Was ist ein Heißriss?

Was ist ein Heißriss?

Ein Fehler, der auftreten kann, wenn die Schweißnaht erstarrt, ist der sogenannte Heißriss. Er kann beim Erstarren der Schweißnaht in der Phase entstehen, in der die Temperatur zwischen der Liquidus- und der Solidustemperatur liegt.

Was ist ein Heißriss genau?

Mit dem Begriff “Heißriss” werden Risse bezeichnet, die entlang von Korngrenzen auftreten, wenn die Substanz beginnt, abzukühlen und vom flüssigen Zustand in den festen Zustand überzugehen.

Dabei begünstigen vor allem niedrigschmelzende und spröde Substanzen die Bildung von Heißrissen. Ein Heißriss kann sowohl im Verlauf des Schweißprozesses entstehen als auch dann, wenn der Schweißvorgang bereits abgeschlossen ist. Früher wurden Heißrisse auch als Warmrisse bezeichnet. Eine Art Gegenstück zum Heißriss ist der Kaltriss.

Ein Kaltriss entsteht, wenn eine Substanz im festen Zustand die Solidustemperatur unterschritten hat. Ursachen für einen Kaltriss können unter anderem große Härteunterschiede oder schlicht Schrumpfungseffekte sein.

Wie entsteht ein Heißriss?

Ob und wann ein Heißriss entsteht, hängt von mehreren Faktoren ab. Vereinfacht lässt sich der Mechanismus bei der Entstehung von Heißrissen aber so erklären: Bei Legierungen entsteht in der Umgebung oder direkt auf den erstarrenden Dendriten eine nichtmetallische Phase.

Diese Verunreinigungen werden beim Kornwachstum vor dem Korn, das sich vergrößert, hergeschoben und bleiben in der Schmelze zurück. Durch die darauffolgende Seigerung, also die Entmischung der Schmelze beim Übergang in den festen Zustand, sinkt die Erstarrungstemperatur der Restschmelze. Dies führt dazu, dass die flüssige Phase zwischen den bereits erstarrten Dendriten vergleichsweise lange erhalten bleibt. Die Spannungen, die durch das Schweißen entstehen, können diese Schmelze auseinanderreißen. Im Ergebnis entsteht ein Heißriss.

Grundsätzlich setzt die Heißrissbildung also voraus, dass es eine flüssige, halbflüssige, niedrigschmelzende oder spröde Phase auf den Korngrenzen gab.

Dabei kann eine solche Phase entweder als Folge von Erstarrungs- und Umwandlungsprozessen innerhalb der Solidustemperatur entstehen oder schon bei einem früheren Vorgang entstanden sein. Eine spröde Phase kann sich nicht verformen. Deshalb kann es durch Schrumpfspannungen oder äußere Beanspruchungen auch nach dem Erkalten des geschweißten Werkstücks noch zu Heißrissen kommen.

Welche Arten von Heißrissen werden voneinander unterschieden?

In Abhängigkeit von der Entstehungsursache werden Heißrisse in Erstarrungs- und in Wiederaufschmelzrisse unterschieden:

·         Erstarrungsrisse, kurz ER, liegen innerhalb des Schweißguts. Sie entstehen, wenn der Werkstoff aus der flüssigen Phase kristallisiert. Dabei bilden sich zunächst im Inneren der Schweißraupe Mikrorisse. Diese Mikrorisse können sich im Verlauf des voranschreitenden Erstarrungsprozesses in Richtung Oberfläche ausweiten. Auf der Oberfläche treten die Risse dann als Makrorisse in Erscheinung. Erstarrungsrisse haben eine oxidierte Oberfläche und verlaufen senkrecht zu der Schrumpfungsverformung, die am stärksten ausgeprägt ist.

Teilweise sind Erstarrungsrisse mit bloßem Auge erkennbar, ansonsten werden sie meist unter einer Lupe sichtbar. Um Erstarrungsrisse zu vermeiden, sollte das Werkstück vorgewärmt werden. Außerdem sollten die Schweißbäder möglichst klein und flach gehalten sein, beispielsweise indem eine günstige Schweißnahtform ausgewählt oder die Mehrlagenschweißtechnik angewendet wird. Ein kleines, flaches Schweißbad reduziert die Schrumpfspannungen und wirkt der Erstarrung des Schmelzbades in Kristallstrukturen entgegen.

 

·         Wiederaufschmelzrisse, kurz WAR, liegen in der Wärmeeinflusszone, die an das Schmelzbad angrenzt. Meistens entstehen sie direkt neben der zuletzt erzeugten Schweißraupe am Übergang zwischen dem flüssigen Schmelzgut und der festen Wärmeeinflusszone. Sie können sich bis in den Grundwerkstoff hinein ausdehnen. Wiederaufschmelzrisse werden von den Ausscheidungen verursacht, die an den Korngrenzen liegen und sich nun erneut verflüssigen.

Gleichzeitig führt die Abkühlung des Schweißguts zu einer Volumenverringerung, die wiederum Zugspannungen zur Folge hat. Das Risiko, das Wiederaufschmelzrisse entstehen, lässt sich senken, indem das Werkstück vorgewärmt und so beim Schweißen eine geringere Wärme eingebracht wird, und indem geeignete Nahtformen und Schweißtechniken ausgewählt werden.

Mit den Ductility Dip Cracks, DDC, gibt es noch eine dritte Form von Heißrissen. Sie liegen meist mit etwas Abstand zum eben erzeugten Schweißgut in der Wärmeeinflusszone, können grundsätzlich aber auch innerhalb des Schweißguts auftreten. Anders als die Erstarrungs- und die Wiederaufschmelzrisse sind die DDC nicht an eine flüssige Phase gebunden.

Sie werden nach aktuellem Stand der Technik vielmehr dadurch verursacht, dass sich die Korngrenzen verschieben, wenn die Substanz die Rekristallisationstemperatur erreicht. Insofern sind die DDC eine Sonderform bei der Heißrissbildung.

Woran lässt sich ein Heißriss erkennen?

Die meisten Heißrisse treten als Mikrorisse auf, sind also sehr klein. Oft reichen Heißrisse zudem nicht bis an die Oberfläche heran. Aus diesem Grund bleiben Heißrisse mitunter unentdeckt, wenn nur eine Sichtprüfung durchgeführt wird oder ein anderes zerstörungsfreies Prüfverfahren Anwendung findet.

Aufschluss über die Rissursache kann ein metallographischer Schliff geben. Im Schliffbild wird meist sichtbar, in welcher Richtung die Bruchfläche erstarrt ist. Dadurch lässt sich dann auch feststellen, ob ein Heiß- oder ein Kaltriss vorliegt.

Noch mehr Sicherheit bietet das Rasterelektronenmikroskop. Liegt ein Heißriss vor, wird unter dem Rasterelektronenmikroskop sichtbar, dass die Bruchfläche des Risses an den Dendritengruppen entlang verläuft. Die Spitzen der Dendriten, die abgerundet sind und in verschiedene Richtungen weisen, belegen, dass die Schmelze auf den Oberflächen der Dendriten frei erstarrte, nachdem sie aufgerissen war.

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