Einfluss von CO 2 und H 2 beim Schweißen CrNi-Stähle. Wasserstoffhaltige Schutzgase zum auch für Duplex!?

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1 Einfluss von CO 2 und H 2 beim Schweißen CrNi-Stähle Wasserstoffhaltige Schutzgase zum auch für Duplex!? 2. Ilmenauer schweißtechnischen Symposium, l Cerkez Kaya ALTEC NCE

2 Inhalte Hochlegierter Werkstoffe Eigenschaften und Anforderungen Funktion der Schweißschutzgase Schweißschutzgase zum verarbeiten hochlegierter Werkstoffe Wasserstoffhaltige Schutzgas die wirtschaftliche Alternative Zusammenfassung 2 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz

3 Einteilung hochlegierte der Stähle nicht rostende Stähle Cr > 12,0; C < 1,2% Fe Fe Fe Fe 6-26% 3,5-8% Ni 4,5% 7% 4% Mo 1,5% Crom 11,5-17% 10,5-30% 10,5-30% 10,5-30% Kohlenstoff > 0,1% < 0,1% < 0,1% < 0,1% Martensitisch C ferritisch Cr, Al, Ta, Ti, Si, Mo, V austenitisch Ni, Co, Mn, N Duplex 3 3 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz 1.3. High alloyed steels

4 Eigenschaften Eigenschaften hochlegierter Stähle 50 % geringere Wärmeleitfähigkeit 30 % höhere Wärmeausdehung Cr-Stähle haben im Vergleich zu un- und niedriglegierten Stählen eine höhere Wärmeausdehnung Der Verzug ist bei Cr-Stählen doppelt so hoch wie bei un- und niedriglegierten Stähle Korrosionsschutz durch Passivschicht 4 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz

5 Funktion der Schweißschutzgase Ausgangsfunktion Abschirmung der Schmelze vor der Umgebungsluft (Atmosphäre) Weitere Funktionen Stabilität des Prozesses und Werkstoffüberganges die Lichtbogenstruktur die chemische Zusammensetzung des Schweißgutes (Zu- und Abbrand) die Viskosität der Schmelze Verbesserung des Energieeintrags das Einbrandprofil Auswahl Kriterien für Schutzgase Reaktionsverhalten mit Werkstoffen Werkstoff Schweißverfahren Automatisierungsgrad Wirtschaftlichkeit Dichte der Gase Ionisierungspotenzial Wärmeleitfähigkeit Metallurgische Reaktion Gasmenge 5 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz

6 WIG Schweißen Werkstoff: , Bleche 3 mm Schutzgasdurchfluss: 10 l/min ARCAL 1 Argon: 100 % Strom: 120 A Schweißnahtlänge: 150 mm Schweißzeit: 52 Sek 17,32 cm/min ARCAL 110 Argon: 96 % Helium: 4 % Wasserstoffstoff: 0,8 % Strom: 120 A Schweißnahtlänge: 150 mm Schweißzeit: 34 Sek = + 53 % 26,5 cm/min Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz

7 Einfluss von Ausscheidungen Karbid, Nitrid, Ausscheidungen... Kristall Kristall Kristall Lokale Chromverarmung Kristall C-Cr Kristall Korrosionsangriff 7 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz 7 7

8 Kohlenstoff aufnehmen über Schutzgas Kohlenstoff-Gehalt in Schweißgut in [%] 0,05 0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 Kohlenstoff in Schweißgut = f(schutzgas) ARCAL M11 ARCAL 12 ARCAL 129 ARCAL Schweißparameter: V Draht : 10 m/min V Schweriß : 30 cm/min D Drahtd : 1.2 mm A Kontaktrohr : 20 mm Durchflus: 18l/mIn Zusatzwerkstoff: ER 308L Si C = 0,016% Si = 0,85% Mn = 1,65% P = 0,016% S = 0,008% Cr = 20,65% Ni = 10,0 % CO2 Gehalt in Schutzgas in [%] Spectro-Analyse LECO Analyse Mittelwert Kritisch C-Gehalt Draht C-Gehalt 8 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz 8

