Wie man Nickellegierungen schweißt – eine vollständige Anleitung

Nickellegierungen werden normalerweise aufgrund ihrer hervorragenden Vielseitigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Leistung bei hohen Temperaturen ausgewählt. Nicht überraschend macht dies Nickellegierungen zu einer beliebten Wahl für den Einsatz in extremen Umgebungen, insbesondere in Flugzeugturbinen, Dampfturbinen, Kernkraftwerken und der petrochemischen und chemischen Industrie.

Aufgrund des Einsatzes in extremen Umgebungen müssen die Schweißzonen von Nickellegierungen konstante Eigenschaften aufweisen, nur so hält das fertige, geschweißte Produkt der extremen Umgebung stand. Darüber hinaus ist es wichtig, dass die Schweißnaht von hoher Qualität ist und nur sehr wenige Fehler enthält, da diese auch die Leistung in rauen Umgebungen beeinträchtigen könnten.

Was sind Nickellegierungen?

Nickellegierungen werden im Allgemeinen als Legierungen definiert, die Nickel, ein vielseitiges Element, als ihr Hauptelement aufweisen. Historisch wurden Nickellegierungen als solche mit mehr als 50 % Nickel definiert. Die heute verwendeten Nickellegierungen haben jedoch in der Regel einen höheren Nickelgehalt als 50 %. Zum Beispiel:

• Inconel 718:19Cr 3Mo 0,9Ti 5,1Cb 0,5Al 18Fe Rest Ni
• Hastelloy X:22Cr 1,5Co 9Mo 0,6W 18,5Fe Rest Ni

Nickelschweißen

Das Nickelschweißen wird mit einer der vielen verfügbaren Nickellegierungen durchgeführt. Lichtbogenschweißen kann verwendet werden, einschließlich Stab-, MIG- und WIG-Verfahren. Insbesondere beim Stabschweißen entsteht eine Schweißnaht, die stärker ist als das Grundmetall. Beim Nickel-MIG-Schweißen ist das Schutzgas eine 50/50-Mischung aus Helium und Argon.

Zum Schweißen von Nickellegierungen sind alle gängigen Schweißverfahren geeignet. Der Hauptunterschied liegt in der Wärmeausdehnung. Nickellegierungen haben einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Edelstahl, und die Kontrollmethoden für Verformungen ähneln tatsächlich denen, die Sie für Kohlenstoffstahl anwenden würden.

Nickellegierungen lassen sich durch alle Arten von Schweißverfahren bzw. -verfahren mit Ausnahme des Schmiedeschweißens und des Autogenschweißens zuverlässig fügen. Die Nickel-Knetlegierungen können unter Bedingungen geschweißt werden, die denen ähneln, die zum Schweißen von austenitischem rostfreiem Stahl verwendet werden. Nickelgusslegierungen, insbesondere solche mit hohem Siliziumgehalt, bereiten Schwierigkeiten beim Schweißen.

Die am weitesten verbreiteten Verfahren zum Schweißen der nicht aushärtbaren (mischkristallverfestigten) Nickel-Knetlegierungen sind das Wolfram-Gas-Schweißen (GTAW), das Metall-Schutzgas-Schweißen (GMAW) und das Schutzgas-Schweißen (SMAW). ). Unterpulverschweißen (UPW) und Elektroschlackeschweißen (ESW) sind ebenso wie das Lichtbogenplasmaschweißen (PAW) nur begrenzt anwendbar. Obwohl das GTAW-Verfahren zum Schweißen der ausscheidungshärtbaren Legierungen bevorzugt wird, werden sowohl das GMAW- als auch das SMAW-Verfahren ebenfalls verwendet.

Nickellegierungen werden in der Regel lösungsgeglüht geschweißt. Ausscheidungsharte Legierungen (PH) sollten vor dem Schweißen geglüht werden, wenn sie Operationen unterzogen wurden, die hohe Eigenspannungen einführen.

