Das Schweißen ungleicher Metalle ist ein anspruchsvolles, aber wichtiges Verfahren in der modernen Fertigung. Dabei werden Metalle mit unterschiedlichen Eigenschaften und Zusammensetzungen miteinander verbunden, was oft zu einer Schmelzzone mit unterschiedlichen mechanischen und strukturellen Eigenschaften führt. Dieser Artikel befasst sich mit den damit verbundenen Problemen, geeigneten Schweißverfahren wie Schmelz- und Pressschweißen und den wichtigsten Überlegungen zur Gewährleistung robuster Schweißnähte. Wenn der Leser diese Aspekte versteht, kann er wirksame Strategien zur Entschärfung gängiger Schweißprobleme und zur Verbesserung der Verbindungsleistung in Hochtemperatur- und Hochbelastungsumgebungen erlernen.
Inhärente Probleme beim Schweißen ungleicher Metalle haben seine Entwicklung behindert, wie z. B. die Beschaffenheit und die Leistung der Schmelzzone bei ungleichen Metallen.
Beim Schweißen von artfremden Metallen kommt es in der Schmelzzone häufig zu Gefügeschäden, da sich die Eigenschaften der Schweißkristalle entlang der Segmente in der Nähe der Schmelzzone unterscheiden, was zur Bildung einer Übergangsschicht mit schlechter Leistung und Veränderungen in der Zusammensetzung führt.
Außerdem dehnt sich die Diffusionsschicht in diesem Bereich bei längerer Einwirkung hoher Temperaturen aus, was die Inhomogenität des Metalls weiter erhöht.
Außerdem ist während oder nach dem Schweißen unterschiedlicher Metalle oder nach einer Wärmebehandlung oder einem Hochtemperaturbetrieb häufig das Phänomen zu beobachten, dass Kohlenstoff von der niedrig legierten Seite durch die Schweißnahtgrenze in die hoch legierte Schweißnaht "wandert" und dort eine Entkohlung und Aufkohlungsschichten auf beiden Seiten der Schmelzlinie.
Dies führt zu einer Entkohlungsschicht im niedrig legierten Grundwerkstoff und einer Aufkohlungsschicht auf der hoch legierten Schweißseite.
Die Behinderung und Verhinderung des Einsatzes und der Entwicklung von Konstruktionen aus unterschiedlichen Metallen zeigt sich vor allem in den folgenden Bereichen:
1. Bei Raumtemperatur sind die mechanischen Eigenschaften der unterschiedlichen Metalle geschweißte Verbindung (z. B. Zug, Schlag, Biegung usw.) übertreffen im Allgemeinen die Leistung des geschweißten Grundmaterials.
Nach längerem Hochtemperaturbetrieb ist die Leistung des Verbindungsbereichs jedoch geringer als die des Grundmaterials.
2. Zwischen der austenitischen Schweißnaht und dem perlitischen Grundwerkstoff befindet sich eine martensitische Übergangszone.
Diese Zone hat eine geringere Zähigkeit und ist eine spröde Schicht mit hoher Härte, die eine Schwachstelle darstellt und zum Versagen des Bauteils führt. Sie verringert die Zuverlässigkeit des geschweißte Struktur.
3. Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen oder eine Kohlenstoffwanderung während des Hochtemperaturbetriebs kann zur Bildung einer aufgekohlten Schicht und einer entkohlten Schicht auf beiden Seiten der Schmelzlinie führen.
In der Regel geht man davon aus, dass die entkohlte Schicht aufgrund der Verringerung des Kohlenstoffs erhebliche Veränderungen in der Struktur und den Eigenschaften des Bereichs verursacht (in der Regel eine Verschlechterung), so dass es zu einem vorzeitigen Ausfall während des Betriebs kommt.
Die Versagensstellen vieler Hochtemperatur-Rohrleitungen, die in Betrieb oder in der Prüfung sind, konzentrieren sich auf die entkohlte Schicht.
