Einführung
Um teures Nickel zu sparen, wird bei der Herstellung von Chemie- und Erdölanlagen Stahl häufig mit Nickel und Legierungen verschweißt.
Die Hauptprobleme des Schweißens
Beim Schweißen sind die Hauptbestandteile der Schweißnaht Eisen und Nickel, die sich gegenseitig unendlich löslich sind und keine intermetallischen Verbindungen bilden. Der Nickelgehalt in der Schweißnaht ist im Allgemeinen relativ hoch, sodass sich in der Schmelzzone der Schweißverbindung keine Diffusionsschicht bildet. Das Hauptproblem beim Schweißen ist die Tendenz zur Bildung von Porosität und Heißrissen in der Schweißnaht.
1.Porosität
Beim Schweißen von Stahl und Nickel sowie deren Legierungen sind Sauerstoff, Nickel und andere Legierungselemente die Hauptfaktoren, die die Bildung von Porosität in der Schweißnaht beeinflussen.
① Die Wirkung von Sauerstoff. Beim Schweißen kann das flüssige Metall mehr Sauerstoff lösen, und Sauerstoff bei hohen Temperaturen und Nickeloxidation führt zur Bildung von NiO. NiO kann mit Wasserstoff und Kohlenstoff im flüssigen Metall reagieren und beim Erstarren des Schmelzbades Wasserdampf und Kohlenmonoxid bilden, was zu spät zum Entweichen führt und zu Porosität in der Schweißnaht führt. Beim Unterpulverschweißen von reinem Nickel und Q235-A von Eisen- und Nickelschweißnähten ändert sich der Stickstoff- und Wasserstoffgehalt nicht wesentlich. Je höher der Sauerstoffgehalt in der Schweißnaht, desto höher ist die Anzahl der Poren in der Schweißnaht.
② Der Einfluss von Nickel. In Eisen-Nickel-Schweißverbindungen ist die Sauerstofflöslichkeit von Eisen und Nickel unterschiedlich. Flüssiges Nickel löst Sauerstoff besser als flüssiges Eisen, festes Nickel hingegen weniger. Daher ist die Sauerstofflöslichkeit in der Nickelkristallisation bei plötzlichen Veränderungen stärker ausgeprägt als in der Eisenkristallisation bei plötzlichen Veränderungen. Daher ist die Porosität in der Schweißnaht bei einem Ni-Gehalt von 15–30 % gering, während sie bei einem hohen Ni-Gehalt auf 60–90 % steigt. Der gelöste Stahlanteil nimmt zwangsläufig ab, was wiederum die Porositätsneigung erhöht.
3. Der Einfluss anderer Legierungselemente. Enthält eine Eisen-Nickel-Schweißnaht Mangan, Chrom, Molybdän, Aluminium, Titan oder andere Legierungselemente oder entsprechende Legierungen, kann dies die Porenfestigkeit der Schweißnaht verbessern. Dies liegt daran, dass Mangan, Titan und Aluminium die Funktion der Sauerstoffentfernung haben, während Chrom und Molybdän die Löslichkeit der Schweißnaht im festen Metall verbessern. Daher sind Schweißnähte aus Nickel und rostfreiem Stahl 1Cr18Ni9Ti porenfester als Schweißnähte aus Nickel und Q235-A-Stahl. Aluminium und Titan können zudem Stickstoff in stabilen Verbindungen binden, was die Porenfestigkeit der Schweißnaht ebenfalls verbessern kann.
2. Thermisches Cracken
Bei Schweißnähten aus Stahl, Nickel und deren Legierungen ist die Hauptursache für thermische Risse die hohe Nickelkonzentration in den dendritischen Strukturen der Schweißnaht. Am Rand der groben Körner konzentrieren sich viele niedrigschmelzende Co-Kristalle, wodurch die Verbindung zwischen den Körnern geschwächt und die Rissbeständigkeit des Schweißguts verringert wird. Darüber hinaus hat ein zu hoher Nickelgehalt des Schweißguts, der zu thermischen Rissen im Schweißgut führt, erhebliche Auswirkungen auf die Eisen-Nickel-Schweißnaht. Auch Sauerstoff, Schwefel, Phosphor und andere Verunreinigungen wirken sich stark auf die thermische Rissneigung der Schweißnaht aus.
Bei Verwendung von sauerstofffreiem Flussmittel verringert sich die Qualität von Sauerstoff, Schwefel, Phosphor und anderen schädlichen Verunreinigungen in der Schweißnaht, insbesondere der Sauerstoffgehalt, wodurch die Rissbildung stark reduziert wird. Durch die Kristallisation im Schmelzbad können Sauerstoff und Nickel ein Ni + NiO-Eutektikum bilden. Die eutektische Temperatur beträgt 1438 °C. Sauerstoff kann zudem die schädlichen Auswirkungen von Schwefel verstärken. Ein hoher Sauerstoffgehalt in der Schweißnaht erhöht daher die Neigung zur thermischen Rissbildung.
Mn, Cr, Mo, Ti, Nb und andere Legierungselemente können die Rissbeständigkeit des Schweißguts verbessern. Mn, Cr, Mo, Ti, Nb sind metamorphe Mittel, können die Schweißstruktur verfeinern und die Richtung ihrer Kristallisation stören. Al und Ti sind außerdem starke Desoxidationsmittel und können den Sauerstoffgehalt in der Schweißnaht verringern. Mn kann mit S und MnS feuerfeste Verbindungen bilden, wodurch die schädliche Wirkung von Schwefel verringert wird.
Mechanische Eigenschaften von Schweißverbindungen
Die mechanischen Eigenschaften von Eisen-Nickel-Schweißverbindungen hängen von den Füllmetallen und den Schweißparametern ab. Beim Schweißen von reinem Nickel und kohlenstoffarmem Stahl entsteht bei einem Ni-Äquivalent in der Schweißnaht unter 30 % durch schnelles Abkühlen der Schweißnaht eine Martensitstruktur in der Schweißnaht, wodurch die Plastizität und Zähigkeit der Verbindung stark abnimmt. Um eine bessere Plastizität und Zähigkeit der Verbindung zu erreichen, sollte daher das Ni-Äquivalent in der Eisen-Nickel-Schweißnaht über 30 % liegen.
Veröffentlichungszeit: 10. März 2025