Schweißrisse werden ihrer Natur nach in Heißrisse, Warmrisse, Kaltrisse, Lamellenrisse usw. eingeteilt. Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Erläuterung der Ursachen, Merkmale und Vorbeugungsmethoden verschiedener Risse.
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heiße Risse
Es entsteht beim Schweißen bei hohen Temperaturen und wird daher als Heißriss bezeichnet. Es ist durch Rissbildung entlang der ursprünglichen Austenitkorngrenze gekennzeichnet. Abhängig von den Materialien des zu schweißenden Metalls (niedriglegierter hochfester Stahl, Edelstahl, Gusseisen, Aluminiumlegierung und einige Sondermetalle usw.) unterscheiden sich auch die Form, der Temperaturbereich und die Hauptursachen für Heißrisse. Derzeit werden thermische Risse in drei Kategorien eingeteilt: Kristallrisse, Verflüssigungsrisse und polylaterale Risse.
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(1) Kristallrisse
Es tritt hauptsächlich in Schweißnähten aus Kohlenstoffstahl und niedriglegiertem Stahl auf, die mehr Verunreinigungen enthalten (mit hohem S-, P-, C- und Si-Gehalt), sowie in einphasigen austenitischen Stählen, Nickelbasislegierungen und einigen Aluminiumlegierungsschweißnähten. Diese Art von Riss entsteht während des Schweißkristallisationsprozesses in der Nähe der Soliduslinie. Aufgrund der Schrumpfung des erstarrten Metalls reicht das verbleibende flüssige Metall nicht aus und kann nicht rechtzeitig aufgefüllt werden. Unter Spannungseinwirkung kommt es zur interkristallinen Rissbildung.
Zu den Vorbeugungs- und Kontrollmaßnahmen gehören: im Hinblick auf metallurgische Faktoren die Zusammensetzung des Schweißguts entsprechend anpassen, den Bereich der spröden Temperaturzone verkürzen, den Gehalt an schädlichen Verunreinigungen wie Schwefel, Phosphor und Kohlenstoff in der Schweißnaht kontrollieren; Verfeinern Sie die Primärkörner des Schweißguts, d. h. fügen Sie entsprechend Mo, V, Ti, Nb und andere Elemente hinzu; Aus technischer Sicht kann dies durch Vorwärmen vor dem Schweißen, Steuerung der Leitungsenergie, Reduzierung der Gelenkspannung usw. verhindert werden.
(2) Verflüssigungsrisse im Nahtbereich
Dabei handelt es sich um eine Art Mikroriss, der entlang der Austenitkorngrenze reißt. Seine Größe ist sehr gering und kommt in der WEZ in der Nähe des Nahtbereichs oder zwischen Schichten vor. Seine Entstehung ist im Allgemeinen darauf zurückzuführen, dass das Metall im nahtnahen Bereich oder das Metall zwischen den Schweißnähten beim Schweißen dazu führt, dass die niedrig schmelzende eutektische Zusammensetzung an den Austenitkorngrenzen in diesen Bereichen bei hohen Temperaturen umgeschmolzen wird. Unter Einwirkung von Zugspannung bildet die niedrigschmelzende eutektische Zusammensetzung Austenit interkristalline Risse und bildet Verflüssigungsrisse.
Die Präventions- und Kontrollmaßnahmen für diese Art von Rissen sind grundsätzlich dieselben wie für Kristallrisse. Insbesondere in der Metallurgie ist es sehr effektiv, den Gehalt an niedrig schmelzenden eutektischen Elementen wie Schwefel, Phosphor, Silizium und Bor so weit wie möglich zu reduzieren; Technisch gesehen kann es die Linienenergie reduzieren und die Konkavität der Fusionslinie im Schmelzbad verringern.
(3) Polygonale Risse
Sie wird durch die geringe Plastizität bei hohen Temperaturen bei der Bildung von Polygonen verursacht. Diese Art von Riss kommt nicht häufig vor. Zu den Präventions- und Kontrollmaßnahmen kann das Hinzufügen von Elementen wie Mo, W, Ti usw. zur Schweißnaht gehören, um die polylaterale Anregungsenergie zu erhöhen.
