Durch den ungleichmäßigen Wärmeeintrag beim Schweißen verändern sich das innere Temperaturfeld, das Spannungsfeld und die Mikrostruktur des Bauteils schnell, was leicht zu einer ungleichmäßigen elastisch-plastischen Verformung führen kann. Daher sind schweißtechnisch bearbeitete Werkstücke im Vergleich zu anderen Bearbeitungsverfahren stärker von Eigenspannungen betroffen.

01. Arten der Schweißbeanspruchung

Die in Schweißkonstruktionen vorhandenen Spannungen lassen sich aufgrund ihrer Ursachen und Eigenschaften grob in zwei Kategorien einteilen

Thermische Belastung:Die Belastung, die durch ungleichmäßige Erwärmung und Abkühlung während des Schweißprozesses entsteht. Es ist die momentane Spannung, die sich während des Schweißprozesses ändert.

Phasenübergangsstress:Die durch ungleichmäßige Gewebeumwandlung im Verbindungsbereich während des Schweißvorgangs verursachte Belastung entsteht häufig, wenn das Kohlenstoffäquivalent hoch ist oder der Prozess nicht ordnungsgemäß durchgeführt wurde.

Eingeschränkter Stress:Spannungen, die durch die Struktur selbst oder äußere Zwänge während des Schweißprozesses verursacht werden.

Wasserstoffinduzierter Stress:Lokale Spannungen im Bereich der Schweißverbindung, die durch die Ansammlung von Diffusionswasserstoff an Mikrofehlern nach dem Schweißen entstehen. Wenn der Wasserstoffgehalt hoch ist, lässt er sich leicht herstellen.

Schweißeigenspannung

Die Spannung, die nach dem Schweißen in der Struktur herrscht und manchmal auch als Schweißeigenspannung bezeichnet wird, ist eine selbstausgleichende innere Spannung an jedem Querschnitt innerhalb der Struktur.

Die Größe und Verteilung verschiedener Schweißspannungen hängen von den Eigenschaften des Schweißmaterials und des Stahls (z. B. Festigkeit und Ausdehnungskoeffizient), der Schweißverfahrensmethode, der Wärmezufuhr, den Prozessparametern, der Reihenfolge der Schweißmontage und der Arbeitsweise sowie der Struktur ab selbst oder äußere Zwänge, Schweißumgebungsbedingungen usw. Sie treten häufig in Kombination und Überlagerung auf.

02 Gefahren durch Schweißstress

Verursacht Schweißrisse

Unter dem Zusammenspiel von Temperatur, Organisation und strukturellen Steifigkeitsbeschränkungen wird die Schweißspannung, wenn sie einen bestimmten Wert erreicht, zur Hauptursache für verschiedene Heißrisse, Kaltrisse usw., die die Qualität der Struktur beeinträchtigen und potenzielle Gefahren verursachen. und zur Reparatur oder Verschrottung der geschweißten Teile führen.

Reduzieren Sie die Tragfähigkeit der Struktur

(1) Die Überlagerung von Eigenspannungen in geschweißten Bauteilen und Betriebsspannungen erhöht das Spannungsniveau, dem das Bauteil standhalten kann, verringert jedoch in Wirklichkeit die Tragfähigkeit der Struktur oder verringert die Festigkeitssicherheitsmarge der Struktur.

(2) Wenn das Spannungsniveau die Streckgrenze des Materials überschreitet, kommt es zu einer plastischen Zugverformung im Verbindungsbereich, wodurch ein Teil der Plastizität des Materials verloren geht.

(3) Im Schweißbereich dickwandiger Strukturen können dreidimensionale sich kreuzende Schweißnähte oder Schweißfehler dreiachsige Zugspannungen verursachen, die Fähigkeit von Materialien zur plastischen Verformung verringern und zum Ausgangspunkt für Sprödbrüche bei geringer Spannung werden.

(4) Bei geringer Lastwechselbelastung können höhere Zugeigenspannungen zu einer gewissen Verformung in länger genutzten Strukturen führen.

Verursacht Spannungskorrosion

Das Vorhandensein von Eigenzugspannungen führt in korrosiven Medien zu Spannungsrisskorrosion in der Struktur des Werkstücks, was zu Spannungskorrosion und Sprödbruch bei geringer Spannung führt.

