Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Bestimmung des Einflusses von verarbeitungs- und umgebungsbedingten Wasserstoffquellen auf die Neigung hochfester Stähle zur wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung

Durch wasserstoffinduzierte Rissbildung hervorgerufene Schäden an Bauteilen und schweißtechnischen Konstruktionen sind ein weit verbreitetes und gefürchtetes Phänomen, welches wie ein Damoklesschwert über der schweißtechnischen Fertigung oftmals aufwendiger Bauteile schwebt. Das Versagen setzt oft unvermittelt, ohne vorherige sichtbare Anzeichen ein, welches insbesondere bei Strukturbauteilen zu Schäden an Mensch, Material und Umwelt führen kann. Deshalb ist das Ziel des Forschungsvorhabens, für den Baustellen- und Vorfertigungsbetrieb, eine für die schweißtechnische Fertigungspraxis quantitative Abschätzung der Grenzen der Gefährdung von schweißtechnisch hergestellten Produkten aus hochfesten Feinkornstählen gegenüber wasserstoffinduzierten Kaltrissen zu geben. Diese Abschätzung wird unter Berücksichtigung der Variation der Prozessrandbedingungen als wirksame Wasserstoffquelle während des Schweißens formuliert. Weiterhin sollen bei Kaltrisstests und Simulationen Kriterien für die Kaltrissbildung unter Berücksichtigung der wesentlichen Wasserstoffquellen ermittelt werden. Da bei beiden Fertigungsbereichen das Metallschutzgasschweißen als wirtschaftliches Schweißverfahren zum Einsatz kommt und das Unterpulverschweißverfahren vornehmlich in der Vorfertigung angewendet wird, sollen beide Schweißverfahren im Projekt systematisch untersucht werden.

Als Ergebnis der Untersuchungen sollen den Anwendern dieser Schweißverfahren, bei denen es sich vorwiegend um kleine und mittelständische Unternehmen handelt, Grenzen der Prozessrandbedingungen für die beiden Schweißverfahren hinsichtlich des Einflusses auf die Kaltrissentstehung zur Verfügung gestellt werden. Bei den Struktursimulationsuntersuchungen sollen weiterhin Kriterien für die Kaltrissbildung unter Berücksichtigung der wesentlichen Wasserstoffquellen ermittelt werden. Ferner soll eine Erweiterung der bestehenden Bearbeitungsempfehlungen und ein Vorschlag zur Ergänzung des Merkblattes SEW 088 erarbeitet werden.

Ergebniszusammenfassung:

Für beide Schweißverfahren konnten Abhängigkeiten der schweißtechnischen Verarbeitungs- und Umgebungsbedingungen, bspw. durch Variation der Schweißparameter oder gezielte Manipulation des potenziellen Wasserstoffangebotes, auf die resultierenden Wasserstoffgehalte im Schweißgut erarbeitet und quantifiziert werden. Unter Nutzung der Erkenntnisse werden Verbindungsschweißungen an Blechen der hochfesten Versuchswerkstoffe hergestellt. Hierbei werden unter kontrollierten Bedingungen aufgrund des durchgängig hohen Wärmeinhaltes beim Schweißen in Mehrlagentechnik und einer dadurch begünstigten Wasserstoffeffusion im Bereich der Schweißzone keine Kaltrisse detektiert.

Auf Basis von Zugversuchen mit geringer Dehnrate (slow strain rate tests, SSRT) können hingegen deutliche wasserstoffbedingte Einflüsse erkannt werden. Hierbei werden Proben aus den unbeeinflussten Grundwerkstoffen sowie aus Verbindungsschweißungen (MSG- und UP-Schweißen) an verschiedenen Positionen entnommen und geprüft. Insbesondere eine zusätzliche galvanostatische Wasserstoffbeladung während der SSRT-Prüfung führt zu einem erheblichen Dehnungsverlust infolge von Wasserstoffversprödung, wobei sich hier spezifische Unterschiede in Abhängigkeit der Werkstoffe, der schweißtechnischen Verarbeitungsbedingungen und der Probenentnahmeposition ergeben. Anhand der Durchführung selbstbeanspruchender Kaltrisstests (Tekken) kann die Kaltrissneigung in Abhängigkeit der gewählten Vorwärmtemperatur sowie der Streckenenergie zusätzlich qualitativ abgeschätzt werden, um die schweißtechnischen Verarbeitungsfenster näher eingrenzen zu können.