4. Das Versagen hängt von Bedingungen wie Zeit, Temperatur und zyklischer Belastung ab.
5. Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen kann die Eigenspannung Verteilung im gemeinsamen Bereich.
6. Inhomogenität der chemischen Zusammensetzung.
Beim Schweißen ungleicher Metalle unterscheiden sich die Metalle auf beiden Seiten der Schweißnaht und die Legierungszusammensetzung der Schweißnaht erheblich.
Während der Schweißverfahrenschmelzen und vermischen sich sowohl das Ausgangsmaterial als auch das Schweißmaterial.
Dieser Grad der Gleichmäßigkeit der Mischung ändert sich mit dem Schweißverfahren, und der Grad der Gleichmäßigkeit der Mischung kann an verschiedenen Stellen der Schweißnaht stark variieren, was zu einer Inhomogenität der chemischen Zusammensetzung der Schweißnaht führt.
7. Inhomogenität der metallografischen Struktur.
Aufgrund der Diskontinuität der chemischen Zusammensetzung der Schweißverbindung und der Erfahrung des Schweiß-Wärme-ZyklusIn den verschiedenen Bereichen der Schweißnaht treten unterschiedliche Strukturen auf, die in manchen Bereichen zu äußerst komplexen Strukturbildungen führen.
8. Diskontinuierliche Leistung.
Die chemische Zusammensetzung und die metallurgische Struktur von Schweißnähten führen zu unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften.
Die Festigkeit, Härte, Plastizität, Zähigkeit, Schlagzähigkeit, das Kriechen bei hohen Temperaturen und die Dauerhaftigkeit unterscheiden sich in den verschiedenen Bereichen der Schweißnaht erheblich.
Diese erhebliche Inkonsistenz führt dazu, dass sich verschiedene Regionen des Gelenks unter gleichen Bedingungen unterschiedlich verhalten, was sich in Form von Schwächungs- und Verstärkungszonen äußert.
Vor allem unter Hochtemperaturbedingungen kommt es bei Mischmetallschweißverbindungen häufig zu einem vorzeitigen Versagen während des Betriebs.
Die meisten Schweißverfahren können angewendet werden auf ungleiche Metalle schweißenBei der Wahl des Schweißverfahrens und der Festlegung der Prozessmaßnahmen sollten jedoch die Eigenschaften des Schweißens unterschiedlicher Metalle berücksichtigt werden.
Je nach den Anforderungen des Grundmaterials und der Schweißnaht, Schmelzschweißen, Pressschweißenund andere Methoden haben alle ihre Anwendung beim Schweißen unterschiedlicher Metalle gefunden, jede mit ihren eigenen Vor- und Nachteilen.
Das Schmelzschweißen ist eine weit verbreitete Methode zum Schweißen ungleicher Metalle.
Zu den gängigen Schmelzschweißverfahren gehören das Stabelektrodenschweißen, Unterpulverschweißen, Schutzgasschweißen, Elektroschlackeschweißen, Plasmaschweißen, Elektronenstrahlschweißen und Laserschweißen.
Zur Verringerung der Aufmischung, zur Senkung des Schmelzverhältnisses oder zur Steuerung der Schmelzmenge verschiedener Grundmetalle werden in der Regel Verfahren mit höherer Wärmequellenenergiedichte wie Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißen oder Plasmaschweißen gewählt.
Um die Einschweißtiefe zu minimieren, können technologische Maßnahmen wie indirekter Lichtbogen, oszillierender Schweißdraht, Bandelektrode und zusätzlicher nicht-elektrifizierter Schweißdraht eingesetzt werden.
Solange es sich jedoch um Schmelzschweißen handelt, wird immer ein Teil des Grundwerkstoffs in die Schweißnaht schmelzen und eine Verdünnung verursachen.
Darüber hinaus bildet es auch intermetallische Verbindungen, eutektische Strukturen usw.
