Nickellegierungen-Schweißen meistern: Umfassende Techniken & Best Practices

Was sind Nickellegierungen?

Nickellegierungen werden in der Regel 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 sowie in der petrochemischen und chemischen Industrie.

Angesichts ihres Einsatzes in extremen Umgebungen müssen die Schweißzonen von Nickellegierungen konsistente Eigenschaften aufweisen – dies ist der einzige Weg, um sicherzustellen, dass das fertige, geschweißte Produkt der extremen Umgebung standhält. Zudem ist es wichtig, dass die Naht von hoher Qualität ist und sehr wenige Fehler aufweist, da diese die Leistung in rauen Umgebungen ebenfalls beeinträchtigen könnten.

Definition von Nickellegierungen

Nickellegierungen werden allgemein als Legierungen definiert, die Nickel als Hauptbestandteil enthalten. 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 %. 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

Nickel-Schweißen

Nickel-Schweißen wird mit einer der vielen verfügbaren Nickellegierungen durchgeführt. Lichtbogenschweißen kann angewendet werden, einschließlich Stab-, MIG- und WIG-Verfahren. Insbesondere das Stabschweißen erzeugt eine Naht, die stärker ist als das Grundmaterial. Beim Nickel-MIG-Schweißen besteht das Schutzgas aus einer 50/50-Helium-Argon-Mischung.

Alle konventionellen Schweißverfahren eignen sich für das Schweißen von Nickellegierungen. Der Hauptunterschied liegt in der thermischen Ausdehnung. Nickellegierungen haben einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als rostfreier Stahl, und Kontrollmethoden für Verzug sind tatsächlich ähnlich zu denen, die man für Baustahl anwenden würde.

Nickellegierungen können zuverlässig mit allen Arten von Schweißverfahren verbunden werden, mit Ausnahme von Schmiedeschweißen und Autogenschweißen. Die gekneteten Nickellegierungen können unter Bedingungen geschweißt werden, die denen für austenitischen rostfreien Stahl ähneln. Guss-Nickellegierungen, insbesondere solche mit hohem Siliziumgehalt, bereiten beim Schweißen Schwierigkeiten.

Die am weitesten verbreiteten Verfahren für das Schweißen von nicht aushärtbaren (festkörperverstärkten) gekneteten Nickellegierungen sind WIG-Schweißen (GTAW), MIG-Schweißen (GMAW) und Stabschweißen (SMAW). Unterpulverschweißen (SAW) und Elektroschlackeschweißen (ESW) haben begrenzte Anwendbarkeit, ebenso wie Plasmalichtbogenschweißen (PAW). Obwohl das WIG-Verfahren für das Schweißen der ausscheidungshärtbaren Legierungen bevorzugt wird, werden auch GMAW und SMAW verwendet.

Nickellegierungen werden in der Regel im lösungsgeglühten Zustand geschweißt. Ausscheidungshärtbare (PH) Legierungen sollten vor dem Schweißen geglüht werden, wenn sie Operationen durchlaufen haben, die hohe Eigenspannungen eingeführt haben.

Häufige Probleme beim Schweißen von Nickellegierungen

Das häufigste und schwerwiegendste Problem beim Schweißen von Nickellegierungen ist Heißrissbildung. Diese tritt entweder in der Fusionslinie, in der WEZ oder im Schweißgut (Fusionszone) auf, wobei die Fusionslinie am häufigsten betroffen ist.

Üblicherweise verursacht Schwefel in der Legierung oder auf der Oberfläche diese Rissbildung, obwohl Bismut, Blei, Phosphor und Bor ebenfalls negative Auswirkungen haben können. Um dies zu verhindern, ist es essenziell, dass sowohl die WEZ als auch das Schweißgut vollständig frei von Öl, Fett, Schmutz und anderen Verunreinigungen sind. Übermäßiger Schwefel im Zusatzwerkstoff oder Grundmaterial kann ebenfalls Probleme verursachen.

Zur Materialvorbereitung sind Entfetten, gefolgt von gründlichem Bürsten mit Edelstahl- oder Maschinendrahtbürsten erforderlich. Stellen Sie sicher, dass Sie ein für Nickellegierungen geeignetes Lösungsmittel verwenden und das Schweißen innerhalb von acht Stunden nach der Reinigung stattfindet, um eine nachträgliche Kontamination zu verhindern.

Wärmebehandlung sollte nur in einem Elektroofen oder mit schwefelfreiem Brennstoff, im Vakuum oder in inertem Umfeld durchgeführt werden.

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

Porosität ist ebenfalls ein Problem, insbesondere wenn Sauerstoff oder Wasserstoff durch Lufteinschlüsse im Schmelzbad zu Oberflächenverunreinigungen führen. Dagegen helfen ein effizientes Gasspülen und Abschirmen auf der Vorder- und Rückseite der Naht sowie einwandfreie Gasschläuche. Der Schweißbereich muss zudem vor Zugluft abgedichtet sein.

Nahtvorbereitung für Nickellegierungen

Die Nahtvorbereitung ist beim Schweißen von Nickellegierungen essenziell. Der wichtigste Aspekt des Designs ist die Gewährleistung ausreichenden Zugangs für den Schweißbrenner und die Möglichkeit der vollen Durchschweißung, falls erforderlich.

