Haben Sie sich jemals gefragt, warum geschweißte Strukturen trotz ihres robusten Aussehens manchmal versagen? Dieser Artikel befasst sich mit den verborgenen Herausforderungen des Schweißens und zeigt auf, wie ungleichmäßige Erwärmung und Abkühlung zu Spannungen, Verformungen und sogar zum Versagen der Struktur führen können. Am Ende werden Sie die Schlüsselfaktoren verstehen, die die Schweißqualität beeinflussen, und wissen, wie Sie diese Probleme entschärfen können.
Obwohl geschweißte Konstruktionen in der Industrie weit verbreitet sind, stellen sie oft Herausforderungen dar, die in erster Linie mit den Schweißnähten zusammenhängen. Diese Herausforderungen können in mehrere Schlüsselbereiche eingeteilt werden:
1. Eigenspannung und Verformung:
Beim Schweißen kommt es zu einer lokal begrenzten, starken Erwärmung, gefolgt von einer schnellen Abkühlung, was zu einer ungleichmäßigen Wärmeausdehnung und -kontraktion führt. Diese thermischen Zyklen führen zu Eigenspannungen und Verformungen in der geschweißten Struktur. Diese Probleme beeinträchtigen nicht nur die Maßhaltigkeit und die ästhetische Qualität, sondern erschweren auch die Nachschweißarbeiten. In schwerwiegenden Fällen können die strukturelle Integrität und die Tragfähigkeit insgesamt erheblich beeinträchtigt werden.
2. Mikrostrukturelle Veränderungen:
Schweißverbindungen durchlaufen während ihrer Entstehung drei verschiedene Phasen: Schmelzen, Erstarren und die Entwicklung der Wärmeeinflusszone (WEZ). Jede Phase verändert die Mikrostruktur des Werkstoffs, wodurch sich die mechanischen Eigenschaften, die Korrosionsbeständigkeit und das Ermüdungsverhalten ändern können. Insbesondere die WEZ kann deutlich andere Eigenschaften aufweisen als das Grundmetall und das Schweißgut.
3. Wesentliche Eigentumsveränderungen:
Durch das Schweißen können die Eigenschaften des Grundmaterials erheblich verändert werden. Zu diesen Veränderungen können Modifikationen der Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit und Härte gehören. Bei einigen Legierungen kann es zu Ausscheidungshärtung oder Kornwachstum kommen, während bei anderen eine Erweichung aufgrund von Überalterung beobachtet werden kann. Das Verständnis und die Abschwächung dieser metallurgischen Veränderungen sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der gewünschten Materialeigenschaften in der geschweißten Struktur.
4. Spannungskonzentration und Versagensmodi:
Schweißspannungen, insbesondere Eigenspannungen, tragen in erheblichem Maße zu verschiedenen Versagensmechanismen bei:
5. Maßliche Ungenauigkeiten:
Schweißverzug äußert sich in Form- und Maßänderungen der geschweißten Struktur. Dies kann dazu führen:
Diese Verformungen können die Fertigungsqualität, die funktionelle Leistung und die Lebensdauer der geschweißten Struktur erheblich beeinträchtigen. Um diese nachteiligen Auswirkungen zu minimieren, sind oft Abhilfestrategien erforderlich, wie z. B. die richtige Konstruktion der Verbindung, kontrollierte Wärmezufuhr, die Reihenfolge der Schweißnähte und Nachbehandlungen nach dem Schweißen.
1. Verzerrung
Unter Verzug beim Schweißen versteht man die unbeabsichtigte Veränderung der Form und der Abmessungen eines Werkstücks, die sich aus den ungleichmäßigen Erwärmungs- und Abkühlungszyklen des Schweißprozesses ergibt. Dieses Phänomen ist auf die örtlich begrenzte thermische Ausdehnung und Kontraktion des Werkstoffs sowie auf Phasenumwandlungen in der Wärmeeinflusszone (WEZ) zurückzuführen.
