Stellen Sie sich vor, Sie bauen eine Brücke oder einen Wolkenkratzer und müssen dann feststellen, dass die Konstruktion aufgrund von unbemerkten Schweißfehlern versagt. Die Ermüdungsfestigkeit von Schweißkonstruktionen ist ein entscheidender Faktor für die Haltbarkeit und Sicherheit solcher Konstruktionen. Dieser Artikel befasst sich mit den Ursachen für Ermüdungsversagen, einschließlich der Auswirkungen der statischen Belastbarkeit, der Spannungskonzentration und der Schweißfehler. Wenn Ingenieure diese Faktoren verstehen, können sie zuverlässigere Schweißkonstruktionen entwerfen und herstellen, um katastrophale Ausfälle zu verhindern und die Lebensdauer wichtiger Infrastrukturen zu verlängern.
Die Ursachen für Ermüdungsversagen in geschweißten Strukturen umfassen mehrere kritische Faktoren:
① Während Schweißverbindungen in der Regel eine vergleichbare statische Tragfähigkeit wie der Grundwerkstoff aufweisen, ist ihre Leistung bei zyklischer Belastung erheblich beeinträchtigt. Diese Ermüdungsfestigkeit wird stark von der Verbindungskonfiguration und der Gesamtkonstruktion beeinflusst. Infolgedessen kommt es an Schweißverbindungen häufig zu einem vorzeitigen Versagen, wodurch die Integrität der gesamten Struktur beeinträchtigt wird.
In der Vergangenheit wurde bei der Konstruktion von Schweißkonstruktionen die statische Belastbarkeit in den Vordergrund gestellt, während wichtige Ermüdungsaspekte vernachlässigt wurden. Dieses Versäumnis, verbunden mit dem Fehlen umfassender Normen für die Ermüdungsfestigkeit, hat zu suboptimalen Verbindungskonstruktionen geführt, die heute als unzureichend für zyklische Langzeitbelastungen anerkannt sind.
Bei Konstrukteuren und Technikern klafft eine Wissenslücke in Bezug auf die besonderen Ermüdungseigenschaften von geschweißten Strukturen. Dieser Mangel führt häufig zur unangemessenen Anwendung von Ermüdungsauslegungskriterien und Konstruktionsformen aus nicht geschweißten Metallkonstruktionen, die den besonderen Herausforderungen von Schweißverbindungen nicht gerecht werden.
④ Die zunehmende Verbreitung geschweißter Strukturen in Verbindung mit den Trends in der Industrie, die auf Kosteneffizienz und Gewichtsreduzierung abzielen, hat zu erhöhten Konstruktionslasten geführt. Dieser Optimierungsschub ist zwar für statische Szenarien von Vorteil, verschlimmert aber oft ermüdungsbedingte Probleme, indem er die Materialien näher an ihre Belastungsgrenzen bringt.
⑤ Da geschweißte Strukturen zunehmend in Hochgeschwindigkeits- und Schwerlastanwendungen eingesetzt werden, sind die Anforderungen an ihre dynamische Tragfähigkeit gestiegen. Die Erforschung der Ermüdungsfestigkeit von geschweißten Strukturen hat jedoch nicht mit diesen sich entwickelnden Anforderungen Schritt gehalten, was zu einer kritischen Wissenslücke bei der Auslegung und Leistungsvorhersage geführt hat.
Die inhärenten Spannungskonzentrationen an Schweißnähten und -wurzeln sowie potenzielle Schweißfehler wie fehlende Verschmelzung oder Porosität dienen als Initiationsstellen für Ermüdungsrisse. Diese mikrostrukturellen und geometrischen Diskontinuitäten verringern die Ermüdungslebensdauer von geschweißten Bauteilen im Vergleich zu ihren ungeschweißten Pendants erheblich.
Während des Schweißprozesses eingebrachte Eigenspannungen, insbesondere Zugeigenspannungen in der Nähe der Schweißzone, können die effektive Ermüdungsfestigkeit der Struktur erheblich verringern, indem sie die Rissentstehung und -ausbreitung unter zyklischer Belastung erleichtern.
Bei der Untersuchung von Eisen- und Stahlwerkstoffen streben die Forscher eine hohe spezifische Festigkeit an, d. h. die Fähigkeit, schwere Lasten zu tragen und gleichzeitig leicht zu sein. Auf diese Weise können Strukturen bei gleichem Gewicht eine höhere Tragfähigkeit aufweisen oder die gleiche Tragfähigkeit bei geringerem Gewicht. Infolgedessen wurde hochfester Stahl entwickelt, der sich durch eine hohe Ermüdungsfestigkeit auszeichnet.
Die Ermüdungsfestigkeit von unedlen Metallen steigt mit zunehmender statischer Belastung. Dies gilt jedoch nicht für geschweißte Strukturen. Die Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen korreliert nur begrenzt mit der statischen Festigkeit des Grundmetalls, des Schweißguts, der Mikrostruktur und den Eigenschaften der Wärmeeinflusszone sowie der Festigkeitsanpassung des Schweißguts.
Mit anderen Worten: Bei gleichen Schweißnahtdetails ist die Ermüdungsfestigkeit von hochfestem Stahl und Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt gleich, und sie weisen die gleiche S-N-Kurve auf. Dies gilt für verschiedene Verbindungsarten wie Stoßverbindungen, Eckverbindungen und geschweißte Balken.
Maddox führte eine Studie über das Ermüdungsrisswachstum von Kohlenstoff-Mangan-Stahl mit einer Streckgrenze von 386 bis 636 MPa und Schweißgut und Wärmeeinflusszonen durch, die mit sechs verschiedenen Elektroden geschweißt wurden.
Die Ergebnisse zeigen, dass die mechanischen Eigenschaften des Materials einen gewissen Einfluss auf die Risswachstumsrate haben, dieser Effekt ist jedoch nicht signifikant.
Bei der Bemessung von geschweißten Strukturen, die wechselnden Belastungen ausgesetzt sind, ist die Wahl von hochfestem Stahl nicht sinnvoll, um die technischen Anforderungen zu erfüllen. Hochfester Stahl ist nur dann für den Grundwerkstoff der Schweißverbindung erforderlich, wenn das Spannungsverhältnis größer als +0,5 ist und der statische Festigkeitszustand eine dominierende Rolle spielt.
Der Grund für diese Ergebnisse ist das Vorhandensein von Schlackenkeildefekten, die Hinterschneidungen entlang der Schmelzlinie am Schweißnahtanfang der Verbindung ähneln, mit einer Dicke von 0,075 mm bis 0,5 mm und einem Spitzenradius von weniger als 0,015 mm. Die scharfen Defekte sind der Ursprung von Ermüdungsrissen, die dem Stadium der Ermüdungsrissbildung entsprechen.
