Leitfaden zur Auswahl von Nickel-Schweißzusätzen: Güteklassen

Leitfaden zur Auswahl von Nickel-Schweißzusätzen: So wählen Sie den richtigen Schweißzusatzwerkstoff für jede Verbindung

Nickel-Schweißzusatzwerkstoffe Nickelbasierte Schweißzusätze sind um ein Vielfaches teurer als Edelstahlzusätze, doch die häufigste Fehlerursache liegt nicht in der Schweißtechnik, sondern in der falschen Legierung in Kombination mit zu starker Verdünnung. Wird ein Nickelbasis-Schweißzusatz in eine Kohlenstoffstahlnut eingebracht, schmilzt das Grundmaterial proportional in das Schmelzbad. Mit steigendem Eisengehalt sinken sowohl die Rissbeständigkeit als auch die Korrosionsbeständigkeit. Die Wahl des richtigen Schweißzusatzwerkstoffs beginnt mit zwei Fragen: Welches Grundmaterial wird verwendet, und ist die Verbindung für Korrosionsbeständigkeit oder Festigkeit verantwortlich?

Dieser Leitfaden behandelt das Wurzellagenverdünnungsproblem, die fünf Hauptgruppen von Nickel-Schweißzusätzen, die Grundmetallanpassung und praktische Akzeptanzkriterien für anspruchsvolle Anwendungen.

Warum reißen Nickelschweißnähte? Meistens liegt es an der Verdünnung.

Viele Verarbeiter verwenden für Wurzel- und Decklage denselben Schweißzusatzwerkstoff, um Zeit und Material zu sparen – dies birgt jedoch Risiken an der Wurzel. Die Wurzellage weist typischerweise die höchste Grundwerkstoffverdünnung aller Lagen in der Verbindung auf. Beim manuellen Schweißen mit hohem Strom und weitem Pendeln können Verdünnungsgrade von 20–301 TP3T erreichen. Eisen, Kohlenstoff und Mangan aus dem Grundwerkstoff gelangen in das Schmelzbad, und die Schweißnaht wandelt sich allmählich von “nickelbasiert” zu “nickel-eisenbasiert”: Der Wärmeausdehnungskoeffizient steigt, die Lochfraßbeständigkeit sinkt und der Erstarrungsbereich erweitert sich.

Molybdänhaltige Ni-Cr-Mo-Schweißzusätze reagieren besonders empfindlich auf diesen Effekt. In der Industrie gilt der Eisengehalt im Schweißgut als Akzeptanzkriterium für kritische Verbindungen und liegt typischerweise im einstelligen Prozentbereich. Wird dieser Grenzwert überschritten, kommt entweder ein höherlegierter Schweißzusatzwerkstoff oder eine vor dem Schweißen auf die Kohlenstoffstahlseite aufgetragene Übergangsschicht zum Einsatz.

Die Risslage kann die Diagnose oft bestätigen. Interkristalline Risse nahe der Schmelzlinie treten üblicherweise in Verbindung mit niedrigschmelzenden Eutektika auf, die sich nach der Verdünnung bilden. Erstarrungsrisse im Schweißnahtzentrum hängen häufiger mit einem hohen Schwefel- oder Siliziumgehalt und einer zu breiten, flachen Nahtform zusammen. Diese beiden Fehlertypen erfordern völlig unterschiedliche Korrekturmaßnahmen: Der erste beinhaltet die Änderung des Zusatzwerkstoffs oder der Wärmeeinbringung, der zweite die Anpassung der Parameter und der Schweißtechnik.

Fünf Hauptgruppen von Nickel-Schweißzusätzen

Die gebräuchlichsten Nickel-Schweißzusätze lassen sich anhand ihres Härtungsmechanismus und ihrer Zusammensetzung in fünf Gruppen einteilen. Sie unterscheiden sich nicht in ihrer “Qualität”, sondern darin, zu welchen Grundmetallen sie passen und gegen welche Korrosionsmedien sie beständig sind.

Unedle Metalle farblich abstimmen: Ein kurzer Überblick

Das richtige Verbrauchsmaterial hängt davon ab, womit Sie sich verbinden. Hier ist eine praktische Übersicht:

• Schweißen von Legierungen der 600er/800er-Serie oder von Verbindungen ungleicher Stähle: ERNiCr-3 oder ENiCrFe-3. Diese Ni-Cr-Fe-Füllstoffe bieten eine gute thermische Stabilität und werden häufig für Übergangsverbindungen zwischen Kohlenstoffstahl und Edelstahl verwendet.[reference:4]
• Schweißen von 625-Legierung, 9%-Ni-Stahl oder chloridhaltiger Umgebung: ERNiCrMo-3 oder ENiCrMo-3. Der Molybdängehalt bietet Beständigkeit gegen Lochfraß und Spaltkorrosion in chloridhaltigen Umgebungen. Diese Stähle sind auch die Standardwahl für den Bau von LNG-Tanks aus 9%-Nickelstahl. [Referenz: 5]
• Schweißen von Monel 400/500- oder Meerwasserleitungen: ERNiCu-7 oder ENiCu-7. Die Nickel-Kupfer-Zusammensetzung ist auf die Monel-Basismetalle abgestimmt und bietet eine ausgezeichnete Meerwasserbeständigkeit.
• Schweißen von hochfesten Legierungen des Typs 718: ERNiFeCr-2. Die ausscheidungshärtenden Elemente (Nb, Ti, Al) passen zum Verstärkungsmechanismus des Grundmetalls.
• Schweißen von reinem Nickel 200/201: ERNi-1 oder ENi-1. Die Zugabe von Titan sorgt für Desoxidation, und der hohe Nickelgehalt entspricht der Basismetallchemie.

Schweißparameter & praktische Tipps

Nickellegierungen weisen eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Stahl auf, daher führt eine hohe Wärmeeinbringung beim Schweißen zu grobkörnigen Strukturen. Folgende Vorgehensweisen helfen, häufige Fehler zu vermeiden:

• Vermeiden Sie zu hohe Stromstärke: Nickel und Nickellegierungen neigen zu Heißrissen. Verwenden Sie einen geringeren Strom als bei Stahl gleicher Dicke. [Referenz: 6]
• Die Temperatur zwischen den Durchgängen muss unter 150 °C gehalten werden: Für das Schweißen von Nickellegierungen ist in der Regel kein Vor- oder Nachwärmen erforderlich. [Referenz:7]
• Verwenden Sie DC+ für abgedeckte Elektroden: Nickelbasierte, ummantelte Elektroden vom Typ mit niedrigem Wasserstoffgehalt sind nur für DC+ ausgelegt.[reference:8]
• Halten Sie eine schmale Wulst: Eine weite Webart erhöht die Verdünnung und das Risiko von Erstarrungsrissen.
• Schwefel und Silizium kontrollieren: Diese Elemente begünstigen die Rissbildung durch Erstarrung in der Mittellinie. Verwenden Sie schwefelarme Verbrauchsmaterialien und ein geeignetes Schutzgas.

Häufige Fehler, die es zu vermeiden gilt

• Bei kritischen Fugen wird für Wurzel- und Decklagen der gleiche Füllstoff verwendet: Die Wurzelpassage weist die höchste Verdünnung auf und benötigt einen legierteren Füllstoff oder eine separate Kontrolle.
• Der Eisengehalt in der Schweißnaht wird vernachlässigt: Bei Ni-Cr-Mo-Verbrauchsmaterialien verschlechtert ein Eisengehalt oberhalb eines einstelligen Prozentbereichs sowohl die Korrosionsbeständigkeit als auch die Rissbeständigkeit.
• Zusammensetzungsprüfung nur am Verschluss: Die Deckschicht erscheint “sauber”, während die Wurzel stark verdünnt sein kann. Für genaue Ergebnisse sollte eine Probe im Wurzelbereich entnommen werden.
• Verwendung von ERNiCr-3, wo ERNiCrMo-3 erforderlich ist: Wenn die Einsatzumgebung Chloride enthält, ist der Molybdängehalt von ERNiCrMo-3 von entscheidender Bedeutung – ERNiCr-3 bietet sonst keine ausreichende Lochfraßbeständigkeit.
• Übermäßige Wärmezufuhr: Die geringe Wärmeleitfähigkeit von Nickellegierungen führt bei hohem Wärmeeintrag zu groben Körnern und einer Verringerung der mechanischen Eigenschaften.

Zusammenfassung: Ein schrittweiser Auswahlrahmen

1. Identifizieren Sie das Grundmetall — Reinnickel, Nickel-Chrom-Eisen, Nickel-Kupfer oder hochfestes Nickel-Eisen-Chrom.
2. Ermitteln Sie die primäre Anforderung an die Verbindung. — Geht es um Korrosionsbeständigkeit oder um Festigkeit?
3. Wählen Sie die Verbrauchsmaterialfamilie aus — Verwenden Sie die passende Tabelle, um die richtige Klassenstufe einzugrenzen.
4. Plan zur Verdünnungskontrolle — unterschiedliche Füllstoffe für Wurzel- und Füll-/Deckschichten bei kritischen Fugen vorschreiben.
5. Akzeptanzkriterien festlegen — Grenzwerte für den Eisengehalt und Probenahmestellen für Zusammensetzungsprüfungen festlegen.
6. Schweißparameter überprüfen — niedriger Strom, schmale Perlen und Zwischenpasstemperatur unter 150°C.

Durch die Anwendung dieses systematischen Ansatzes können Schweißingenieure und Mitarbeiter der Qualitätssicherung und -kontrolle die richtigen Nickel-Schweißzusätze für ihre jeweilige Anwendung sicher auswählen und so einwandfreie Verbindungen und eine zuverlässige Langzeitleistung gewährleisten.