Heißrisse und Kaltrisse in der Schweißnaht: Ursachen und Vermeidung

Risse sind die schwerwiegendste Unregelmäßigkeit an geschweißten Verbindungen: Sie sind nach DIN EN ISO 5817 in keiner Bewertungsgruppe zulässig und können unter Betriebslast wachsen, bis das Bauteil versagt. Ein Heißriss in der Schweißnaht entsteht dabei nach völlig anderen Mechanismen als ein Kaltriss, und genau deshalb helfen gegen beide Rissarten unterschiedliche Maßnahmen. Dieser Beitrag erklärt die metallurgischen Ursachen, die wichtigsten Stellhebel in Konstruktion und Fertigung sowie die Prüfverfahren, mit denen sich Risse zuverlässig finden lassen.

Heißrisse: Wenn die Naht schon beim Erstarren aufreißt

Heißrisse entstehen bei hohen Temperaturen, während das Schweißgut zwischen Liquidus- und Solidustemperatur erstarrt oder unmittelbar danach. Der wichtigste Vertreter ist der Erstarrungsriss: Beim Abkühlen wachsen Dendriten von den Schmelzbadrändern zur Nahtmitte. Verunreinigungen wie Schwefel und Phosphor reichern sich in der Restschmelze an und bilden niedrigschmelzende Phasen, die als dünne Filme zwischen den erstarrenden Kristallen liegen. Zieht die Schrumpfung der Naht an diesen noch flüssigen Filmen, reißt das Gefüge entlang der Korngrenzen auf, typischerweise als Längsriss in der Nahtmitte oder als Kraterriss am Nahtende.

Daneben kennt die Praxis Wiederaufschmelzrisse in der Wärmeeinflusszone mehrlagiger Nähte, der Mechanismus ist verwandt: Örtlich aufgeschmolzene Korngrenzenphasen halten den Schrumpfspannungen nicht stand. Heißrisse können sehr fein sein und als sogenannte Mikrorisse zunächst unter der Nachweisgrenze der Sichtprüfung liegen, was ihre Detektion erschwert.

Ein Sonderfall ist der Lamellenriss in dickwandigen gewalzten Blechen, der zwar kein klassischer Heißriss im Schweißgut ist, aber ebenfalls schrumpfungsbedingt entsteht: Nichtmetallische Einschlüsse im Walzgefüge öffnen sich stufenförmig unterhalb der Wärmeeinflusszone, wenn die Schweißkonstruktion Zugspannungen quer zur Blechdicke erzeugt. Betroffen sind vor allem T- und Kreuzstöße mit dicken, gering verformten Blechen, das Risiko lässt sich durch die Wahl bruchunempfindlicher Stahlqualitäten und eine schrumpfarme Nahtfolge deutlich senken.

Begünstigend wirken alle Faktoren, die die Anreicherung der Restschmelze in der Nahtmitte verstärken oder die Schrumpfbeanspruchung erhöhen:

Hoher Gehalt an Schwefel, Phosphor oder anderen Spurenelementen in Grund- und Zusatzwerkstoff
Tiefe, schmale Nahtquerschnitte, bei denen die Erstarrungsfronten frontal in der Mitte aufeinandertreffen
Zu hohe Schweißgeschwindigkeit und zu hohe Streckenenergie mit langgestrecktem Schmelzbad
Hohe Schrumpfbehinderung durch steife, stark eingespannte Konstruktionen
Abrupt abgesetzte Nahtenden ohne Kraterfüllprogramm

Kaltrisse: Wasserstoff, Härte und Eigenspannungen

Kaltrisse entstehen erst bei niedrigen Temperaturen, in der Regel unter etwa 200 °C, oft sogar Stunden bis Tage nach dem Schweißen. Der wichtigste Typ ist der wasserstoffinduzierte Kaltriss. Er braucht drei Zutaten gleichzeitig: diffusiblen Wasserstoff im Schweißgut, ein aufgehärtetes, sprödes Gefüge (vor allem Martensit in der Wärmeeinflusszone) und Zugspannungen aus Schrumpfung oder äußerer Einspannung. Der Wasserstoff stammt aus Feuchtigkeit, etwa aus nicht rückgetrockneten Elektroden, feuchtem Pulver, Rost, Beschichtungen oder Kondenswasser auf der Fuge. Er diffundiert zu Stellen hoher Spannungskonzentration und versprödet dort das Gitter, bis der Riss unter der wirkenden Spannung startet.

