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16.05.2018 | Werkstoffprüfung + Materialanalyse | Im Fokus | Onlineartikel

Risiko Wasserstoffversprödung

Autor:
Dieter Beste

Die Geheimnisse der Kaltrissbildung bei hochfesten Stählen werden zunehmend gelüftet. Im Mittelpunkt des Forscherinteresses steht der Wasserstoff, der im Werkstoff Versprödungen hervorrufen kann.

Werden hochfeste Stähle geschweißt, können bewegliche Wasserstoff-Atome im Material Probleme verursachen: Die Atome sammeln sich langsam in Bauteilbereichen mit hohen Eigenspannungen an und machen dort den Stahl spröde. Die Folge sind sogenannte Kaltrisse, die für Bauteilausschuss sorgen können. Dies ist leider nur sehr schwer oder gar nicht im Experiment zu erfassen, denn dazu müsste beispielsweise die Wasserstoffkonzentration an stark eingegrenzten Orten im Bauteilinneren während des Schweißens gemessen werden können. Frank Schweizer vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) hat nun eine Simulations-Methodik entwickelt, mit der Hersteller diese Kaltrissneigung bewerten und ihre Produktion entsprechend anpassen können.

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Schweizer hat dafür bereits industriell eingesetzte Methoden der numerischen Schweißsimulation weiterentwickelt. Damit kann er nun im Computer die Geschehnisse an ganz begrenzten Bauteilorten nachstellen. Das funktioniere sogar für sehr schnelle Temperaturwechsel zwischen Raum- und Schmelztemperatur, wie sie beim Schweißen auftreten: "Jetzt können wir die zeitliche Entwicklung der Einflussfaktoren und ihre Wechselwirkungen untereinander genau berechnen und virtuell beobachten", sagt Schweizer. Damit meint er Faktoren wie Härtegefüge, Eigenspannungen und die lokale Wasserstoffkonzentration, die im geschweißten Bauteil zur Rissbildung führen können. 

Wasserstoffversprödung entsteht durch die Wechselwirkung des Wasserstoffs mit inneren "Oberflächen", z. B. an Versetzungen, Poren, Phasengrenzflächen, Korngrenzen oder Rissen." Hans-Jürgen Bargel, Werkstoffkunde, Seite 494

Neben dem zusätzlich eingebrachten Wasserstoff aus dem Schweißprozess löst sich durch die Schweißwärme der bereits im Stahl vorhandene Wasserstoff und wird beweglich beziehungsweise diffusionsfähig. Das Besondere der neuen Methode sei nun, dass sie auch die Wirkung sogenannter Wasserstofffallen berücksichtige. Schweizer fand für unterschiedliche Laserschweißverbindungen heraus, dass bei geringen Wasserstoffkonzentrationen die Wasserstofffallen einen großen Einfluss auf den beweglichen Wasserstoffanteil haben. Bei höherem Wasserstoffgehalt werde das thermomechanische Materialverhalten zunehmend ausschlaggebend für die Rissbildung. "Die Wasserstoffatome sammeln sich langsam in dem schmalen Bereich der Wärmeeinflusszone an, in dem besonders hohe Zugeigenspannungen vorherrschen", hat Schweizer herausgefunden. Auch noch nachdem der Stahl abgekühlt sei, könne sich der Wasserstoff dann an diesen Stellen sammeln und das Material spröde machen. "Somit können auch noch nach Stunden und Tagen Risse entstehen, die das Aussortieren des Bauteils nötig machen."

Optimierung des Laserschweißprozesses

Die Simulationsergebnisse können nun Grundlage dafür sein, Laserschweißprozesse zu optimieren: "Laser-Prozessparameter lassen sich nun so anpassen, dass die Wechselwirkungen der Kaltriss-Risikofaktoren so gering wie möglich bleiben", sagt Schweizer. Auch genauere Vor- und Nachwärmtemperaturen sowie die passgenaue Glühdauer könnten aus der Simulation ermittelt werden. In einem nächsten Forschungsschritt will er den Einfluss unterschiedlicher Werkstoffe und Bauteiloberflächen auf die Bewegung des Wasserstoffs genauer untersuchen, um Vor- und Nachwärmprozeduren zukünftig noch präziser auslegen zu können. Zudem will er die neue Methodik auf weitere Stähle und andere Schweißverfahren anwenden.

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