9 MAG-Schweißen Verfahren: MAG Werkstoff: , Bleche 3 mm Zusatzwerkstoff : D=1,2 mm, Drahtvorschub 4,0 m/min Schutzgasdurchfluss: 14 l/min ARCAL 12 Argon: 98 % Kohlendioxid: 2 % Strom: 125 A Schweißnahtlänge: 150 mm Schweißzeit: 35 Sek 25,8 cm/min ARCAL M11 Argon: 96 % Kohlendioxid: 3 % Wasserstoffstoff: 1 % Strom: Schweißnahtlänge: Schweißzeit: 114 A 150 mm 24 Sek 37,5 cm/min Entspricht ein Produktivitätssteigerung von 45 % Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz

10 H 2 - Haltige MAG-Schutzgase Bisher werden beim MAG-Schweißen von CrNi-Stählen als Hochleistungsschutzgase Argon Kohlendioxidgemische mit Helium verwendet Die Wirkung von H 2 welches beim WIG - Schweißen vorteilhaft zum Einsatz kommt wurde bis jetzt beim MAG Schweißen außer acht gelassen oder die Potentiale nicht ausgenutzt. Beim MAG Schweißen Ni-Basis Werkstoffen haben sich Wasserstoffhaltige gase sich bewährt. Dies wird beim Cr-Stählen weitgehend vernachlässigt. 10 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz

11 Ar-CO 2 -H 2 -Gemische ARCAL M11: 1% Wasserstoff, 3% Kohlendioxid Rest Argon Warum 1 % Wasserstoff? Wasserstoff führt zu einer höheren Energieeinbringung Höhere Schweißgeschwindigkeit Tiefere Einbrandverhältnisse Bessere Flankenbenetzung 1 % Wasserstoff hat die Wirkung von 20 % Helium beim Schweißen Warum 3 % Kohlendioxid? 3 % Kohlendioxid führt zu einer höheren Lichtbogenstabilität Kohlendioxid sichert eine bessere Beeinflussung der Schmelze Untersuchung der SLV Halle zeigen, gibt es keine Bemerkenswerten Kohlenstoffzulegierungen im Schweißgut 11 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz

12 Die Wirkung von CO 2 und H 2 auf Einbrandt ARCAL 12 ARCAL 121 Eloxal 51 ARCAL M Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz

13 Einfluss des H2 auf die Zähigkeit Nickel-Äquivalent = % Ni + 30% C + 0,5% Mn F + M Schutzgas 100% Ar 100% Ar Ar + 2% H2 Ar + 10% H2 Wurzelschutzgas 100% Ar Ar + 20% H2 Ar + 20% H2 Ar + 20% H F + M M A + M Martensitische Chromstähle A M + F Hochwarmfeste austenitische Stähle Ferritische Chromstähle 13 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz Chemisch beständige austenitische Stähle Duplex Stähle Prüfkriterien: Biegewinkel, Bruchbild + : bestanden - : Bruch Chrom-Äquivalent = % Cr + % Mo + 1,5 x %Si + 0,5 x % Nb F 13

14 Gasvergleich - WIG und MAG Versuchsmatrix WIG Gas material ARCAL 1 ARCAL 391 ARCAL 405 ARCAL (316L) (2205 duplex) Argon Ar + 2% N 2 Ar+3% N 2 + 0,7% H 2 Ar + 4% He 0,8% H 2 MAG Gas material Arcal 12 Arcal 121 ELOXAL 51 Arcal M (304) (316) Ar + 2% CO 2 Ar +18% He + 1% CO 2 Ar +15% He + 2% CO 2 Ar +1% H 2 + 3% CO (316L) 14 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz

15 Schweißmetallurgische Untersuchungen an Duplexstählen Probenmaterial untersuchte Varianten Schweißprozess an Ag Variante A (ARCAL 12) Probendicke MAG B (ARCAL 121) C (ELOXAL 51) 4,0 mm D (ARCAL M11) 01 (ARCAL 1) WIG 02 (ARCAL 110) 2,0 mm 03 (ARCAL 405) 15 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz 1

16 Schweißmetallurgische Untersuchungen an Duplexstählen Untersuchung des Makrogefüges C Probe 21.12, MAG-geschweißt ohne Bemerkungen, i. O. C Probe 01-2, WIG-geschweißt ohne Bemerkungen, i. O. 16 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz 1

17 Duplexstähl Grundwerkstoffgefüge (Beispiel) D Probe 20.05, Grundwerkstoff Duplexgstruktur Duplexgstruktur: ferritisches Grundgefüge und Austenit FN 17 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz 1

18 Gefüge der Wärmeeinflusszone MAG (Beispiel) D Probe Übersicht WEZ WEZ mit widmannstättenschen Austenitnadeln in ferritischer Matrix FN n. b. 18 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz 1

