Mechanismus der wasserstoffinduzierten Rissbildung
Wasserstoffinduzierte Kaltrisse (WIC; englisch: Hydrogen-Induced Cracking, HIC; auch Hydrogen-Assisted Cracking, HAC) entstehen durch das Zusammenwirken von drei Faktoren:
- Diffusibler Wasserstoff (H₂): Atomarer Wasserstoff gelangt aus Feuchtigkeit in Elektroden, Schutzgas oder Grundwerkstoffoberfläche während des Schweißens in flüssiges Schmelzgut und in die Wärmeeinflusszone (HAZ).
- Empfindliches Gefüge: Martensitisches oder bainitisches Gefüge mit hoher Härte (> 350 HV10 gilt als kritisch) in der HAZ ist anfällig; kubisch-raumzentriertes Gitter besitzt geringe H-Löslichkeit.
- Zugeigenspannungen: Schweißeigenspannungen und Schrumpfspannungen treiben die Rissöffnung.
Atomarer Wasserstoff diffundiert im Austenit schnell, im Martensit/Ferrit jedoch langsam. An Versetzungen, Leerstellenhäufungen und Korngrenzen reichert sich H an, erniedrigt die lokale Bruchenergie (HELP-Mechanismus: Hydrogen-Enhanced Local Plasticity oder HEDE: Hydrogen-Enhanced Decohesion) und führt zur verzögerten Rissbildung — oft erst Stunden bis Tage nach dem Schweißen.
Risikofaktoren im Detail
Kohlenstoffäquivalent (CE)
Das Kohlenstoffäquivalent beschreibt die Härtbarkeit des Stahls beim schnellen Abkühlen:
CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15 (nach IIW)
Richtwerte: CE ≤ 0,40 → unbedenklich; CE 0,40–0,45 → Vorwärmung empfohlen; CE > 0,45 → Vorwärmung zwingend erforderlich.
Wasserstoffgehalt (HD)
Klassifikation nach ISO 3690 / EN ISO 3690:
- HD
- HD 5–10 ml/100 g: niedrig
- HD 10–15 ml/100 g: mittel
- HD ≥ 15 ml/100 g: hoch → hohes WIC-Risiko
Wärmeeinbringung
Niedrige Wärmeeinbringung führt zu schneller Abkühlung (t₈/₅ kurz), hartem Martensit und erschwerter H-Diffusion. Hohe Wärmeeinbringung erhöht t₈/₅, verlangsamt Abkühlung und fördert Wasserstoffentweichen — verringert aber Kerbschlagzähigkeit durch Kornvergröberung.
Vermeidungsmaßnahmen
Vorwärmen
Vorwärmen erhöht t₈/₅, verlangsamt die Abkühlung, reduziert die Martensitbildung und fördert die H-Diffusion aus der HAZ. Vorwärmtemperaturen nach EN 1011-2 (Methode A oder B) in Abhängigkeit von CE, Werkstoffdicke, Wärmeeinbringung und HD-Klasse. Typisch: 50–200 °C für S690Q, gemessen mit Kontaktthermometer oder Thermochromstiften.
Trockene Elektroden / Rücktrocknen
Basische Stabelektroden (z. B. E 42 5 B 42 H5) müssen bei 250–350 °C für 1–2 h getrocknet werden. Feuchtigkeitsaufnahme durch Lagerung in Raumluft erhöht HD deutlich. Elektroden aus geöffneten Packungen innerhalb von 4–8 h verbrauchen oder in beheiztem Köcher lagern (≥ 150 °C).
Wärmenachbehandlung (PWHT)
Spannungsarmglühen bei 550–620 °C für 1 h/25 mm Wanddicke senkt Eigenspannungen, fördert H-Ausdiffusion und verbessert Zähigkeit der HAZ. Vor PWHT: sorgfältige Vorprüfung auf vorhandene Risse.
Nachweis — Prüfstrategie
Zeitfenster
Da WIC-Risse verzögert entstehen, sind Prüfungen unmittelbar nach dem Schweißen unzuverlässig. Empfohlene Wartezeiten vor der Abschlussprüfung:
- Standardstähle (CE ≤ 0,40): 16–24 h
- Hochfeste Stähle (CE 0,40–0,45): 24–48 h
- Hochlegierte / sehr hochfeste Stähle (CE > 0,45): 48–72 h
Verfahrenswahl
- MT (Magnetpulverprüfung): Primärverfahren für oberflächennahe HAZ-Risse; DC-Magnetisierung bevorzugt für tiefere Wirktiefe. Empfindlichkeit für feine Risse sehr hoch.
- PT (Eindringprüfung): Alternativ für nichtmagnetisierbare Bereiche; weniger empfindlich für feine Unterraupenrisse.
- UT (Ultraschallprüfung): Für tieferliegende Risse (> 2 mm von Oberfläche); PAUT mit Sektorscans entlang der HAZ; Winkelprüfköpfe 60°/70°.
- TOFD: Höchste Empfindlichkeit für planare Fehler; liefert genaue Tiefeninformation.
Normbezug
EN 1011-2 (Empfehlungen zum Schweißen ferritischer Stähle), EN ISO 3690 (Bestimmung des Wasserstoffgehalts), EN ISO 9016 (Kerbschlagbiegeversuch), NACE TM0284 (HIC-Test für Druckbehälter), ISO 15156 (H₂S-Umgebungen).