Häufige Probleme beim Schweißen von Nickellegierungen

Das häufigste und schwerwiegendste Problem, das beim Schweißen von Nickellegierungen auftritt, sind Heißrisse. Dies tritt entweder in der Schmelzlinie, in der WEZ oder im Schweißgut (Schmelzzone) auf, obwohl die Schmelzlinie der am häufigsten betroffene Bereich ist.

Normalerweise verursacht Schwefel in der Legierung oder auf der Oberfläche diese Rissbildung, obwohl Wismut, Blei, Phosphor und Bor auch negative Auswirkungen haben können. Um dies zu verhindern, ist es wichtig, dass sowohl die HAZ als auch das Schweißgut vollständig frei von Öl, Fett, Schmutz und anderen Verunreinigungen sind. Überschüssiger Schwefel im Schweißzusatz oder in den Grundmaterialien kann ebenfalls Probleme verursachen.

Zur Vorbereitung des Materials ist eine Entfettung und anschließendes gründliches Edelstahl- oder Maschinendrahtbürsten erforderlich. Stellen Sie sicher, dass Sie ein für Nickellegierungen geeignetes Lösungsmittel verwenden und dass das Schweißen innerhalb von acht Stunden nach der Reinigung erfolgt, um eine spätere Kontamination zu vermeiden.

Die Wärmebehandlung sollte nur mit einem Elektroofen oder mit schwefelfreiem Brennstoff, im Vakuum oder in einer inerten Umgebung durchgeführt werden.

Wenn das Material bereits verwendet wurde oder repariert wird, sollte es geschliffen oder bearbeitet werden, um Verunreinigungen zu entfernen, die sich möglicherweise auf der Oberfläche des Reparaturbereichs der Schweißnaht festgesetzt haben.

Porosität ist ebenfalls ein Problem, insbesondere wenn Sauerstoff oder Wasserstoff Oberflächenverunreinigungen in Form von Lufteinschlüssen im Schweißbad verursachen. Um dem entgegenzuwirken, sind eine effiziente Gasspülung und -abschirmung auf der Stirn- und Wurzelseite der Schweißnaht erforderlich, und alle Gasschläuche müssen in einwandfreiem Zustand sein. Auch der Schweißbereich muss gegen Zugluft abgedichtet werden.

Schweißnahtvorbereitung für Nickellegierungen

Beim Schweißen von Nickellegierungen ist die Schweißnahtvorbereitung unerlässlich. Der wichtigste Aspekt des Designs ist sicherzustellen, dass ausreichend Zugang für den Schweißbrenner vorhanden ist und dass bei Bedarf eine vollständige Durchdringung erreicht werden kann.

Das beste Stoßverbindungsdesign ist ein quadratischer Stoß, aber dies ist durch die Dicke begrenzt, da die Verbindung nicht durchdrungen werden kann. Daher wird häufig eine U- oder V-Präparation mit einem Winkel von 30° bis 40° bei einer Dicke von 10 mm verwendet, um eine Penetration und nachfolgende Fülldurchgänge zu ermöglichen.

Hinsichtlich der Gasaufbereitung kann es sinnvoll sein, dem Inertgasgemisch bis zu 10 % Wasserstoff hinzuzufügen, da dies die Fließfähigkeit im Schweißbad verbessert.

Für das Schweißen von Nickellegierungen ist kein Vorwärmen erforderlich, es sei denn, Kondensation muss entfernt werden. Das Schweißen von Nickel erfordert normalerweise eine maximale Zwischenlagentemperatur von 250 ̊C, obwohl bestimmte Legierungen nur maximal 100 ̊C verwenden sollten.

Nach dem Schweißen kann etwas Schleifen erforderlich sein, um eine anhaftende Oxidschicht zu entfernen, die sich auf der Oberfläche des Schweißbades bilden kann. Manchmal reicht Drahtbürsten nicht aus, um diese Rückstände nach dem Schweißen zu entfernen.

Behandlung nach dem Schweißen

Es ist keine Nachbehandlung, weder thermisch noch chemisch, erforderlich, um die Korrosionsbeständigkeit aufrechtzuerhalten oder wiederherzustellen, obwohl in einigen Fällen ein vollständiges Lösungsglühen die Korrosionsbeständigkeit verbessert.

Eine Wärmebehandlung kann erforderlich sein, um Spezifikationsanforderungen zu erfüllen, wie z. B. Spannungsabbau einer hergestellten Struktur, um Alterungshärtung oder Spannungsrisskorrosion (SCC) der Schweißverbindung in Flusssäuredampf oder Natronlauge zu vermeiden. Wenn das Schweißen mäßige bis hohe Restspannungen induziert, müssten die PH-Legierungen nach dem Schweißen und vor dem Altern spannungsarm geglüht werden.

Nickel und Nickellegierungen sind anfällig für Versprödung durch Blei, Schwefel, Phosphor und andere Elemente mit niedrigem Schmelzpunkt. Diese Materialien können in Fett, Öl, Farbe, Markierungsstiften oder -tinten, Umformschmiermitteln, Schneidflüssigkeiten, Werkstattschmutz und Verarbeitungschemikalien enthalten sein.

Werkstücke müssen vor dem Erhitzen oder Schweißen völlig frei von Fremdstoffen sein. Werkstattschmutz, Öl und Fett können entweder durch Dampfentfettung oder durch Abtupfen mit Aceton oder einem anderen ungiftigen Lösungsmittel entfernt werden.

Farben und andere Materialien, die nicht in entfettenden Lösungsmitteln löslich sind, können die Verwendung von Methylenchlorid, alkalischen Reinigern oder speziellen proprietären Verbindungen erfordern. Werden alkalische Reiniger verwendet, die Soda enthalten, müssen die Reiniger selbst vor dem Schweißen entfernt werden. Sprühen oder Schrubben mit heißem Wasser wird empfohlen. Markierungstinte kann normalerweise mit Alkohol entfernt werden.

Bearbeitungsmaterial, das sich in das Werkstückmetall eingebettet hat, kann durch Schleifen, Strahlen und Abtupfen mit 10 %iger HCl-Lösung entfernt werden, gefolgt von einer gründlichen Wasserwäsche. Oxide müssen auch aus dem Bereich entfernt werden, der am Schweißvorgang beteiligt ist, hauptsächlich wegen des Unterschieds zwischen den Schmelzpunkten des Oxids und des Grundmetalls. Oxide werden normalerweise durch Schleifen, maschinelle Bearbeitung, Strahlen oder Beizen entfernt.

Nickellegierungen, sowohl gegossen als auch geschmiedet und entweder mischkristallverstärkt oder ausscheidungshärtbar, können durch das GTAW-Verfahren geschweißt werden. Die Zugabe von Füllstoff wird in der Regel empfohlen. Gleichstromelektrode negativ (DCEN) wird sowohl für manuelles als auch maschinelles Schweißen empfohlen.

Schutzgas

Als Schutzgas zum Schweißen von Nickel und Nickellegierungen wird entweder Argon oder Helium oder eine Mischung aus beiden verwendet. Zusätze von Sauerstoff, Kohlendioxid oder Stickstoff zu Argongas verursachen normalerweise Porosität oder Erosion der Elektrode. Argon mit kleinen Mengen Wasserstoff (normalerweise 5 %) kann verwendet werden und kann dazu beitragen, Porosität in reinem Nickel zu vermeiden und die Oxidbildung während des Schweißens zu reduzieren.

Schweißen von Gussnickellegierungen

Gegossene Nickellegierungen können durch GTAW-, GMAW- und SMAW-Verfahren gefügt werden. Für optimale Ergebnisse sollte das Gussteil vor dem Schweißen lösungsgeglüht werden, um einige der Gussspannungen abzubauen und eine gewisse Homogenisierung der Gussstruktur zu erreichen.

Das leichte Hämmern des erstarrten Metalls nach dem ersten Durchgang wird Spannungen abbauen und somit die Rissbildung an der Verbindungsstelle des Schweißmetalls und des Gussmetalls verringern. Das Kugelstrahlen der nachfolgenden Durchgänge ist von geringem Nutzen, wenn überhaupt. Spannungsarmglühen nach dem Schweißen ist ebenfalls wünschenswert.