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Crack erneut erhitzen
Es tritt normalerweise bei bestimmten Stahltypen und Hochtemperaturlegierungen auf, die ausscheidungsverstärkende Elemente enthalten (einschließlich niedriglegierter hochfester Stähle, perlitischer hitzebeständiger Stähle, ausscheidungsverfestigter Hochtemperaturlegierungen und einiger austenitischer Edelstähle). Nach dem Schweißen wurden keine Risse festgestellt. Stattdessen kam es während des Wärmebehandlungsprozesses zu Rissen. Wiedererhitzungsrisse treten in den überhitzten grobkörnigen Teilen der Schweißwärmeeinflusszone auf und ihre Richtung besteht darin, sich entlang der grobkörnigen Austenitkorngrenzen der Schmelzlinie auszudehnen.
Hinsichtlich der Materialauswahl zur Vermeidung von Wiedererwärmungsrissen kann Feinkornstahl verwendet werden. Aus technologischer Sicht sollten Sie eine geringere lineare Energie verwenden, eine höhere Vorwärmtemperatur und Nachwärmmaßnahmen verwenden und schlecht passende Schweißmaterialien verwenden, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden.
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kalter Riss
Sie tritt hauptsächlich in der Schweißwärmeeinflusszone von Stählen mit hohem und mittlerem Kohlenstoffgehalt sowie niedrig- und mittellegiertem Stahl auf, aber manchmal treten auch Kaltrisse in Schweißnähten einiger Metalle auf, wie etwa einiger ultrahochfester Stähle, Titan und Titanlegierungen. Im Allgemeinen sind die Verhärtungsneigung der Stahlsorte, der Wasserstoffgehalt und die Wasserstoffverteilung in der Schweißverbindung sowie der Spannungszustand der Verbindung die drei Hauptfaktoren, die beim Schweißen von hochfestem Stahl Kaltrisse verursachen. Unter der Einwirkung des Wasserstoffelements und der Zugspannung bildet die nach dem Schweißen gebildete Martensitstruktur Kaltrisse. Seine Bildung erfolgt im Allgemeinen transgranular oder intergranular. Kaltrisse werden im Allgemeinen in Schweißnahtrisse, Schweißwulstrisse und Wurzelrisse unterteilt.
Die Vermeidung und Bekämpfung von Kaltrissen kann von drei Aspekten ausgehen: der chemischen Zusammensetzung des Werkstücks, der Auswahl der Schweißmaterialien und Prozessmaßnahmen. Es sollten möglichst Materialien mit geringeren Kohlenstoffäquivalenten verwendet werden; Als Schweißmaterialien sollten wasserstoffarme Elektroden verwendet werden, und für Schweißnähte sollte eine Paarung mit geringer Festigkeit verwendet werden. Austenitische Schweißstoffe können auch für Werkstoffe mit hoher Kaltrissneigung eingesetzt werden; Lineare Energie, Vorheizen und Nachheizen sollten angemessen gesteuert werden. Die Wärmebehandlung ist eine verfahrenstechnische Maßnahme zur Vermeidung von Kaltrissen.
Bei der Schweißproduktion können aufgrund der unterschiedlichen verwendeten Stahlsorten und Schweißmaterialien, der Art und Steifigkeit der Struktur sowie der spezifischen Baubedingungen verschiedene Formen von Kaltrissen auftreten. Allerdings kommt es hauptsächlich in der Produktion zu verzögerter Rissbildung.
Verzögertes Knacken kommt in drei Formen vor:
(1) Schweißnahtriss – Diese Art von Riss entsteht an der Grenzfläche zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht und weist offensichtliche Spannungskonzentrationsstellen auf. Die Rissrichtung verläuft häufig parallel zur Schweißnaht und beginnt im Allgemeinen an der Oberfläche des Schweißnahtübergangs und erstreckt sich bis in die Tiefe des Grundmetalls.
(2) Risse unter der Schweißnaht – Diese Art von Rissen tritt häufig in der Schweißwärmeeinflusszone mit großer Verhärtungsneigung und hohem Wasserstoffgehalt auf. Im Allgemeinen verläuft die Rissrichtung parallel zur Schmelzlinie.
(3) Wurzelriss – dieser Risstyp ist eine häufige Form des verzögerten Risses, der hauptsächlich dann auftritt, wenn der Wasserstoffgehalt hoch und die Vorwärmtemperatur unzureichend ist. Diese Art von Riss ähnelt einem Schweißnahtriss und entsteht an der Wurzel der Schweißnaht, wo die Spannungskonzentration am größten ist. Wurzelrisse können im grobkörnigen Bereich der Wärmeeinflusszone oder im Schweißgut auftreten.
