Welchen Einfluss hat die Mikrolegierungstechnologie auf die Schweißbarkeit von Q345-Stahl?
Die Mikrolegierungstechnologie (Kernelemente sind Nb, Ti und V, wobei einige Spuren von B enthalten) hat einen doppelten Einfluss auf die Schweißbarkeit von Q345-Stahl: Während sie die Schweißbarkeit durch „indirekte Kohlenstoffreduzierung + Kornverfeinerung“ verbessert, kann sie aufgrund der inhärenten Eigenschaften der Elemente oder unsachgemäßer Kontrolle auch die Schweißrisiken erhöhen. Die Auswirkungen der Mikrolegierung erfordern eine umfassende Bewertung der Elementart und des Elementgehalts sowie des Schweißprozesses (z. B. Wärmezyklus und Abkühlgeschwindigkeit). Konkret kann es aus folgenden Perspektiven erkundet werden:
1. Positive Auswirkung: Verbesserung der Schweißbarkeit durch „Kohlenstoffreduktion + Mikrostrukturoptimierung“
Einer der Hauptvorteile der Mikrolegierung besteht darin, dass sie eine Reduzierung des Kohlenstoffgehalts von Q345 (von traditionell 0,20 % auf 0,12–0,16 %) ermöglicht und gleichzeitig den Festigkeitsverlust durch Ausscheidungsverfestigung und Kornverfeinerung ausgleicht. Kohlenstoff ist ein Schlüsselelement, das die Schweißbarkeit beeinträchtigt, daher verbessert dieser „Kohlenstoffreduktionsersatz“ die Schweißbarkeit grundlegend. Im Einzelnen zeigt es:
1. Reduzierung der Anfälligkeit für Schweißnahtrisse (Hauptvorteil)
Schweißkaltrisse sind im Wesentlichen eine Kombination aus „gehärteter Mikrostruktur + wasserstoffinduzierter Rissbildung + Schweißspannung“. Mikrolegierungen mindern dieses Risiko auf zwei Arten:
Reduzierung der gehärteten Mikrostruktur: Durch die Reduzierung des Kohlenstoffgehalts wird die Tendenz der Wärmeeinflusszone (HAZ) zur Bildung harter und spröder Mikrostrukturen wie Martensit (M) und Bainit (B) während des Abkühlens erheblich verringert, was zu einer höheren Konzentration an feinkörnigem Ferrit (F) mit verbesserter Zähigkeit führt. Perlit (P). Wenn beispielsweise der Kohlenstoffgehalt von 0,20 % auf 0,15 % sinkt, kann die maximale Härte der HAZ von 320 HV auf 260 HV reduziert werden (deutlich unter der Kaltrissempfindlichkeitsschwelle von 280 HV).
Hemmung der Wasserstoffdiffusion und -akkumulation: Ti und Nb verbinden sich mit Wasserstoff im Stahl (diffusionsfähiger Wasserstoff, der beim Schweißen absorbiert wird) und bilden stabile Hydride (wie TiH₂ und NbH), wodurch die Diffusion von freiem Wasserstoff in die HAZ-Spannungskonzentrationszone und das Risiko wasserstoffinduzierter Rissbildung verringert wird. In der Praxis kann der diffundierbare Wasserstoffgehalt von Ti-haltigen Q345-Schweißverbindungen auf unter 5 ml/100 g kontrolliert werden (keine Gefahr einer Wasserstoffversprödung).
2. Verfeinern Sie die Korngröße der Wärmeeinflusszone (HAZ) und verbessern Sie die Verbindungsfestigkeit.
Die hohen Temperaturen (1300-1500 Grad) beim Schweißen führen dazu, dass die ursprünglichen Körner des Grundmaterials schnell wachsen (insbesondere in der „grobkörnigen“ WEZ), was zu einem starken Abfall der Zähigkeit führt (z. B. sinkt die Schlagenergie bei -40 Grad von 50 J auf weniger als 20 J). Mikrolegierungselemente hemmen das Kornwachstum, indem sie die Korngrenzen „fixieren“.
Die Rolle von Ti: Ti und Stickstoff bilden TiN-Nanopartikel (die einen Schmelzpunkt von bis zu 2950 Grad haben und bei hohen Schweißtemperaturen unlöslich sind). Diese Partikel wirken wie „Nägel“, die die Austenit-Korngrenzen festhalten, eine Korngrenzenwanderung verhindern und die Korngröße in der grobkörnigen WEZ von herkömmlichen 100-200 μm auf 30–50 μm verfeinern. Funktion von Nb: Nb löst sich bei hohen Temperaturen teilweise im Austenit und scheidet sich beim Abkühlen als NbC an Korngrenzen und Versetzungen aus, was das Kornwachstum weiter hemmt und die Ausscheidung von feinkörnigem Ferrit induziert.
Letztendlich kann die HAZ-Zähigkeit von mikrolegierten Q345-Schweißverbindungen um 30 % bis 50 % erhöht werden (z. B. Akv bei -40 Grad steigt von 35 J auf über 50 J), wodurch die Anforderungen von geschweißten Strukturen bei niedrigen Temperaturen (z. B. Baumaschinen und Brücken) erfüllt werden.
3. Reduzierung der Schweißporosität und Einschlussfehler
Entschwefelungseffekt von Ti: Ti verbindet sich mit Schwefel im Stahl und bildet TiS₂ (Schmelzpunkt 1150 Grad, viel höher als der 1100 Grad von MnS). TiS₂ ist kugelförmig (im Gegensatz zur streifenförmigen Form von MnS), wodurch es weniger wahrscheinlich „streifenartige Einschlüsse“ im Schweißbad bildet, wodurch Schweißbildungsfehler reduziert werden.
Reinigungseffekt von Nb/V: Nb und V können Sauerstoff und Stickstoff im Stahl absorbieren und so feine Carbonitride/Oxide bilden. Dadurch wird verhindert, dass diese Gase während der Schweißabkühlung ausfallen und Poren (wie Stickstoffporen und Wasserstoffporen) bilden.