Beeinflusst die Stabilität der Strukturdimensionen

Insbesondere bei Strukturen, die nach dem Schweißen bearbeitet werden müssen, wird das Gleichgewicht der inneren Spannungen nach der Bearbeitung gestört, was zu strukturellen Verformungen oder instabilen Bearbeitungsmaßen führt.

03 Einflussfaktoren auf die Schweißbeanspruchung

Der Einfluss der Strukturform

(1) Tablet-Dockingstation. Die Verteilung der Eigenspannungen beim Längs- und Querschweißen ist in Abbildung 1 dargestellt.

(2) Umfangsnaht des Druckbehälterzylinders. Die Größe und Verteilung der Eigenspannungen beim Längsschweißen hängen vom Durchmesser des Zylinders, der Dicke der Zylinderwand und der Breite der plastischen Druckverformungszone (wie in Abbildung 2 dargestellt) ab und nehmen mit der Zunahme zu Zylinderdurchmesser, während er mit der Ausdehnung der plastischen Verformungszone abnimmt.

Abbildung 1 Verteilung der Eigenspannung in der Stoßfuge einer flachen Platte

Abbildung 2 Eigenspannungsverteilung beim Längsschweißen einer zylindrischen Umfangsnaht

Die Auswirkungen starrer Beschränkungen

(1) Tablet-Dockingstation. Zwei Stahlplatten werden vor dem Schweißen starr in Querrichtung gehalten, und nach dem Schweißen gibt es keinen wesentlichen Einfluss auf die Längsspannung. Die beiden Querseiten haben eine einzige Zugspannung (wie in Abbildung 3 dargestellt). Schmale Platten führen zu einer hohen Zwangsspannung, während breite Platten zu einer geringeren Zwangsspannung führen. Bei langen Schweißnähten ist die Spannung am ersten Schweißende relativ gering. Nach dem Entfernen der externen Beschränkung wird die Beschränkungsspannung beseitigt und die Restspannung wird neu verteilt.

(2) Die geschlossene Schweißnaht der eingebetteten Blockverbindung. In der Schalenstruktur befinden sich Rohrstutzen oder -einsätze, die für starke starre Beschränkungen sorgen. Je größer die Steifigkeit, desto größer die innere Spannung. Die Längsspannung (dh Tangentialspannung σ t) im eingebetteten Block (wie in Abbildung 4 dargestellt) ist eine Zugspannung in der Nähe der Schweißnaht, die bis zu σ s erreichen kann; Die seitliche Spannung (also die radiale Spannung σ r) ist auch eine Zugspannung in der Nähe der Schweißnaht. Im Zentrum des Inlays, wo σ t=σ r, herrscht ein bidirektionales Spannungsfeld. Je kleiner der Durchmesser des Inlays ist, desto höher ist der bidirektionale Spannungswert. Die Spannung der Übernahmeschweißung hängt von der Verbindungsform ab, und die Spannung des Außensitztyps ist geringer; Der Stecktyp weist eine hohe Steifigkeit und hohe Beanspruchung auf.

Abbildung 3: Die Auswirkung starrer Beschränkungen auf die Schweißspannung

Bild 4 Schweißspannung in der geschlossenen Schweißnaht des Scheibeneinlegeblocks

Der Einfluss von Plattendicke und Rillenform

Die Verteilung der Eigenspannung variiert mit der Blechdicke und die Querspannung σ y senkrecht zur Schweißachse kann nicht vernachlässigt werden. Die gemessenen Werte der Eigenspannung beim Mehrschicht-Unterpulverschweißen von ultradicken 2,25Cr-1Mo-Blechen. Es ist erwähnenswert, dass die Eigenspannung in der Nähe der Oberfläche ihren Höhepunkt erreicht und diese bidirektionale oder triaxiale Spannung eine wichtige Ursache für das Auftreten von Querrissen in dieser Art von Stahlschweißnähten darstellt. Wenn die V-förmige Nut in eine Doppel-V-förmige Nut geändert wird, wird eine Druckspannung an der Wurzel der doppelt V-förmigen Nut erzeugt, was sich positiv auf die Vermeidung von Schweißrissen auswirkt, wie in Abbildung 6 dargestellt. a) Teststück ; b) 55 mm dicke Platte: c) 100 mm dicke Platte

Abbildung 6 Eigenspannungsverteilung beim symmetrischen Schweißen einer Doppel-V-förmigen Nut

Der Einfluss von Schweißprozessparametern

Mit zunehmender Schweißwärmezufuhr nehmen die Heizbreite und die Eigenspannung zu, und auch die Breite der Zugeigenspannung nimmt zu.

