Haben Sie sich jemals gefragt, wie man verschiedene Arten von rostfreiem Stahl effektiv schweißen kann? Dieser Artikel befasst sich mit den speziellen Schweißverfahren für martensitischen und Duplex-Edelstahl und beschreibt die spezifischen Herausforderungen und Lösungen für jeden Typ. Durch die Untersuchung von Vorwärmtechniken, Materialauswahl und Nachbehandlungen erfahren Sie, wie Sie starke, dauerhafte Schweißnähte erzielen und gleichzeitig Risiken wie Kaltrisse und Versprödung minimieren können. Dieser Leitfaden bietet entscheidende Einblicke für alle, die die Feinheiten des Schweißens dieser komplexen Werkstoffe beherrschen wollen.
Martensitischer nichtrostender Stahl ist eine einzigartige Klasse von Eisenlegierungen, die bei Raumtemperatur eine martensitische Kristallstruktur aufweisen. Dieses Gefüge entsteht durch schnelles Abkühlen (Abschrecken) aus der Austenitphase, wodurch eine harte, metastabile Struktur entsteht. Martensitische nichtrostende Stähle zeichnen sich dadurch aus, dass sich ihre mechanischen Eigenschaften durch Wärmebehandlungsverfahren erheblich verändern können.
Diese Legierungen sind bekannt für ihre Härtbarkeit, die durch einen sorgfältig kontrollierten Wärmebehandlungszyklus aus Austenitisierung, Abschrecken und Anlassen erreicht wird. Dieses Verfahren ermöglicht die Anpassung von Eigenschaften wie Härte, Festigkeit und Zähigkeit an die jeweiligen Anwendungsanforderungen.
Martensitische nichtrostende Stähle enthalten in der Regel 11,5-18% Chrom, das für Korrosionsbeständigkeit sorgt, und 0,1-1,2% Kohlenstoff, der die Bildung von Martensit ermöglicht und zur Härtbarkeit beiträgt. Einige Sorten können auch geringe Mengen an Nickel, Molybdän oder Vanadium enthalten, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern.
Zu den gängigen martensitischen Edelstahlsorten gehören:
Weiterführende Lektüre: Rostfreie Stahlsorten
Martensitischer nichtrostender Stahl kann mit verschiedenen Lichtbogenschweißverfahren geschweißt werden, die je nach Anwendung und gewünschtem Ergebnis spezifische Vorteile bieten.
Das Metall-Schutzgasschweißen (SMAW), auch als Stangenschweißen bekannt, ist aufgrund seiner Vielseitigkeit und Kosteneffizienz nach wie vor das wichtigste Verfahren. In den letzten Jahren haben jedoch fortschrittliche Verfahren wie das Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW) mit Kohlendioxid-Schutzgas oder das Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW) mit Argon-Kohlendioxid-Mischgas an Bedeutung gewonnen. Diese Verfahren reduzieren den Wasserstoffgehalt im Schweißbad erheblich und minimieren damit das Risiko von wasserstoffbedingten Kaltrissen in der Wärmeeinflusszone (WEZ).
Um optimale Ergebnisse zu erzielen, sind beim Schweißen martensitischer nichtrostender Stähle häufig eine Vorwärmung und eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erforderlich. Das Vorwärmen auf 200-300°C (392-572°F) trägt zur Verringerung der Abkühlungsrate und der thermischen Spannungen bei, während die Wärmebehandlung nach dem Schweißen bei 650-750°C (1202-1382°F) Eigenspannungen abbauen und die Martensitstruktur anlassen kann, wodurch die mechanischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnaht verbessert werden.
Bei der Auswahl der Schweißzusatzwerkstoffe ist es wichtig, dass die Zusammensetzungen dem Grundwerkstoff entsprechen oder eine leicht übereinstimmende Festigkeit aufweisen. Elektroden mit niedrigem Wasserstoffgehalt (E410 oder E410NiMo) werden für das SMAW-Verfahren bevorzugt, während ER410- oder ER410NiMo-Drähte für die Verfahren GMAW und GTAW geeignet sind.
