Festigkeitsanpassung von Schweißverbindungen: Ein vollständiger Leitfaden

Das traditionelle Bemessungsprinzip für geschweißte Konstruktionen basierte lange Zeit in erster Linie auf dem Festigkeitsnachweis.

Bei geschweißten Konstruktionen gibt es drei Arten von Festigkeitsübereinstimmungen zwischen der Schweißnaht und dem Grundwerkstoff: Die Festigkeit der Schweißnaht entspricht der Festigkeit des Grundwerkstoffs (Festigkeitsübereinstimmung), die Festigkeit der Schweißnaht übersteigt die Festigkeit des Grundwerkstoffs (Festigkeitsübereinstimmung) und die Festigkeit der Schweißnaht ist geringer als die Festigkeit des Grundwerkstoffs (Festigkeitsübereinstimmung).

Im Hinblick auf die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Konstruktionen muss die Festigkeit der Schweißnähte im Allgemeinen mindestens so hoch sein wie die Festigkeit des Grundmaterials, was als Prinzip der "gleichen Festigkeit" bezeichnet wird.

In der Praxis werden die Schweißwerkstoffe jedoch häufig nach der Festigkeit des aufgetragenen Metalls ausgewählt, was nicht der tatsächlichen Festigkeit entspricht. Schweißnahtfestigkeit.

Das aufgetragene Metall ist nicht gleichwertig mit dem Schweißgut, insbesondere bei der Verwendung von Schweißwerkstoffen für niedrig legierte hochfeste Stähle, bei denen die Festigkeit des Schweißguts oft viel höher ist als die des aufgetragenen Metalls.

Infolgedessen kann es zu einer nominellen "gleichen Stärke", aber zu einer tatsächlichen "überlegenen Stärke" kommen.

Es besteht kein Konsens darüber, ob eine bessere Abstimmung der Stärken immer sicher und zuverlässig ist, und es bestehen einige Zweifel.

Bei der Konstruktion der Jiujiang-Jangtse-Brücke in China ist der "höhere Festigkeitswert" der Schweißnaht auf höchstens 98 MPa begrenzt. Der amerikanische Wissenschaftler Pelini schlug vor, dass zur Erreichung konservativer Ziele der strukturellen Integrität Schweißnähte verwendet werden können, deren Festigkeit 137 MPa oder weniger als die des Grundmaterials beträgt (d. h. eine Anpassung mit geringer Festigkeit). Nach den Forschungsergebnissen des japanischen Wissenschaftlers Sato Kunihiko und anderer ist eine Anpassung an niedrige Festigkeitswerte ebenfalls möglich und wurde in der Technik angewendet.

Der belgische Gelehrte Soete und der chinesische Gelehrte Zhang Yufeng vertreten jedoch die Ansicht, dass eine bessere Abstimmung der Kräfte vorteilhaft sein sollte.

Es ist klar, dass es immer noch an einer ausreichenden theoretischen und praktischen Grundlage für die Konstruktionsprinzipien im Zusammenhang mit der Anpassung der Schweißnahtfestigkeit fehlt, die sich auf die Sicherheit und Zuverlässigkeit von geschweißten Strukturen auswirken, und dass es kein einheitliches Verständnis gibt.

Um vernünftigere Konstruktionsprinzipien für Schweißverbindungen zu ermitteln und eine Grundlage für die richtige Auswahl von Schweißwerkstoffen zu schaffen, haben Professor Chen Bolin und andere von der Tsinghua-Universität das Forschungsprojekt der National Natural Science Foundation "Theoretical Research on High-strength Stahlschweißung Toughness Matching.

Der Forschungsinhalt des Projekts umfasst die Bruchfestigkeit von 490MPa-armen Streckgrenze Verhältnis hochfester Stahlverbindungen, die Bruchfestigkeit von hochfesten Stahlverbindungen mit einem Streckgrenzenverhältnis von 690 bis 780 MPa, die Zugfestigkeit von ungeschweißten Verbindungen, das Verformungsverhalten der Oberseite von tief gekerbten Proben und NDT-Tests an geschweißten Verbindungen.