Einfluss der Schweißrichtung

Die seitliche Eigenspannung ist die Spannungssynthese, die durch die Längs- und Querschrumpfung der Schweißnaht und der angrenzenden plastischen Verformungszone hervorgerufen wird. Seine Größe und Verteilung hängen von der Plattenlänge und der Schweißrichtung ab. Beim Schweißen von der Mitte zu beiden Enden liegt die Druckspannung in der Mitte; Beim Schweißen von beiden Enden zur Mitte kommt es an beiden Enden zu einer Druckspannung, wie in Abbildung 7 dargestellt. a) Schweißen von der Mitte zu beiden Enden; b) Beide Enden zur Mitte hin verschweißen

Abbildung 7: Der Einfluss der Schweißrichtung auf die Verteilung der seitlichen Eigenspannung

Die Auswirkungen des Phasenübergangs

Beim Schweißen von hochfestem Stahl mit hohem Kohlenstoffäquivalent kommt es zu einer Umwandlung der HAZ und der Schweißmikrostruktur von Austenit zu Martensit, was zu einer Erhöhung des spezifischen Volumens führt. Bei dieser Übergangstemperatur hat das Material seine Elastizität wiedererlangt, was zu einer Phasenübergangsspannung führt. Es wird mit Schweißspannungen überlagert, die durch ungleichmäßige plastische Verformung verursacht werden und bei denen es sich um Druckspannungen in der Phasenübergangszone handeln kann. Die (triaxiale) Volumenausdehnung kann in bestimmten Bereichen auch zu erheblichen Phasenübergangsspannungen in Querrichtung führen, was einer der Hauptfaktoren ist zum Kaltknacken.

04 Methoden zur Vermeidung und Reduzierung von Schweißstress

Übernahme einer angemessenen Schweißreihenfolge und -richtung

Das Grundprinzip besteht darin, dass beim Schweißen von Nähten auf einer ebenen Fläche sowohl die Längs- als auch die Querschrumpfung relativ frei sein sollte. Die Schweißnaht mit der größten Schrumpfung in der Struktur sollte zuerst geschweißt werden, z. B. zuerst die Stumpfnaht und dann die Kehlnaht. Beim Schweißen von Quernähten sollte die Schweißreihenfolge darauf achten, dass die Kreuzungspunkte nicht fehleranfällig sind und eine geringe Steifigkeit aufweisen. Wie in Abbildung 8 dargestellt, ist ABC angemessen und D unvernünftig.

Abbildung 8 Schweißreihenfolge von Querschweißnähten

Versuchen Sie, möglichst wenig Schweißwärme einzubringen

Eine geringe Schweißwärmezufuhr kann das Ausmaß ungleichmäßiger Heizzonen und das Ausmaß der Schweißnahtschrumpfung verringern. Im Betrieb werden hochenergetische Schweißverfahren wie Schweißstäbe mit kleinem Durchmesser, Mehrschicht- und Mehrlagenschweißen, schnelles, nicht schwingendes Schweißen mit niedrigem Strom und konzentrierte Schweißwärmequellen verwendet, um die Zwischenschichttemperatur für segmentiertes Schweißen und segmentiertes Umkehrschweißen zu steuern. um den Wärmeeintrag zu reduzieren.

Übernahme der Gesamtvorwärmung

Durch das allgemeine Vorwärmen kann der Temperaturunterschied zwischen dem Schweißverbindungsbereich und der Gesamtstruktur verringert werden, um die ungleichmäßige plastische Verformung zu verringern, die durch ungleichmäßige Ausdehnung und Kontraktion im thermischen Schweißzyklus verursacht wird, und die Schweißspannung zu verringern. Beispielsweise wird beim Heißschweißverfahren von Gusseisen das Gussstück auf 600 °C erhitzt.

Hammer

Nach dem Schweißen kann ein schnelles und gleichmäßiges Hämmern der Schweißraupe zu einer plastischen Verformung des Schweißguts führen, wodurch die Schweißverformung und die Schweißspannung verringert werden können. Im Allgemeinen sollte ein flacher, langer Hammer mit rundem Kopf (der mit einem Meißel modifiziert werden kann, aber nicht mit einer spitzen Spitze) verwendet werden, um nacheinander zu schlagen, mit mäßiger Kraft, um den 2-mm-Bereich zu beeinflussen. Die Länge der Schweißraupe und die Hämmertemperatur sollten entsprechend den Materialeigenschaften gewählt werden. Im Allgemeinen sollte die Wurzelschweißnaht nicht gehämmert werden, um Risse zu vermeiden, und die Deckschweißnaht sollte nicht gehämmert werden, um das Aussehen nicht zu beeinträchtigen.

