Explosionsschweißen von titanbeschichteten Stahlplatten: Prozess- und Qualitätskontrolle
Nov 22, 2024
Prinzip des Explosionsschweißens
Beim Explosionsschweißen werden zwei Metalle miteinander verbunden, indem die Plattierungsplatte mit hoher Geschwindigkeit und in einem schrägen Winkel auf das Substrat getrieben wird. Durch die Detonation einer Sprengstoffschicht wird die Flugplatte beschleunigt, und am Kollisionspunkt wird ein dünner Metallstrahl von beiden Oberflächen ausgestoßen, der Oxidfilme entfernt und sauberes Metall freilegt. Die beiden Oberflächen verbinden sich dann im festen Zustand unter extremem Druck, ohne dass die Masse schmilzt. Die resultierende Grenzfläche weist eine charakteristische wellenförmige Morphologie auf, die die Metalle mechanisch und metallurgisch miteinander verbindet. Da sich die Schweißnaht im Bruchteil einer Sekunde bildet, können unterschiedliche Metalle, die nicht schmelzgeschweißt werden können, wie etwa Titan auf Kohlenstoffstahl, großflächig verbunden werden.
Materialien für Verkleidung und Untergrund
Die Mantelschicht, auch Verbundplatte oder Flyer genannt, wird im Hinblick auf Korrosions- oder Erosionsbeständigkeit ausgewählt. Zu den gängigen Beschichtungsmaterialien gehören Titan und Titanlegierungen, Legierungen auf Nickelbasis, Edelstahl, Duplex-Edelstahl, Kupfer und Aluminium. Das Substrat oder die Grundplatte besteht normalerweise aus Kohlenstoffstahl oder niedriglegiertem Stahl, der aufgrund seiner strukturellen Festigkeit und Kosten ausgewählt wird. Plattengrößen und Dickenkombinationen werden individuell an die Anforderungen des Kunden angepasst. Die Verkleidungsplatte muss größer sein als die Grundfläche des Substrats, da die Kanten nach dem Schweißen beschnitten werden, um die ungebundene Randzone zu entfernen.
| Schicht | Typische Materialien |
|---|---|
| Verkleidung | Titan (Gr1, Gr2, Gr12), Titanlegierungen, Nickelbasislegierungen, Edelstahl, Duplexstahl, Kupfer, Aluminium |
| Substrat | Kohlenstoffstahl, niedrig-legierte Stahlplatte |
| Bond-Schnittstelle | Wellige feste metallurgische Bindung, typische Scherfestigkeit über 140 MPa für Titan-Stahlplattierungen |
Oberflächenvorbereitung vor dem Schweißen
Der Oberflächenzustand bestimmt die Bindungsqualität. Das Substrat wird zunächst mit einer Schleifscheibe von der Oxidhaut befreit, dann geschliffen und poliert, um eine glatte, fehlerfreie Oberfläche zu erhalten. Die Verkleidungsplatte erhält die gleiche Behandlung auf ihrer Klebefläche. Beide Oberflächen müssen frei von Rost, Öl, Ablagerungen und Feuchtigkeit sein, da sich etwaige Verunreinigungen an der Grenzfläche festsetzen und einen ungebundenen Bereich bilden. Wenn die Verkleidung vor der Verkleidung zu größeren Platten verschweißt werden muss, kommt Argon-Lichtbogenschweißen mit hochreinem Argon zum Einsatz. Die Schweißnähte werden bündig geschliffen und vor dem Explosionsschritt überprüft.
Prozessparameter und Standorteinrichtung
Die Parameter für das Sprengstoffschweißen werden für jede Materialkombination ausgewählt: der Abstand zwischen den Platten, die Art und Ladung des Sprengstoffs, die Detonationsgeschwindigkeit sowie der resultierende Kollisionswinkel und die Aufprallgeschwindigkeit. Der Abstandsspalt, der mit Abstandshaltern um die Plattenkanten herum aufgebaut ist, gibt der Flyerplatte Raum zum Beschleunigen, bevor sie aufprallt. Die Detonation wird von einer Kante aus eingeleitet und streicht mit kontrollierter Geschwindigkeit über die Platte, sodass der Kollisionswinkel innerhalb des Bindungsfensters bleibt. Die Arbeiten werden an einem abgelegenen lizenzierten Standort, typischerweise mehr als zehn Kilometer von Wohngebieten entfernt, auf weichem Boden ohne Steine durchgeführt, damit die Unterseite der Platte durch den Stoß nicht beschädigt wird. Die Explosionssicherheit folgt den örtlichen Vorschriften für den Umgang mit Sprengstoffen und den Personenschutz.
