Effizientes Schweißen von nichtrostendem Stahl mit hoch- und niedriglegierten Stählen: Tipps und Techniken
Schweißverbindungen zwischen unlegierten und niedrig legierten Baustählen und austenitischen Chrom-Nickel-Stählen werden umgangssprachlich als Schwarz-Weiß-Verbindungen bezeichnet. Schwarz steht für Baustahl (CS: carbon steel), weiß für nichtrostenden Stahl (SS: stainless steel). Um eine zuverlässige Schweißverbindung mit dem optimal gewählten Schweißzusatzwerkstoff herzustellen, müssen zahlreiche Faktoren berücksichtigt werden.
Eine der größten Herausforderungen bei diesen Schweißverbindungen ist die mögliche Beeinträchtigung der Korrosionsbeständigkeit des nichtrostenden Stahls durch den Kohlenstoff auf der Kohlenstoffstahlseite. Darüber hinaus unterscheiden sich die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von nichtrostendem und unlegiertem Stahl erheblich, so dass Vorsicht geboten ist, um ein martensitisches Schweißgut zu vermeiden, das zur Sprödigkeit neigt. Außerdem können temperatur- und zeitabhängige Gefügeveränderungen auftreten, wie z.B. die Sigma-Phasen-Versprödung.
Im Gegensatz zum Schweißen von un- und niedriglegierten Stählen wird hier der Schweißzusatzwerkstoff zu dem höchstlegierten Grundwerkstoff gewählt.
Ein wichtiger Faktor bei der Auswahl des richtigen Schweißzusatzwerkstoffes ist der Aufmischungsgrad. Beim Schweißen findet eine Vermischung zwischen Grundwerkstoff(en) und Zusatzwerkstoff statt. Die Aufmischung (bzw. der Aufmischungsgrad) wird in Prozent (%) angegeben und hängt vom Schweißverfahren und den Schweißparametern ab.
oder
| SAW - Band | 15% -25% |
| ES - Band | 5%- 15% |
| SAW / UP - Draht | 40% - 50% |
| Elektrode | 15% - 30% |
| MIG / MAG | 25% - 40% |
| WIG mit Stab | 20% - 40% |
| WIG ohne Stab | 100% |
Typisch B1 10% und B2 10% Zusatzwerkstoff F1 80%
Der Aufmischungsgrad oder die Aufmischungsrate hängt vom Schweißverfahren und den Schweißparametern ab. Idealerweise sollte die Aufmischung mit dem Grundwerkstoff minimiert werden, z.B. durch Reduzierung der Schweißenergie durch optimierte Schweißparameter. Um dies zu erreichen, müssen folgende Punkte beachtet werden.
- Niedrige Stromstärke, Spannung und hohe Schweißgeschwindigkeit, um einen geringen Wärmeeintrag zu erreichen
- Schweißen in Strichraupentechnik
- Verwendung von kleinen Elektrodendurchmessern
- Kontrollierte Vorwärm- und Zwischenlagentemperaturen.
Bitte beachten Sie, dass der Lichtbogen nicht auf den ferritischen Grundwerkstoff, sondern auf das bereits aufgeschmolzene Schweißgut gerichtet sein sollte
Die Wahl des richtigen Schweißzusatzwerkstoffs hängt von vielen Faktoren ab: Art des Bauteils, Betriebstemperatur und Korrosionsbeständigkeit. Beim Schweißen von Verbindungen zwischen nichtrostendem Stahl und Kohlenstoffstahl sind folgende Punkte zu beachten.
-
Vermischungsarme Schweißprozesse verwenden
- Beim Legierungstyp 18 8 Mn besteht durch den erhöhten Mn-Gehalt keine Gefahr der Heißrissbildung
- Keine Wärmenachbehandlung und im Betrieb bis maximal 300 °C einsetzen (Da bei höheren Temperaturen die Bildung einer Cr-Carbidzone und einer entkohlten Zone zu erwarten ist, wodurch die Festigkeit herabgesetzt wird!)