2. Stress
Spannung ist definiert als die innere Kraft pro Flächeneinheit, die in einem Material als Reaktion auf äußere Lasten oder andere Faktoren wie Wärmegradienten wirkt. Beim Schweißen manifestiert sich die Spannung als:
3. Schweißspannung und Schweißverzug
Unter Schweißspannungen versteht man das komplexe System von Eigenspannungen, die sich während und nach dem Schweißprozess in einer Schweißnaht entwickeln. Diese Spannungen entstehen durch:
Schweißverzug ist die messbare Veränderung der Geometrie und der Abmessungen einer Schweißnaht, die durch die kumulativen Auswirkungen von Schweißspannungen verursacht wird. Zu den üblichen Arten von Schweißverzug gehören:
Das Verständnis des Zusammenhangs zwischen Schweißspannung und Verformung ist entscheidend für die Umsetzung wirksamer Strategien zur Abschwächung von Schweißkonstruktionen und Fertigungsprozessen.
1. Ungleichmäßige Erwärmung der Schweißnähte
(1) Spannungen und Verformungen durch die zentrale Erwärmung eines langen Bandes (ähnlich wie bei der Oberflächenbehandlung)
Spannung und Verformung der Bandmitte bei Erwärmung und Abkühlung
(2) Spannungen und Verformungen, die durch die Erwärmung auf einer Seite des langen Bandes verursacht werden (gleichbedeutend mit dem Aufschweißen von Blechkanten)
Spannungen und Verformungen beim Erhitzen und Abkühlen auf einer Seite der Stahlplatte Rand
2. Schrumpfung des geschweißten Metalls
3. Änderung der Metallstruktur
4. Steifigkeit und Festigkeit der Schweißnaht
Der Schweißverzug lässt sich in fünf Grundformen unterteilen: Schrumpfungsverzug, Winkelverzug, Biegeverzug, Wellenverzug und Verformungsverzug.
Grundformen des Schweißverzugs
1). Schrumpfung Verzerrung
Das Phänomen, dass die Größe der Schweißnaht kürzer ist als vor dem Schweißen, wird als Schrumpfverzug bezeichnet.
Verformung durch Längs- und Querschwindung
(1) Verformung durch Längsschrumpfung
(2) Schwindungsverzerrung in Querrichtung
2). Winkel Verzerrung
Die Ursache für die Winkelverformung liegt in der ungleichmäßigen Verteilung der Querschrumpfung über die Blechdicke.
Winkelverformung mehrerer Gelenke
Winkelverformung des T-Stoßes
3). Biegen Verzerrung
Die Biegeverformung wird durch die Nichtübereinstimmung oder Asymmetrie zwischen der Mittellinie der Schweißnaht und der neutralen Achse des Bauteils sowie durch die ungleichmäßige Verteilung der Schrumpfung der Schweißnaht über die Breite der Schweißnaht verursacht.
(1) Biegeverformung durch Längsschrumpfung
Biegeverzug durch Längsschrumpfung der Schweißnaht
(2) Biegeverformung durch Querschrumpfung
Biegeverzug durch Querschrumpfung der Schweißnaht
4). Wellenverzerrung
Beim Schweißen von dünnen Blechen mit einer Dicke von weniger als 6 mm tritt häufig Wellenverzug auf, der auch als Instabilitätsverzug bezeichnet wird.
Wellenverzug durch Schweißnahtverzug
5). Verzerrung
Die Hauptursache für den Verzug ist die ungleichmäßige Verteilung der Kehlnahtverformung über die Schweißnahtlänge.
Verzerrung von I-Träger
1). Gestaltungsmaßnahmen
(1) Wählen Sie eine angemessene Form und Größe der Schweißnaht
1) Wählen Sie die kleinste Schweißnahtgröße.
Kreuzverbindung mit gleicher Tragfähigkeit
2) Wählen Sie eine angemessene Rillenform.
