Probleme bei der Schweißung von unterschiedlichen Metallen

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Probleme bei der Schweißung von unterschiedlichen Metallen
Es gibt einige inhärente Probleme bei der Schweißung von unterschiedlichen Metallen, die ihre Entwicklung behindern. Dazu gehören die Struktur und die Eigenschaften des Schmelzbereichs zwischen den verschiedenen Metallen. Die Zerstörung von Strukturen, die aus unterschiedlichen Metallen bestehen, tritt meist im Schmelzbereich auf. Aufgrund der unterschiedlichen Kristallstrukturen an den Stellen in der Nähe des Schmelzbereichs entstehen leicht Übergangsschichten mit schlechten Eigenschaften und verändertem Zusammensetzungsprofil. Außerdem wird aufgrund der langen Zeit in hohen Temperaturen die Diffusionsschicht in diesem Bereich erweitert, was die Ungleichmäßigkeiten des Metalls weiter erhöht. Außerdem tritt bei der Schweißung von Metallen unterschiedlicher Legierungszusammensetzung oder nach Wärmebehandlung bzw. nach Betrieb bei hohen Temperaturen oft das Phänomen auf, dass Kohlenstoff vom Seite des niedriglegierten Materials durch die Schweißnaht in das Material mit der höheren Legierungszusammensetzung „wandert“. Dadurch entstehen auf beiden Seiten der Verbindungslinie eine Entkarbongebiet und ein Ankarbongebiet – auf der Seite des niedriglegierten Materials entsteht ein Entkarbongebiet, auf der Seite des hochlegierten Materials ein Ankarbongebiet. Die Hindernisse und Einschränkungen bei der Verwendung und Entwicklung von Verbindungen aus verschiedenen Metallen zeigen sich hauptsächlich in den folgenden Aspekten: 1. Bei Raumtemperatur sind die mechanischen Eigenschaften der Schweißstellen aus verschiedenen Metallen – wie Zugfestigkeit, Stoßfestigkeit und Biegefestigkeit – in der Regel besser als die Eigenschaften des zugrundeliegenden Materials. Bei hohen Temperaturen oder nach längerer Betriebszeit unter hohen Temperaturen sind jedoch die Eigenschaften der Schweißstellen schlechter als die des Materials. 2. Zwischen der austenitischen Schweißnaht und dem perlitischen Grundmaterial gibt es eine martensitische Übergangszone. In dieser Zone ist die Zähigkeit gering; es handelt sich um eine schmale Schicht mit hoher Härte und Bruchneigung. Diese Zone stellt eine Schwachstelle dar, die zum Versagen der Konstruktion führen kann. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der geschweißten Struktur verringert. 3. Durch die Wärmebehandlung nach dem Schweißen oder während des Betriebs bei hohen Temperaturen kann es zu einer Migration von Kohlenstoff kommen, wodurch auf beiden Seiten der Verbindungsstelle jeweils eine Kohlenstoffangereicherte Schicht sowie eine Kohlenstoffarmierte Schicht entstehen. Es wird allgemein angenommen, dass die Dekarbonisierungszone aufgrund des Rückgangs von Kohlenstoff zu erheblichen Veränderungen in der Struktur und den Eigenschaften dieses Bereichs führt – in der Regel zu einer Verschlechterung. Dadurch ist dieser Bereich während seines Einsatzes anfälliger für frühzeitigen Verschleiß. Die Verschleißstellen vieler in Betrieb befindlicher oder im Test befindlicher Hochtemperaturrohre liegen meist in der Entkarbungszone. 4. Die Unzuverlässigkeit hängt von Bedingungen wie Zeit, Temperatur und wechselnden Belastungen ab. 5. Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen kann die Restspannungen im Verbindungsgebiet nicht beseitigen. 