Schutzgasschweißen von Edelstählen kann fast jeder Erfahrung ist die Summe aller Misserfolge. Steinmüller Bildungszentrum GmbH, Gummersbach

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1 Schutzgasschweißen von Edelstählen kann fast jeder Erfahrung ist die Summe aller Misserfolge Steinmüller Bildungszentrum GmbH, Gummersbach Matthias Thume Seite 1

2 Vorstellung der Westfalen AG (Informationen zu den Geschäftsfeldern) Hochlegierte Werkstoffe (Norm, Bezeichnungen, Werkstoff) Schutzgasschweißen von hochlegierten Stählen (Gase, Anwendungen) Formieren (Formiergase, Eigenschaften, Formiersysteme, Anwendungen) Schadensfälle Seite 2

3 Informationen zu den Geschäftsfeldern Die Westfalen Gruppe ist in drei Geschäftsfeldern tätig: Westfalen Gruppe Bereich Gase Bereich Energieversorgung Bereich Tankstellen Seite 3

4 Bereich Energieversorgung Unser Produktspektrum Energie, mit der Sie rechnen können! Westfalengas: Propan in der Flasche und im Behälter Technik & Service Solacept Autogas/LPG Seite 4

5 Bereich Tankstellen Erfolgreiche Experten für Mobilität. Seite 5

6 Bereich Gase Westfalen liefert zahlreiche Produkte für vielfältige Anwendungen. Lebensmittelgase Kältemittel & Wärmeträger Sondergase Industriegase Schweiß-, Schneid- und Lasergase Seite 6

7 Seite 7

8 Edelstahl (nach DIN EN 10020) ist eine Bezeichnung für legierte oder unlegierte Stähle mit besonderem Reinheitsgrad, zum Beispiel Stähle, deren Schwefel- und Phosphorgehalt (sogenannte Eisenbegleiter) 0,025 % nicht überschreitet. Hochlegierte Stähle Als hochlegiert bezeichnet man Stähle, bei denen mindestens ein Legierungselement einen mittleren Gehalt von 5 Massenprozent überschreitet. Seite 8

9 Bezeichnung der Stähle nach Kennbuchstaben Zählernummer X5CrNi18-10 Stahlgruppennummer 43 = Nichtrostende Stähle... Werkstoffhauptgruppennummer 1 = Stahl Seite 9

10 Gebräuchliche hochlegierte nichtrostende Stähle (Bezeichnung nach DIN EN Teil 1-3) X6Cr Mo17-1 (1.4113) X39 CrMo 17-1(1.4122) X5CrNi18-10(1.4301) X2CrNi 18-9 (1.4307) X1NiCrMoCu (1.4539) X2CrNiMoN (1.4462) ferritischer Chromstahl martensitischer Chromstahl austenitischer CrNi-Stahl austenitischer CrNi-Stahl austenitischer NiCrMo-Stahl austenit.-ferrit. Stahl (Duplex) Seite 10

11 Chrom ab Konzentrationen über 12 % ist ein Stahl durch Bildung einer dichten Chromoxidschicht auf der Stahloberfläche korrosionsbeständig Nickel stabilisiert das Austenitgebiet bis unter Raumtemperatur wichtiges Legierungselement für korrosionsbeständige austenitische Stähle mindert die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosionen verbessert die Kaltzähigkeit Molybdän verbessert die Korrosionsbeständigkeit gegenüber reduzierenden Medien verbessert die Warmfestigkeit Titan bindet Kohlenstoff in Form von Karbiden und senkt somit die Neigung zur interkristallinen Korrosion kornfeinende Wirkung. Seite 11

12 Einteilung der Schutzgasschweißverfahren Schutzgas-Schweißen Wolfram- Schutzgasschweißen Metall- Schutzgasschweißen Nichtabschmelzende Wolframelektrode Abschmelzende Drahtelektrode WIG WPS MIG MAG Wolfram- Inertgasschweißen Wolfram- Plasmaschweißen Metall- Inertgasschweißen Metall- Aktivgasschweißen offener Lichtbogen eingeschnürter Lichtbogen Inertgasatmosphäre CO 2 und/oder O 2 im Schutzgas Seite 12

13 Physikalische Eigenschaften der inerten Gase Schutzgas [kj/mol] Dissoziationsenergie Ionisationenergie (atomar) [kj/mol] chemisches Verhalten Argon inert Helium inert Wasserstoff reduzierend Stickstoff reaktionsträge Sauerstoff oxidierend Kohlendioxid oxidierend Seite 13

14 Thermische Leitfähigkeit von Gasen Seite 14

15 Prinzip des WIG - Schweißen Wolframelektrode Spannhülse Zusatzwerkstoff Gasdüse Stromquelle SG-Abdeckung Schutzgas Lichtbogen SG-Abdeckung SG-Abdeckung Seite 15