- Besonders auf geringe Aufmischung achten
- Auch für Einsatztemperaturen über 300 °C geeignet
- Auch für Wärmenachbehandlung geeignet
- Abpuffern der Fugenflanke des niedriglegierten Grundwerkstoffes mit Ni-Basis-Legierung
- Durchführung der erforderlichen Wärmenachbehandlung, z.B. Anlassen oder Spannungsarmglühen
- Schweißen der Verbindung zwischen der Ni-Basis-Pufferlage und dem hochlegierten Werkstoff mit Nickelbasis-Schweißzusätzen
In der Literatur findet man Hilfestellungen für eine erste Einstufung zur Auswahl des Schweißzusatzwerkstoffes, Sehr gut geeignet ist hier eine Einteilung nach Prof. Hermann Thier.
| Gr. |
Kennzeichen der Beanspruchung |
Probleme | Zusatzwerkstoff Legierungstyp Werkstoffnummer ASME |
CEWELD Zusatzwerkstoffe GMAW / Tig (WIG) / Elektrode |
| 1 | T < 300°C Mechanische Beanspruchung Keine Wärmebehandlung |
Martensitbildung Härterisse Heißrisse Zähigkeit |
18 8 Mn / 1.4370 / 307 23 12 / 1.4332 / 309 23 12 Mo / 1.4459/ 309LMo 29 9 / 1.4337 / 312 |
CEWELD 307Si / 307 Si Tig / 4370 Ti CEWELD 309LSi / 309LSi Tig / 4332 Ti CEWELD 309LMo / 309LMo Tig / 4829 MoTi CEWELD 312 / 312 Tig / CroNi 29/9 S |
| 2 | T < 300°C Mechanische Beanspruchung Keine Wärmebehandlung + Korrosionsbeanspruchung Eventuell mit Wärmebehandlung |
23 12 L Decklage nach Anforderung |
CEWELD 309LSi / 309LSi Tig / 4332 Ti CEWELD 309LMo / 309LMo Tig / 4829 MoTi |
|
| 3 | T > 300°C + Mechanische Beanspruchung Keine Wärmebehandlung + Korrosionsbeanspruchung Eventuell mit Wärmebehandlung oder Temperatur- wechselbeanspruchung |
Kohlenstoffdiffusion Koeffizenten |
Ni –Alloy z.B. NiCr20 Nb 2.4648 / 2.4806 / 2.4831 |
CEWELD NiCro 600 / NiCro 600 Tig / E NiCro 600 CEWELD NiCro 625 / NiCro 625 Tig / E NiCro 625 |
Das Schaeffler-Diagramm ist ein nützliches Hilfsmittel zur Beschreibung des Gefüges bei desen Bildung, wobei die Zusammensetzung des Schweißgutes in der Regel in die weniger gefährdeten Bereiche verschoben werden sollte. Es ist ratsam, den Martensitbereich zu vermeiden, da dort Versprödungserscheinungen auftreten, die zu Rissen führen können. Die Wahl des Schweißzusatzes wird auch dadurch eingeschränkt, dass das resultierende Schweißgut nicht im Austenitbereich liegen sollte, da bei rein austenitischer Phasenbildung die Gefahr der Heißrissbildung während der Erstarrung besteht. Liegt die resultierende Schweißgutlegierung im Schaeffler-Diagramm zu weit rechts, kommt es insbesondere bei höheren Temperaturen im späteren Einsatz zur Bildung der Sigma-Phase. Diese liegt in sehr spröder Form vor und führt ebenfalls zu einer Schweißnahtgefährdung. In der Mitte des Diagramms verbleibt ein relativ kleiner Bereich.
Bei der Arbeit mit dem Schaeffler-Diagramm müssen dessen Gültigkeitsgrenzen für die Legierungsanteile beachtet werden.