Die Verhärtungsneigung der Stahlsorte, der Wasserstoffgehalt und die Wasserstoffverteilung in der Schweißverbindung sowie der Zwangsspannungszustand der Verbindung sind die drei Hauptfaktoren, die beim Schweißen von hochfestem Stahl Kaltrisse verursachen. Diese drei Faktoren hängen miteinander zusammen und verstärken sich unter bestimmten Bedingungen gegenseitig.
Die Verhärtungsneigung von Stahlsorten wird hauptsächlich durch die chemische Zusammensetzung, die Blechdicke, den Schweißprozess und die Abkühlbedingungen bestimmt. Beim Schweißen gilt: Je stärker die Verhärtungsneigung der Stahlsorte ist, desto leichter kommt es zur Rissbildung. Warum reißt Stahl nach dem Aushärten? Es lässt sich in die folgenden zwei Aspekte zusammenfassen:
(1) Bildung einer spröden und harten Martensitstruktur – Martensit ist eine übersättigte feste Lösung von Kohlenstoff in Eisen. Kohlenstoffatome liegen als Zwischengitteratome im Kristallgitter vor, wodurch die Eisenatome von der Gleichgewichtslage abweichen und sich das Kristallgitter verändert. Bei starker Verformung befindet sich das Gewebe in einem verhärteten Zustand. Besonders unter Schweißbedingungen ist die Erwärmungstemperatur im nahtnahen Bereich sehr hoch, was zu einem starken Wachstum der Austenitkörner führt. Bei schneller Abkühlung wandelt sich der grobe Austenit in groben Martensit um. Aus der Festigkeitstheorie von Metallen ist bekannt, dass Martensit ein sprödes und hartes Gefüge ist, das beim Bruch weniger Energie verbraucht. Wenn Martensit in der Schweißverbindung vorhanden ist, können sich daher leicht Risse bilden und ausdehnen.
(2) Beim Härten entstehen mehr Gitterfehler – Metall bildet unter thermischen Ungleichgewichtsbedingungen eine große Anzahl von Gitterfehlern. Bei diesen Gitterfehlern handelt es sich hauptsächlich um Leerstellen und Versetzungen. Wenn die thermische Belastung in der Schweißwärmeeinflusszone zunimmt, verschieben sich Leerstellen und Versetzungen und sammeln sich unter Stressbedingungen und thermischem Ungleichgewicht an. Wenn ihre Konzentration einen bestimmten kritischen Wert erreicht, bilden sich Rissquellen. Unter anhaltender Spannungseinwirkung werden sich makroskopische Risse weiter ausdehnen und bilden.
Wasserstoff ist einer der wichtigen Faktoren, die Kaltrisse beim Schweißen von hochfestem Stahl verursachen, und er weist verzögerte Eigenschaften auf. Daher werden durch Wasserstoff verursachte verzögerte Risse in vielen Dokumenten als „wasserstoffinduzierte Rissbildung“ bezeichnet. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass die Empfindlichkeit gegenüber Rissen umso größer ist, je höher der Wasserstoffgehalt von Schweißverbindungen aus hochfestem Stahl ist. Wenn der Wasserstoffgehalt in einem lokalen Bereich einen bestimmten kritischen Wert erreicht, treten Risse auf. Dieser Wert wird als kritischer Wert für die Rissbildung bezeichnet. Wasserstoffgehalt [H]cr.
Der [H]cr-Wert der Kaltrissbildung ist bei verschiedenen Stählen unterschiedlich und hängt von der chemischen Zusammensetzung, der Stahlfestigkeit, der Vorwärmtemperatur und den Abkühlbedingungen des Stahls ab.
(1) Während des Schweißens sind Feuchtigkeit im Schweißmaterial, Rost, Ölflecken an der Schweißfuge und Umgebungsfeuchtigkeit die Ursachen für wasserstoffreiche Schweißnähte. Unter normalen Umständen ist die Menge an Wasserstoff im Grundmetall und im Schweißdraht sehr gering, aber die Feuchtigkeit in der Elektrodenbeschichtung und die Feuchtigkeit in der Luft können nicht ignoriert werden und werden zur Hauptquelle der Hydrierung.