Das beste Stoßnaht-Design ist eine quadratische Stoßnaht, diese ist jedoch durch die Dicke begrenzt, da die Naht nicht durchdrungen werden kann. Daher wird häufig eine U- oder V-Vorbereitung mit einem Winkel von 30° bis 40° bei 10 mm Dicke verwendet, um Durchschweißung und anschließende Fülllagen zu ermöglichen.

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

Kein Vorwärmen ist für das Nickel-Schweißen erforderlich, es sei denn, es besteht die Notwendigkeit, Kondensation zu entfernen. Das Schweißen von Nickel erfordert in der Regel eine maximale Zwischentemperatur von 250 °C, obwohl bestimmte Legierungen nur maximal 100 °C zulassen.

Nach dem Schweißen kann etwas Schleifen erforderlich sein, um eine anhaftende Oxidschicht zu entfernen, die sich auf der Oberfläche des Schmelzbades bilden kann. Manchmal reicht Drahtbürsten nicht aus, um diesen Nachschweiß-Rückstand zu entfernen.

Nachbehandlung

Keine nachträgliche Behandlung, weder thermisch noch chemisch, ist erforderlich, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhalten oder wiederherzustellen, obwohl in einigen Fällen ein vollständiges Lösungsglühen die Korrosionsbeständigkeit verbessern kann.

Wärmebehandlung kann notwendig sein, um Spezifikationsanforderungen zu erfüllen, wie z. B. Spannungsarmglühen einer gefertigten Struktur zur Vermeidung von Aushärtung oder Spannungsrisskorrosion (SCC) der Schweißverbindung in Fluorwasserstoffdampf oder ätzendem Natron. Wenn das Schweißen mittlere bis hohe Eigenspannungen induziert, benötigen PH-Legierungen nach dem Schweißen und vor dem Altern ein Spannungsarmglühen.

Nickel und Nickellegierungen sind anfällig für Versprödung durch Blei, Schwefel, Phosphor und andere niedrigschmelzende Elemente. Diese Materialien können in Fett, Öl, Farbe, Markierstiften oder Tinten, Schmierstoffen, Kühlschmierstoffen, Werkstattschmutz und Verarbeitungschemikalien vorhanden sein.

Werkstücke müssen vor dem Erhitzen oder Schweißen vollständig frei von Fremdmaterial sein. Werkstattschmutz, Öl und Fett können entweder durch Dampfentfetten oder Abwischen mit Aceton oder einem anderen ungiftigen Lösungsmittel entfernt werden.

Farbe und andere Materialien, die nicht in Entfettungslösungsmitteln löslich sind, können die Verwendung von Methylenchlorid, alkalischen Reinigern oder speziellen proprietären Verbindungen erfordern. Wenn alkalische Reiniger mit Natriumcarbonat verwendet werden, müssen diese selbst vor dem Schweißen entfernt werden. Sprühen oder Schrubben mit heißem Wasser wird empfohlen. Markiertinte lässt sich meist mit Alkohol entfernen.

In das Werkstoffmaterial eingebettete Verarbeitungsmaterialien können durch Schleifen, Strahlen und Abwischen mit 10 % HCl-Lösung, gefolgt von gründlichem Wasserspülen, entfernt werden. Oxide müssen ebenfalls aus dem Bereich entfernt werden, der am Schweißvorgang beteiligt ist, hauptsächlich aufgrund des Unterschieds zwischen dem Schmelzpunkt des Oxids und des Grundmetalls. Oxide werden normalerweise durch Schleifen, Bearbeiten, Strahlen oder Beizen entfernt.

Nickellegierungen, sowohl gegossene als auch geknetete, ob festkörperverstärkt oder ausscheidungshärtbar, können mit dem WIG-Verfahren geschweißt werden. Die Zugabe von Zusatzwerkstoff wird meist empfohlen. Gleichstrom mit negativer Elektrode (DCEN) wird für manuelles und maschinelles Schweißen empfohlen.

Schutzgas

Entweder Argon oder Helium oder eine Mischung aus beiden wird als Schutzgas für das Schweißen von Nickel und Nickellegierungen verwendet. Zugaben von Sauerstoff, Kohlendioxid oder Stickstoff zu Argongas verursachen in der Regel Porosität oder Elektrodenerosion. Argon mit kleinen Mengen Wasserstoff (typischerweise 5 %) kann verwendet werden und kann helfen, Porosität in reinem Nickel zu vermeiden sowie die Oxidbildung während des Schweißens zu reduzieren.

Schweißen von Guss-Nickellegierungen

Guss-Nickellegierungen können mit den Verfahren WIG, MIG und SMAW verbunden werden. Für optimale Ergebnisse sollten Gussteile vor dem Schweißen lösungsgeglüht werden, um einige der Gießspannungen abzubauen und eine gewisse Homogenisierung der Gussstruktur zu erreichen.

Leichtes Richten des erstarrten Metalls nach dem ersten Lauf lindert Spannungen und reduziert so Risse an der Verbindung zwischen Schweißgut und Gussmetall. Das Richten der nachfolgenden Läufe bringt wenig bis gar keinen Nutzen. Spannungsarmglühen nach dem Schweißen ist ebenfalls wünschenswert.