Nut des T-Stoßes
(2) Reduzieren Sie die Anzahl der Schweißnähte
Wenn möglich, sind Profile und Stanzteile die bevorzugten Optionen. Bei Strukturen mit vielen und dichten Schweißnähten können gegossene Schweißnahtstrukturen verwendet werden, um die Anzahl der Schweißnähte zu reduzieren. Darüber hinaus kann die Erhöhung der Dicke des Wandblechs zur Verringerung der Anzahl der Rippen oder die Verwendung von profilierten Strukturen anstelle von Rippenstrukturen dazu beitragen, den Verzug von dünnen Blechstrukturen zu vermeiden.
(3) Vernünftige Anordnung der Schweißposition
Bei Trägern, Stützen und anderen geschweißten Bauteilen kommt es aufgrund der exzentrischen Anordnung der Schweißnaht häufig zu Biegeverzug.
Anordnung der Schweißnähte in der Kastenstruktur
Angemessene Anordnung der Schweißstelle zur Vermeidung von Verzug
2). Prozessmaßnahmen
(1) Wertberichtigungsmethode
(2) Methode der inversen Verzerrung
Inverse Verzerrungsmethode für flache Platten Stumpfschweißen
(3) Starre Fixierungsmethode
1) Befestigen Sie die Schweißnaht auf der starren Plattform.
Starre Fixierung beim Verbinden dünner Platten
2) Die Schweißnaht wird zu einer steiferen oder symmetrischen Struktur verbunden.
Starre Befestigung und Anti-Verzerrung des T-Trägers
3) Die Schweißvorrichtung wird verwendet, um die Steifigkeit und Festigkeit der Struktur zu erhöhen.
Starre Fixierung beim Stumpfspleißen
4) Verwenden Sie provisorische Stützen, um die Festigkeit der Struktur zu erhöhen.
Vorübergehende Unterstützung beim Schutzgasschweißen
(4) Wählen Sie eine sinnvolle Montage- und Schweißreihenfolge.
Die Montageschweißreihenfolge hat einen großen Einfluss auf den Verzug der geschweißte Struktur.
(1) Wenn die Bedingungen es zulassen, sollten große und komplexe Schweißkonstruktionen in mehrere Teile mit einfachen Strukturen aufgeteilt, separat geschweißt und dann als Ganzes zusammengefügt werden.
(2) Die Schweißnaht sollte beim Schweißen so nah wie möglich an der neutralen Achse des Bauteils liegen.
Montage und Schweißen des Hauptträgers
3) Bei Konstruktionen mit asymmetrischer Anordnung der Schweißnähte ist beim Zusammenschweißen die Seite mit den wenigsten Schweißnähten zuerst zu schweißen.
Schweißreihenfolge des Oberwerkzeugs der Presse
4) Die Konstruktion mit einer symmetrischen Anordnung der Schweißnähte muss von gleichmäßigen Schweißern symmetrisch geschweißt werden.
Schweißreihenfolge der Zylinderstumpfnaht
5) Beim Schweißen von langen Schweißnähten (mehr als 1 m) kann die in der Abbildung unten gezeigte Richtung und Reihenfolge verwendet werden, um die Schrumpfverformung nach dem Schweißen zu verringern.
(5) Vernünftig auswählen Schweißverfahren und Schweißprozessparameter
Schweißen einer Struktur mit asymmetrischem Querschnitt
(6) Wärmebilanzmethode
Verwenden Sie die Wärmebilanzmethode, um Schweißverzug zu vermeiden.
(7) Verfahren zur Wärmeableitung
1). Manuelle Korrektur
2). Mechanische Korrekturmethode
Korrektur der Biegeverformung des Trägers durch die mechanische Korrekturmethode
3). Methode zur Korrektur der Flammenerwärmung
Zu den Arten der Flammenerwärmung gehören die punktuelle, die lineare und die dreieckige Erwärmung.