Daher wird die Ermüdungslebensdauer der Verbindung bei einer bestimmten Spannungsamplitude hauptsächlich durch das Stadium der Ermüdungsrissausbreitung bestimmt. Diese Defekte führen dazu, dass die Schweißverbindungen für alle Stähle mit der gleichen Dauerfestigkeit gleich sind, unabhängig von der statischen Festigkeit des Grundwerkstoffs und der Schweißmaterialien.
2.2.1 Einfluss des Fugentyps
Zu den Schweißverbindungen gehören Stumpf-, Kreuz-, T- und Überlappverbindungen. Diese Verbindungen sind anfällig für Spannungskonzentrationen aufgrund der Beeinträchtigung durch die Kraftübertragungsleitung.
Die Überlagerung von Spannungslinien ist bei Stumpfnähten minimal, was zu einer geringen Spannungskonzentration und einer höheren Ermüdungsfestigkeit im Vergleich zu anderen Verbindungen führt. Versuche haben jedoch gezeigt, dass die Ermüdungsfestigkeit von Stumpfnähten aufgrund verschiedener Faktoren wie Probengröße, Nutform, Schweißverfahren, Elektrodentyp, Schweißposition, Schweißnahtform, Schweißnahtnachbearbeitung und Wärmebehandlung nach dem Schweißen stark variieren kann.
Die Verwendung einer permanenten Stützplatte in einer Stumpfstoßverbindung kann zu einer erheblichen Spannungskonzentration an der Stützplatte führen und die Ermüdungsfestigkeit der Verbindung verringern. Ermüdungsrisse treten bei dieser Art von Verbindung an der Nahtstelle zwischen der Schweißnaht und der Stützplatte auf und nicht an der Schweißnahtspitze, und die Ermüdungsfestigkeit entspricht im Allgemeinen der einer Stumpfverbindung mit der schlechtesten Form ohne Stützplatte.
Kreuz- und T-Verbindungen sind bei geschweißten Konstruktionen weit verbreitet.
Bei diesen tragenden Verbindungen führt die offensichtliche Querschnittsänderung am Übergang von der Schweißnaht zum Grundwerkstoff zu einem höheren Spannungskonzentrationsfaktor als bei der Stumpfnaht, was zu einer geringeren Dauerfestigkeit von Kreuz- und T-Verbindungen im Vergleich zu Stumpfverbindungen führt.
Für nicht abgeschrägte Verbindungen, die durch Kehlnähte und Rillenverbindungen mit lokalen Durchschweißungen können Ermüdungsbrüche an zwei schwachen Gliedern auftreten, d. h. an der Verbindung zwischen Grundwerkstoff und Schweißnahtfuß oder Schweißnaht, wenn die Schweißnaht eine Arbeitsspannung überträgt. Bei Kreuzverbindungen mit Rilleneinbrüchen treten die Brüche im Allgemeinen nur an der Schweißnahtspitze auf, nicht an der Schweißnaht.
Die Ermüdungsfestigkeit von T-förmigen und Kreuzverbindungen, bei denen die Schweißnaht keine Arbeitsspannung aufnimmt, hängt hauptsächlich von der Spannungskonzentration an der Verbindungsstelle zwischen der Schweißnaht und dem Hauptbelastungsblech ab. T-Verbindungen haben eine höhere Ermüdungsfestigkeit, während Kreuzverbindungen eine geringere Ermüdungsfestigkeit aufweisen.
Die Ermüdungsfestigkeit von T-förmigen oder Kreuzverbindungen lässt sich durch Rillenschweißen und die Bearbeitung des Schweißnahtübergangs verbessern, um einen glatten Übergang zu schaffen. Diese Maßnahme kann die Ermüdungsfestigkeit erheblich verbessern.
Die Ermüdungsfestigkeit von Überlappungsverbindungen ist aufgrund der starken Verformung der Kraftlinie sehr gering. Die Verwendung einer sogenannten "verstärkten" Deckplattenstoßverbindung ist äußerst unvernünftig.
Die Verwendung einer Deckplatte in einer Stumpfstoßverbindung schwächt deren hohe Dauerfestigkeit aufgrund der erhöhten Spannungskonzentration erheblich.
Bei tragenden Deckplattenverbindungen können Ermüdungsrisse im Grundwerkstoff oder in der Schweißnaht auftreten. Darüber hinaus verändert eine Änderung der Breite des Deckblechs oder der Länge der Schweißnaht die Spannungsverteilung im Grundwerkstoff, was sich auf die Ermüdungsfestigkeit der Verbindung auswirkt. Die Ermüdungsfestigkeit der Verbindung steigt mit dem Verhältnis der Schweißnahtlänge zur Breite der Deckplatte, da dies tendenziell zu einer gleichmäßigeren Spannungsverteilung im Grundwerkstoff führt.
2.2.2 Einfluss der Schweißnahtform
Unabhängig von der Form der Verbindung werden sie durch zwei Arten von Schweißnähten verbunden: Stumpfnähte und Kehlnähte.
Die Form der Schweißnähte wirkt sich auf den Spannungskonzentrationsfaktor aus, was zu erheblichen Schwankungen der Dauerfestigkeit führt.
Die Form der Stumpfnaht hat den größten Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit der Verbindung.
(1) Einfluss des Übergangswinkels
Yamaguchi et al. ermittelten den Zusammenhang zwischen der Dauerfestigkeit und dem Übergangswinkel (äußerer stumpfer Winkel) zwischen Grundwerkstoff und Schweißgut.
Bei den Tests änderten sich die Schweißnahtbreite (W) und -höhe (H), aber das H/W-Verhältnis blieb konstant, d. h. der eingeschlossene Winkel blieb unverändert. Die Ergebnisse zeigten, dass auch die Ermüdungsfestigkeit unverändert blieb.
Bei konstanter Schweißnahtbreite und veränderter Höhe wurde jedoch festgestellt, dass eine Vergrößerung der Höhe zu einer Verringerung der Ermüdungsfestigkeit der Verbindung führte. Dies ist eindeutig auf eine Verringerung des äußeren Einschlusswinkels zurückzuführen.
(2) Einfluss des Nahtübergangsradius
Die Forschungsergebnisse von Sander et al. deuten darauf hin, dass der Übergangsradius der Schweißnaht ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit der Verbindung hat. Mit zunehmendem Übergangsradius (bei gleichbleibendem Übergangswinkel) nimmt die Dauerfestigkeit zu.
Auch die Form der Kehlnaht hat einen erheblichen Einfluss auf die Dauerfestigkeit der Verbindung. Wenn das Verhältnis zwischen der berechneten Dicke (a) einer einzelnen Schweißnaht und der Blechdicke (b) weniger als 0,6 bis 0,7 beträgt, bricht sie im Allgemeinen in der Schweißnaht. Wenn a/b > 0,7 ist, bricht sie im Allgemeinen aus dem Grundwerkstoff.