(2) Die Lösungs- und Diffusionsfähigkeiten von Wasserstoff in verschiedenen Metallstrukturen sind unterschiedlich. Die Löslichkeit von Wasserstoff in Austenit ist viel größer als die in Ferrit. Daher nimmt beim Übergang von Austenit zu Ferrit beim Schweißen die Löslichkeit von Wasserstoff plötzlich ab. Gleichzeitig ist die Diffusionsgeschwindigkeit von Wasserstoff genau umgekehrt und nimmt beim Übergang von Austenit zu Ferrit plötzlich zu.
Unter der Einwirkung hoher Temperaturen beim Schweißen wird eine große Menge Wasserstoff im Schmelzbad gelöst. Während des anschließenden Abkühlungs- und Erstarrungsvorgangs wird der Wasserstoff aufgrund der starken Abnahme der Löslichkeit so weit wie möglich entweichen, aufgrund der schnellen Abkühlung hat der Wasserstoff jedoch keine Zeit zum Entweichen. Verbleibt im Schweißgut und bildet diffusen Wasserstoff.
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Lamellenriss
Es handelt sich um eine innere Tieftemperaturrissbildung. Sie ist auf den Grundmetall- oder Schweißwärmeeinflussbereich dicker Bleche beschränkt und tritt meist bei „L“-, „T“- und „+“-Verbindungen auf. Dabei handelt es sich um einen stufenförmigen Kaltriss, der im Grundmaterial auftritt, weil die Plastizität des gewalzten dicken Stahlblechs in Dickenrichtung nicht ausreicht, um der Schweißschrumpfungsdehnung in dieser Richtung standzuhalten. Im Allgemeinen liegt dies daran, dass während des Walzprozesses dicker Stahlbleche einige nichtmetallische Einschlüsse im Stahl parallel zur Walzrichtung zu streifenförmigen Einschlüssen ausgewalzt werden. Diese Einschlüsse führen zu einer anisotropen Leitfähigkeit in den mechanischen Eigenschaften der Stahlplatte. Um Lamellenrisse zu verhindern, können Sie bei der Materialauswahl raffinierten Stahl verwenden, d. h. Stahlplatten mit hoher Leistung in Z-Richtung. Sie können auch das Verbindungsdesign verbessern, um einseitige Schweißnähte zu vermeiden oder Rillen auf der Seite anzubringen, die Spannungen in Z-Richtung trägt.
Lamellenriss unterscheidet sich vom Kaltriss. Ihr Auftreten hat nichts mit der Festigkeit der Stahlsorte zu tun, sondern hängt hauptsächlich mit der Einschlussmenge und der Verteilungsform im Stahl zusammen. Im Allgemeinen können Lamellenrisse in gewalzten dicken Stahlblechen auftreten, wie etwa kohlenstoffarmen Stahl, niedriglegierten hochfesten Stahl und sogar Aluminiumlegierungsblechen. Lamellenrisse lassen sich je nach Lokalisation grob in drei Kategorien einteilen:
Bei der ersten Art handelt es sich um Lamellenrisse, die durch Kaltrisse im Schweißnahtfuß oder in der Schweißnahtwurzel in der Schweißwärmeeinflusszone verursacht werden.
Die zweite Art sind Einschlussrisse entlang der Schweißwärmeeinflusszone, die in der Technik am häufigsten auftretende Lamellenrisse.
Die dritte Art der Einschlussrissbildung im Grundmetall außerhalb der Wärmeeinflusszone tritt im Allgemeinen bei dicken Plattenstrukturen mit mehr MnS-Flockeneinschlüssen auf.
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Die Form der lamellären Rissbildung hängt eng mit der Art, Form, Verteilung und Lage der Einschlüsse zusammen. Wenn die schuppenförmigen MnS-Einschlüsse entlang der Walzrichtung dominieren, hat das lamellare Reißen eine deutliche Stufenform, wenn es von Silikateinschlüssen dominiert wird, ist es linear, und wenn es von Al-Einschlüssen dominiert wird, ist es unregelmäßig. Geschritten.
Beim Schweißen dicker Blechstrukturen, insbesondere T-förmiger Verbindungen und Eckverbindungen, unter starren Bedingungen führt die Schrumpfung der Schweißnaht zu großen Zugspannungen und Dehnungen in Dickenrichtung des Grundmetalls. Wenn die Dehnung die Plastizität des Grundmetalls überschreitet und die Verformungsfähigkeit auftritt, lösen sich die Einschlüsse und die Metallmatrix und es entstehen Mikrorisse. Unter anhaltender Spannungseinwirkung dehnen sich die Rissspitzen entlang der Ebene aus, in der sich die Einschlüsse befinden, und bilden eine sogenannte „Plattform“.