16 Schutzgase zum WIG-Schweißen hochlegierter Stähle Produkt Gemischkomponenten Gruppe nach DIN EN Anwendung Argon % Argon I1 alle schmelzschweißbaren Werkstoffe Tagonox 5 5% H2, 2500 ppm CO2, Rest Argon Z für hochlegierte Werkstoffe mit geringen Kohlenstoffgehalt Argon/Helium Gemische 30 % He, Rest Argon 50 % He, Rest Argon 70 % He, Rest Argon I3 Nickel- Basis Legierungen, Kupfer, Aluminium Argon/Wasserstoff - Gemische 2-10 % H 2, Rest Argon R1 hochlegierte Stähle (austenitische Stähle) Deltatig 3 2-3% N 2, Rest Argon N2 hochlegierte Stähle (Senkung des Delta-Ferrit-Gehalt) Seite 16

17 Einbrandintensivierung durch Argon + 5% H2 Schutzgas: Argon 4.6 Schutzgas: Argon W 5 Werkstoff: Werkstückdicke: 5 mm Schweißstrom: 120 A Seite 17

18 Einfluss von Stickstoff auf den Deltaferritgehalt Ohne Stickstoffzusatz im Schutzgas: Deltaferritgehalt 3 % Mit Stickstoffzusatz im Schutzgas: Deltaferritgehalt 0,5 % Seite 18

19 Gebräuchliche hochlegierte nichtrostende CrNi-Stähle (Bezeichnung nach DIN EN Teil 1-3) X5CrNi18-10(1.4301) austenitischer CrNi-Stahl X2CrNi 18-9 (1.4307) austenitischer CrNi-Stahl X2CrNiMo (1.4404) austenitischer CrNiMo Stahl Seite 19

20 Entwicklung neuer Schutzgase zum WIG Schweißen von hochlegierten Werkstoffen Seite 20

21 Werkstoff: Gas: Argon W5 Wandstärke Rohr: 4 mm Argon + 5%H2 I: 115 U: 13,0V V: 100 mm/min Seite 21

22 (Marangoni Effekt) Einfluss des Schwefelgehaltes auf die Einbrandform Quelle: praktiker, Heft 10,1997 Seite 22

23 Werkstoff: Gas: Tagonox 5 Wandstärke Rohr: 4 mm Tagonox 5 I: 100 U: 13,0V V: 100 mm/min Seite 23

24 3,2 mm Wolfram Elektrode Gold WL15 (2% Lanthanoxid), Schweißzeit ca. 3 min neu angeschliffen unter Schutzgas Argon + 5% H 2 3,2 mm Elektrode, Gold, Schutzgas Argon + 5% H2 + 0,25 % CO2 unter Schutzgas Argon+5% H ppm CO 2 (Tagonox 5) Seite 24

25 Prinzip des MSG-Schweißverfahrens Seite 25

26 Schutzgase zum MAG-Schweißen hochlegierter Stähle 1% O 2, Rest Argon 3% O 2, Rest Argon 4% O 2, Rest Argon M13 M13 M22 hochlegierte Stähle 2,5% CO 2, Rest Argon M12 hochlegierte Stähle 30% He, 0,5% CO 2, Rest Argon M12 hochlegierte Stähle Super-Duplex!! 0,8 % CO 2, 10% He, 1,2% H2 Rest Argon M11 hochlegierte Stähle CMT Schweißen 1200ppm CO 2, 30% He, 2% H2 Rest Argon Z hochlegierte Stähle Nickel Basis Seite 26

27 Einfluss der Schutzgase auf den Zu- und Abbrand von C % C 0,07 0,06 0,049 Drahtelektrode 0,016 0,05 0,04 0,03 0,02 ELC-Grenze 0,002 0,006 0,01 0,023 0,01 Schutzgaseinteilung nach DIN EN ISO Gruppe M22 M13 M12 M23 M21 C1 % Argon , % CO , % O Seite 27

28 Oxidationszone beim Schweißen von CrNi-Stählen Durch Schweißen entstandene Oxidschicht, s 100 nm Passivschicht, s 2-4 nm Schweißnaht chromreduzierte Zone, s nm Grundwerkstoff Seite 28

29 Schweißgutprobe Nickel Basis (NiCr19Fe19Nb5Mo3 mit einem (NiCr23Mo16Al) Ø 1,2 mm; Schutzgas Sagox Ni Seite 29

30 Schweißgutprobe Nickel Basis (NiCr19Fe19Nb5Mo3 mit einem (NiCr23Mo16Al) Ø 1,2 mm; Schutzgas Sagox Ni Seite 30

31 Schweißgutprobe Nickel Basis Legierung (NiCr19Fe19Nb5Mo3 mit einem (NiCr23Mo16Al) Ø 1,2 mm; Schutzgas Sagox Ni Seite 31

32 Schweißgutprobe Nickel Basis (NiCr19Fe19Nb5Mo3 mit einem (NiCr23Mo16Al) Ø 1,2 mm; Schutzgas Sagox Ni I: Amp. U: 24,0 28,0 V V: cm/min VD: 4,8 5,6 m/min Seite 32

33 Seite 33

34 Schutzgasvergleich anhand CMT-Prozess Schutzgas Sagox 2K Schutzgas Sagox HC Seite 34

35 Formieren Manuell/Mechanisiert Gasverbrauch 5-10 l/min Einschaltdauer % Gasverbrauch/Anlage/Tag (8h/Tagx60xEinschaltdauerxGasverbrauch/Minute) Gasverbrauch/Anlage/Monat (wie vor mal 20 Arbeitstage) 0,5-1 m³ m³ Seite 35