Eine Vergrößerung der Schweißnaht kann die Festigkeit eines anderen schwachen Abschnitts, d. h. des Grundwerkstoffs am Ende der Schweißnaht, nicht verändern, so dass die Ermüdungsfestigkeit bestenfalls nicht überschritten werden kann.
Soete und Van Crombrugge führten Tests an 15 mm dicken Blechen durch, die mit verschiedenen Kehlnähten unter axialer Ermüdungsbelastung geschweißt wurden.
Die Ergebnisse zeigten, dass bei einem Schweißnahtschenkel von 13 mm Brüche im Grundwerkstoff oder an der Schweißnahtspitze auftraten. War der Schweißnahtschenkel kleiner als dieser Wert, traten Ermüdungsbrüche in der Schweißnaht auf. Bei einer Schenkelgröße von 18 mm traten Brüche im Grundwerkstoff auf.
Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse schlugen sie einen Grenzwert für die Größe des Schweißschenkels vor: S = 0,85B, wobei S für die Größe des Schweißschenkels und B für die Blechdicke steht.
Selbst wenn die Größe des Schweißschenkels die Blechdicke (15 mm) erreichte, traten immer noch Brüche in der Schweißnaht auf, was die theoretischen Ergebnisse bestätigt.
2.2.3 Einfluss von Schweißfehler
Es gibt zahlreiche verschiedene Arten von Mängeln an der Schweißnahtspitze, die zu einer frühzeitigen Bildung von Ermüdungsrissen und einer erheblichen Abnahme der Ermüdungsfestigkeit des Grundwerkstoffs führen (bis zu 80%).
Schweißfehler lassen sich im Allgemeinen in zwei Kategorien einteilen:
Flächige Defekte (wie Risse und fehlendes Schmelzen) und volumetrische Defekte (wie Poren und Schlackeneinschlüsse) sind unterschiedlich stark ausgeprägt.
Außerdem werden die Auswirkungen der Schweißfehler auf die Ermüdungsfestigkeit von Verbindungen ist abhängig von der Art, der Richtung und der Lage der Fehler.
1) Riss
Risse beim Schweißen(z. B. Kalt- und Heißrisse) sind neben einem spröden Gefüge bedeutende Quellen von Spannungskonzentrationen und können die Ermüdungsfestigkeit von Strukturen oder Verbindungen erheblich verringern.
Frühere Studien haben gezeigt, dass bei einer Stumpfnahtprobe aus kohlenstoffarmem Stahl mit einer Breite von 60 mm und einer Dicke von 12,7 mm bei Rissen mit einer Länge von 25 mm und einer Tiefe von 5,2 mm in der Schweißnaht (die etwa 10% der Querschnittsfläche der Probe einnehmen) die Ermüdungsfestigkeit unter Wechselbelastung nach 2 Millionen Zyklen um 55% bis 65% abnimmt.
2) Unvollständige Durchdringung
Es ist wichtig zu wissen, dass eine unvollständige Durchdringung nicht immer als Fehler angesehen wird, da sie für bestimmte Verbindungen, wie z. B. Druckbehälterstutzen, absichtlich vorgesehen sein kann.
Unvollständige Durchdringungsfehler können Oberflächenfehler (einseitige Schweißnaht) oder Innenfehler (beidseitige Schweißnaht) sein, und sie können lokal oder insgesamt auftreten. Sie schwächen in erster Linie die Querschnittsfläche und verursachen Spannungskonzentrationen.
Tests haben gezeigt, dass die Ermüdungsfestigkeit im Vergleich zu Ergebnissen ohne solche Defekte um 25% reduziert ist, was bedeutet, dass die Auswirkungen nicht so schwerwiegend sind wie die von Rissen.
3) Unvollständige Verschmelzung
Obwohl es sich hierbei um ein wichtiges Thema handelt, wurden aufgrund der Schwierigkeiten bei der Probenvorbereitung nur wenige Untersuchungen zu diesem Thema durchgeführt.
Es ist jedoch klar, dass die fehlende Verschmelzung eine Art flächiger Defekt ist und nicht ignoriert werden kann. Er wird häufig als eine Form der unvollständigen Penetration behandelt.
4) Unterschnitt
Die wichtigsten Parameter, die den Hinterschnitt beschreiben, sind die Hinterschnittlänge (L), die Hinterschnitttiefe (h) und die Hinterschnittbreite (W).
Derzeit ist der wichtigste Parameter, der die Dauerfestigkeit beeinflusst, die Hinterschnitttiefe (h), die entweder durch die Tiefe (h) oder das Verhältnis der Tiefe zur Blechdicke (h/B) bewertet werden kann.
5) Spaltöffnungen
Harrison analysierte und fasste die bisherigen Testergebnisse in Bezug auf volumetrische Fehler zusammen.
Die Abnahme der Ermüdungsfestigkeit ist in erster Linie auf die Verringerung der Querschnittsfläche durch Poren zurückzuführen. Zwischen ihnen besteht ein linearer Zusammenhang.
Einige Studien zeigen jedoch, dass die negativen Auswirkungen der Poren zunehmen, wenn die Oberfläche der Probe bearbeitet wird und sich die Poren dadurch auf oder knapp unter der Oberfläche befinden. Sie wirken als Quelle der Spannungskonzentration und werden zum Ausgangspunkt von Ermüdungsrissen.
Dies deutet darauf hin, dass die Lage der Poren einen größeren Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit der Verbindung hat als ihre Größe, und dass Poren, die sich auf oder unter der Oberfläche befinden, die größten negativen Auswirkungen haben.
6) Schlackeneinschluss
Die vom IIW durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass unter den volumetrischen Defekten der Schlackeneinschluss einen größeren Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit der Verbindungen hat als die Porosität.
Der Einfluss von Schweißfehlern auf die Ermüdungsfestigkeit von Verbindungen hängt nicht nur von der Größe des Fehlers ab, sondern wird auch von verschiedenen anderen Faktoren beeinflusst, wie z. B. dass Oberflächenfehler einen größeren Einfluss haben als Innenfehler und dass ebene Fehler senkrecht zur Kraftrichtung einen größeren Einfluss haben als in anderen Richtungen.
Der Einfluss von Fehlern in Bereichen mit Zugeigenspannungen ist größer als der von Fehlern in Bereichen mit Druckeigenspannungen, und Fehler in Bereichen mit Spannungskonzentration, wie z. B. Risse in der Schweißnaht, haben größere Auswirkungen als die gleichen Fehler in gleichmäßigen Spannungsfeldern.
Schweißen Eigenspannung ist ein Merkmal geschweißter Strukturen, das wegen seiner Auswirkungen auf die Ermüdungsfestigkeit dieser Strukturen eingehend untersucht wird. Zahlreiche experimentelle Studien wurden durchgeführt, um diese Frage zu untersuchen.