Es gibt viele Faktoren, die Lamellenrisse beeinflussen, darunter vor allem die folgenden Aspekte:
(1) Art, Menge und Verteilungsform nichtmetallischer Einschlüsse sind die wesentliche Ursache für Lamellenrisse. Dies ist der grundlegende Grund für die Anisotropie und die mechanischen Eigenschaften von Stahl.
(2) Zwangsspannung in Z-Richtung
Dickwandige Schweißkonstruktionen unterliegen unterschiedlichen Z-Richtungsspannungen, Restspannungen nach dem Schweißen und Belastungen während des Schweißprozesses. Dabei handelt es sich um die mechanischen Bedingungen, die zum Lamellenriss führen.
(3) Einfluss von Wasserstoff
Es wird allgemein angenommen, dass Wasserstoff ein wichtiger Einflussfaktor beim Lamellenriss ist, der durch Kaltrissbildung in der Nähe der Wärmeeinflusszone verursacht wird.
Da Lamellenrisse große Auswirkungen haben und die Gefahren sehr ernst sind, muss vor dem Bau die Empfindlichkeit von Stahl gegenüber Lamellenrissen beurteilt werden.
Zu den häufig verwendeten Bewertungsmethoden gehören die Zugflächenschrumpfung in Z-Richtung und die Methode der kritischen Spannung in Z-Richtung des Stifts. Um Lamellenrisse zu verhindern, sollte die Flächenschrumpfung nicht weniger als 15 % betragen. Im Allgemeinen wird mit 15 bis 20 % gerechnet. Bei 25 % gilt die Lamellenreißfestigkeit als ausgezeichnet.
Um Lamellenrisse zu verhindern, sollten Maßnahmen vor allem unter folgenden Aspekten ergriffen werden:
(1) Raffinierter Stahl
Die Methode der frühen Entschwefelung von geschmolzenem Eisen und der Vakuumentgasung kann in großem Umfang zum Schmelzen von Stahl mit extrem niedrigem Schwefelgehalt mit einem Schwefelgehalt von nur 0.003~0,005 % und seiner Querschnittsschrumpfung (Z Richtung) kann 23~25 % erreichen.
(2) Kontrollieren Sie die Form von Sulfideinschlüssen
Es wandelt MnS in Sulfide anderer Elemente um, was die Dehnung beim Warmwalzen erschwert und dadurch die Anisotropie verringert. Derzeit weit verbreitete Zusatzelemente sind Kalzium und Seltenerdelemente. Wie oben behandelter Stahl kann lamelläre, reißfeste Stahlplatten mit einer Flächenschrumpfung in Z-Richtung von 50 bis 70 % ergeben.
(3) Unter dem Gesichtspunkt der Verhinderung von Lamellenrissen besteht der Entwurfs- und Konstruktionsprozess hauptsächlich darin, Spannungen und Spannungskonzentrationen in Z-Richtung zu vermeiden. Die konkreten Maßnahmen sind wie folgt:
1) Einseitige Schweißnähte sollten möglichst vermieden werden. Die Verwendung beidseitiger Schweißnähte kann stattdessen den Spannungszustand in der Wurzelzone der Schweißnaht mildern und Spannungskonzentrationen verhindern.
2) Verwenden Sie symmetrische Kehlnähte mit geringer Schweißmenge anstelle von Vollschweißnähten mit großer Schweißmenge, um übermäßige Spannungen zu vermeiden.
3) Auf der Seite, die die Belastung in Z-Richtung trägt, sollte eine Abschrägung angebracht werden.
4) Bei T-förmigen Verbindungen kann eine Schicht aus Schweißmaterial geringer Festigkeit auf der horizontalen Platte vorgeschweißt werden, um Schweißwurzelrisse zu verhindern und auch die Schweißbelastung zu verringern.
5) Um ein durch Kaltrissbildung verursachtes Lamellenreißen zu verhindern, sollten einige Maßnahmen zur Verhinderung von Kaltrissbildung so weit wie möglich ergriffen werden, wie z. B. die Reduzierung der Wasserstoffmenge, eine entsprechende Erhöhung der Vorwärmung, die Steuerung der Zwischenschichttemperatur usw.