Eine Vielzahl von Versuchsergebnissen hat dies gezeigt:

Bei hochfestem Stahl mit niedrigem Streckgrenzenverhältnis und einer Zugfestigkeit von 490 MPa ist es vorteilhaft, Schweißwerkstoffe mit einer gewissen Zähigkeit und einer entsprechend hohen Festigkeit zu verwenden.

Berücksichtigt man Faktoren wie Schweißbarkeit und Einsatzfähigkeit, so ist es sinnvoller, Schweißwerkstoffe mit einer gewissen Zähigkeit und tatsächlich "gleicher Festigkeit" auszuwählen.

Die Bruchfestigkeit und das Verhalten von Schweißverbindungen dieser Art von Stahl hängen von der kombinierten Wirkung der Festigkeit und Duktilität des Materials ab. Schweißmaterial.

Deshalb, Schweißkonstruktion Eine allein auf Festigkeitserwägungen beruhende Konstruktion ohne Berücksichtigung der Zähigkeit kann ihre Gebrauchssicherheit nicht zuverlässig gewährleisten.

Bei hochfestem Stahl mit einem Streckgrenzenverhältnis von 690 bis 780 MPa hängt die Bruchleistung der Schweißverbindungen nicht nur von der Festigkeit, Zähigkeit und Plastizität der Schweißnaht ab, sondern wird auch durch die Heterogenität der Schweißverbindung eingeschränkt.

Eine zu hohe oder zu niedrige Festigkeit der Schweißnaht ist nicht ideal, während Verbindungen, die annähernd die gleiche Festigkeit aufweisen, das beste Bruchverhalten haben. Daher ist es sinnvoll, Schweißnähte nach dem Prinzip der tatsächlichen Festigkeitsgleichheit zu entwerfen. Daher sollte es Ober- und Untergrenzen für die Schweißnahtfestigkeit geben.

Der Festigkeitsanpassungskoeffizient (Sr) ist das Verhältnis der Zugfestigkeit des aufgetragenen Metalls des Schweißmaterials zur Zugfestigkeit des Grundmaterials und kann die Heterogenität der mechanischen Leistung der Verbindung widerspiegeln.

Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die Festigkeit der Schweißverbindung bei einem Sr≧0,9-Wert nahe an der Festigkeit des Grundmaterials liegt. Daher kann in der Produktionspraxis durch die Verwendung von Schweißwerkstoffen, die die Festigkeit um 10% im Vergleich zum Grundwerkstoff verringern, sichergestellt werden, dass die Verbindung die Anforderungen an die gleiche Festigkeit erfüllt.

Bei Sr≧0,86 kann die Festigkeit der Verbindung mehr als 95% der Festigkeit des Grundmaterials erreichen. Dies liegt daran, dass die höhere Festigkeit des Grundmaterials das Schweißgut einschränkt und so die Festigkeit der Schweißnaht verbessert.

Das Streckgrenzenverhältnis des Grundmaterials hat einen wichtigen Einfluss auf das Bruchverhalten von Schweißverbindungen. J

Verbindungen mit geringeren Streckgrenzenverhältnissen des Grundmaterials weisen eine bessere Sprödbruchsicherheit auf als Verbindungen mit höheren Streckgrenzenverhältnissen des Grundmaterials. Dies deutet darauf hin, dass die Plastizitätsreserve des Grundwerkstoffs ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf die Sprödbruchsicherheit der Verbindung hat.

Das Verformungsverhalten des Schweißguts wird durch die Abstimmung der mechanischen Eigenschaften von Schweißnaht und Grundwerkstoff beeinflusst.