Die Ermüdungstests werden häufig durch den Vergleich von Proben mit Schweißeigenspannung zu denen, die zur Beseitigung der Eigenspannung einer Wärmebehandlung unterzogen wurden. Dies liegt daran, dass die Entstehung von Schweißeigenspannungen häufig mit einer Veränderung der Werkstoffeigenschaften einhergeht, die sich aus der Schweiß-Wärme-ZyklusDurch die Wärmebehandlung werden nicht nur die Eigenspannungen beseitigt, sondern auch die Materialeigenschaften teilweise oder vollständig wiederhergestellt.
Aufgrund der Variabilität der Prüfergebnisse gibt es jedoch unterschiedliche Interpretationen der Ergebnisse und Bewertungen der Auswirkungen der Schweißeigenspannung. Dies wird deutlich, wenn man sich die frühen und neueren Forschungsarbeiten verschiedener Personen ansieht.
So sind beispielsweise verschiedene Forscher zu unterschiedlichen Schlussfolgerungen aus 2×106 Zyklustests an Stoßfugen mit Bewehrung gekommen.
Es wurde festgestellt, dass die Ermüdungsfestigkeit einer Probe nach einer Wärmebehandlung zum Spannungsabbau um 12,5% höher war als die der gleichen Probe im geschweißten Zustand. In einigen Studien wurde jedoch festgestellt, dass die Ermüdungsfestigkeit der geschweißten und der wärmebehandelten Proben gleich war und sich kaum unterschied. In anderen Untersuchungen wurde festgestellt, dass die Dauerfestigkeit nach der Wärmebehandlung zur Beseitigung der Eigenspannung anstieg, aber der Anstieg war viel geringer als 12,5%.
Ähnliche Ergebnisse ergaben sich bei den Versuchen an stumpf gestoßenen Proben mit Oberflächenschliff. Einige Tests zeigten, dass die Ermüdungsfestigkeit nach der Wärmebehandlung um 17% erhöht werden konnte, während andere keine Verbesserung zeigten.
Diese Frage hat lange Zeit für Verwirrung gesorgt. Eine Reihe von Versuchen unter Wechselbelastung, die von Wissenschaftlern in der ehemaligen Sowjetunion durchgeführt wurden, trug jedoch zur Klärung des Problems bei. Besonders erwähnenswert sind die Forschungsarbeiten von Trufyakov über die Auswirkung der Schweißeigenspannung auf die Ermüdungsfestigkeit der Verbindung bei unterschiedlichen Belastungszyklen.
Die Tests wurden mit 14Mn2, einem gewöhnlichen niedrig legierten Baustahl, durchgeführt und umfassten eine quer verlaufende Stumpfschweißnaht an der Probe mit einer längs verlaufenden Schweißraupe, die auf beiden Seiten aufgetragen wurde.
Eine Gruppe von Proben wurde einer Wärmebehandlung unterzogen, um Eigenspannungen nach dem Schweißen zu beseitigen, während die andere Gruppe nicht behandelt wurde. Die Vergleichsprüfung der Ermüdungsfestigkeit wurde mit drei charakteristischen Spannungszykluskoeffizienten durchgeführt, r = -1, 0 und +0,3.
Bei Wechselbelastung (r = -1) lag die Dauerfestigkeit der Probe mit entlasteter Eigenspannung bei fast 130 MPa, während die Probe ohne Entlastung eine Dauerfestigkeit von nur 75 MPa aufwies.
Bei schwellender Belastung (r = 0) war die Dauerfestigkeit beider Probengruppen mit 185 MPa gleich.
Bei r = 0,3 lag die Dauerfestigkeit der Probe, bei der die Eigenspannung durch Wärmebehandlung beseitigt wurde, bei 260 MPa und damit etwas niedriger als die Probe ohne Wärmebehandlung, die eine Dauerfestigkeit von 270 MPa aufwies.
Die Hauptgründe für dieses Phänomen sind:
Bei einem hohen r-Wert, z. B. bei pulsierender Belastung (r = 0), ist die Ermüdungsfestigkeit hoch, und die Eigenspannung wird unter dem Einfluss der hohen Zugspannung schnell abgebaut, wodurch die Auswirkungen der Eigenspannung auf die Ermüdungsfestigkeit verringert werden. Wenn r auf 0,3 ansteigt, nimmt die Eigenspannung unter Last noch weiter ab und hat keinen Einfluss auf die Dauerfestigkeit.
Durch die Wärmebehandlung werden nicht nur die Eigenspannungen beseitigt, sondern das Material wird auch weicher, was zu einer Abnahme der Dauerfestigkeit nach der Behandlung führt.
Diese Prüfung zeigt den Einfluss von Eigenspannungen und Materialveränderungen, die durch den thermischen Schweißzyklus verursacht werden, auf die Ermüdungsfestigkeit. Sie zeigt auch, dass die Auswirkung der Schweißeigenspannung auf die Dauerfestigkeit einer Verbindung mit den Spannungszyklus-Charakteristiken der Ermüdungsbelastung zusammenhängt. Wenn der Wert der Zykluscharakteristik niedrig ist, ist die Auswirkung relativ groß.
Zuvor wurde festgestellt, dass aufgrund von Eigenspannungen, die die Materialausbeute Punkt in einer Konstruktionsschweißung, in einer Verbindung mit einem Spannungszyklus mit konstanter Amplitude, wird der tatsächliche Spannungszyklus in der Nähe der Schweißnaht unter die Materialstreckgrenze fallen, unabhängig von den ursprünglichen Zykluseigenschaften.
Der Nennspannungszyklus sollte z. B. +S1 bis -S2 betragen, mit einem Spannungsbereich von S1 + S2. Der tatsächliche Spannungszyklusbereich in der Verbindung liegt jedoch zwischen sy (Spannungsamplitude an der Streckgrenze) und SY-(S1 + S2).
Dies ist ein entscheidender Faktor, der bei der Untersuchung der Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen zu berücksichtigen ist und dazu führt, dass in einigen Konstruktionsvorschriften die zyklische Charakteristik r durch den Spannungsbereich ersetzt wird.
Darüber hinaus haben auch die Größe der Probe, der Belastungsmodus, das Verhältnis der Spannungszyklen und das Belastungsspektrum einen erheblichen Einfluss auf die Dauerfestigkeit.
Ermüdungsrisse in Schweißverbindungen entstehen in der Regel an der Schweißnahtwurzel und der Schweißnahtspitze. Wenn das Risiko der Ermüdungsrissbildung an der Schweißnahtwurzel kontrolliert wird, konzentrieren sich die am meisten gefährdeten Punkte in Schweißverbindungen auf die Schweißnahtspitze.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen zu verbessern:
① Reduzieren oder beseitigen Sie Schweißfehler, insbesondere Öffnungen;
② Verbessern Sie die Geometrie der Schweißnaht und verringern Sie den Spannungskonzentrationsfaktor;
③ Anpassung des Schweißeigenspannungsfeldes zur Erzeugung eines Druckeigenspannungsfeldes. Diese Verbesserungsmethoden können in zwei Kategorien unterteilt werden, wie in Tabelle 1 dargestellt.
