Einführung
Bei der Herstellung von Anlagen für die Chemie- und Erdölindustrie wird Stahl häufig mit Nickel und Legierungen verschweißt, um teures Nickel einzusparen.
Die Hauptprobleme beim Schweißen
Beim Schweißen bestehen die Hauptbestandteile der Schweißnaht aus Eisen und Nickel, die sich unendlich gut miteinander mischen und keine intermetallischen Verbindungen bilden. Im Allgemeinen ist der Nickelgehalt in der Schweißnaht relativ hoch, sodass sich in der Schmelzzone der Schweißverbindung keine Diffusionsschicht bildet. Das Hauptproblem beim Schweißen ist die Neigung zur Bildung von Porosität und Heißrissen in der Schweißnaht.
1. Porosität
Beim Schweißen von Stahl, Nickel und seinen Legierungen sind Sauerstoff, Nickel und andere Legierungselemente die Hauptfaktoren, die die Bildung von Poren in der Schweißnaht beeinflussen.
① Der Einfluss von Sauerstoff. Beim Schweißen kann flüssiges Metall vermehrt Sauerstoff aufnehmen. Dieser Sauerstoff oxidiert bei hohen Temperaturen Nickel und führt zur Bildung von NiO. NiO kann mit Wasserstoff und Kohlenstoff im flüssigen Metall reagieren und beim Erstarren des Schmelzbades Wasserdampf und Kohlenmonoxid bilden. Da diese Stoffe nicht rechtzeitig entweichen können, verbleiben sie in der Schweißnaht und führen zur Porenbildung. Beim Unterpulverschweißen von Eisen und Nickel mit reinem Nickel bzw. Q235-A ändert sich der Stickstoff- und Wasserstoffgehalt kaum. Je höher der Sauerstoffgehalt in der Schweißnaht ist, desto mehr Poren entstehen.
② Der Einfluss von Nickel. In der Eisen-Nickel-Schweißnaht unterscheidet sich die Sauerstofflöslichkeit in Eisen und Nickel. Die Sauerstofflöslichkeit in flüssigem Nickel ist höher als in flüssigem Eisen, während sie in festem Nickel geringer ist als in festem Eisen. Daher ist der plötzliche Übergang der Sauerstofflöslichkeit bei der Nickelkristallisation ausgeprägter als bei der Eisenkristallisation. Folglich ist die Porositätsneigung in der Schweißnaht bei einem Nickelgehalt von 15–30 % gering. Bei höherem Nickelgehalt steigt die Porositätsneigung auf 60–90 %, und die Menge des gelösten Stahls nimmt ab, wodurch die Porositätsbildung weiter zunimmt.
③ Der Einfluss anderer Legierungselemente. Enthält die Eisen-Nickel-Schweißnaht Mangan, Chrom, Molybdän, Aluminium, Titan und andere Legierungselemente oder ist die Legierung darauf abgestimmt, kann die Porosität der Schweißnaht verbessert werden. Dies liegt daran, dass Mangan, Titan und Aluminium etc. eine desoxygenierende Wirkung haben, während Chrom und Molybdän die Löslichkeit der Schweißnaht im festen Metall verbessern. Daher weist die Schweißnaht von Nickel und 1Cr18Ni9Ti-Edelstahl eine höhere Porosität auf als die von Nickel und Q235-A-Stahl. Aluminium und Titan können zudem Stickstoff in stabilen Verbindungen binden, was ebenfalls die Porosität der Schweißnaht verbessert.
2. Thermische Rissbildung
Bei Stahl und Nickel sowie dessen Legierungen in der Schweißnaht ist die Hauptursache für thermische Rissbildung die dendritische Struktur des Nickels in der Schweißnaht. An den Rändern der groben Körner konzentrieren sich zahlreiche niedrigschmelzende Kokristalle, wodurch die Verbindung zwischen den Körnern geschwächt und die Rissbeständigkeit des Schweißguts verringert wird. Darüber hinaus hat ein zu hoher Nickelgehalt im Schweißgut, der die Entstehung thermischer Risse begünstigt, einen signifikanten Einfluss auf die Eisen-Nickel-Schweißnaht. Auch Sauerstoff, Schwefel, Phosphor und andere Verunreinigungen beeinflussen die Neigung zur thermischen Rissbildung in der Schweißnaht erheblich.
Bei Verwendung sauerstofffreier Flussmittel wird die Rissbildung aufgrund der reduzierten Qualität von Sauerstoff, Schwefel, Phosphor und anderen schädlichen Verunreinigungen in der Schweißnaht, insbesondere des sinkenden Sauerstoffgehalts, deutlich verringert. Durch die Schmelzbadkristallisation bilden Sauerstoff und Nickel ein Ni + NiO-Eutektikum mit einer eutektischen Temperatur von 1438 °C. Sauerstoff kann zudem die schädliche Wirkung von Schwefel verstärken. Daher ist bei hohem Sauerstoffgehalt in der Schweißnaht die Neigung zu thermischen Rissen größer.
Mn, Cr, Mo, Ti, Nb und andere Legierungselemente können die Rissbeständigkeit des Schweißguts verbessern. Mn, Cr, Mo, Ti und Nb wirken als Metamorphosemittel, verfeinern das Schweißgutgefüge und beeinflussen die Kristallisationsrichtung. Al und Ti sind zudem starke Desoxidationsmittel und reduzieren den Sauerstoffgehalt im Schweißgut. Mn bildet mit S hochschmelzende Verbindungen (MnS), wodurch die schädliche Wirkung von Schwefel verringert wird.
Mechanische Eigenschaften von Schweißverbindungen
Die mechanischen Eigenschaften von Eisen-Nickel-Schweißverbindungen hängen vom Schweißzusatzwerkstoff und den Schweißparametern ab. Beim Schweißen von reinem Nickel und kohlenstoffarmem Stahl bildet sich bei einem Nickeläquivalent im Schweißgut unter 30 % und schneller Abkühlung Martensit, was zu einem starken Abfall der Plastizität und Zähigkeit der Verbindung führt. Um eine bessere Plastizität und Zähigkeit der Verbindung zu erzielen, sollte das Nickeläquivalent in der Eisen-Nickel-Schweißnaht daher über 30 % liegen.
Veröffentlichungsdatum: 10. März 2025