Post-Schweißverarbeitung und -inspektion
Nach der Detonation wird die plattierte Platte gereinigt und mittels Ultraschallprüfung untersucht, um verbundene und nicht verbundene Bereiche zu kartieren. Nicht verbundene Bereiche werden markiert und repariert, üblicherweise durch Lochschweißen oder durch Neuplattieren mit einem eingefügten Flicken. Anschließend wird die Platte bei Bedarf wärmebehandelt. Temperatur und Dauer der Wärmebehandlung hängen von den Beschichtungs- und Substratmaterialien ab, da Titan-Stahl-Grenzflächen bei Überhitzung spröde intermetallische Phasen bilden können. Nach der Wärmebehandlung wird das Blech durch Walzenrichten oder Pressglätten gerichtet und dann ein zweites Mal durch Ultraschallprüfung untersucht, um zu bestätigen, dass der Richtvorgang keine Risse verursacht hat. Abschließend wird die Platte besäumt, die Kanten werden durch Schneiden und Polieren vorbereitet und das fertige Produkt durchläuft vor dem Verpacken und Ausliefern eine Maß- und Oberflächenprüfung. Akzeptanzkriterien für titanbeschichtete Platten sind in ASTM B898 und für Druckbehälteranwendungen in NB/T 47002 definiert.
Anwendungen von Explosions-geschweißten plattierten Platten
Druckbehälter und Autoklaven für chemische und hydrometallurgische Prozesse
Rohrböden und Kanäle von Wärmetauschern im korrosiven Einsatz
Reaktoren und Kolonnen in Chlor--Alkali- und Säureanlagen
Entschwefelungs- und Düngemittelanlagen, bei denen Kohlenstoffstahl eine Korrosionsbarriere benötigt
Schiffs- und Offshore-Strukturen, die eine Arbeitsfläche aus Titan oder Edelstahl erfordern
Häufig gestellte Fragen
1. Kann Titan direkt mit Kohlenstoffstahl explosionsgeschweißt werden?
Ja. Explosionsschweißen ist die Standardproduktionsmethode für titanbeschichtete Stahlbleche, da die Festkörperbindung ohne das Schmelzen entsteht, das beim Schmelzschweißen zu spröden Titan-{3}Eisenverbindungen führen würde.
2. Wie groß ist die typische Scherfestigkeit der plattierten Grenzfläche?
Für mit Titan-Stahl plattierte Platten muss die Scherfestigkeit der Bindung in der Regel mindestens 140 MPa betragen, und die Verbindung wird durch Ultraschallprüfung über die gesamte Plattenfläche sowie mechanische Tests an Probestücken überprüft.
3. Warum muss der Explosionsort weit von Gebäuden entfernt sein?
Die Detonation erzeugt eine starke Schockwelle und Bodenvibrationen. Die Vorschriften erfordern einen abgelegenen Standort mit einem Sicherheitsradius von mehreren Kilometern zu Wohnhäusern und einen weichen Boden ohne Steine, um die Plattenoberfläche vor Stoßschäden zu schützen.
4. Welche Mängel werden durch die Ultraschallprüfung nach dem Schweißen erkannt?
Ungebundene Bereiche, Einschlüsse und Delaminationen an der Grenzfläche. Nicht verbundene Bereiche werden markiert, repariert und erneut {{1}getestet, bis die Akzeptanzkriterien der geltenden Norm erfüllt sind.
5. Ist nach dem Explosionsschweißen immer eine Wärmebehandlung erforderlich?
Nicht immer, aber bei dicken oder härtbaren Trägerstählen und zum Spannungsabbau vor dem Richten üblich. Die Temperatur wird durch das Mantelsystem, insbesondere Titan, begrenzt, um die Bildung spröder Grenzflächenverbindungen zu vermeiden.
6. Welche Normen gelten für titanbeschichtete Platten?
ASTM B898 deckt plattierte Platten aus reaktivem und feuerfestem Metall ab, und NB/T 47002 deckt plattierte Platten für Druckbehälter in chinesischen Vorschriften ab. Käufer sollten angeben, welcher Akzeptanzstandard gilt.
