I. Was sind Heißrisse beim Schweißen?
Schweißrisse entstehen hauptsächlich bei hohen Temperaturen nahe der Soliduslinie und sind durch ihre Ausbreitung entlang der Korngrenzen gekennzeichnet. Gelegentlich können sie sich auch entlang von Polygonisierungsgrenzen bei Temperaturen unterhalb der Soliduslinie bilden. Sie treten üblicherweise im Schweißgut auf, können aber auch in der Wärmeeinflusszone (Grundwerkstoff) angrenzend an die Schweißnaht entstehen. Entsprechend des Entstehungsmechanismus, der Morphologie und des Temperaturbereichs der Rissbildung lassen sich Schweißrisse in vier Typen unterteilen: Erstarrungsrisse, Verflüssigungsrisse, Polygonisierungsrisse und Risse aufgrund von Duktilitätsverlust.
II. Worin bestehen die Unterschiede zwischen Heißrissen und Kaltrissen?
1. Unterschiedliche Temperaturen und Bildungszeiten
Heißrisse entstehen im Allgemeinen während der Kristallisation der Schweißnaht. Kaltrisse bilden sich üblicherweise beim Abkühlen des Schweißguts auf 200–300 °C. Manche treten unmittelbar nach dem Schweißen auf, andere erst nach mehreren Stunden, Wochen oder sogar noch später. Daher werden Kaltrisse auch als verzögerte Risse bezeichnet.
2. Unterschiedliche Lage und Richtung der Bildung
Die meisten Heißrisse entstehen im Schweißgut; einige verlaufen längs, andere quer, und manchmal reichen sie bis ins Grundmaterial. Die meisten Kaltrisse entstehen im Grundmaterial oder an der Schmelzlinie; die meisten sind Längsrisse, einige wenige sind Querrisse.
3. Unterschiedliche Erscheinungsmerkmale
Die Bruchfläche von Heißrissen weist eine deutliche Oxidationsfärbung auf. Die Bruchfläche von Kaltrissen ist hell und zeigt keine Oxidationsfärbung.
4. Unterschiedliche metallographische Struktur
Heißrisse sind allesamt interkristalline Risse. Kaltrisse dringen in das Innere der Körner ein, d. h. sie sind transkristalline Risse, obwohl einige auch interkristalline Risse sind.
III. Wie entstehen Heißrisse?
Erstens, Entmischung von niedrigschmelzenden eutektischen Verbindungen: Die durch metallurgische Reaktionen der Verunreinigungselemente Schwefel (S) und Phosphor (P) im Stahl gebildeten niedrigschmelzenden eutektischen Verbindungen weisen eine starke makroskopische Entmischung auf und bilden oft einen Flüssigkeitsfilm in der Mitte der Schweißnaht.
Zweitens beeinflusst die Schweißspannung die Schweißprozesse: Die durch ungleichmäßige Erwärmung und Abkühlung während des Schweißens entstehende Zugspannung begünstigt das Aufreißen und die Rissbildung im Flüssigkeitsfilm. Drittens spielen weitere Faktoren eine Rolle: die unterschiedlichen thermophysikalischen Eigenschaften verschiedener Werkstoffe führen zu unterschiedlichen Schweißspannungen; unterschiedliche Schweißverfahren und Prozessparameter bedingen unterschiedliche Wärmeeinträge; und der Formkoeffizient der Schweißnaht hat einen signifikanten Einfluss auf die Entmischung.
Viertens, wie lässt sich die Entstehung von Heißrissen verhindern?
1. Metallurgische Maßnahmen
Metallurgische Maßnahmen zielen hauptsächlich darauf ab, die chemische Zusammensetzung der Schweißnaht zu begrenzen. Um die Bildung niedrigschmelzender Eutektika in der Schweißnaht zu reduzieren, sollte der Gehalt an Schwefel (S) und Phosphor (P) so gering wie möglich gehalten, der Kohlenstoffgehalt der Schweißnaht gesenkt und der Mangangehalt des Schweißdrahts erhöht werden. Zweitens muss das Mikrogefüge der Schweißnaht verändert werden. Es ist unmöglich, schädliche Verunreinigungen vollständig zu eliminieren oder die Bildung niedrigschmelzender Eutektika gänzlich zu verhindern. Um Rissbildung unter Zugspannung zu vermeiden, werden dem Schweißgut daher häufig spezielle Legierungselemente zugesetzt, um dessen chemische Zusammensetzung anzupassen und eine Zweiphasenstruktur in der Schweißnaht zu erzeugen. Dies unterbricht die Kristallisationsrichtung des Schweißguts, verhindert die Anreicherung niedrigschmelzender Eutektika und reduziert somit die Bildung von Heißrissen.
2. Prozesskennzahlen
1) Das Schmelzverhältnis, d. h. die Verdünnung, sollte verringert werden. Beim Schweißen der ersten Lage einer Mehrlagenschweißung führt der hohe Anteil an Grundwerkstoff, der in die Schweißnaht eingeschmolzen wird, zu einem erhöhten Kohlenstoff-, Schwefel- und Phosphorgehalt und damit zu einer erhöhten Anfälligkeit für Heißrisse.
2) Überhitzung vermeiden. Überhitzung des Schmelzbades begünstigt Heißrisse. Reduzieren Sie die Wärmeeinbringung durch einen geringen Schweißstrom und eine niedrige Schweißgeschwindigkeit. Erhöhen Sie die Schweißgeschwindigkeit nicht, um die Wärmeeinbringung zu verringern, und achten Sie dabei auf eine ordnungsgemäße Schweißnahtbildung.
3) Wählen Sie eine sinnvolle Schweißfolge und -richtung, um die Belastung zu reduzieren. Im Allgemeinen können kleinere konvexe Schweißnähte die Rissanfälligkeit verringern.
4) Verwenden Sie basische Elektroden und Flussmittel. Dies liegt daran, dass die Schlacke basischer Elektroden und Flussmittel ein starkes Entschwefelungsvermögen besitzt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die grundlegende Methode zur Vermeidung von Heißrissen darin besteht, die Menge an niedrigschmelzenden Eutektika zu reduzieren, geeignete Maßnahmen zur Verringerung der Schweißzugspannung zu ergreifen, den Schweißnahtformkoeffizienten angemessen zu kontrollieren und den Schweißstrom zu reduzieren, wodurch das Auftreten von Heißrissen verringert wird.