Um diese nachteiligen Auswirkungen zu mildern, muss die Verweilzeit von Metallen in flüssigem oder festem Zustand bei hohen Temperaturen kontrolliert und verkürzt werden.
Trotz der ständigen Verbesserungen und Fortschritte bei den Methoden und Verfahren des Schmelzschweißens ist es nach wie vor eine Herausforderung, alle Probleme im Zusammenhang mit dem Schweißen verschiedener Arten von Metallen.
In Anbetracht der Vielfalt der Metalle und des breiten Spektrums an Leistungsanforderungen sowie der unterschiedlichen Verbindungsarten müssen in vielen Fällen Pressschweißungen oder andere Schweißverfahren eingesetzt werden, um spezifische Probleme zu lösen. Schweißprobleme im Zusammenhang mit verschiedenen Metallverbindungen.
Die meisten Pressschweißverfahren erwärmen die zu verschweißenden Metalle nur bis zu einem plastischen Zustand oder gar nicht und zeichnen sich in erster Linie durch die Anwendung eines bestimmten Drucks aus.
Im Vergleich zum Schmelzschweißen hat das Pressschweißen gewisse Vorteile beim Schweißen von Verbindungen unterschiedlicher Metalle, sofern die Verbindungsform dies zulässt und die Schweißqualität den Anforderungen entspricht, ist das Pressschweißen oft die sinnvollere Wahl.
Beim Pressschweißen kann die Verbindungsfläche verschiedener Metalle entweder geschmolzen werden oder fest bleiben, aber aufgrund der Druckwirkung wird geschmolzenes Metall an der Oberfläche herausgepresst (wie beim Abbrennstumpfschweißen und Reibschweißen).
Nur in wenigen Fällen bleibt nach dem Pressschweißen das einmal geschmolzene Metall übrig (wie bei Punktschweißen).
Das Pressschweißen kann aufgrund des Mangels an Wärme oder der niedrigen Heiztemperatur die nachteiligen Auswirkungen von Temperaturwechseln auf die Eigenschaften des Grundmetalls abmildern oder vermeiden und die Bildung spröder intermetallischer Verbindungen verhindern.
Bei einigen Formen des Pressschweißens können sogar intermetallische Verbindungen, die sich in der Verbindung gebildet haben, herausgedrückt werden.
Außerdem treten beim Pressschweißen keine verdünnungsbedingten Veränderungen der Schweißguteigenschaften auf.
Die meisten Pressschweißverfahren stellen jedoch bestimmte Anforderungen an die Verbindungsformen.
Zum Beispiel das Punktschweißen, NahtschweißenBeim Reibschweißen muss mindestens ein Werkstück einen Rotationsquerschnitt aufweisen; das Explosionsschweißen ist nur bei größeren Flächenverbindungen anwendbar.
Druckschweißgeräte sind ebenfalls noch nicht weit verbreitet. Diese Faktoren schränken den Anwendungsbereich des Pressschweißens zweifellos ein.
Neben dem Schmelzschweißen und dem Pressschweißen gibt es noch einige andere Verfahren zum Schweißen von artfremden Metallen. Zum Beispiel, Hartlöten ist ein Verfahren, bei dem ein Zusatzwerkstoff zum Verbinden verschiedener unedler Metalle verwendet wird.
Der Schwerpunkt liegt hier jedoch auf einer besonderen Art von Lötverfahren.
Eine dieser Techniken ist als Schmelzlöten bekannt, bei dem das Material mit dem niedrigeren Schmelzpunkt in einer Metallverbindung durch Schmelzschweißen und das Material mit dem höheren Schmelzpunkt durch Hartlöten verbunden wird. Der Schweißzusatzwerkstoff entspricht in der Regel dem niedrig schmelzenden Grundwerkstoff.
Der Prozess zwischen dem Zusatzwerkstoff und dem niedrigschmelzenden Grundwerkstoff ist im Wesentlichen ein Schmelzschweißprozess desselben Metalls und stellt keine besonderen Herausforderungen dar.
Die Wechselwirkung zwischen dem Zusatzwerkstoff und dem hochschmelzenden Grundwerkstoff ist ein Lötprozess. Der Grundwerkstoff schmilzt oder kristallisiert nicht, wodurch viele schweißtechnische Probleme vermieden werden.
Dies setzt jedoch voraus, dass der Zusatzwerkstoff das Grundmetall wirksam benetzt.
Eine andere Technik ist das eutektische Hartlöten oder eutektische Diffusionslöten. Bei diesem Verfahren wird die Kontaktfläche ungleicher Metalle auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, die an der Kontaktstelle ein Eutektikum mit niedrigem Schmelzpunkt bildet.
Dieses Eutektikum mit niedrigem Schmelzpunkt wird bei dieser Temperatur flüssig, wodurch im Wesentlichen eine Lötmethode entsteht, die kein zusätzliches Lot benötigt.
Voraussetzung dafür ist natürlich, dass die beiden Metalle ein Eutektikum mit niedrigem Schmelzpunkt bilden.
Bei ungleichem Metall DiffusionsschweißenBei dieser Methode wird eine Zwischenschicht eingebracht, die unter niedrigem Druck bei Kontakt mit den zu verschweißenden Metallen schmilzt oder ein Eutektikum mit niedrigem Schmelzpunkt bildet.
Diese dünne Flüssigkeitsschicht ermöglicht es der Zwischenschicht, nach einer bestimmten Dauer der Wärmekonservierung vollständig in das unedle Metall zu diffundieren und gleichmäßig zu werden, so dass eine Verbindung aus unterschiedlichen Metallen ohne Zwischenschicht entsteht.
Bei diesen Verfahren wird oft eine geringe Menge flüssigen Metalls während des Schweißvorgangs verwendet, weshalb sie auch als Flüssigphasenschweißen bezeichnet werden. Ihr gemeinsames Merkmal ist das Fehlen von Gussstrukturen in der Verbindung.
a. Unter dem Gesichtspunkt der gleichen Festigkeit sind Schweißdrähte auszuwählen, die der Festigkeit des Grundwerkstoffs entsprechen.
Alternativ kann man auch die Schweißbarkeit des Grundwerkstoffs sollten Sie sich für Schweißdrähte entscheiden, die nicht die gleiche Festigkeit aufweisen, aber gut schweißbar sind.
Der Aufbau der Schweißnaht sollte jedoch so gewählt werden, dass die Anforderungen an gleiche Festigkeit und gleiche Steifigkeit erfüllt werden.
b. Stellen Sie sicher, dass die Zusammensetzung der Legierung mit der des Grundmetalls übereinstimmt oder ihr nahe kommt.
c. Wenn das Basismetall eine größere Menge an schädlichen Verunreinigungen wie Kohlenstoff (C), Schwefel (S) und Phosphor (P) enthält, sind Schweißdrähte mit höherer Riss- und Porositätsbeständigkeit zu wählen. Es wird empfohlen, Schweißdrähte vom Typ Titan-Calcium zu verwenden. Lässt sich das Problem damit nicht lösen, können Schweißdrähte mit niedrigem Wasserstoffgehalt und Natrium verwendet werden.
a. Bei dynamischen Belastungen und Stoßbelastungen sind neben der Festigkeit auch eine hohe Schlagzähigkeit und Dehnung erforderlich.
Entscheiden Sie sich in diesem Fall für Schweißdrähte mit niedrigem Wasserstoffgehalt, Titan-Calcium und Eisenoxid.
b. Wenn die Schweißteile mit korrosiven Medien in Berührung kommen, muss ein geeigneter nichtrostender Stahl gewählt werden Schweißdraht je nach Art, Konzentration und Betriebstemperatur des Mediums sowie je nachdem, ob es sich um allgemeine Korrosion oder interkristalline Korrosion handelt.
c. Bei Betriebsbedingungen mit Verschleiß ist zu unterscheiden, ob es sich um allgemeinen Verschleiß oder Schlagverschleiß handelt und ob der Verschleiß bei Raumtemperatur oder hoher Temperatur auftritt.
d. Für Arbeiten unter extremen Temperaturbedingungen sind Schweißdrähte zu wählen, die mechanische Eigenschaften bei niedrigen oder hohen Temperaturen gewährleisten.
a. Bei Schweißstücken mit komplizierte Formen oder großer Dicke unterliegt das Schweißgut beim Abkühlen einer erheblichen Schrumpfspannung, die zu Rissen führen kann.
Es ist wichtig, Schweißdrähte mit hoher Rissfestigkeit zu wählen, z. B. Stäbe mit niedrigem Wasserstoffgehalt, Stäbe mit hoher Zähigkeit oder Stäbe aus Eisenoxid.
b. Für Schweißstücke, die aufgrund bestimmter Bedingungen nicht gewendet werden können, müssen Schweißdrähte ausgewählt werden, die für das Schweißen in allen Positionen geeignet sind.
c. Für Schweißstücke, bei denen der Schweißbereich schwer zu reinigen ist, wählen Sie hochoxidative Stäbe, die unempfindlich gegen Oxidhaut und Fett sind, um das Auftreten von Fehlern wie Luftlöchern zu vermeiden.
An Orten, an denen es keine Gleichstrom-Schweißmaschinen gibt, ist es nicht sinnvoll, Schweißdrähte zu wählen, die nur mit Gleichstrom arbeiten. Stattdessen sollten Schweißdrähte gewählt werden, die sowohl mit Wechsel- als auch mit Gleichstrom betrieben werden können.
Bestimmte Stahlwerkstoffe, wie z. B. perlitischer hitzebeständiger Stahl, müssen nach dem Schweißen entspannt werden.
Wenn jedoch die Ausrüstungsbedingungen oder inhärente strukturelle Beschränkungen eine Wärmebehandlung verhindern, wird empfohlen, Stangen aus nichtbasischem Material wie austenitischem Edelstahl zu verwenden, die keine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erfordern.
Dort, wo sowohl saure als auch alkalische Schweißdrähte den Anforderungen entsprechen, sollten saure Drähte bevorzugt werden.
Bei gleicher Leistung sollten die preiswerteren sauren Schweißdrähte den alkalischen vorgezogen werden.
Unter den säurehaltigen Schweißdrähten, Titan und Titan-Calcium-Typen sind teurer.
In Anbetracht der Rohstoffsituation in unserem Land sollten wir die Verwendung von Titan-Eisen-beschichteten Stäben stark fördern.
3. Berücksichtigen Sie die Komplexität der Montageform, den Grad der Steifigkeit, den Vorbereitungszustand der Schweißöffnung und die Schweißposition.
a. Beim Schweißen von Werkstücken mit komplexen Formen oder großer Dicke wird das Schweißgut beim Abkühlen einer erheblichen Schrumpfspannung ausgesetzt, die zu Rissen führen kann. Es ist wichtig, Schweißstäbe mit hoher Rissfestigkeit zu wählen, z. B. wasserstoffarme Stäbe, Stäbe mit hoher Zähigkeit oder Eisenoxidstäbe.
b. Für Schweißstücke, die aufgrund bestimmter Bedingungen nicht gewendet werden können, müssen Schweißdrähte ausgewählt werden, die für das Schweißen in allen Positionen geeignet sind.
c. Für Schweißstücke, bei denen der Schweißbereich schwer zu reinigen ist, wählen Sie hochoxidative Stäbe, die unempfindlich gegen Oxidhaut und Fett sind, um das Auftreten von Fehlern wie Luftlöchern zu vermeiden.
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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