Wasserstoffdiffusion und Kaltrisse

Kaltrisse sind ein massives Qualitätsproblem bei der schweißtechnischen Verarbeitung von hochfesten Stählen. Sie entstehen in den Härtegefügen einer Schweißverbindung bei gleichzeitiger Einwirkung von Zugspannungen und Wasserstoff, wenn deren Kombination an diesem Ort ein kritisches Niveau während der Abkühlung unterhalb 250 °C erreicht hat. Die Bestimmung der kritischen Kombinationen kann durch die physikalische Simulation der Kaltrissanfälligkeit erfolgen.

Die Wasserstoffdiffusion im Stahl hängt von vielen Faktoren wie zum Beispiel Traps (Fallen), thermo-metallurgischem und -mechanischem Zustand und lokaler Wasserstofflöslichkeit ab. Daher kann der lokale Wasserstoff in einer Schweißverbindung nur mit der Berücksichtigung aller Einflussfaktoren berechnet werden.

Die Trap (Falle) ist ein physikalischer Speicher für Wasserstoff wie zum Beispiel:

• Zwischen Gitterplatze (Der Freiraum zwischen Atome in einem Kristall hängt vom Kristalltyp -Raumzentriert bzw. Flächenzentriert- ab)
• Leerstellen und Versetzungen
• Gelöst in Karbiden und Legierungselemente

Bestimmung der lokalen Wasserstoffverteilung durch FE-Simulation

Zur Bestimmung der lokalen Wasserstoffverteilung im Stahl, muss der Einfluss von Traps, thermo-mechanischem Zustand, Auflösungsvermögem der vorliegenden Gefüge sowie Spannungs-Dehnungszustand berüchsichtigt werden. Dies kann beispielsweise mit dem FE.System SYSWELD durchgeführt werden. Dafür werden folgende Werkstoffdaten benötigt:

• Gewichtsanteile der Traps (Fallen)
• Permeabilität und Solubilität der verschiedenen Gefüge für je Trapart. Dies enthält den Einfluss von Temperatur, Spannungen und plastische Dehnungen)

Daher soll die Kalkulation des Wasserstoffes aufbauend auf einer thermo-metallurgische und mechanische Analyse erfolgen.

Beispielsweise für 100Cr6

2 Traps (Ordinary/ reversible und irreversible) Gewischtsverhältniss 0,99 to 0,01

Permeability (α) = 2.91 EXP(-4258/T)

Permeability (γ) = 45.69 EXP(-7710/T)

Solubility (α, ordinary) = 0.2 EXP(-304.5 + 0.2 σ + 220 εp)/T) for T ≤ 200

Solubility (α, ordinary) = 13.7 EXP(-2304 + 0.2 σ + 220 εp)/T) for T > 200

Solubility (γ, ordinary) = 43 EXP(-2700/T)

Solubility (α, irreversible) = 2.9 x 10-10 EXP((16000 + 0.2 σ + 220 εp)/T)

Solubility (γ, irreversible) = 2.9 x 10-10 EXP(16000 + 0.2 σ + 220 εp)/T

Hier α für Ferrit, γ Austenit, T Temperatur in Kelvin, σ hydrostatische Spannung und εp plastische Dehnung. Weitere Information finden Sie hier

Die Verteilung der Kaltrisseinflussparameter beim Bruch einer zylindrischen Probe, die

mit einem Schweißtemperaturzylus ausgesetzt ist und

unter konstanter statischer Belastung von 240 MPa während der Abkühlung unter Ms steht.

Temperatur beim Bruch 130 °C