auch gegenseitig. Im Allgemeinen sind die Wärmeeinflusszone und die Verhärtungsneigung des Schweißgutes wesentliche Faktoren für die Rissbildung, während Wasserstoff seine schädliche Rolle bei der Rissbildung nur dann spielen kann, wenn sich im Stahl gehärtetes Gewebe bildet.