Optimierung der Schweißverfahren verbessert nicht nur die Ermüdungsfestigkeit der geschweißten Struktur, sondern auch die statische Belastbarkeit und die metallurgischen Eigenschaften der Schweißnähte. Zu diesem Thema gibt es eine Fülle von Daten, die hier nicht wiederholt werden sollen.
Tabelle 1: Methoden zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von geschweißten Strukturen
| Verfahren zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit einer geschweißten Struktur | Optimierung des Schweißprozesses | Lokale Geometrie | Qualitätskontrolle | Kontrolle von Schweißfehlern | 1 | |
| Verbesserung der Geometrie | 2 | |||||
| Technologischer Prozess | Reihenfolge der Schweißung | 3 | ||||
| Eigenspannung(<0) | Metallurgische Behandlung von Schweißnähten | 4 | ||||
| Modellierung von Schweißraupen | Geometrie der Schweißnaht | 5 | ||||
| Gold und Metallzustand | 6 | |||||
| Verbesserung der Schweißnaht | Lokale Geometrie | Bearbeitung | Schleifen von Schweißnähten | 7 | ||
| Auswirkungen auf das Wasser | 8 | |||||
| Lokales Umschmelzen | TG-Reparatur | 9 | ||||
| Plasma-Reparatur | 10 | |||||
| Eigenspannung | Stressabbau-Methode | Wärmebehandlung | 11 | |||
| Mechanische Behandlung | 12 | |||||
| Nahwärme | 13 | |||||
| Mechanische Methode | Mechanischer Kontakt | Schuss Hämmern | 14 | |||
| Hämmern | 15 | |||||
| Aufprall mit Ultraschall | 16 | |||||
| Schweißen | Stanzen | 17 | ||||
| Lokale Kompression | 18 | |||||
Die wichtigsten Methoden zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen werden in drei Teilen ausführlich erörtert, wobei der Schwerpunkt auf den Verfahrensmethoden liegt.
1) WIG-Dressing
Studien haben gezeigt, dass die WIG-Reparatur die Ermüdungsfestigkeit von Schweißnähten sowohl im Inland als auch international erheblich verbessern kann. Das Verfahren umfasst die Verwendung WIG-Schweißen um den Übergangsbereich der Schweißnaht umzuschmelzen, wodurch ein glatter Übergang zwischen der Schweißnaht und dem Grundwerkstoff entsteht. Dies reduziert die Spannungskonzentration und eliminiert kleine nicht-metallisch Schlackeneinschlüsse, was zu einer Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit der Verbindung führt.
Die Schweißpistole wird während des Reparaturvorgangs in der Regel 0,5 bis 1,5 mm von der Schweißspitze entfernt positioniert, und der umgeschmolzene Bereich sollte sauber gehalten werden. Ein leichtes Anschleifen im Vorfeld verbessert die Ergebnisse.
Wenn der Lichtbogen während des Umschmelzens erlischt, ist es wichtig, den Umschmelzvorgang richtig durchzuführen, da dies die Qualität der umgeschmolzenen Schweißraupe beeinträchtigt. Die beste Position für das Umschmelzen ist im Allgemeinen 6 mm vor dem Schweißraupenkrater.
Kürzlich hat die International Welding Society mit Schweißforschungsinstituten in mehreren europäischen Ländern und Japan zusammengearbeitet, um eine einheitliche Studie über die Wirksamkeit von Methoden zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von Verbindungen durchzuführen. Die Proben wurden vom British Welding Research Institute vorbereitet.
Die Studie bestätigte, dass die nominelle Ermüdungsfestigkeit der Verbindung nach 2×106 Zyklen wurde nach der Behandlung mit dieser Methode um 58% erhöht. Dieser Nennwert von 211MPa Ermüdungsfestigkeit entspricht einem charakteristischen Wert (K-Index) von 144MPa. Er übertrifft den höchsten von der International Welding Society festgelegten FAT-Wert für die Ermüdungsfestigkeit im Verbindungsdetail.
2) Spanende Bearbeitung
Die Bearbeitung der Schweißnahtoberfläche kann die Spannungskonzentration erheblich verringern und die Dauerfestigkeit der Stumpfnaht verbessern. Wenn die Schweißnaht frei von Fehlern ist, kann ihre Dauerfestigkeit sogar die des Grundwerkstoffs übertreffen. Die Bearbeitung ist jedoch ein kostspieliges Verfahren und sollte nur dann durchgeführt werden, wenn die Vorteile die Kosten rechtfertigen.
Bei Schweißnähten mit erheblichen Fehlern und ohne Unterschweißung ist die Spannungskonzentration an der Fehlerstelle oder der Schweißnahtwurzel viel stärker als an der Oberfläche, so dass eine Bearbeitung sinnlos ist. Bei fehlenden Durchdringungsfehlern entstehen Ermüdungsrisse nicht an der Verstärkung und der Schweißnahtspitze, sondern an der Wurzel der Schweißnaht. In solchen Fällen kann die Bearbeitung die Ermüdungsfestigkeit der Verbindung sogar verringern.
Das Schleifen nur der Schweißnahtspitze und nicht des gesamten Schweißguts kann die Ermüdungsfestigkeit der Verbindung ebenfalls verbessern. Die Forschung hat gezeigt, dass sich der Rissauslösepunkt in diesem Szenario von der Schweißnahtspitze zum Schweißfehler.
Ermüdungsfestigkeitstests, die von Makorov aus der ehemaligen Sowjetunion an hochfestem Stahl (Zugfestigkeit σb = 1080MPa) durchgeführt wurden, ergaben, dass die Ermüdungsfestigkeit von Querstumpfschweißnähten unter Wechselbelastung ± 150MPa nach 2×106 Zyklen im geschweißten Zustand. Die Bearbeitung der Schweißnaht und das Entfernen der Verstärkung erhöhten die Dauerfestigkeit auf ± 275 MPa, was der Dauerfestigkeit des Grundwerkstoffs entspricht. Lokales Schleifen an der Stumpfnahtspitze führte zu einer Dauerfestigkeit von ± 245 MPa, was 83% des Bearbeitungseffekts und einer Verbesserung von 65% gegenüber dem geschweißten Zustand entspricht.
Es ist wichtig zu beachten, dass entweder bei der Bearbeitung oder beim Schleifen die richtige Technik angewendet werden muss, um die gewünschte Verbesserung der Dauerfestigkeit zu erreichen.