6. Ungleichmäßigkeit der chemischen Zusammensetzung. Beim Schweißen von Metallen unterschiedlicher Art gibt es aufgrund der deutlichen Unterschiede in den Legierungseigenschaften des Metalls an den beiden Seiten der Naht sowie in der Legierung des Schweißstoffs erhebliche Probleme. Während des Schweißvorgangs schmelzen sowohl das Grundmaterial als auch der Schweißstoff und vermischen sich miteinander. Das Ausmaß dieser Vermischung ändert sich je nach Schweißverfahren. Zudem unterscheidet sich das Ausmaß der Vermischung an verschiedenen Stellen der Schweißnaht stark – dadurch entsteht eine Unregelmäßigkeit in der chemischen Zusammensetzung der Schweißnaht. 7. Ungleichmäßigkeit der Mikrostruktur. Aufgrund der Kontinuitätsstörungen in der chemischen Zusammensetzung der Schweißnaht entstehen nach dem Schweißvorgang in den verschiedenen Bereichen der Schweißnaht unterschiedliche Gitterstrukturen. Oft treten in einigen Bereichen äußerst komplexe Gitterstrukturen auf. 8. Diskontinuität der Leistung. Die Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung und im mikrostrukturellen Aufbau der Schweißverbindungen führen zu unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften dieser Verbindungen. In den verschiedenen Bereichen der Schweißverbindungen weisen Festigkeit, Härte, Dehnfähigkeit, Zähigkeit, Stoßfestigkeit, Hochtemperaturkreuzung sowie Langzeiteigenschaften erhebliche Unterschiede auf. Diese erhebliche Ungleichmäßigkeit führt dazu, dass sich die verschiedenen Bereiche einer Schweißverbindung unter denselben Bedingungen sehr unterschiedlich verhalten. Es entstehen Schwachstellen sowie Stärkungsbereiche. Insbesondere bei hohen Temperaturen treten bei Schweißverbindungen aus unterschiedlichen Metallen während ihrer Nutzung oft frühzeitige Verschleißerscheinungen auf. Zwei: Eigenschaften bei der Schweißung verschiedener Metalle mit unterschiedlichen Schweißverfahren. Die meisten Schweißverfahren können zur Verbindung verschiedener Metalle verwendet werden. Bei der Auswahl des Schweißverfahrens sowie bei der Festlegung der entsprechenden Prozessmaßnahmen müssen jedoch weiterhin die Besonderheiten der Schweißung von verschiedenen Metallen berücksichtigt werden. Je nach den Anforderungen an das Grundmaterial und die Schweißverbindungen werden bei der Schweißung von unterschiedlichen Metallen verschiedene Schweißverfahren wie Schmelzschweißen, Pressschweißen und andere Verfahren eingesetzt. Jedes dieser Verfahren hat jedoch seine eigenen Vorteile und Nachteile. 1. Schweißen Bei der Verbindung von Metallen unterschiedlicher Art wird am häufigsten das Schweißverfahren verwendet. Zu den gängigen Schweißverfahren gehören das Stabstromschweißen, das Unterstromschweißen, das Schutzgas-Schweißen, das Elektroschmelzschweißen, das Plasmaschweißen, das Strahlenschweißen sowie das Laserschweißen. Um die Verdünnung zu verringern, den Schmelzverhältnis zu senken oder die Menge an geschmolzenem Material verschiedener Metallsubstrate zu kontrollieren, werden in der Regel Verfahren mit hoher Energiedichte der Wärmequelle wie Elektronenstrahlenschweißen, Laserschweißen oder Plasmabogenschweißen eingesetzt. Um die Eindringtiefe zu verringern, können Verfahrensmaßnahmen wie indirekter Bogen, schwingender Draht, bandförmige Elektroden sowie zusätzlicher, nicht mit Strom versorgter Draht angewandt werden. Aber auf jeden Fall führt jede Schweißverbindung dazu, dass ein Teil des Grundmaterials in die Naht eindringt und dadurch eine Verdünnung entsteht. Zudem bilden sich dabei auch Verbindungen zwischen