Reduzieren Sie die Auswirkungen von Wasserstoff

Insbesondere bei hochfesten legierten Stählen mit Neigung zur Kaltrissbildung sollte auf die Reduzierung des Wasserstoffeinflusses geachtet werden. Wenn Schweißstäbe mit niedrigem Wasserstoffgehalt und alkalische Flussmittel verwendet und gemäß den Vorschriften getrocknet und in einem Trockenzylinder gelagert werden, können diese nach Bedarf verwendet werden, um Feuchtigkeit, Öl, Rost usw. von der Nutoberfläche zu entfernen, die Temperatur der Schweißumgebung zu kontrollieren, und bei Bedarf eine Dehydrierungsbehandlung durchführen, d. h. nach dem Schweißen je nach Situation sofort 2-3 Stunden lang auf 250 °C oder 1-2 Stunden lang auf 350 °C erhitzen.

Behandlung zum Stressabbau

Die Eliminierung der Schweißeigenspannung wird durch eine plastische Zugverformung in der Nähe des Schweißbereichs und eine Verringerung des Ausmaßes der verbleibenden plastischen Verformung erreicht.
(1) Spannungsarmglühen (Spannungsarmglühen). Erhitzen Sie die Schweißkonstruktion als Ganzes oder lokal auf 20–30 °C unter dem Phasenübergangspunkt des zu isolierenden Stahls, um die für den Spannungsabbau durch Kriechen während der Isolierung erforderliche plastische Verformung zu erzeugen. Das Halten einer bestimmten Temperatur für etwa eine Stunde kann Spannungen wirksam abbauen, und die meiste Zeit, die für die Wärmebehandlung dickwandiger Strukturen erforderlich ist, wird zum Erhitzen und Abkühlen verwendet. Diese Methode kann im Allgemeinen 70 bis 90 % der Eigenspannung abbauen. Gleichzeitig wurde auch das Material der meisten Stahlschweißbereiche verbessert. Bei Materialien mit Anlasssprödigkeit oder einer Tendenz zur Rissbildung bei Wiedererwärmung ist es wichtig, die Aufheizgeschwindigkeit und die Isolationstemperatur sorgfältig zu wählen.

(2) Lademethode. Nutzung mechanischer Prinzipien zur Belastung und Herbeiführung einer plastischen Verformung in der Eigenspannungszone der Schweißverbindung und Entspannung der Zugkraft in der Verbindungszone nach der Lastreduzierung. Diese Methode ist nur auf Kunststoffmaterialien mit relativ geringer Streckgrenze anwendbar und es sollte darauf geachtet werden, dass die Wassertemperatur über der Sprödübergangstemperatur des Materials liegt. Auch die Hämmermethode sollte diesem Prinzip folgen. In den letzten Jahren wurden auch Explosionsentlastungsmethoden und Vibrationsentlastungsmethoden entwickelt.

(3) Temperaturdifferenz-Streckmethode (oder Niedertemperatur-Entspannungsmethode). Erhitzen Sie jede Seite der Schweißnaht mit einem geeigneten Autogenbrenner, sprühen Sie Wasser mit dem Abflussrohr in einem bestimmten Abstand dahinter (siehe Abbildung 9) und halten Sie den gleichen Abstand ein, um auf beiden Seiten ein Temperaturfeld mit hoher Temperatur zu erzeugen (ca. 200 °C). und niedrige Temperatur an der Schweißnaht (ca. 100 ℃). Dadurch kommt es bei der thermischen Ausdehnung auf beiden Seiten zu einer plastischen Zugverformung der Schweißnaht, die die ursprüngliche plastische Schrumpfverformung ausgleicht und die Restspannung abbaut. Diese Methode stellt für kohlenstoffarmen Stahl kein großes Problem dar, bei legiertem Stahl sollte jedoch besonders auf den Einfluss der Temperatur auf das Material geachtet werden.

Abbildung 9 Temperaturdifferenz-Streckmethode