3) Schleifen von Schleifscheiben
Das Schleifen mit einer Schleifscheibe ist zwar nicht so effektiv wie die spanende Bearbeitung, aber dennoch eine nützliche Methode, um die Dauerfestigkeit von Schweißverbindungen zu verbessern. Die International Welding Society empfiehlt die Verwendung einer elektrischen oder hydraulischen Hochgeschwindigkeits-Schleifscheibe mit einer Drehzahl von 15.000 bis 40.000 U/min, die aus Kohlenstoff-Wolfram-Material besteht. Der Durchmesser der Scheibe sollte so gewählt werden, dass die Schleiftiefe und der Radius mindestens 1/4 der Blechdicke betragen.
Jüngste Untersuchungen der International Welding Society ergaben, dass die nominale Dauerfestigkeit der Probe nach 2 Zyklen nach dem Schleifen um 45% anstieg. Der Nennwert der Ermüdungsfestigkeit von 199 MPa entspricht einem charakteristischen Wert (135 MPa), der höher ist als der höchste FAT-Wert in der von der International Welding Society festgelegten Ermüdungsfestigkeit des Verbindungsdetails.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Schleifrichtung mit der Richtung der Spannungslinie übereinstimmen sollte. Das Schleifen in einer anderen Richtung kann eine Kerbe senkrecht zur Spannungslinie hinterlassen, die als Quelle von Spannungskonzentrationen wirkt und die Ermüdungsfestigkeit der Verbindung verringert.
4) Spezielle Elektrodenmethode
Diese Methode beinhaltet die Entwicklung einer neuartigen Elektrode. Ihr flüssiges Metall und ihre flüssige Schlacke weisen eine hohe Benetzbarkeit auf, was den Übergangsradius der Schweißnaht erhöht, den Winkel an der Schweißnahtspitze verringert, die Spannungskonzentration an der Schweißnahtspitze reduziert und die Ermüdungsfestigkeit der Schweißnaht verbessert.
Wie beim WIG-Reparaturschweißen werden bestimmte Schweißpositionen stark bevorzugt, insbesondere das Flach- und Kehlnahtschweißen, während die Vorteile bei vertikalen, horizontalen und horizontalen Schweißpositionen deutlich geringer sind. Überkopfschweißen.
1) Methode der Vorüberlastung
Wenn eine Zugbelastung auf eine Probe mit Spannungskonzentration ausgeübt wird, bis an der Kerbe ein Fließen auftritt, was zu einer gewissen plastischen Zugverformung führt, wird nach der Entlastung an der Stelle der plastischen Zugverformung in der Nähe der belasteten Kerbe eine Druckspannung erzeugt. Die Zugspannung unterhalb der Fließgrenze wird in anderen Abschnitten der Probe ausgeglichen.
Bei der anschließenden Ermüdungsprüfung unterscheidet sich der Spannungsbereich der so behandelten Probe von dem der ursprünglichen Probe ohne Vorspannung und wird erheblich reduziert. Dies kann die Ermüdungsfestigkeit von Schweißnähten verbessern.
Die Forschung zeigt, dass eine Vorbelastungsprüfung erforderlich ist, bevor große geschweißte Strukturen wie Brücken und Druckbehälter in Betrieb genommen werden. Dies wird ihre Ermüdungsleistung verbessern.
2) Nahwärme
Durch die lokale Erwärmung kann das Eigenspannungsfeld beim Schweißen angepasst werden, so dass an Spannungskonzentrationspunkten Druckeigenspannungen entstehen, die die Ermüdungsfestigkeit der Verbindung verbessern können. Derzeit ist diese Methode nur für diskontinuierliche Längsschweißnähte oder Verbindungen mit in Längsrichtung verlaufenden, versteiften Platten anwendbar.
Bei einseitig verrundeten Blechen liegt die Heizposition in der Regel etwa 1/3 der Blechbreite von der Schweißnaht entfernt. Bei doppelseitigen Kehlblechen befindet sich die Heizposition in der Mitte des Blechs. Dadurch wird eine Druckspannung in der Schweißnaht erzeugt, die die Ermüdungsfestigkeit der Verbindung erhöht.
Verschiedene Forscher haben mit dieser Methode unterschiedliche Ergebnisse erzielt. Bei einseitigen Knotenblechen erhöhte sich die Ermüdungsfestigkeit um 145-150%, während bei doppelseitigen Knotenblechen die Ermüdungsfestigkeit um 70-187% anstieg.
Die Position der lokalen Erwärmung hat einen erheblichen Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit der Verbindung. Die punktuelle Erwärmung am Ende der Schweißnaht verursacht Druckeigenspannungen an der Kerbe und erhöht die Dauerfestigkeit um 53%. Eine punktuelle Erwärmung in der Mitte der Probe am Ende der Schweißnaht mit dem gleichen Abstand zum Ende der Schweißnaht hat jedoch den gleichen metallografischen Effekt, erzeugt aber Zugeigenspannungen, was zu der gleichen Dauerfestigkeit wie bei der unbehandelten Probe führt.
3) Extrusionsverfahren
Der Mechanismus des lokalen Fließpressens ähnelt der punktuellen Erwärmungsmethode, da er die Dauerfestigkeit der Verbindung durch die Erzeugung von Druckeigenspannungen verbessert. Der Wirkungspunkt ist jedoch ein anderer, und die Extrusionsposition sollte dort liegen, wo die Druckeigenspannung erwünscht ist.
Das Strangpressverfahren wirkt sich bei hochfesten Stahlproben stärker aus als bei kohlenstoffarmen Stählen.
4) Methode von Gurnnert
Gunnert schlug eine Methode vor, mit der zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden können, da es bei der lokalen Erwärmung schwierig ist, die Heizposition und die Temperatur genau zu bestimmen. Der Schlüssel zu dieser Methode besteht darin, die Kerbe direkt und nicht die Umgebung auf eine Temperatur zu erwärmen, die eine plastische Verformung verursachen kann, aber niedriger ist als die Phasenumwandlungstemperatur von 55°C oder 550°C, und sie dann schnell abzukühlen.
Die späte Abkühlung des Metalls unter der Oberfläche und des umgebenden Metalls, das nicht abgekühlt ist, führt zu einer Schrumpfung und erzeugt Druckspannungen an der abgekühlten Oberfläche. Diese Druckspannung kann die Ermüdungsfestigkeit des Bauteils erhöhen.
Es ist wichtig zu beachten, dass der Erhitzungsprozess langsam erfolgen sollte, um die untere Schicht zu erwärmen. Gunnert empfiehlt eine Erhitzungszeit von 3 Minuten, während Harrison 5 Minuten empfiehlt.