Metallen sowie Kristallite. Um solche negativen Auswirkungen zu verringern, muss die Zeit, die das Metall im flüssigen Zustand oder im festen Zustand bei hohen Temperaturen verbringt, kontrolliert und verkürzt werden. Dennoch ist es trotz ständiger Verbesserungen und Optimierungen der Schweißverfahren sowie der damit verbundenen Prozesse weiterhin schwierig, alle Probleme bei der Verbindung verschiedener Metalle zu lösen. Denn es gibt zahlreiche verschiedene Metallarten, deren Eigenschaften stark variieren können. Zudem unterscheiden sich die Formen der Verbindungen voneinander. In vielen Fällen ist es notwendig, Pressschweißen oder andere Schweißverfahren anzuwenden, um die Probleme bei der Verbindung bestimmter Metalle zu bewältigen. 2. Schweißen durch Pressen: Die meisten Verfahren des Schweißens durch Pressen beinhalten lediglich die Erhitzung des zu verbindenden Metalls auf einen plastischen Zustand – oder sogar keine Erhitzung überhaupt. Entscheidend ist vielmehr die Anwendung eines bestimmten Drucks. Im Vergleich zur Schweißung weist die Pressschweißung bei der Verbindung von Metallen unterschiedlicher Art bestimmte Vorteile auf. Solange die Form der Verbindung es zulässt und die Schweißqualität den Anforderungen entspricht, ist die Pressschweißung in der Regel eine sinnvolle Wahl. Beim Pressschweißen kann die Schnittfläche zwischen verschiedenen Metallen schmelzen – oder auch nicht. Aufgrund des Drucks wird das geschmolzene Metall jedoch herausgedrückt, selbst wenn es auf der Oberfläche vorhanden ist (wie bei dem Lichtbogenschweißen und dem Reibschweißen). Nur in wenigen Fällen bleibt nach dem Pressschweißen noch das geschmolzene Metall zurück (wie beim Punktschweißen). Durch das Pressschweißen, bei dem entweder keine Erwärmung stattfindet oder nur eine niedrige Erwärmungstemperatur verwendet wird, können die nachteiligen Auswirkungen der Wärmezyklen auf die metallischen Eigenschaften des Grundmaterials verringert oder vermieden werden. Dadurch wird auch die Entstehung brüchiger intermetallischer Verbindungen verhindert. Bestimmte Formen des Schweißens können sogar die bereits entstandenen Intermetallverbindungen aus der Verbindung herauspressen. Außerdem gibt es beim Pressschweißen auch kein Problem mit Veränderungen der metallischen Eigenschaften des Schweißnahtbereichs aufgrund von Verdünnung. Allerdings haben die meisten Schweißverfahren bestimmte Anforderungen an die Form der Verbindungen. Beispielsweise erfordern Punktschweißen, Nahtschweißen und Ultraschallschweißen eine Überschneidung der zu verbindenden Teile ； Beim Schweißen durch Reibung muss mindestens ein Werkstück eine Querschnittsform haben, die der eines Rotors entspricht ； Die Explosionsverschweißung eignet sich nur für Verbindungen auf größeren Flächen usw. Schweißgeräte sind derzeit noch nicht weit verbreitet. All das beschränkt zweifellos den Anwendungsbereich der Pressverbindung. 3. Andere Methoden: Neben Schweißen und Pressschweißen gibt es noch weitere Methoden, die zur Verbindung von Metallen unterschiedlicher Art verwendet werden können. Beispielsweise ist das Löten eine Verbindungsmethode zwischen einem Lötmetall und dem Grundmaterial – es handelt sich dabei um eine Verbindung von unterschiedlichen Metallen. Hier wird jedoch eine etwas speziellere Form des Lötens besprochen. Es gibt eine Methode namens Schweißen – Löten, bei der bei Verbindungen aus unterschiedlichen Metallen die Seite mit dem Metall mit niedrigerem Schmelzpunkt