Aufstrebende Technologien wie das Laserstrahlschweißen (LBW) und das Elektronenstrahlschweißen (EBW) sind ebenfalls vielversprechend für das Fügen martensitischer nichtrostender Stähle, da sie hohe Präzision und minimale Wärmezufuhr bieten, was bei dünnen Profilen oder wärmeempfindlichen Bauteilen von Vorteil sein kann.
Wenn eine höhere Festigkeit der Schweißnaht erforderlich ist, werden im Allgemeinen martensitische Cr13 Schweißen von rostfreiem Stahl Stäbe und Drähte werden verwendet, um die chemische Zusammensetzung des Schweißguts an die des Grundmetalls anzugleichen, was jedoch die Wahrscheinlichkeit der Kaltrissbildung erhöht.
Erwägungen:
a. Vor dem Schweißen ist ein Vorwärmen erforderlich, wobei die Temperatur 450°C nicht überschreiten sollte, um eine Versprödung bei 475°C zu verhindern.
Es muss eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen durchgeführt werden.
Sobald die Temperatur auf 150-200°C abgekühlt ist, sollte eine 2-stündige Wärmebehandlung nach dem Schweißen durchgeführt werden, um die Umwandlung aller Teile des Bauteils zu ermöglichen. Austenit in Martensit, gefolgt von einem Hochtemperaturanlassen, bei dem die Temperatur auf 730-790 °C erhöht wird.
Die Haltezeit sollte 10 Minuten pro 1 mm Blechdicke betragen, aber nicht weniger als 2 Stunden, und abschließend sollte es luftgekühlt werden.
b. Um Rissbildung zu vermeiden, sollte der Gehalt an S und P in den Schweißdrähten und -stäben weniger als 0,015% und der Si-Gehalt nicht mehr als 0,3% betragen.
Eine Erhöhung des Si-Gehalts kann zur Bildung von grobem Primärferrit führen, was die Plastizität der Verbindung verringert.
Die Kohlenstoffgehalt sollte in der Regel niedriger sein als der des Grundmetalls, was seine Härtbarkeit verringern kann.
Das Schweißgut aus austenitischem Cr-Ni-Stahl hat eine hohe Plastizität, die die während der martensitischen Umwandlung in der Wärmeeinflusszone entstehenden Spannungen abbauen kann.
Darüber hinaus weisen die Schweißnähte aus austenitischem Cr-Ni-Stahl eine hohe Wasserstofflöslichkeit auf, was die Diffusion von Wasserstoff aus dem Schweißgut in die Wärmeeinflusszone verringern und wirksam verhindern kann. kalte RisseDaher ist ein Vorheizen nicht erforderlich.
Die Festigkeit der Schweißnaht ist jedoch relativ gering und kann nicht durch eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erhöht werden.
Martensitischer nichtrostender Stahl hat einen hohen Chromgehalt, der seine Härtbarkeit deutlich erhöht.
Unabhängig vom Ausgangszustand vor dem Schweißen kommt es beim Schweißen immer zur Bildung von Martensit in der Nähe der Naht.
Mit zunehmender Härtungstendenz wird die Verbindung anfälliger für Kaltrisse, insbesondere wenn Wasserstoff vorhanden ist. Unter solchen Bedingungen ist martensitischer nichtrostender Stahl auch anfällig für die Bildung gefährlicher, durch Wasserstoff verursachter, verzögerter Risse.
MMaßnahmen:
Martensitische nichtrostende Stähle, insbesondere solche mit einem höheren Gehalt an ferritbildenden Elementen, neigen stärker zum Kornwachstum.
Eine langsame Abkühlungsgeschwindigkeit kann zur Bildung von grobem Ferrit und Karbid in der Wärmeeinflusszone (WEZ) führen, während eine schnelle Abkühlungsgeschwindigkeit eine Verfestigung und die Bildung von grobem Martensit in der WEZ verursachen kann.
Diese groben Strukturen verringern die Plastizität und Zähigkeit der WEZ von martensitischem nichtrostendem Stahl und machen ihn spröde.
Gegenmassnahmen:
Das Vorwärmen vor dem Schweißen ist eine entscheidende Technik zur Vermeidung von Kaltrissen und zur Gewährleistung der strukturellen Integrität der Schweißverbindung. Dieses Verfahren verringert die Abkühlungsgeschwindigkeit in der Wärmeeinflusszone (WEZ) und minimiert die Eigenspannungen, wodurch das Risiko von wasserstoffinduzierten Rissen verringert wird.
Für Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,1% und 0,2% liegt die empfohlene Vorwärmtemperatur in der Regel zwischen 200°C und 260°C (392°F bis 500°F). Dieser Temperaturbereich reicht aus, um die Feuchtigkeit zu verdrängen und den Wärmegradienten zwischen Schweißnaht und Grundwerkstoff zu verringern.
Hochfeste Stähle, insbesondere solche mit einer Streckgrenze von mehr als 690 MPa (100 ksi), erfordern oft höhere Vorwärmtemperaturen. Für diese Werkstoffe ist ein Vorwärmen auf Temperaturen zwischen 400°C und 450°C (752°F bis 842°F) üblich. Dieser höhere Temperaturbereich trägt dazu bei, die Abkühlungsgeschwindigkeit weiter zu verringern und die Bildung harter, spröder Mikrostrukturen in der WEZ zu verhindern.
Es ist wichtig zu wissen, dass die optimale Vorwärmtemperatur nicht nur vom Kohlenstoffgehalt, sondern auch von anderen Legierungselementen, der Querschnittsdicke, der Umgebungstemperatur und dem verwendeten Schweißverfahren abhängt. Schweißfachingenieure sollten die einschlägigen Normen (wie AWS D1.1 oder ISO 13916) zu Rate ziehen und die erforderlichen Berechnungen (z. B. Kohlenstoffäquivalent) durchführen, um das für die jeweilige Anwendung am besten geeignete Vorwärmverfahren zu ermitteln.
Das Abkühlen nach dem Schweißen ist ein kritischer Schritt im Schweißprozess, insbesondere bei hochfesten Stählen und dicken Profilen. Das Schweißstück sollte nicht direkt von der Schweißtemperatur auf die Anlasstemperatur erwärmt werden, da sich der beim Schweißen gebildete Austenit möglicherweise noch nicht vollständig umgewandelt hat.
Unmittelbares Erwärmen und Anlassen nach dem Schweißen kann zu verschiedenen nachteiligen Auswirkungen führen:
Diese mikrostrukturellen Veränderungen führen zu einer erheblichen Verringerung der Zähigkeit und der gesamten mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung.
Um diese Probleme zu entschärfen, ist ein kontrollierter Abkühlungsprozess unerlässlich:
1. Für Schweißnähte mit niedriger Festigkeit:
2. Für hochfeste und dicke Schweißteile:
Dieser kontrollierte Abkühlungsprozess gewährleistet, dass:
Die spezifische Abkühlgeschwindigkeit und die Zwischenhaltetemperaturen können je nach Materialzusammensetzung, Querschnittsdicke und gewünschten mechanischen Eigenschaften variieren. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, ist es wichtig, die Schweißverfahrensspezifikation (WPS) zu befolgen oder sich von Metallurgieexperten beraten zu lassen.
In einigen Fällen können fortschrittliche Kühltechniken wie z. B. forcierte Luftkühlung oder sogar Abschrecken eingesetzt werden, die jedoch sorgfältig kontrolliert werden müssen, um neue Probleme wie Verformung oder Rissbildung zu vermeiden.
Die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) ist ein wichtiger Prozess zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften und der strukturellen Integrität geschweißter Komponenten. Seine Hauptziele sind die Verringerung der Härte in der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone (WEZ), die Verbesserung der Duktilität und Zähigkeit sowie die Verringerung von Schweißeigenspannungen.
Das PWHT umfasst in der Regel zwei Hauptverfahren: Anlassen und Vollglühen. Für das Anlassen liegt der empfohlene Temperaturbereich bei 650-750°C (1202-1382°F). Das Bauteil sollte etwa 1 Stunde lang auf dieser Temperatur gehalten werden, gefolgt von einer kontrollierten Abkühlung an der Luft. Durch dieses Verfahren werden innere Spannungen wirksam abgebaut und gleichzeitig ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilität aufrechterhalten.
In Fällen, in denen eine Bearbeitung nach dem Schweißen erforderlich ist, kann eine Vollglühung durchgeführt werden, um eine minimale Härte und maximale Bearbeitbarkeit zu erreichen. Beim Glühen wird das Schweißteil auf einen Temperaturbereich von 830-880°C erhitzt und diese Temperatur 2 Stunden lang gehalten. Anschließend wird das Bauteil in einem Ofen langsam auf 595 °C abgekühlt, gefolgt von einer Abkühlung an der Luft auf Raumtemperatur. Diese kontrollierte Abkühlungsgeschwindigkeit ist entscheidend für das Erreichen der gewünschten Mikrostruktur und Eigenschaften.
Es ist wichtig zu beachten, dass die spezifischen PWHT-Parameter je nach Faktoren wie Materialzusammensetzung, Querschnittsdicke und Nutzungsanforderungen variieren können. Bei kritischen Anwendungen ist es ratsam, die einschlägigen Industrienormen (z. B. ASME BPVC Section IX) zu konsultieren und mechanische Tests durchzuführen, um die Wirksamkeit des Wärmebehandlungsverfahrens zu überprüfen.
Die Wahl der Schweißelektroden für martensitischen nichtrostenden Stahl ist von entscheidender Bedeutung und lässt sich in zwei Hauptkategorien einteilen: Elektroden aus nichtrostendem Chromstahl und Elektroden aus austenitischem Chrom-Nickel-Stahl. Diese Auswahl hat erhebliche Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht, die Korrosionsbeständigkeit und die allgemeine Integrität.
Üblich sind Elektroden aus rostfreiem Chromstahl, wie E410-15 (AWS A5.4) oder E410-16. Diese Elektroden, die den chinesischen Normen E1-13-15 (G207) bzw. E1-13-16 (G202) entsprechen, bieten eine gute Festigkeit und mäßige Korrosionsbeständigkeit. Sie sind besonders geeignet, wenn eine Anpassung an die Zusammensetzung des Grundmetalls gewünscht wird.
Für Anwendungen, die eine erhöhte Duktilität und Korrosionsbeständigkeit erfordern, werden Elektroden aus austenitischem Chrom-Nickel-Stahl bevorzugt. Beliebte Auswahlmöglichkeiten sind:
Die Elektroden der Güteklasse "L" (z. B. 308L, 316L) haben einen geringeren Kohlenstoffgehalt, was die Gefahr der Sensibilisierung verringert und die Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion im Hochtemperaturbetrieb verbessert.
Die Wahl zwischen diesen Elektroden hängt von folgenden Faktoren ab:
Nichtrostender Duplexstahl hat sowohl die Vorteile als auch die Nachteile von austenitischem und ferritischem Stahl und reduziert deren jeweilige Schwächen.
(1) Die Gefahr der Heißrissbildung ist im Vergleich zu austenitischem Stahl wesentlich geringer.
(2) Das Risiko von Kaltrissen ist im Vergleich zu gewöhnlichen Niedriglegierungen deutlich geringer. hochfester Stahl.
(3) Nach dem Abkühlen in der Wärmeeinflusszone bleibt eine größere Menge Ferrit zurück, was die Gefahr von Korrosion und wasserstoffinduzierter Rissbildung (Versprödung) erhöht.
(4) Die geschweißte Verbindung von nichtrostendem Duplexstahl neigt zur Ausscheidung der δ-Phase, einer intermetallischen Verbindung aus Cr und Fe.
Seine Bildungstemperatur liegt zwischen 600°C und 1000°C und kann je nach Stahlsorte variieren.
Tabelle 1 Temperaturbereich der Lösungsbehandlung, Phase δ und 475 ℃ Sprödigkeit von Duplex-Edelstahl
| Inhalt | 2205-Phasenstahl und 2507, usw. | Super-Duplex-Stahl 00Cr25Ni7Mo3CuN |
| Temperatur des Mischkristalls/℃ | 1040 | 1025~1100 |
| Schältemperatur bei Erwärmung an der Luft/℃ | 1000 | 1000 |
| Phase δ Bildungstemperatur/℃ | 600~1000 | 600~1000 |
| 475 ° C Versprödungstemperatur/℃ | 300~525 | 300~525 |
Die Schweißverfahren für nichtrostenden Duplexstahl ist zunächst das WIG-Schweißen und dann das Elektrodenschweißen.