Diese sind: C < 0,2 % S i < 1 % Mn < 4,0 % Mo < 3 % Nb < 1,0 %
Beispiel
| Nr | Werkstoffe | W.Nr | C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | CrA | NiA |
| 1 | P310GH ( Ferrit ) | 1.0482 | 0,20 | 0.50 | 1,20 | - | - | - | 0,75 | 6,6 |
| 2 | X15CrNiSi25-21 ( Austenit) | 1.4841 | 0,15 | 2,0 | 1,60 | 25 | 21 | - | 28 | 26,3 |
| 3 | 23 12 L / 309L Filler metal | 1.4332 | 0,02 | 0,8 | 0,8 | 24 | 13 | - | 25,2 | 14,0 |
Die Punkte, die sich aus den Nickel- und Chromäquivalenten für die Grundwerkstoffe 1 und 2 ergeben, werden in das Schaeffler-Diagramm (siehe Abbildung) eingetragen und miteinander verbunden: Unter der Annahme, dass beide Grundwerkstoffe zu gleichen Anteilen aufgeschmolzen werden, entspricht die Mitte der Geraden dem Gefüge des gemischten Grundwerkstoffs (Punkt A).
Aus der Lage dieses Punktes lässt sich ableiten, dass das WIG-Schweißen ohne Zusatzwerkstoff nicht geeignet wäre. In diesem Fall würde der Punkt dem Schweißgutpunkt entsprechen und im Bereich der Heißrissgefahr liegen.
Der Gefügepunkt 3 des Schweißzusatzes wird ebenfalls in das Diagramm eingezeichnet und mit dem Punkt A des Schweißzusatzes verbunden. Nun wird die Länge der Geraden mit 100% angenommen und der Anteil des Schweißzusatzes für das verwendete Schweißverfahren (Stabelektrode ca. 20%) von der Schweißzusatzseite (Punkt 3) abgezogen. Dies ergibt den Punkt B für das Mischgefüge = Mischschweißgut (rot).
Für das obige Beispiel muss auch die Anwendungstemperatur des Bauteils berücksichtigt werden, die 300 °C nicht überschreiten darf. Für höhere Einsatztemperaturen sind Schweißzusatzwerkstoffe auf Nickelbasis zu bevorzugen. Die Lage des Schweißzusatzes außerhalb des Schaeffler-Diagramms lässt jedoch keine Berechnung zu.
Die Kombination aus Vergütungsstahl und Austenit erfordert aufgrund der eingeschränkten Schweißeignung der Vergütungsstähle und der in der Regel erforderlichen Wärmenachbehandlung den Einsatz von Nickelbasis-Schweißzusätzen. In diesem Fall ist eine 3-lagige Plattierung (Puffern) der Schweißflanken des Vergütungsstahls und anschließendes Glühen empfehlenswert.
Ausnahmen sind möglich, wenn keine Wärmebehandlung durchgeführt wird. In diesen Fällen können auch echt überlegierte Schweißzusätze eingesetzt werden, wobei eine Betriebstemperatur von max. 400 °C nicht überschritten werden darf.
Die Auswahl des Schweißzusatzes sollte unter Berücksichtigung der chemischen Zusammensetzung des höher legierten Werkstoffpartners erfolgen. Das Schaeffler-Diagramm kann dabei eine wertvolle Orientierungshilfe darstellen, um das Risiko von Rissen zu minimieren
Diese Kombination kann auch mit dem Schaeffler-Diagramm überprüft werden. Dabei ist der Schweißzusatz von den Betriebsbedingungen abhängig. Die Festlegung austenitischer Schweißzusätze muss daher unter Berücksichtigung ihrer Versprödungsneigung erfolge. Hier kann in bestimmten Fällen der Einsatz von Nickelbasis Schweißzusätzen erforderlich sein.
Es sind vorwiegend Schweißzusätze zu verwenden, die hinsichtlich der Legierung dem warmfesten Werkstoffpartner entsprechen. Auch hier ist das Schaeffler-Diagramm hilfreich.
Leider ist das Schaeffler-Diagramm hier nicht oder nur bedingt anwendbar.
Es besteht die Gefahr der Versprödung beim Glühen oder bei den üblichen Betriebstemperaturen. Hier wäre ein Schweißzusatzwerkstoff auf Nickelbasis wie z.B. CEWELD E NiCro 600 oder CEWELD NiCro 600 zu empfehlen.