19 Gefüge der Wärmeeinflusszone WIG (Beispiel) 01 Probe 01-2 Übersicht WEZ WEZ mit widmannstättenschen Austenitnadeln in ferritischer Matrix FN n. b. 19 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz 1

20 Duplexstählen Schweißgutgefüge MAG (Beispiel) B Probe Übersicht SG, dendritisch SG mit stark ausgeprägten widmannstättenschen Austenitnadeln in Ferrit FN 20 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz 2

21 Duplexstählen Schweißgutgefüge WIG (Beispiel) 01 Probe 01-2 Übersicht SG, globular dendritisch SG mit widmannstättenschen Austenitnadeln in Ferrit FN 21 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz 2

22 WÖHLER-Diagramm Prinzipdarstellung Spannungshorizont Gaußverteilung Probenbruch log σ Durchläufer Wöhlerlinie Zeitfestigkeit Kurzzeitfestigkeit Dauer- festigkeit log N 22 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz 2

23 Wöhlerlinienvergleich Grundwerkstoffe 23 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz 2

24 Wöhlerlinienvergleich MAG-geschweißt 24 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz 2

25 Wöhlerlinienvergleich WIG-geschweißt 25 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz 2

26 ARCAL M 11 Ein Gas auch für Duplex Einfluss auf Ferritwert (): X 2 Cr Ni Mo N , Zusatz Interfil 2293 Schutzgaseinfluss auf Deltaferritanteil ARCAL 12 ARCAL 121 ELOXAL 51 ARCAL M 11 Naht 55,60 53,20 55,40 56,40 Blech O 59,20 58,80 58,20 59,00 Blech U 58,80 58,80 60,20 57,80 Die Ferritwerte < 50 FN zunehmende Heißrissgefahr > 70 FN zunehmende Versprödungsgefahr Schutzgaseinflus auf Kohlenstoffanteil ARCAL 12 ARCAL 121 ELOXAL 51 ARCAL M 11 0,027 0,028 0,029 0,03 26 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz

27 Schweißen von Feritischen Crom-Stahl ARCAL M11: 1% Wasserstoff, 3% Kohlendioxid Rest Argon Tieferer Einbrand im Vergleich zum Standard (2% CO2 in Argon) Geringerer Verzug durch höhere Schweißgeschwindigkeit Glatte Nähte, und Nahtübergänge Höhere Schweißleistung Wirtschaftliche Alternative zu Heliumgemischen 27 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz

28 Zusammenfassung 1 Es konnten keine Anzeichen auf Poren durch die verwendeten Schutzgase nachgewiesen werden (RT, Metallographie). Die Mikrogefüge von GW, WEZ und SG weisen keine Auffälligkeiten auf. Sie sind charakteristisch für Duplexstähle Metallographische Untersuchungen: Das Gefüge in den Wärmeeinflusszonen und den Schweißgütern sind für Duplexstähle charakteristisch. Dabei liegt der Deltaferritanteil in einem optimalen Bereich zwischen 50 und 65 FN. Dauerschwingversuche: Auch die im Wöhlerlinienversuch untersuchten Verbindungsschweißungen zeigen in den verschiedenen Varianten ähnliche Ergebnisse. Korrosionsversuche: Im Sprühnebeltest zeigten sich im Nahtübergang durch nicht entfernte Anlauffarben leichte Rosterscheinungen (Rotrost). Im STRAUSS-Test konnten keine Anzeichen auf interkristalline Korrosion festgestellt werden. 28 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz

29 Zusammenfassung 2 Schutzgase spielen eine entscheidende Rolle, um die Eigenschaften von hochlegierten Stählen aufrechtzuhalten Wasserstoffhaltige Gase (ARCAL M 11) sind eine wirtschaftliche Alternative zu Helium haltigen Mischgasen Die an Duplexstahl durchgeführte Festigkeit und Dauerfestigkeit Untersuchungen ergaben für alle getesteten Schutzgase mit und ohne Wasserstoff ähnlich gute Ergebnisse. Die Mechanische-Gütewerte dass mit Wasserstoffhaltige Gase MAGgeschweißte Duplexstahl ( ) Probe wurde nach einen Jahr wiederholt. Es konnte keine signifikanten unterschiede festgestellt werden. 29 Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz

30 Ende der Präsentation Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit