Nickellegierungen Schweißen meistern: Expertentechniken & Tipps

Nickellegierungen werden aufgrund ihrer hervorragenden Vielseitigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Leistung bei hohen Temperaturen gewählt. Kein Wunder, dass sie in extremen Umgebungen – insbesondere in Flugzeug- und Dampfturbinen, Kernkraftwerken sowie der petrochemischen und chemischen Industrie – beliebt sind.

Angesichts ihres Einsatzes in extremen Umgebungen müssen die Schweißzonen von Nickellegierungen konstante Eigenschaften aufweisen; nur so hält das fertige, geschweißte Produkt den extremen Bedingungen stand. Zudem ist eine hohe Schweißqualität mit minimalen Fehlern essenziell, da diese die Leistung in rauen Umgebungen beeinträchtigen könnten.

Was sind Nickellegierungen?

Nickellegierungen sind allgemein als Legierungen definiert, die Nickel – ein vielseitiges Element – als Hauptbestandteil enthalten. Historisch galten Legierungen mit über 50 % Nickel als Nickellegierungen. Heutige Nickellegierungen weisen in der Regel einen noch höheren Nickelanteil auf. Beispiele:

• 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

Nickelschweißen erfolgt mit einer der vielen verfügbaren Nickellegierungen. Lichtbogenschweißverfahren wie Elektrodenhandschweißen (Stick), MIG und WIG sind einsetzbar. Insbesondere Elektrodenhandschweißen erzeugt eine Naht, die fester ist als der Grundwerkstoff. Beim MIG-Schweißen von Nickel dient ein 50/50 Helium-Argon-Gemisch als Schutzgas.

Alle konventionellen Schweißverfahren eignen sich für Nickellegierungen. Der Hauptunterschied liegt in der thermischen Ausdehnung: Nickellegierungen haben einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten als rostfreier Stahl; Verzugskontrollmethoden ähneln denen für Baustahl.

Nickellegierungen können zuverlässig mit allen Schweißverfahren verbunden werden – ausgenommen Schmiedeschweißen und Autogenschweißen. Kaltverformte Nickellegierungen lassen sich unter Bedingungen schweißen, die denen für austenitische rostfreie Stähle ähneln. Guss-Nickellegierungen, insbesondere mit hohem Siliciumgehalt, bereiten Schwierigkeiten beim Schweißen.

Die am häufigsten eingesetzten Verfahren für nicht aushärtbare (festkörperverstärkte) kaltverformte Nickellegierungen sind WIG (GTAW), MIG (GMAW) und Elektrodenhandschweißen (SMAW). Unterpulverschweißen (SAW) und Elektroschlackeschweißen (ESW) sowie Plasmalichtbogenschweißen (PAW) haben begrenzte Anwendbarkeit. Obwohl WIG für aushärtbare Legierungen bevorzugt wird, kommen auch MIG und Elektrodenhandschweißen zum Einsatz.

Nickellegierungen werden meist im lösungsgeglühten Zustand geschweißt. Aushärtbare (PH) Legierungen sollten vor dem Schweißen geglüht werden, falls sie Operationen durchlaufen haben, die hohe Eigenspannungen erzeugten.

Häufige Probleme beim Schweißen von Nickellegierungen

Das häufigste und schwerwiegendste Problem ist Heißrissbildung. Diese tritt entweder in der Schmelzlinie, in der WEZ oder im Schweißgut (Schmelzzone) auf, wobei die Schmelzlinie am häufigsten betroffen ist.

Meist verursacht Schwefel in der Legierung oder auf der Oberfläche diese Risse; auch Bismut, Blei, Phosphor und Bor können negative Auswirkungen haben. Zur Vorbeugung müssen sowohl WEZ als auch Schweißgut vollständig frei von Öl, Fett, Schmutz und anderen Verunreinigungen sein. Übermäßiger Schwefel im Zusatz- oder Grundwerkstoff kann ebenfalls Probleme verursachen.

Zur Materialvorbereitung sind Entfettung gefolgt von gründlichem Bürsten mit rostfreier Stahl- oder Maschinenbürste erforderlich. Ein für Nickellegierungen geeignetes Lösungsmittel verwenden und das Schweißen innerhalb von acht Stunden nach der Reinigung durchführen, um Nachkontamination zu vermeiden.

Wärmebehandlung sollte nur in einem Elektroofen oder mit schwefelfreiem Brennstoff, im Vakuum oder in inertem Schutzgas erfolgen.

Bei bereits genutztem oder zu reparierendem Material sollte die Oberfläche der Reparaturzone durch Schleifen oder Zerspanen von eingeschlossenen Verunreinigungen befreit werden.

Porosität ist ebenfalls ein Problem, insbesondere wenn Sauerstoff oder Wasserstoff durch Lufteinschlüsse im Schweißbad Oberflächenverunreinigungen verursachen. Dagegen helfen effiziente Gasspülung und -abschirmung auf der Vorder- und Wurzelseite der Naht sowie einwandfreie Gasschläuche. Der Schweißbereich muss zudem vor Zugluft abgedichtet sein.