36 Formierkammern Seite 36

37 Formiervorrichtungen Seite 37

38 Hydraulische Innenspannvorrichtung mit schwenkbarer Kamera Für das Schweißen dickwandiger Rohre im Pipelinebau Spannen, Formieren und Schweißen in einem Arbeitsgang Kein Heften Hohe Kraftübertragung und dadurch Ausgleich von Ovalitäten bis 15 mm Wandstärke Dadurch sicherer Einsatz des mechanisierten Orbitalschweißens Keine Nachbehandlung der Werkstücke (anlauffarbenfreie Wurzel) Spannbereich von DN 150 DN 400 Formierkammer Seite 38

39 Empfohlene Wurzelschutzgase für verschiedene Werkstoffe Wurzelschutzgas Argon-Wasserstoff- Gemische Stickstoff-Wasserstoff- Gemische Argon Stickstoff Werkstoffe austenitische CrNi-Stähle Ni und Ni-Basis-Werkstoffe Stähle, mit Ausnahme hochfester Feinkornbaustähle, austenitische CrNi-Stähle austenitische CrNi-Stähle, austenitisch-ferritische Stähle (Duplex), gaseempfindliche Werkstoffe (Titan, Zirkonium, Molybdän), wasserstoffempfindliche Werkstoffe (hochfeste Feinkornbaustähle, Kupfer und Kupferlegierungen, Aluminium und Aluminiumlegierungen sowie sonstige NE-Metalle), ferritisch Cr-Stähle austenitische CrNi-Stähle, austenitisch-ferritische Stähle (Duplex) Seite 39

40 Anlauffarben in Abhängigkeit vom Sauerstoffanteil Seite 40

41 Sauerstoffmessgerät Seite 41

42 Argon W5 (OK)! Gas I 300 ppm Sauerstoff Deltatig 2 (OK)? Gas II 350 ppm Sauerstoff Wurzel am Rohr Werkstoff (X6CrNiMoTi ) Warum gelb? Seite 42

43 Formieren mit Stickstoffhaltigen Gasen Werkstoff :1 500:1 Seite 43

44 Beispiele aus der Praxis Seite 44

45 Projekt Mittelplate Seite 45

47 Projekt Mittelplate Eckdaten zum Projekt Mittelplate: Die Rohrleitung wurde von Fa. Köster gefertigt In der Vorfertigung werden Rohrlängen von 18 m geschweißt Auf der Baustelle werden diese Rohrlängen zu einem Strang verbunden, der dann in das Wattenmeer eingezogen wird Rohrstränge aus Duplex 2 mit einem Durchmesser von 168x11 2 mit einem Durchmesser von 273x9 Insgesamt 700 Schweißnähte Seite 47

51 Projekt Mittelplate Innenspannvorrichtung mit Kühl- und Formiereinrichtung Vorbereitung einer Tulpennaht Führung der Orbitalzange Seite 51

52 Seite 52

53 Anlauffarbenfreie Wurzel Werkstoff: Schutzgas: Argon Wurzelschutzgas: Argon Seite 53

56 Projekt Mittelplate Rohrleitung aus Duplexstahl Seite 56

57 Schäden durch Korrosion 56 Transport- und Aufbewahrungsbehälter aus einem hochlegierten CrNi- Werkstoff Schäden nach Befüllen von Wasser in die Behälter Schaden ca Euro Seite 57

58 Schäden durch Korrosion Seite 58

59 Seite 59

60 Seite 60

61 Schaden Korrodierte Rohrabschnitte im Bereich der Schweißnaht. Innerhalb von 3 Wochen traten Undichten auf. Rohrwerkstoff: Bei dem hier verwendeten Rohrabschnitt handelt es sich um einen X 5CrNi Werkstoff Nr Der vorgenannte Werkstoff zeigte erhebliche Auflösungs-erscheinungen im Bereich der Schweißnaht und seiner unmittelbaren Umgebung. Als Zusatz wurde der X6 CrNiNb 18-10, Werkstoffnummer eingesetzt. Seite 61

62 Schweißnahtwurzel Einige Wochen später! Seite 62

63 Seite 63

64 Seite 64

65 Seite 65

66 Chlorid 136 mg/l Cl Seite 66

67 Schwarz-Weiß-Verbindungen Betriebstemperatur < 300 C , 18/10/6 Plattierungen 600 C Betriebstemperatur > 300 C Seite 67

68 Nickel-Äquivalent = % Ni + 30 x % C + 0,5 x % Mn F + M M 2 A 4 A+M Martensitische Chromstähle Hochwarmfeste austenitische Stähle 70% A+F 50% M + F A+M+F Chrom-Äquivalent = % Cr + % Mo + 1,5 x % Si + 0,5 x % Nb Schaeffler - Diagramm Chemisch beständige austenitische Stähle 3 Duplex - Stähle 1 ferritische Chromstähle F Seite 68

69 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit Seite 69