Gefährdet sind vor allem un- und niedriglegierte Baustähle höherer Festigkeit sowie dickwandige Bauteile, die schnell abkühlen. Weil die Rissbildung verzögert ablaufen kann, schreiben Regelwerke wie EN 1090-2 für höherfeste Stähle Wartezeiten vor der zerstörungsfreien Prüfung vor, üblich sind bis zu 48 Stunden. Austenitische Stähle sind gegen wasserstoffinduzierte Kaltrisse weitgehend unempfindlich, dafür beim Heißriss die kritischere Werkstoffgruppe: Genau umgekehrt verhält es sich beim ferritischen Baustahl. Diese Gegenläufigkeit ist der Kern jeder Rissvermeidungsstrategie, auch bei Mischverbindungen, wie sie beim Schweißen von Edelstahl an Schwarzstahl auftreten.

Nahtform, Einspanngrad und Vorwärmen als Stellhebel

Viele Risse werden nicht am Schweißplatz verursacht, sondern am Konstruktionstisch. Drei Stellgrößen haben den größten Einfluss:

Nahtgeometrie: Ein günstiges Verhältnis von Nahttiefe zu Nahtbreite (als Richtwert etwa 1 zu 1 bis 1 zu 1,5) lässt die Erstarrungsfronten so zusammenwachsen, dass die Restschmelze nicht in der Mitte eingeschlossen wird. Tiefe, schmale Einbrände, wie sie bei zu hoher Leistung oder engen Fugen entstehen, sind heißrissanfällig.
Einspanngrad: Je steifer die Konstruktion und je dicker die Wand, desto höher die Reaktionsspannungen beim Schrumpfen. Eine schweißgerechte Folge der Nähte, ausreichende Bewegungsmöglichkeit der Bauteile während des Schweißens und das Vermeiden von Nahtanhäufungen senken die Beanspruchung für beide Rissarten.
Temperaturführung: Vorwärmen nach DIN EN 1011-2 verlangsamt die Abkühlung, reduziert die Aufhärtung in der Wärmeeinflusszone und gibt Wasserstoff Zeit zum Ausdiffundieren. Die nötige Vorwärmtemperatur hängt vom Kohlenstoffäquivalent, der Wanddicke, dem Wasserstoffgehalt des Zusatzes und der Streckenenergie ab und wird im Einzelfall bestimmt. Ebenso wichtig sind das Einhalten der Zwischenlagentemperatur und bei kritischen Stählen ein Wasserstoffarmglühen direkt aus der Schweißwärme.

Beim Wasserstoff selbst gilt: wasserstoffkontrollierte Zusatzwerkstoffe verwenden, Stabelektroden und Pulver nach Herstellerangabe rücktrocknen, Fugen trocken, rost- und fettfrei halten. Beim Heißriss wirkt zusätzlich eine begrenzte Streckenenergie mit kürzerem Schmelzbad sowie sauberes Kraterfüllen am Nahtende.

Delta-Ferrit: Der Schlüssel beim austenitischen Schweißgut

Austenitische CrNi-Stähle erstarren je nach Legierungslage unterschiedlich, und genau davon hängt ihre Heißrissneigung ab. Vollaustenitisch erstarrendes Schweißgut ist empfindlich, weil Schwefel und Phosphor im Austenit kaum löslich sind und sich als niedrigschmelzende Filme an den Korngrenzen sammeln. Ein kleiner Anteil Delta-Ferrit im Schweißgut entschärft das: Ferrit löst die kritischen Elemente deutlich besser, unterbricht die durchgehenden Korngrenzenfilme und macht das Gefüge heißrissbeständiger.

Übliche Zusatzwerkstoffe für Standardausteniten sind deshalb so legiert, dass das Schweißgut wenige Prozent Delta-Ferrit enthält, in der Praxis wird der Gehalt als Ferrit-Nummer (FN) nach DIN EN ISO 8249 gemessen und liegt häufig im Bereich von etwa 3 bis 10 FN. Abgeschätzt wird die Erstarrung vorab über Schaeffler- oder WRC-Diagramm aus den Analysen von Grund- und Zusatzwerkstoff. Zwei Grenzen sind zu beachten: Zu viel Ferrit verschlechtert Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit, und in Anwendungen mit engen Vorgaben (etwa Pharmaanlagen oder tiefkalte Medien) kann der zulässige Ferritgehalt nach oben begrenzt sein. Bei vollaustenitischen Sonderwerkstoffen, die keinen Ferrit bilden dürfen, bleiben nur besonders reine Zusätze, niedrige Streckenenergie und strenge Badkontrolle. Solche Fälle gehören zu den anspruchsvollsten Aufgaben im austenitischen Rohrleitungsbau und verlangen eine besonders sorgfältige Verfahrensabstimmung.

Risse finden: Prüfverfahren und richtige Prüfzeitpunkte

Kein Vermeidungskonzept ersetzt die Prüfung. Ausgangspunkt ist immer die Sichtprüfung (VT), sie erkennt aber nur Risse, die an der Oberfläche liegen und ausreichend geöffnet sind. Für feine Oberflächenrisse sind die Eindringprüfung (PT) an austenitischen Werkstoffen und die Magnetpulverprüfung (MT) an ferromagnetischen Stählen die Standardverfahren. Innenliegende Risse, etwa Erstarrungsrisse in der Nahtmitte oder Kaltrisse unter der Naht, erfordern volumetrische Verfahren: Ultraschallprüfung (UT), die auf ebene Reflektoren wie Risse besonders empfindlich reagiert, oder Durchstrahlungsprüfung (RT), bei der die Erkennbarkeit von der Rissorientierung abhängt.

Entscheidend ist neben dem Verfahren der Zeitpunkt: Wegen der verzögerten Kaltrissbildung darf bei gefährdeten Stählen erst nach der vorgeschriebenen Wartezeit abschließend geprüft werden. Umfang, Verfahren und Bewertungsmaßstab legt der Prüfplan fest, eine Übersicht über Auswahl und Aussagekraft der Verfahren gibt der Beitrag zur zerstörungsfreien Schweißnahtprüfung. Wird ein Riss gefunden, ist er vollständig auszuarbeiten, die Ursache zu klären und erst dann neu zu schweißen: Ein nur übergeschweißter Riss kommt fast immer wieder.

Für die Bewertung eines gefundenen Risses gilt grundsätzlich die strengste Einstufung: DIN EN ISO 5817 ordnet jede Rissart, unabhängig von Länge und Lage, der Bewertungsgruppe D zu und damit als nicht zulässig ein. Anders als bei Poren oder Einschlüssen gibt es keine Grenzwerte, ab denen ein Riss noch als hinnehmbar gilt. Diese Nulltoleranz erklärt, warum die Rissvermeidung in Konstruktion und Fertigung so viel Gewicht bekommt: Ein einmal entstandener Riss verursacht in jedem Fall Nacharbeit, während vorbeugende Maßnahmen wie Nahtform, Vorwärmen und trockene Zusatzwerkstoffe vergleichsweise geringen Aufwand bedeuten.

Häufige Fragen

Woran erkenne ich, ob ein Riss ein Heißriss oder ein Kaltriss ist?

Erste Hinweise liefern Lage und Zeitpunkt: Heißrisse liegen meist längs in der Nahtmitte oder im Endkrater und sind unmittelbar nach dem Schweißen vorhanden, ihre Bruchflächen zeigen oft Anlauffarben. Kaltrisse treten häufig in der Wärmeeinflusszone oder quer zur Naht auf und können erst Stunden bis Tage später entstehen. Eine sichere Zuordnung liefert die metallografische Untersuchung.

Muss beim Schweißen von Edelstahl vorgewärmt werden?

Austenitische CrNi-Stähle werden in der Regel nicht vorgewärmt, weil sie nicht aufhärten und Vorwärmen ihre Heißrissneigung sogar erhöhen kann. Vorwärmen ist eine Maßnahme gegen Kaltrisse bei un- und niedriglegierten sowie hochfesten Stählen. Bei Mischverbindungen richtet sich die Temperaturführung nach der kaltrissgefährdeten Seite und wird im Einzelfall festgelegt.

Warum wird bei manchen Bauteilen erst nach 48 Stunden geprüft?

Wasserstoffinduzierte Kaltrisse können verzögert entstehen, nachdem die Naht längst erkaltet ist. Eine zu frühe Prüfung würde solche Risse übersehen und dem Bauteil fälschlich Fehlerfreiheit bescheinigen. Regelwerke wie EN 1090-2 sehen deshalb je nach Stahlsorte und Festigkeit Wartezeiten bis zu 48 Stunden vor der abschließenden zerstörungsfreien Prüfung vor.

Welche Rolle spielt der Zusatzwerkstoff bei der Rissvermeidung?

Eine zentrale: Beim Austenit stellt der richtig gewählte Zusatz den heißrisshemmenden Delta-Ferritgehalt ein, beim Baustahl senken wasserstoffkontrollierte, trocken gelagerte Zusätze das Kaltrissrisiko. Zusätzlich gleichen überlegierte Zusätze bei Mischverbindungen die Aufmischung aus. Die Auswahl gehört in die Schweißanweisung und sollte nicht auf der Baustelle improvisiert werden.