Schweißen von verzinktem Stahlblech: Die technologische Herangehensweise

Lichtbogenschweißen von verzinktem Stahl

Die Zinkschicht auf verzinktem Stahl kann beim Schweißen Probleme bereiten. Zu den Hauptschwierigkeiten gehören:

• Erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Schweißrissen und Porosität
• Verdampfung und Rußbildung aus dem Zink
• Schmelzen und Zerstörung des Zinküberzugs und der Oxidschlacke

Zu diesen Themen, Schweißrisse, Porosität und Schlacke sind die Hauptprobleme.

Schweißeignung

(1) Der Riss

Während der SchweißverfahrenBei der Schweißung kann sich geschmolzenes Zink an der Oberfläche des Schmelzbades oder am Boden der Schweißnaht sammeln. Der im Vergleich zu Eisen niedrigere Schmelzpunkt von Zink führt dazu, dass das Eisen im Schmelzbad zuerst erstarrt und das flüssige Zink entlang der Korngrenzen des Stahls in dieses eindringen kann, was zu einer Verringerung der interkristallinen Verbundfestigkeit führt.

Darüber hinaus verringert die Bildung von spröden Metallverbindungen wie Fe3Zn10 und FeZn10 zwischen Zink und Eisen die Plastizität des Schweißguts weiter. Dies macht es anfällig für Risse entlang der Kristallgrenzen aufgrund von Schweißeigenspannungen.

1) Faktoren, die die Rissempfindlichkeit beeinflussen

① Dicke der Zinkbeschichtung: Die Dicke der Zinkschicht auf verzinktem Stahl beeinflusst die Rissempfindlichkeit. Eine dünne Zinkbeschichtung führt zu einer geringeren Rissempfindlichkeit, während eine dickere Beschichtung auf feuerverzinktem Stahl zu einer erhöhten Rissempfindlichkeit führt.

② Werkstückdicke: Die Dicke des Werkstücks hat ebenfalls Einfluss auf die Rissempfindlichkeit, wobei dickere Werkstücke eine höhere Schweißzwangsspannung und eine höhere Rissempfindlichkeit aufweisen.

③ Rillenspiel: Ein größeres Rillenspiel erhöht die Rissempfindlichkeit.

④ Schweissverfahren: Verschiedene Schweißverfahren kann auch die Rissempfindlichkeit beeinflussen. Das manuelle Lichtbogenschweißen führt zu einer geringeren Rissempfindlichkeit, während die Verwendung von CO2-Gas zum Schweißen eine höhere Rissempfindlichkeit verursachen kann.

2) Methoden zur Rissvermeidung

① Vorbereitung zum Schweißen: Vor dem Schweißen ist es notwendig, eine V-, Y- oder X-förmige Rille an der Schweißstelle auf dem verzinktes Blech. Der Zinküberzug kann in der Nähe der Rille mit Autogen oder durch Sandstrahlen entfernt werden. Es ist wichtig, dass der Abstand nicht zu groß ist, wobei eine allgemeine Empfehlung von 1,5 mm gilt.

② Auswahl der Materialien zum Schweißen: Um die Wahrscheinlichkeit der Rissbildung zu verringern, ist es wichtig, Schweißmaterialien mit einem geringen Siliziumgehalt zu wählen. Beim Schutzgasschweißen sollte ein Schweißdraht mit geringem Siliziumgehalt verwendet werden. Das manuelle Schweißen kann mit einer Titan Typ Elektrode oder eine Titan-Kalzium-Elektrode.

(2) Stomatär

Die Zinkschicht in der Nähe der Rille kann aufgrund der beim Lichtbogenschweißen erzeugten Hitze oxidieren (ZnO) und verdampfen, was zur Emission von weißem Rauch und Dämpfen führt. Dies kann leicht zu Porosität in der Schweißnaht führen. Je höher der Schweißstrom ist, desto stärker ist die Zinkverdampfung, und desto größer ist die Wahrscheinlichkeit von Porosität.

Das Schweißen mit Titan- und Kalzium-Titan-Elektroden führt im mittleren Strombereich tendenziell zu weniger Porosität. Andererseits können sowohl niedrige als auch hohe Ströme beim Schweißen mit Zellulose- und Niedrigwasserstoff-Schweißelektroden Porosität verursachen.

Es ist wichtig, dass der Elektrodenwinkel innerhalb eines Bereichs von 30-70° liegt, um das Risiko von Porosität zu verringern.

(3) Die Verdampfung und der Ruß von Zink

Die Zinkschicht in der Nähe des Schmelzbades oxidiert beim Schweißen zu ZnO und verdampft durch die Hitze des Lichtbogens, wobei eine erhebliche Menge Staub entsteht. Der Hauptbestandteil dieses Staubs ist ZnO, das schädliche Auswirkungen auf die Atemwege der Arbeitnehmer haben kann.

Es ist wichtig, beim Schweißen für eine gute Belüftung zu sorgen, um das Risiko für die Arbeitnehmer zu verringern.

Bei gleichen Schweißbedingungen ist die Staubentwicklung beim Schweißen mit einer Titanoxidelektrode geringer als bei der Verwendung einer wasserstoffarmen Schweißelektrode, die tendenziell eine größere Staubmenge erzeugt.

(4) Oxidschlacke

Bei der Verwendung eines niedrigen Schweißstroms kann das während des Erhitzungsprozesses gebildete ZnO eingeschlossen werden und zu ZnO-Schlacke werden. ZnO ist stabil und hat einen hohen Schmelzpunkt von 1800°C. Das Vorhandensein großer Blöcke von ZnO-Schlacke kann die Plastizität der Schweißnaht erheblich beeinträchtigen.

