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Gefahrenquelle „Wasserstoff“

Schon sehr früh wurde erkannt, dass bei der Schweißung von unlegierten Stählen. Grundsätzlich lässt sich der Schweißprozess in die Teilsysteme Grundmaterial, Elektrode und Umgebungsluft aufteilen, wobei jedes Teilsystem als Wasserstoffquelle dienen kann. Feuchtigkeitsquellen: Werkstück, Umgebungsluft, Elektrode Feuchtigkeitsquellen beim Werkstück sind vor allem Oberflächenschichten, wie z.B.

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BÖHLER WELDING war einer der ersten Hersteller, der begann Stabelektroden in hermetisch verschlossenen Blechdosen zu liefern.

BÖHLER WELDING war einer der ersten Hersteller, der begann Stabelektroden in...

die Grundierung, die vor der Schweißung keiner Wärmebehandlung zur Entfeuchtung der Nahtkanten unterzogen wurden. Ein nicht zu unterschätzender Faktor des Wasserstoffeintrages ins Schweißgut wird durch die Umgebungsluft bei der Lichtbogenschweißung hervorgerufen. Durch die hohe Energie des Lichtbogens kann Feuchtigkeit von der Umgebungsluft, die im Lichtbogen zu einem gewissen Teil zu atomaren Wasserstoff ionisiert wird, ins Schweißgut aufgenommen werden und in weiterer Folge zu Schäden wie zum Beispiel Rissen führen. Untersuchungen haben ergeben, dass beim Auftreten hoher Temperaturen in Kombination mit hohen relativen Luftfeuchtigkeiten ein hoher Wasserdampfpartialdruck gebildet wird, der auf die Schweißung einwirkt. Der Widerstand gegen den hohen Wasserdampfdruck kann nur durch geeignete Schweißprozeduren und durch die Elektrode selbst aufrechterhalten werden. Vor allem ist bei der Schweißung an feuchter Umgebungsluft ein möglichst kurzer Lichtbogen einzuhalten.

Für die Schweißung von unlegierten Stählen kann eine Vielzahl von Elektroden eingesetzt werden. Eines der Hauptziele bei basischen Elektroden ist jedoch die Erreichung möglichst geringer Wasserstoffgehalte im Schweißgut, um auch bei der Verschweißung hoch und höchstfester Stähle rissfreie Schweißnähte zu gewährleisten. Bei der Entwicklung von Stabelektroden legen die Ingenieure von BÖHLER Schweißtechnik daher ein besonderes Augenmerk auf die Anfälligkeit für Feuchtigkeitsaufnahme und den Zusammenhang von Hüllenfeuchtigkeit und diffusiblen Wasserstoffgehalt im Schweißgut. BÖHLER WELDING war einer der ersten Hersteller, der begann Stabelektroden in hermetisch verschlossenen Blechdosen zu liefern. Damit kann das Risiko der Feuchtigkeitsaufnahme während des Transports und der Lagerung vor Ort bis zum Verschweißen ausgeschlossen werden. Die absolut wasser- und dampfdichte
Dose garantiert gebrauchsfertige Elektroden, die ohne Rücktrocknung sicher verschweißt werden können. Durch eine innovative Elektrodenhüllenkonzeption von BÖHLER Schweißtechnik konnte die Feuchtigkeitsaufnahme, der Grundwasserstoffgehalt und auch der diffusible Wasserstoffgehalt nach Auslagerung wesentlich abgesenkt werden. Vor allem wurde die Anfälligkeit bei kurzer Auslagerung (Verschweißung der Elektroden innerhalb einer Arbeitsschicht) wesentlich verbessert.


Einflüsse auf den Wasserstoffeintrag ermitteln

Wichtig für die Betrachtung des Gefahrenpotentials von Wasserstoff ist unter anderem die Effusion (von lat. Effusio, Ausgießung) bei verschiedenen Bedingungen einzuschätzen, um Gegenmaßnahmen bei Auftreten von Wasserstoffrissen einleiten zu können. Die Durchführung praxisnaher Untersuchungen mit unterschiedlichen Schweißzusatzwerkstoffen ermöglicht die genaue Beschreibung all dieser Effekte. Bei praktischen Schweißanwendungen kommt es in den allermeisten Fällen zu einer langsamen Abkühlung des Werkstückes. Auch ist speziell bei hochfesten Schweißverbindungen eine bestimmte Vorwärm- und Zwischenlagentemperatur einzuhalten. Um diese unterschiedlichen Bedingungen zu evaluieren und eine Einschätzung des Diffusionsverhaltens bei praktischen Schweißungen zu erlangen, wurden von den BÖHLER-Entwicklungsingenieuren Schweißversuche mit unterschiedlichen Vorwärmtemperaturen durchgeführt und nach verschiedenen Abkühlzeiten der verbleibende diffusible Wasserstoffgehalt in den Proben gemessen.

Diese Untersuchung ergab, dass eine höhere Vorwärm- bzw. Zwischenlagentemperatur nur bedingt geeignet zur Erreichung niedrigerer Wasserstoffgehalte in Schweißverbindungen erscheint, da dieser wesentlich
vom eingebrachten Wasserstoffgehalt abhängig ist. Dennoch werden im Allgemeinen wasserstoffrissbeeinflussende Faktoren, wie Eigenspannungsniveau, Gefügeausbildung und Festigkeit durch höhere Vorwärm- und Zwischenlagentemperatur positiv
– zur Vermeidung von Rissen – beeinflusst.

Einfluss von Mehrlagen-Schweißungen

In realen Schweißungen, speziell dickwandigen Verbindungen, die einem hohen Risikopotential gegenüber Wasserstoffrissen ausgesetzt sind, ist nach wie vor die Mehrlagenschweißung vorherrschend. Nicht nur durch die thermisch aktivierte erhöhte
Wasserstoffeffusion, sondern auch durch die Umkörnung des Gefüges der überschweißten Lagen (Raupen) können positive Effekte zur Vermeidung von Rissen erzielt werden.

Vielfach werden Mehrlagenschweißungen speziell im Pipelinebau aus wirtschaftlichen Gründen mit Zellulose-Stabelektroden verrichtet. Der hohe Wasserstoffeintrag durch die Verwendung dieses Elektrodentyps und das Vorhandensein von meist dickwandigen Verbindungen erfordert spezielle Maßnahmen, wie z.B. die korrekte Einhaltung der Zwischenlagentemperatur, um rissfreie Nähte herzustellen. Bei praktischen Analysen wurde demnach festgestellt, dass bei der Einbringung der 2. oder 3. Raupe relativ niedrigere diffusible Wasserstoffwerte durch die Abkühlung der 1. bzw. 2. Schweißraupe und zusätzliche Temperaturbehandlung beim Überschweißen festzustellen sind. Natürlich können hohe Wasserstoffeinträge durch eine geänderte Wahl des Schweißzusatzwerkstoffes unter Umständen verringert werden. So kommt es bei Verwendung von basischen Fallnaht-Elektroden im Gegensatz zu Zellulose-Stabelektroden zu wesentlich geringeren Wasserstoffgehalten, sowohl bei Schweißung einer Lage, als auch für Mehrlagen-Schweißungen.

Risikominimierung von Rissbildung

Wasserstoffbedingte Risse treten in der Wärme-Einfluss-Zone (WEZ) primär als Längsrisse auf und sind als Unternahtrisse bekannt. Speziell bei hochfesten Verbindungen können aber auch in Schweißgütern Wasserstoffrisse in Form von Sprödbruchflecken festgestellt werden. Diese Schädigungen treten bevorzugt im oberen Drittel von V-Naht-Verbindungen auf, das durch den örtlich erhöhten Zugspannungszustand und den dadurch hohen eingelagerten Wasserstoffanteil begründet ist. Für möglichst genaue Prognosen über die Wasserstoffrissanfälligkeit von Schweißverbindungen sind Testverfahren nötig, die möglichst für praxisnahe Bedingungen umlegbare Ergebnisse liefern.

Mit dem Bead bend Test konnte Böhler Schweißtechnik Austria eine Untersuchungsmethode entwickeln, die diese Kriterien für die Prüfung von Schweißgütern erfüllt. Für die Prüfung werden Bleche des Grundmaterials auf einer steifen Unterlagsplatte, die ca. die 4-fache Dicke der Bleche aufweisen soll, befestigt. Beim Bead bend Test kann die Belastung der Schweißnaht durch die Verspannungslänge gesteuert werden, die durch den Abstand der Schweißnaht bis zur Einspannung des Grundmaterials definiert wird. Nach der Einspannung der Bleche kann die Schweißung mit praxisnahen Parametern durchgeführt werden. Um auch den Effekt der verzögerten Rissbildung Rechnung zu tragen, erfolgt die Extraktion des Prüfstückes von der Grundplatte erst ca. 24 Stunden nach dem Schweißende. Die in der Schweißnaht entstandenen wasserstoffinduzierten Risse werden sichtbar, in dem das Prüfstück durch Biegung verformt wird. Dabei werden die Mikrorisse aufgeweitet und erreichen eine für den Betrachter sichtbare Größe für die nachfolgende Beurteilung der Proben.

Durch die einfache Anwendung dieses
Tests eignet er sich besonders gut für die Forschung und Entwicklung von hochfesten und wasserstoffbeladenen Schweißgütern. Die praxisnahe Anwendung macht diesen Test überdies für Vergleichsuntersuchungen
interessant, da auch Kombinationsschweißungen mit unterschiedlichen Elektrodentypen, wie z. B. Verbindungsschweißungen mit Zellulose- und basischen Fallnaht-Elektroden, getestet werden können.

Beispiel Pipelineschweißung

Für die Pipelineschweißung mit Zellulose-Elektroden wurde mit Hilfe des Bead bend Tests die Wasserstoffriss-Anfälligkeit in Abhängigkeit der Schweißgutfestigkeit und der Verbindungsdicke (Rohrwanddicke) ermittelt. Dadurch war es möglich, Empfehlungen für die anzuwendende Zwischenlagentemperatur zu geben. Vielfach wird im modernen Pipelinebau die Kombinationsmethode mit Zellulose-Elektroden für die Wurzel- und Hotpasslage, sowie basischen Elektroden für die Füll- und Decklagen angewendet. Mit dem Bead bend Test ist es möglich, diese Verbindungsart auf Wasserstoffrissempfindlichkeit zu testen. Durch Änderung verschiedener Parameter in der
Herstellung dieser Verbindungen, wie z. B. der Feuchtigkeitsgehalt der Elektrodenumhüllungen ändert sich die Rissanfälligkeit des Schweißguts.

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