Ohta verhinderte mit dieser Methode erfolgreich Ermüdungsrisse in Stumpfrohren. Die Außenseite der Rohrleitung wurde durch Induktion erwärmt und die Innenseite durch zirkulierendes Wasser gekühlt, wodurch Druckspannungen in der Rohrleitung erzeugt und die Bildung von Ermüdungsrissen wirksam verhindert wurden. Nach der Behandlung war die Ermüdungsrisswachstumsrate des stumpfgeschweißten Rohrs stark reduziert und erreichte die gleiche Risswachstumsrate wie das Grundmetall.
1) Hämmerungsmethode
Hämmern ist ein Kaltverformungsverfahren, das Druckspannungen auf der Oberfläche der Schweißnaht in einer Verbindung erzeugt. Die Wirksamkeit dieser Methode hängt von der plastischen Verformung an der Oberfläche der Schweißnaht ab.
Außerdem kann das Hämmern die Kerbschärfe und damit die Spannungskonzentration verringern, was zu einer erheblichen Verbesserung der Dauerfestigkeit der Verbindung führt. Die International Welding Society empfiehlt einen Luftdruck von 5-6 Pa beim Hämmern.
Die Spitze des Hammerkopfes sollte einen Durchmesser von 8-12 mm haben, und es wird empfohlen, vier Schläge zu verwenden, um eine Einschlagtiefe von 0,6 mm zu erreichen.
Untersuchungen der International Welding Society haben ergeben, dass bei nicht tragenden T-Verbindungen die Ermüdungsfestigkeit durch Hämmern um 54% unter 2×106 Zyklen.
2) Shot Peening
Das Kugelstrahlen ist eine andere Form des Hämmerns und eine Art der Schlagbearbeitung. Die Wirksamkeit des Kugelstrahlens hängt vom Durchmesser des Kugelstrahls ab. Der Durchmesser sollte nicht zu groß sein, um kleine Defekte zu beseitigen, aber auch nicht zu klein, um einen bestimmten Grad an Kaltverfestigung zu erreichen. Beim Shotpeening kann die Oberfläche in der Regel bis zu einer Tiefe von einigen tausendstel Millimetern bearbeitet werden.
Die Forschung zeigt, dass das Kugelstrahlen die Dauerfestigkeit von Verbindungen aus hochfestem Stahl erheblich verbessern kann und eine besonders starke Wirkung auf Argon-Lichtbogenschweißen hochfesten Stahlwerkstoffen und übertrifft sogar die WIG-Reparatur. Der Einsatz von Kugelstrahlen kann auch die Wirkung der WIG-Schmelzreparatur verbessern.
In den letzten Jahren wurde der Ultraschallstoß als Mittel zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen und Strukturen entwickelt. Der Mechanismus ähnelt dem des Hämmerns und des Kugelstrahlens.
Die Ultraschallprüfung hat jedoch Vorteile wie geringes Gewicht, gute Kontrolle, flexible und bequeme Anwendung, minimaler Lärm, hohe Effizienz, weniger Anwendungsbeschränkungen, niedrige Kosten und Energieeffizienz. Es eignet sich für alle Arten von Verbindungen und ist eine wirksame Methode zur Verbesserung der Ermüdungsleistung von Schweißverbindungen nach dem Schweißen.
Es wurden Untersuchungen mit Hilfe der Ultraschall-Schlagbehandlung an Stumpf- und nichttragenden Längseckverbindungen verschiedener typischer geschweißter Baustähle durchgeführt. Anschließend wurden vergleichende Ermüdungsversuche sowohl an geschweißten als auch an schlagbehandelten Verbindungen durchgeführt. Die Ergebnisse, die in Tabelle 2 dargestellt sind, zeigen, dass die Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindungen nach der Ultraschallbehandlung um 50-170% anstieg.
Tabelle 2 Vergleich der Ermüdungsfestigkeit vor und nach der Ultraschall-Schlagbehandlung
| Material und Fugenform | Ermüdungsfestigkeit Ds / MPa | Grad erhöhen(%) | |
|---|---|---|---|
| Wie geschweißt | Schockbehandelter Zustand | ||
| Q235B (R= 0,1) - Stumpfstoß | 152 | 230 | 51 |
| SS800 (R= 0,05) - Stumpfstoß | 306 | 101 | |
| 16Mn (R= 0,1) - Stumpfstoß | 285 | 88 | |
| Q235B (R=0,1) - Längseckverbindung | 104 | 200 | 92 |
| SS800 (R=0,05) - Längseckverbindung | 279 | 168 | |
| 16Mn (R=0,1) - Längseckverbindung | 212 | 104 | |
4.2.1 PPrinzip und Entwicklung der Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von Schweißnähten
Druckspannungen können die Ermüdungsfestigkeit von Schweißnähten erhöhen, was in der Literatur vielfach diskutiert wurde. Die Herausforderung besteht jedoch darin, wie man Druckspannungen in Schweißverbindungen einfach einbringen kann.
Es ist bekannt, dass die chemische Zusammensetzung, der Legierungsgehalt und die Abkühlungsgeschwindigkeit zu unterschiedlichen mikrostrukturellen Veränderungen während des Abkühlungsprozesses von Eisen- und Stahlwerkstoffen führen können. Diese Gefügeveränderungen gehen mit einer Volumenexpansion einher, die zu einer Phasenumwandlungsspannung führen kann, wenn sie zurückgehalten wird, was wiederum zu Druckspannungen führt.
Für das Schweißgut bedeutet dies eine Verringerung der Zugeigenspannung und sogar eine Verringerung der Druckeigenspannung, wodurch die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindungen verbessert werden.
Die Schweißelektrode mit niedriger Transformationstemperatur (LTTE) ist eine neuartige Schweißmaterial das die Phasenumwandlungsspannung nutzt, um Druckspannungen in Schweißverbindungen zu erzeugen und deren Ermüdungsfestigkeit zu erhöhen.
Bereits in den 1960er Jahren schlugen Schweißexperten in der ehemaligen Sowjetunion die Methode der Niederphasenumwandlung vor Punktschweißen Band zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von geschweißten Strukturen, obwohl der Begriff "Punktschweißband mit niedriger Phasenumwandlung" damals noch nicht verwendet wurde und man einfach von einer speziellen Elektrode sprach.
Der Belag Metallzusammensetzung besteht hauptsächlich aus 3-4% Mn, um die Phasenumwandlungstemperatur zu senken und eine metallurgische Phasenumwandlung zu erreichen. Aus der Literatur geht hervor, dass die Ermüdungsfestigkeit kleiner Proben nach dem Auftragen dieser speziellen Elektroden um 75% höher ist als ohne Auftragen.
In jüngster Zeit haben die Entwicklung von Stahl mit extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt und die Verwendung von Cr und Ni zur Senkung der martensitischen Umwandlungstemperatur des aufgetragenen Metalls in Schweißwerkstoffen zu einem raschen Fortschritt bei Punktschweißbändern mit niedriger Umwandlung geführt.
Sowohl Japan als auch China haben in diesem Bereich umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt, die sich allerdings noch im Laborstadium befinden.
4.2.2 EEinfluss der LTTE-Elektrode auf die Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit
Die School of Materials der Universität Tianjin hat die Low Transformation Temperature Welding Electrode (LTTE) entwickelt und optimiert und umfangreiche Ermüdungs- und Prozessleistungstests an verschiedenen Schweißnähten durchgeführt.
(1) LTTE-Methode
Die Schweißelektrode mit niedriger Transformationstemperatur (LTTE) und die gewöhnliche Elektrode E5015 wurden zum Schweißen des Querstumpfstoßes, des nicht tragenden Querstoßes, des Längsstoßes in Umfangsrichtung und des Längsstoßes in Parallelrichtung verwendet. Kehlnahtverbindungbzw. Längsstumpfstoß. Es wurde ein vergleichender Ermüdungstest durchgeführt.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Ermüdungsfestigkeit der LTTE-Verbindung des Phasenwechselpunkts Schweißdraht war 11%, 23%, 42%, 46% und 59% höher als die der gewöhnlichen Elektrode E5015. Die Ermüdungslebensdauer wurde um ein Vielfaches bis zum Hundertfachen erhöht.
Tabelle 3: Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit verschiedener Arten von Schweißnähten
| Elektroden-Typ | Querstumpfverbindung | Nicht tragende Querverbindung | Längsseitige umlaufende Kehlnaht | Längsparallele Kehlnahtverbindung | Längsstossverbindung |
|---|---|---|---|---|---|
| E5015 Schweißdraht | 176.9 | 202.1 | 167.0 | 182.7 | 179.4 |
| LTTE-Elektrode | 157.8 | 164.8 | 118.3 | 124.9 | 113.0 |
| Grad der Verbesserung | 11% | 23% | 41% | 47% | 58% |
| Spannungskonzentration | Mild K1 | Mittel K2 | Starkes K3 | Besonders starkes N4 | Besonders starkes K4 |
| Grad der Zurückhaltung | Klein groß | ||||
Da die Schweißelektrode mit niedriger Umwandlungstemperatur (Low Transformation Temperature Welding Electrode, LTTE) Druckeigenspannungen durch die Volumenausdehnung der martensitischen Umwandlung bei einer niedrigeren Temperatur erzeugt, ist die Größe der Druckeigenspannung eng mit der Spannung der Schweißverbindung verbunden.
Je stärker die Schweißverbindung eingespannt ist, desto größer ist die Druckeigenspannung und desto deutlicher ist die Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit.
(2) LTTE-Abrichtverfahren für das Punktschweißen mit niedriger Phasenumwandlung
Das Hinzufügen weiterer Legierungselemente zu den Schweißwerkstoffen, um eine martensitische Umwandlung bei normaler Abkühlungsrate und niedriger Temperatur zu erreichen, erhöht die Kosten der Schweißelektrode mit niedriger Umwandlungstemperatur (LTTE) erheblich. Wenn alle Schweißnähte in einer geschweißten Struktur mit Schweißwerkstoffen mit niedriger Phasenumwandlung ausgeführt werden, sind die Gesamtkosten der Struktur ebenfalls erheblich höher, so dass sie wirtschaftlich nicht machbar ist.
Es ist bekannt, dass die Ermüdungsbruch in Schweißverbindungen tritt normalerweise an der Schweißnaht auf. Wenn an der Schweißnaht eine Druckeigenspannung erzeugt wird, kann die Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindung verbessert werden, ohne dass alle Punktschweißbänder mit geringem Phasenwechsel verwendet werden müssen, wodurch die Materialkosten gesenkt werden.
Vor diesem Hintergrund schlug die Universität Tianjin auf der Grundlage von Versuchsergebnissen eine Methode zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen vor, bei der die Spitze der Schweißelektrode bei niedriger Transformationstemperatur (LTTE) abgerichtet wird. Die Ermüdungsfestigkeit von LTTE-Schweißnähten und normalen Elektrodenschweißnähten wurde anhand von zwei Arten von nicht tragenden Querverbindungen und längs verlaufenden Kehlnähten verglichen. Die Ermüdungsfestigkeit der ersteren war um 19,9% bzw. 41,7% höher als die der letzteren, was die Durchführbarkeit und Praktikabilität der Idee beweist.
Diese Voruntersuchung ermöglicht eine sinnvollere Anwendung der Niedertemperatur-Schweißelektrode (LTTE) in der technischen Praxis.
Gleichzeitig kann die Abrichtverbindung der Niedertemperatur-Schweißelektrode (LTTE) auch ihre Anwendung in Deckschweißungen und in der Nähe von Deckschweißraupen widerspiegeln.
4.2.3 AVor- und Nachteile von Punktschweißbändern mit geringem Phasenwechsel
Vorteil:
(1) Das LTTE-Verfahren (Low Transformation Temperature Welding Electrode) wird während des Schweißprozesses durchgeführt, so dass eine Nachbearbeitung nicht erforderlich ist.
(2) Die LTTE-Methode erfordert keine besonderen Kenntnisse in der Bedienung und ist daher einfach und bequem zu handhaben.
(3) Durch die Verwendung einer Schweißelektrode mit niedriger Transformationstemperatur (LTTE) kann die Dauerfestigkeit von Schweißverbindungen verbessert werden. Da sie nicht von den thermischen Auswirkungen nachfolgender Schweißraupen beeinflusst wird, eignet sie sich gut zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von verdeckten Schweißnähten, verdeckten Schweißnähten, Gegenschweißnähten bei einseitigem Schweißen und anderen Schweißnähten, die nach dem Schweißen nicht bearbeitet werden können.
(4) Die LTTE-Elektrode kann auch zur Reparatur von Ermüdungsrissen in geschweißten Strukturen verwendet werden.
Benachteiligungen:
Die Zugabe von mehr Legierungselementen zu den Schweißwerkstoffen erhöht die Kosten für die Niedertemperatur-Schweißelektroden (LTTE), aber dies kann durch die Verwendung von LTTE-Abricht- und anderen Methoden ausgeglichen werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Anforderungen an die dynamische Tragfähigkeit von geschweißten Konstruktionen gestiegen sind, da sie für hohe Geschwindigkeiten und schwere Lasten eingesetzt werden. Daher ist die Entwicklung und Nutzung neuer Technologien zur Verbesserung der Ermüdungseigenschaften von Schweißverbindungen von entscheidender Bedeutung für eine breitere Anwendung von Schweißkonstruktionen.
Sowohl die Ultraschall-Schlagtechnik als auch die Verwendung von Schweißelektroden mit niedriger Transformationstemperatur (LTTE) zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen sind wichtige Forschungsrichtungen auf dem Gebiet der Verbesserung der Ermüdungsleistung und des Prozesses von geschweißten Strukturen.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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