Beim Unterpulverschweißen müssen die Wärmezufuhr und die Zwischenlagentemperatur genau überwacht und eine übermäßige Verdünnung vermieden werden.
Anmerkung:
Beim WIG-Schweißen sollte 1-2% Stickstoff in die Schweißnaht gegeben werden. Schutzgas (die Zugabe von mehr als 2% Stickstoff kann die Porosität erhöhen und eine Instabilität des Lichtbogens verursachen). Die Zugabe von Stickstoff hilft bei der Absorption von Stickstoff aus dem Schweißgut und verhindert den Stickstoffverlust durch Diffusion im Bereich der Schweißnahtoberfläche und trägt zur Stabilisierung der Austenitphase in der geschweißte Verbindung.
Schweißwerkstoffe mit einem höheren Gehalt an austenitbildenden Elementen (wie Ni, N) werden gewählt, um die Umwandlung von Ferrit in der Schweißnaht in Austenit zu fördern.
Die Elektrode oder der Schweißdraht 22.8.3L wird üblicherweise zum Schweißen von 2205-Stahl verwendet, während die Elektrode 25.10.4L oder 25.10.4R häufig zum Schweißen von 2507-Stahl eingesetzt wird.
Tabelle 2 Schweißwerkstoffe und FN des typischen nichtrostenden Duplexstahls
| Unedles Metall | Material zum Schweißen | Chemische Zusammensetzung | Name | FN（%） | ||||||||
| C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | N | Cu | W | ||||
| 2507 | Schweißdraht | 0.02 | 0.3 | 0.5 | 25 | 10 | 4 | 0.25 | - | - | 2507/P100 | 40~100 |
| 0.02 | 25 | 10 | 4 | 0.25 | - | - | Sandivick 25.10.4L | |||||
| Schweisskern | 0.03 | 0.5 | 1 | 25 | 9.5 | 3.6 | 0.22 | - | - | Avesta 2507/p100 | ||
| 0.04 | 25 | 10.5 | 4 | 0.25 | - | - | Sandivick 25.10.4L | |||||
| Zeron100 | SchweissdrahtSchweisskern | 0.04 | 1.2 | 2.5 | 25 | 10 | 4 | 0.22 | 1 | 1 | 22.9.4CuWL 22.9.4CuWLB | 40~60 |
| 2205 | Schweißdraht | 0.02 | 0.5 | 1.6 | 22.5 | 8 | 3 | 0.14 | - | - | Sandivick 22.8.3L | 40~60 |
| Schweisskern | 0.03 | 1.0 | 0.8 | 22.5 | 9.5 | 3 | 0.14 | - | - | Sandivick 22.8.3R | ||
(1) Während des Schweißprozesses beeinflusst die Steuerung der Schweißenergie, der Zwischenlagentemperatur, des Vorwärmens und der Materialstärke die Abkühlungsgeschwindigkeit und damit die Struktur und die Eigenschaften der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone.
Um optimale Eigenschaften des Schweißguts zu erreichen, wird empfohlen, die maximale Zwischenlagentemperatur auf 100 °C zu begrenzen. Wenn eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erforderlich ist, können die Beschränkungen der Zwischenlagentemperatur aufgehoben werden.
(2) Bei nichtrostendem Duplexstahl ist eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen zu vermeiden.
Falls eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erforderlich ist, Wasserabschreckung ist die angewandte Methode. Bei der Wärmebehandlung sollte die Erwärmung schnell erfolgen, und die Haltezeit bei der Wärmebehandlungstemperatur sollte zwischen 5 und 30 Minuten betragen, was zur Wiederherstellung des Phasengleichgewichts ausreicht.
Die Oxidation von Metall ist ein Problem bei der Wärmebehandlung, daher sollte die Verwendung eines Inertgases zum Schutz in Betracht gezogen werden.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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