Bei gleicher Zugspannung ist die Schweißnahtdehnung der Verbindung mit hoher Festigkeit und niedrigem Streckgrenzenverhältnis größer, während die Schweißnahtdehnung der Verbindung mit niedriger Festigkeit und hohem Streckgrenzenverhältnis kleiner ist. Die Rissöffnungsverschiebung (COD-Wert) der geschweißten Verbindung zeigt ebenfalls den gleichen Trend, was darauf hindeutet, dass die Verbindung mit hoher Festigkeit und niedrigem Streckgrenzenverhältnis den Vorteil hat, dass sie an der Rissspitze leicht nachgibt und sich an der Rissspitze stärker verformt.

Die Sprödbruchsicherheit von Schweißverbindungen hängt eng mit der Heterogenität der mechanischen Eigenschaften der Verbindung zusammen. Sie wird nicht nur durch die Festigkeit der Schweißnaht bestimmt, sondern auch durch die Zähigkeit und Plastizität der Schweißnaht eingeschränkt. Bei der Auswahl der Schweißmaterialien sollte nicht nur darauf geachtet werden, dass die Schweißnaht eine angemessene Festigkeit aufweist, sondern auch, dass die Schweißnaht über eine ausreichende Zähigkeit und Plastizität verfügt. Das heißt, das Verhältnis zwischen Festigkeit und Zähigkeit der Schweißnaht sollte gut kontrolliert werden.

Bei hochfestem Stahl ist es mit erheblichen technischen Schwierigkeiten verbunden, eine gleichmäßige Festigkeitsanpassung zwischen dem Schweißgut und dem Grundwerkstoff zu erreichen. Selbst wenn die Schweißnaht die gleiche Festigkeit erreicht, können die Plastizität und die Zähigkeit der Schweißnaht auf ein unannehmbares Niveau sinken, und auch die Rissbeständigkeit kann erheblich abnehmen. Zur Vermeidung von Schweißrissemüssen die Baubedingungen extrem streng sein, und die Baukosten werden sich erheblich erhöhen.

Um zu vermeiden, dass die Gesamtleistung des Bauwerks allein durch das Streben nach Festigkeit beeinträchtigt wird, und um die wirtschaftliche Zuverlässigkeit der Konstruktion zu verbessern, ist es notwendig, die Festigkeit zu verringern und ein Anpassungsschema mit geringer Festigkeit zu wählen.

So hat beispielsweise der japanische U-Boot-Stahl NS110 eine Streckgrenze von mindestens 1098 MPa, und die Streckgrenze des abgeschiedenen Metalls der passenden Schweißdraht und Schutzgasschweißdraht muss größer oder gleich 940 MPa sein, mit einem Anpassungskoeffizienten der Streckgrenze von 0,85.

Nach der Verwendung von niedrigfesten, passenden Schweißmaterialien wird die Kohlenstoffgehalt und das Kohlenstoffäquivalent der Schweißnaht können reduziert werden, was die Zähigkeit und Rissbeständigkeit der Schweißnaht verbessert, die Schweißkonstruktion erleichtert und die Baukosten senkt.

Darüber hinaus zeigen einige Testdaten des japanischen Wissenschaftlers Kunihiko Sato, dass, solange die Festigkeit des Schweißguts nicht weniger als 80% der Festigkeit des Grundmaterials beträgt, die Verbindung garantiert die gleiche Festigkeit wie das Grundmaterial aufweist.

Allerdings ist die Gesamtdehnung der Verbindung bei Schweißnähten mit niedriger Festigkeit etwas geringer. Wenn bei Ermüdungsbelastung die überschüssige Höhe der Schweißnaht nicht entfernt wird, entstehen Ermüdungsrisse in der Fusionszone. Wird jedoch die überschüssige Höhe der Schweißnaht entfernt, kommt es zu Ermüdungsrissen in der niedrigfesten Schweißnaht.

Bei der Verwendung von Schweißnähten mit niedriger Festigkeit ist es daher notwendig, einige experimentelle Arbeiten unter spezifischen Bedingungen durchzuführen.