Bei der Verwendung einer Titanoxidelektrode ist die ZnO-Verteilung jedoch gering und gleichmäßig, was sich kaum auf die Plastizität und Zugfestigkeit der Schweißnaht auswirkt. Bei Verwendung einer Zellulose- oder Wasserstoff-Elektrode hingegen ist das ZnO in der Schweißnaht größer und reichlicher vorhanden, was zu einer schlechten Schweißleistung führt.

Schweißverfahren für verzinkten Stahl

Verzinkter Stahl kann mit verschiedenen Techniken geschweißt werden, darunter Lichtbogenhandschweißen, Schmelzelektroden-Schutzgasschweißen, Argon-Lichtbogenschweißenund Widerstandsschweißen.

(1) Manuelles Lichtbogenschweißen

1) Schweißnahtvorbereitung

Um die Menge an Schweißstaub zu reduzieren und die Bildung von Schweißrissen und Porosität zu verhindern, ist es notwendig, vor dem Schweißen die entsprechende Schräge vorzubereiten und die Zinkschicht in der Nähe der Rille zu entfernen. Diese Entfernung kann durch Beflammen oder Sandstrahlen erfolgen.

Es ist wichtig, dass das Nutenspiel im Bereich von 1,5 bis 2 mm liegt, und bei dickeren Werkstücken kann das Spiel auf 2,5 bis 3 mm erhöht werden.

2) Auswahl der Elektrode

Der Grundsatz für die Auswahl eines Schweißdraht ist es, sicherzustellen, dass die mechanischen Eigenschaften des Schweißguts denen des Grundmaterials so ähnlich wie möglich sind. Außerdem ist es wichtig, den Siliziumgehalt der Schweißelektrode auf unter 0,2% zu begrenzen.

Weiterführende Lektüre: Wie wählt man den richtigen Schweißdraht?

Verbindungen, die mit Ilmenit-, Titanoxid-, Zellulose-, Titankalzium- und wasserstoffarmen Schweißelektroden hergestellt werden, können eine zufriedenstellende Festigkeit aufweisen. Wasserstoffarme und zellulosehaltige Elektroden neigen jedoch zu Schlacke und Porosität in den Schweißnähten, so dass sie in der Regel nicht verwendet werden.

Für verzinkte Bleche aus Baustahl werden bevorzugt die Schweißdrähte J421/J422 oder J423 verwendet. Für verzinkte Stahlbleche mit einer Festigkeit von über 500 MPa sollten die Schweißdrähte E5001 oder E5003 verwendet werden. Für verzinkte Stahlbleche mit einer Festigkeit von über 600MPa werden die Schweißdrähte E6013, E5503 oder E5513 empfohlen.

Beim Schweißen wird empfohlen, einen kurzen Lichtbogen zu verwenden und ein Schwingen des Lichtbogens zu vermeiden, um die Ausdehnung der Schmelzzone der verzinkten Schicht zu minimieren, die Korrosionsbeständigkeit des Werkstücks zu gewährleisten und die Rußbildung zu verringern.

(2) Schmelzelektroden-Schutzgasschweißen

Schutzgasschweißen, z. B. CO2 Schutzgasschweißen oder eine Mischung aus Ar+CO2 oder Ar+O2, wird für das Schweißen von verzinktem Stahl empfohlen. Die Art des verwendeten Schutzgases kann einen erheblichen Einfluss auf den Zn-Gehalt in der Schweißnaht haben. Die Verwendung von reinem CO2 oder CO2+O2 führt zu einem höheren Zn-Gehalt in der Schweißnaht, während die Verwendung von Ar+CO2 oder Ar+O2 zu einem niedrigeren Zn-Gehalt führt. Der Schweißstrom hat einen minimalen Einfluss auf den Zn-Gehalt in der Schweißnaht, wobei er mit steigendem Strom leicht abnimmt.

Beim Schutzgasschweißen entsteht mehr Schweißstaub als beim Lichtbogenhandschweißen, daher ist es wichtig, besonders auf die Absaugung zu achten. Größe und Zusammensetzung des Rußes werden hauptsächlich durch den Strom und das Schutzgas beeinflusst, wobei ein größerer Strom oder ein höherer CO2- oder O2-Gehalt im Gas zu mehr Ruß führt. Der ZnO-Gehalt im Ruß nimmt ebenfalls zu und erreicht einen Höchstgehalt von etwa 70%.

Die Einschmelztiefe von verzinktem Stahl ist größer als die von unverzinktem Stahl unter den gleichen Schweißbedingungen. T-Verbindungen, Überlappungsverbindungen und Abwärtsschweißen sind anfälliger für Porosität, und die Schweißgeschwindigkeit hat einen erheblichen Einfluss, insbesondere bei verzinktem legierter Stahl. Beim Mehrlinienschweißen werden die nachfolgenden Schweißlinien reagieren empfindlicher auf die Porosität als frühere Linien.

Die Schutzgaszusammensetzung hat nur geringe Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der Verbindungen, so dass in der Regel reines CO2 zum Schweißen verwendet wird. Die Schweißparameter für I-förmige Stumpfstöße, Überlappstöße und T-Stöße von verzinkten Stahlblechen mit CO2-Schweißen sind in den Tabellen 1-3 aufgeführt.

Tabelle 1 Spezifische Parameter für das CO2-Schweißen von verzinkten I-Formen Stahlplatte Stumpfstoß

Tabelle 2: Spezifische Parameter für das CO2-Schweißen von Überlappverbindungen aus verzinktem Stahlblech

Tabelle 3 Spezifische Parameter für das CO2-Schweißen von T-förmigen verzinkten Stahlblechstößen (Winkelverbindungen)