Fortgeschrittene Nickel-Schweißautomation mit Robotik

Nickel- und Kobaltbasislegierungen:

Nickel- und Kobaltbasislegierungen – zwei hitzebeständige Schweißwerkstoffe, oft zusammengefasst wegen ähnlicher Einsatzzwecke. Von Hitzebeständigkeit bis Korrosionsbeständigkeit: Nickel-/Kobaltbasis (Superalloys) sind wichtigste hitzebeständige Klasse.

Hitzebeständige Legierungen: Metalle für extreme Bedingungen bei erhöhten Temperaturen, wo übliche Materialien versagen.

Erforderliche Eigenschaften (auch ohne Hitzebeständigkeitsschweißen):

• Oxidations-/Zunderbeständigkeit, adäquate mechanische Eigenschaften & Beständigkeit bei Hochtemperatur – kurzzeit (Warmzugfestigkeit) und langzeit (Kriechbeständigkeit).
• Zeitstandfestigkeit. Schwere Betriebsbedingungen können Struktur-/Eigenschaftsänderungen, Rissbildung induzieren.
• Duktilität & Beständigkeit gegen interkristallinen Angriff (IGA) bei Hochtemperatur. Schweißen hitzebeständiger Legierungen darf diese Eigenschaften nicht degradieren.

Eisenbasislegierungen

Hitzebeständige Anwendungen keine Stähle – Verhalten ähnelt anderen Materialtypen. Komplexe Zusammensetzung: signifikante Ni-, Cr-Anteile, weitere Elemente für Spezialeigenschaften.

Nickel- oder Kobaltbasislegierungen

Weitere hitzebeständige Materialien: Basis Ni oder Co, modifiziert durch Zusätze für Spezialzwecke.

Legierung der Basismetalle → verschiedene Materialklassen. Ausschließlich durch Zusammensetzung bestimmte Eigenschaften, nicht durch Wärmebehandlung verbesserbar = aushärtend durch feste Lösung. Schweißen dieser Art einfach. Typisch Eisenbasis: N-155 (Multimet). Typisch Nickelbasis: Inconel 600, Hastelloy X. Typisch Kobaltbasis: L-605 (HS-25), S-816.

Andere Klassen: aushärtbar durch Lösungsglühen und Ausscheidung (Aging) – reagieren auf Wärmebehandlung durch subtile Reaktionen, die Mikrostruktur beim Heizen/Kühlen modifizieren. Typisch Eisenbasis: A-286, Incoloy 901. Typisch Nickelbasis: Waspaloy.

Weitere Klasse: Korrosionsbeständige Legierungen – widerstehen aggressiven Chemikalien, mit/ohne überlagertem Wärme.

Als Basismetalle: Ni und Co mit interessanten Eigenschaften für Hochtemperaturanwendungen (Hitze-/Korrosionsbeständigkeit) – Gasturbinen, Ofenzubehör, heiße chemische Verarbeitung.

Schweißen hitzebeständiger Legierungen

Generell: Schweißen in duktilstem Zustand – oft geglüht/lösungsgeglüht.
Ni: Duktiles Metallelement für Legieren von Stahl/Edelstahl – modifiziert Legierungseigenschaften. Als Basismetall: bemerkenswerte Hitze-/Korrosionsbeständigkeit. Entwickelt erhöhte Spannungsbeständigkeit unter Hitze (Guss/Knet) bei Legierung/Behandlung.

Nickelbasis: Wahl für Korrosionsbeständigkeit & Hochtemperatureigenschaften mit adäquater Wärmebehandlung. Zwar durch Spezifikationen abgedeckt, aber meist unter Handelsnamen bekannt. Aushärtung durch feste Lösung: im geglühten Zustand gut schweißbar. Ausscheidungshärtbare Knetlegierungen: im lösungsgeglühten Zustand schweißen, danach Wärmebehandlung nach Bedarf. Schweißbare Knetlegierungen (Namen): Hastelloy B, C, C276, N, X, Inconel 600, 601, 625, Rene 41.

Co: Duktiles Metall. Hauptlegierungselement für Spezialwerkstoffe. Als Basismetall, legiert: Hauptmerkmal = Oxidations-/Zunderbeständigkeit bei Hochtemperatur, aber begrenzte Hochtemperaturfestigkeit.

Kobaltbasis: Unterschiedliche Zusammensetzung je Guss/Knet. Gusslegierungen: HS 21, X 40 (Stellite 31), G 34, Mar M 509, FSX 414. Knetlegierungen: S 816, L605 (HS 25), HS 188, Mar M 918, G 32 B. Alle ~20 % Cr, Karbidbildner (Nb, Ta, Zr, V). C-Gehalt: 0,25–1,0 % (Guss), 0,05–0,4 % (Knet).

Schweißverfahren

Alle Hauptverfahren anwendbar, außer evtl. Oxyacetylen (nicht empfohlen – Flussmittel kompliziert).

Reibschweißen für hitzebeständige Materialien. Bei lösungsglühend/ausscheidungshärtenden: Einfluss Schweißwärme auf Eigenschaften naheintern beachten. Falls Festigkeitsreduktion akzeptabel → keine weiteren Limits.

Widerstandsschweißen (Punkte/Nähte) weit verbreitet für hitzebeständige Legierungen. Viele Hitzebeständige Blechteile (Brennkammerauskleidungen, Flammenhalter, Turbinenteile) punkt-/nahtgeschweißt – Produktion/Reparatur ähnlich Edelstahl.

Hinweis: Lichtbogenschweißen hitzebeständiger Legierungen kann Risse erzeugen, besonders bei lösungsglühend/ausscheidungshärtenden – während Schweißen oder Wärmebehandlung. Verfahren zur Rissvermeidung entwickeln. Alle Lichtbogenverfahren nutzbar, manche besser je Materialdicke.

WIG-Schweißen hitzebeständiger Legierungen: Best für dünne Wandungen. Gute Praxis: Vorrichtungen mit Kupfer-Rückenleiste mit Mikrobohrungen in Nut für feinen Argonstrom.

Zusatzwerkstoff-Zusammensetzung: Kompatibel zu Basismetall, Duktilität für max. Rissfreiheit bei Verdünnungsverhältnis Zusatz/Basis.

Vor Schweißen ausscheidungshärtbarer Legierungen: Alle Umform-/Biegespannungen durch Prozessglühen abbauen – evtl. Vakuum/schutzgasofen gegen Oxidation. Ggf. Re-Lösung + Ausscheidung (Aging) direkt nach Schweißen. E-Hand-Schweißen manchmal für feste-Lösung-gehärtete, nicht für ausscheidungshärtbare.

Fehlerkontrolle

Wahrscheinliche Fehler bei diesem Schweißen: Porosität durch richtige Reinigung vor Schweißen & Entfernen Oberflächenkontamination kontrolliert. Reinigung Werkstück & Zusatzwerkstoff KRITISCH. Risse jeglicher Art in Naht/Basismetall unzulässig. Nahtdesign: Spannungskonzentration & mehraxiale Spannungen vermeiden. Hoher Wärmeeintrag → große Restschwindespannungen → Rissursache.

Hochenergieschweißen hitzebeständiger Legierungen: Verschiedene Schweißbarkeitslevel je Zwang der Teile beim Schweißen. Selbst Ni-Gusslegierungen (normal sehr niedrige Schweißbarkeit) EB-schweißbar für geringfordernde Anwendungen.

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