(1) Punktuelle Heizung
(2) Lineare Heizung
(3) Dreieckige Heizung
Flammenkorrektur der Biegeverformung eines I-Trägers
Die Korrektur von Schweißverzug durch Flammenerwärmung hängt von den folgenden drei Faktoren ab:
(1) Heizbetrieb
(2) Stellung der Heizung
(3) Heiztemperatur und Fläche der Heizzone
1). Je nach den Ursachen von Stress
(1) Thermische Belastung
Thermische Spannungen entstehen durch eine ungleichmäßige Temperaturverteilung während des Schweißvorgangs. Da sich das Schweißgut und der umgebende Grundwerkstoff unterschiedlich schnell erwärmen und abkühlen, kommt es zu lokalen Ausdehnungen und Kontraktionen, die zur Spannungsentwicklung führen.
(2) Umwandlungsspannung
Umwandlungsspannungen, auch Phasenumwandlungsspannungen genannt, entstehen durch Volumenänderungen, die mit mikrostrukturellen Veränderungen des Materials während der Erwärmungs- und Abkühlungszyklen einhergehen. Dies ist besonders wichtig bei Stählen, die martensitische oder bainitische Umwandlungen durchlaufen.
(3) Plastische Dehnungsspannung
Plastische Dehnungsspannungen entstehen, wenn das Material aufgrund von Wärmegradienten und Zwängen während des Schweißens örtlich begrenzt nachgibt. Diese ungleichmäßige plastische Verformung trägt zum Zustand der Eigenspannung nach dem Abkühlen bei.
2). Je nach dem Zeitpunkt des Bestehens der Belastung
(1) Transiente Spannungen beim Schweißen
Transiente Schweißspannungen, die auch als Momentanspannungen bezeichnet werden, treten während des Schweißprozesses selbst auf. Es handelt sich um einen dynamischen Spannungszustand, der sich schnell entwickelt, wenn sich die Wärmequelle entlang der Schweißnaht bewegt, was zu kontinuierlichen Veränderungen der Temperaturverteilung und der Materialeigenschaften führt.
(2) Schweißeigenspannung
Die Schweißeigenspannung ist die statische Spannung, die in der geschweißten Struktur verbleibt, nachdem sie vollständig auf Umgebungstemperatur abgekühlt ist und alle äußeren Belastungen entfernt wurden. Diese Spannung kann das mechanische Verhalten und die Lebensdauer von geschweißten Bauteilen erheblich beeinflussen.
1). Verteilung der Längsschnittdaten Eigenspannung σx
Verteilung des Stumpfstoßes auf dem Schweißnahtquerschnitt 0x
2). Verteilung der Quereigenspannung σy
(1) Die durch die Längsschrumpfung der Schweißung und der angrenzenden plastischen Verformungszone verursachte Querspannung beträgt σ'y
(2) Mechanische Beanspruchung durch Querschrumpfung Jahr σ" y
Verteilung von σ" Y beim Schweißen in verschiedenen Richtungen
1). Auswirkungen auf die strukturelle Festigkeit
2). Einfluss auf die Maßhaltigkeit der Schweißnahtbearbeitung
Innerer Stress Freisetzung und Verformung durch die Bearbeitung
3). Einfluss auf die Stabilität von Druckgliedern
1). Gestaltungsmaßnahmen
1) Minimieren Sie die Anzahl und Größe der Schweißnähte an der Struktur.
2) Vermeiden Sie eine übermäßige Konzentration von Schweißnähten und halten Sie einen ausreichenden Abstand zwischen den Schweißnähten ein.
Schweißen von Gefäßstutzen
3) Die Verbindungsform mit geringerer Steifigkeit ist zu wählen.
Maßnahmen zur Verringerung der Steifigkeit von Gelenken
2). Prozessmaßnahmen
1) Angemessene Schweißreihenfolge und -richtung bei der Montage.
① Beim Schweißen der Schweißnaht in einer Ebene ist darauf zu achten, dass die Längs- und Querschrumpfung der Schweißnaht relativ frei sein kann.