geschweißt wird, während die Seite mit dem Metall mit höherem Schmelzpunkt gelötet wird. Und in der Regel wird derselbe Metall als Lötmetall verwendet wie das Grundmaterial mit niedrigem Schmelzpunkt. Daher handelt es sich bei der Verbindung von Lötmetall und Werkstoff mit niedrigem Schmelzpunkt um einen Schweißvorgang desselben Metalls, wodurch keine besonderen Schwierigkeiten entstehen. Zwischen dem Lötmetall und dem Werkstoff mit hohem Schmelzpunkt findet ein Lövprozess statt. Der Werkstoff schmilzt oder kristallisiert dabei nicht, wodurch viele Probleme im Zusammenhang mit der Schweißbarkeit vermieden werden können. Allerdings muss das Lötmetall in der Lage sein, sich gut an den Werkstoff anzulagern. Eine weitere Methode wird als eutektisches Löten oder eutektisches Diffusionslöten bezeichnet. Dabei werden die Kontaktflächen der verschiedenen Metalle auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, sodass an diesen Kontaktflächen ein Legierstoff mit niedrigem Schmelzpunkt entsteht. Dieser Legierstoff ist bei dieser Temperatur flüssig – im Grunde handelt es sich dabei um eine Verbindungsmethode, bei der kein zusätzliches Lötmaterial benötigt wird. Natürlich erfordert dies, dass zwischen den beiden Metallen ein Einkristall mit niedrigem Schmelzpunkt entstehen kann. Beim Diffusionsverschweißen von Metallen unterschiedlicher Art wird ein Zwischenschichtmaterial hinzugefügt. Unter sehr niedrigem Druck wird dieses Material erhitzt, sodass es schmilzt – oder es kommt in Kontakt mit den zu verschweißenden Metallen und bildet so ein Legierungsmetall mit niedrigem Schmelzpunkt. Die entstehende dünne Flüssigkeitsschicht bleibt für eine bestimmte Zeit bei konstanter Temperatur, wodurch das Zwischenschichtmaterial vollständig in das Grundmaterial diffundiert und dort gleichmäßig verteilt wird. Auf diese Weise entsteht eine Verbindung zwischen Metallen unterschiedlicher Art, bei der kein Zwischenschichtmaterial mehr vorhanden ist. Bei solchen Verfahren entsteht während des Schweißvorgangs eine geringe Menge an flüssigem Metall. Deshalb werden sie auch als Schweißen mit flüssigkeitsbedingter Übergangsphase bezeichnet. Ihr gemeinsamer Merkmal ist, dass im Verbindungsstück keine Gussstruktur vorhanden ist. Drei: Hinweise zur Schweißung von Metallen unterschiedlicher Art
1. Berücksichtigen Sie die physikalischen, mechanischen Eigenschaften sowie die chemische Zusammensetzung der zu schweißenden Materialien.
(1) Aus Gründen der Gleichwertigkeit der Eigenschaften sollten Schweißelektroden gewählt werden, die den mechanischen Eigenschaften des Grundmaterials entsprechen. Alternativ kann man auch Schweißelektroden verwenden, die zwar nicht denselben mechanischen Eigenschaften entsprechen, aber eine gute Schweißeigenschaft aufweisen – wobei dabei die Struktur des Schweißnahtbereichs berücksichtigt werden muss, um Anforderungen hinsichtlich Gleichwertigkeit der Eigenschaften und Elastizität zu erfüllen. (2) Die Legierungszusammensetzung soll der des Grundmaterials entsprechen oder diesem nahekommen. (3) Wenn das Grundmaterial hohe Mengen an schädlichen Verunreinigungen wie C, S und P enthält, sollten Schweißstäbe gewählt werden, die eine gute Rissbeständigkeit sowie eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Porosität aufweisen. Es wird empfohlen, Schweißstäbe vom Typ Titanoxid-Kalcium zu verwenden. Falls das Problem noch nicht gelöst werden kann, kann man Schweißstäbe mit niedrigem Wasserstoffgehalt verwenden. 