Nahtvorbereitung für Nickellegierungen

Nahtvorbereitung ist beim Schweißen von Nickellegierungen essenziell. Der wichtigste Aspekt des Designs ist die Sicherstellung ausreichenden Zugangs für den Schweißbrenner und die Möglichkeit zur vollständigen Durchschweißung, falls erforderlich.

Die beste Stumpfnahtausführung ist eine quadratische Stumpfnaht, diese ist jedoch durch die Dicke begrenzt, da die Durchdringung nicht gewährleistet werden kann. Daher werden häufig U- oder V-Vorbereitungen mit 30° bis 40° Winkel bei 10 mm Dicke verwendet, um Durchdringung und nachfolgende Auffülllagen zu ermöglichen.

Zur Gasvorbereitung kann es nützlich sein, dem Inertgas bis zu 10 % Wasserstoff beizumischen, da dies die Fließfähigkeit im Schweißbad verbessert.

Kein Vorwärmen ist für Nickellegierungsschweißen erforderlich, es sei denn, Kondensation muss entfernt werden. Beim Nickelschweißen wird meist eine maximale Zwischentemperatur von 250 °C gefordert, bestimmte Legierungen nur maximal 100 °C.

Nach dem Schweißen kann Schleifen nötig sein, um eine haftende Oxidschicht auf der Schweißbadoberfläche zu entfernen; Drahtbürsten reichen dafür manchmal nicht aus.

Nachbehandlung

Keine nachträgliche Wärme- oder Chemische Behandlung ist erforderlich, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhalten oder wiederherzustellen, obwohl in manchen Fällen eine vollständige Lösungsglühung die Korrosionsbeständigkeit verbessert.

Wärmebehandlung kann nötig sein, um Spezifikationsanforderungen zu erfüllen, z. B. Spannungsarmglühen einer Fertigungsstruktur zur Vermeidung von Aushärtung oder Spannungsrisskorrosion (SCC) der Schweißverbindung in Fluorwasserstoffdampf oder ätzender Soda. Falls das Schweißen mittlere bis hohe Eigenspannungen induziert, benötigen PH-Legierungen nach dem Schweißen und vor dem Altern ein Spannungsarmglühen.

Nickel und Nickellegierungen sind versprödungsempfindlich durch Blei, Schwefel, Phosphor und andere niedrigschmelzende Elemente. Diese können in Fett, Öl, Farbe, Markierstiften oder -tinten, Schmierstoffen, Kühlschmierstoffen, Werkstattschmutz und Prozesschemikalien vorkommen.

Werkstücke müssen vor dem Erhitzen oder Schweißen vollständig frei von Fremdstoffen sein. Werkstattschmutz, Öl und Fett lassen sich durch Dampfentfettung oder Abwischen mit Aceton oder einem anderen ungiftigen Lösungsmittel entfernen.

Farbe und andere nicht in Entfettungslösemitteln lösliche Materialien erfordern möglicherweise Methylenchlorid, alkalische Reiniger oder spezielle proprietäre Verbindungen. Werden alkalische Reiniger mit Natriumcarbonat verwendet, müssen diese selbst vor dem Schweißen entfernt werden – Abschrecken oder Schrubben mit heißem Wasser wird empfohlen. Markiertinte lässt sich meist mit Alkohol entfernen.

In das Werkstück eingebettetes Prozessmaterial kann durch Schleifen, Strahlen und Abwischen mit 10%iger HCl-Lösung gefolgt von gründlichem Wasserspülen entfernt werden. Oxide müssen aus dem Schweißbereich entfernt werden, primär wegen des Schmelzpunkunterschieds zwischen Oxid und Grundwerkstoff. Oxide werden normalerweise durch Schleifen, Zerspanen, Strahlen oder Beizen beseitigt.

Nickellegierungen – sowohl Guss als auch kaltverformt, entweder festkörperverstärkt oder aushärtbar – können im WIG-Verfahren geschweißt werden. Zugabe von Zusatzwerkstoff wird meist empfohlen. Gleichstrom mit negativem Elektrodenpol (DCEN) wird für manuelles und maschinelles Schweißen empfohlen.

Schutzgas

Als Schutzgas für Nickel und Nickellegierungen werden Argon, Helium oder ein Gemisch beider verwendet. Zusätze von Sauerstoff, Kohlendioxid oder Stickstoff zu Argon verursachen meist Porosität oder Elektrodenerosion. Argon mit geringen Wasserstoffanteilen (typisch 5 %) kann verwendet werden und hilft, Porosität bei Reinnickel zu vermeiden sowie Oxidbildung während des Schweißens zu reduzieren.

Schweißen von Guss-Nickellegierungen

Guss-Nickellegierungen können mit WIG, MIG und Elektrodenhandschweißen verbunden werden. Für optimale Ergebnisse sollte der Guss vor dem Schweißen lösungsgeglüht werden, um Gusseigenspannungen abzubauen und eine gewisse Homogenisierung der Gussstruktur zu erreichen.

Leichtes Peening des erstarrten Metalls nach dem ersten Lauf lindert Spannungen und verringert so Rissbildung an der Grenze zwischen Schweißgut und Gussmetall. Peening der nachfolgenden Lagen bringt wenig bis keinen Nutzen. Spannungsarmglühen nach dem Schweißen ist ebenfalls wünschenswert.