Sinnvolle Montage und Schweißreihenfolge von Verbindungsnähten
② Die Schweißnaht mit der größten Schrumpfung ist zuerst zu schweißen.
Schweißablauf einer Duplex-Trägerstruktur mit Deckplatte
③ Die Schweißnaht mit der größten Spannung während des Betriebs muss zuerst geschweißt werden.
Schweißreihenfolge eines stumpfen I-Trägers
④ Beim Schweißen einer ebenen Kreuzschweißnaht kann es leicht zu großen Schweißspannungen am Schnittpunkt der Schweißnaht kommen.
Schweißreihenfolge von ebenen Kreuznähten
⑤ Die Struktur, in der Stumpfnähte und Kehlnähte kreuzen.
2) Vorwärmverfahren.
3) Kaltes Schweißen.
4) Reduzieren Sie die Einschränkung der Schweißnähte.
Verringerung der lokalen Steifigkeit und Eigenspannung
Schematische Darstellung der Erhitzungsmethode "Entspannungszone".
1). Verfahren zur Wärmebehandlung
(1) Integrale Wärmebehandlung
(2) Lokale Wärmebehandlung
2). Mechanische Streckmethode
3). Temperaturdifferenz-Stretching-Verfahren
Schematische Darstellung des Abbaus von Eigenspannungen durch die "Temperaturdifferenz-Zugmethode".
4). Hammerschweißen
5). Vibrationsverfahren
1). Mechanische Methoden
(1) Trennungsmethode
Bei der Sektionsmethode wird das geschweißte Bauteil vorsichtig in kleinere Stücke geschnitten, die die Freisetzung und Messung von Eigenspannungen ermöglichen. Diese zerstörende Technik liefert ein umfassendes Spannungsprofil über die Schweißnaht und die Wärmeeinflusszone (WEZ).
(2) Loch-Bohr-Methode
Bei dieser halbzerstörerischen Methode wird ein kleines Loch in den geschweißten Bereich gebohrt und die daraus resultierende Dehnungsrelaxation gemessen. Sie ist besonders effektiv für die Messung der oberflächennahen Eigenspannung und kann Daten über die Spannungsverteilung in verschiedenen Tiefen liefern.
2). Zerstörungsfreie physikalische Methoden
(1) Magnetische Methoden
Techniken wie die Barkhausen-Rauschanalyse (BNA) und die Magnetostriktion nutzen die Beziehung zwischen den magnetischen Eigenschaften eines Materials und seinem Spannungszustand. Diese Methoden eignen sich besonders für ferromagnetische Werkstoffe und können schnelle Messungen vor Ort ermöglichen.
(2) Röntgendiffraktion (XRD)
XRD nutzt das Prinzip des Braggschen Gesetzes, um durch Eigenspannungen verursachte Gitterverformungen zu messen. Diese hochpräzise Methode ist zerstörungsfrei und kann Oberflächenspannungen mit hervorragender räumlicher Auflösung messen, was sie ideal für komplexe Geometrien und mehrlagige Schweißnähte macht.
(3) Ultraschall-Methoden
Diese Verfahren machen sich den akustoelastischen Effekt zunutze, bei dem sich die Geschwindigkeit der Ultraschallwellen mit dem Spannungszustand des Materials ändert. Flugzeitbeugung (TOFD) und kritisch gebrochene Longitudinalwellen (LCR) werden üblicherweise für die Messung von Eigenspannungen durch die Dicke hindurch in dicken geschweißten Bauteilen verwendet.
(4) Neutronenbeugung
Die Neutronenbeugung wird zwar in der ursprünglichen Liste nicht erwähnt, ist aber eine leistungsstarke zerstörungsfreie Methode zur Messung von Eigenspannungen tief in dicken geschweißten Bauteilen. Sie bietet eine hervorragende Eindringtiefe und ist besonders nützlich für komplexe Geometrien und mehrphasige Materialien.
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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