2. Berücksichtigen Sie die Betriebsbedingungen sowie die Leistungsmerkmale der zu verschweißenden Bauteile. (1) Bei Belastungen durch dynamische und stoßartige Kräfte sind neben der Stabilität auch hohe Anforderungen an die Stoßzähigkeit sowie an die Dehnfähigkeit zu erfüllen. In solchen Fällen sollten unbedingt Schweißstäbe vom Typ mit niedrigem Wasserstoffgehalt, Titan-Kalzium-Typ oder Eisenoxid-Typ verwendet werden. (2) Bei Kontakt mit korrosiven Medien muss je nach Art des Mediums, Konzentration, Betriebstemperatur sowie ob es sich um allgemeine Korrosion oder interkristalline Korrosion handelt, der geeignete Edelstahl-Schweißdraht ausgewählt werden. (3) Bei der Arbeit unter Abnutzungsbedingungen muss unterschieden werden, ob es sich um allgemeine Abnutzung oder um Abnutzung durch Stoßkräfte handelt, sowie ob die Abnutzung bei Normaltemperatur oder bei hohen Temperaturen stattfindet. (4) Bei der Arbeit unter nicht normalen Temperaturen sollten Schweißstäbe verwendet werden, die für mechanische Eigenschaften bei niedrigen oder hohen Temperaturen geeignet sind. 3. Berücksichtigen Sie die Komplexität der Form des zu verschweißenden Bauteils, die Steifigkeit, den Zustand der Schweißnaht sowie die Position des Schweißens. (1) Bei Schweißteilen mit komplexer Form oder großer Dicke entstehen beim Abkühlen des Schweißmetalls starke Schrumpfspannungen, wodurch Risse entstehen können. Deshalb müssen Schweißstäbe mit hoher Rissbeständigkeit verwendet werden – beispielsweise Schweißstäbe mit niedrigem Wasserstoffgehalt, Schweißstäbe mit hoher Zähigkeit oder Schweißstäbe auf Eisenox-Basis. (2) Bei Schweißteilen, die aufgrund von Bedingungen nicht gedreht werden können, müssen Schweißstäbe verwendet werden, mit denen in allen Positionen geschweißt werden kann. (3) Bei Bauteilen, an denen die Schweißstellen schwer zu reinigen sind, sollten säurehaltige Schweißstäbe verwendet werden, die eine starke Oxidationswirkung haben und nicht empfindlich gegenüber Oxidschicht sowie Ölflecken sind. Dadurch können Defekte wie Löcher vermieden werden. 4. Berücksichtigen Sie die Ausrüstung am Schweißort. An Orten, an denen es keine Gleichstromschweißmaschinen gibt, sollten Schweißstäbe verwendet werden, die mit Wechsel- und Gleichstrom betrieben werden können – anstatt Schweißstäbe, die nur mit Gleichstrom funktionieren. Bei einigen Stählen (z. B. perlitischen Hochtemperaturstählen) müssen nach dem Schweißen die Wärmestressen beseitigt werden, doch wenn aufgrund von Einrichtungsbeschränkungen (oder strukturellen Eigenschaften des Stahls) eine Wärmebehandlung nicht möglich ist. Es sollte stattdessen ein Elektrodenmaterial aus einem nicht-Verbindungsmetall verwendet werden (z. B. austenitisches Edelstahl), wodurch eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen nicht notwendig ist. 5. Man sollte daran denken, die Schweißverfahren zu verbessern und die Gesundheit der Arbeiter zu schützen. Wo sowohl saure als auch basische Schweißstäbe ausreichen, sollten vorzugsweise saure Schweißstäbe verwendet werden. 6. Berücksichtigung der Arbeitsproduktivität und wirtschaftlichen Vernunft: Bei gleicher Leistung sollten möglichst preisgünstigere saure Schweißstäbe verwendet werden, anstatt basischer Schweißstäbe. Unter den sauren Schweißstäben sind diejenigen mit Titan- oder Titankalzium-Beschichtung am teuersten. Angesichts der Rohstoffverhältnisse in unserem Land sollte man die Verwendung von Schweißstäben mit TiFe-Beschichtung stark fördern.