Austenitische Edelstählebesitzen typischerweise eine Mikrostruktur, die bei Raumtemperatur aus reinem Austenit besteht; Einige Varianten enthalten jedoch eine kleine Menge Ferrit, was hilft, Heißrisse zu verhindern. Aufgrund ihrer hervorragenden Schweißbarkeit werden austenitische Edelstähle häufig in Branchen wie der chemischen Verarbeitung und der Herstellung von Druckbehältern für den Erdölsektor eingesetzt. Dennoch sind austenitische Edelstähle bei unsachgemäßer Durchführung von Schweißvorgängen anfällig für verschiedene Probleme, darunter interkristalline Korrosion, Heißrissbildung, Spannungsrisskorrosion und schlechte Schweißnahtbildung.
Welche Schweißprobleme sind mit austenitischem Edelstahl verbunden?
I. Interkristalline Korrosion
A. Ursachen interkristalliner Korrosion
An den Korngrenzen kommt es zu interkristalliner Korrosion; daher spricht man von interkristalliner Korrosion. Es stellt eine der gefährlichsten Formen der Zersetzung von austenitischen Edelstählen dar. Sie zeichnet sich durch Korrosion aus, die entlang der Korngrenzen tief in das Metall eindringt und zu einer Verschlechterung sowohl der mechanischen Eigenschaften als auch der Korrosionsbeständigkeit des Metalls führt.
Wenn austenitischer Edelstahl über einen bestimmten Zeitraum im Temperaturbereich von 450 bis 850 Grad gehalten wird, scheiden sich Chromkarbide (Cr23C6) an den Korngrenzen aus. Das für diese Ausscheidung erforderliche Chrom wird hauptsächlich aus den Oberflächenschichten der Körner gewonnen; Wenn das Chrom aus dem Korninneren nicht schnell genug nach außen diffundieren kann, um diese Oberflächenschichten wieder aufzufüllen, sinkt der Chromgehalt an den Korngrenzen-insbesondere in den Oberflächenschichten der Körner-, wodurch eine „Chrom--verarmte Zone“ entsteht. Unter dem Einfluss aggressiver korrosiver Medien werden diese Chrom-verarmten Zonen an den Korngrenzen anfällig für Angriffe, was zu interkristalliner Korrosion führt. Von interkristalliner Korrosion betroffener Edelstahl darf keine sichtbaren Veränderungen an seiner Oberfläche aufweisen; Bei Belastung bricht es jedoch entlang der Korngrenzen, was zu einem fast vollständigen Verlust der strukturellen Festigkeit führt.
B. Maßnahmen zur Verhinderung interkristalliner Korrosion
Wählen Sie Schweißelektroden aus rostfreiem Stahl mit einem extrem niedrigen Kohlenstoffgehalt (C kleiner oder gleich 0,03 %) oder solchen, die stabilisierende Elemente wie Titan oder Niob enthalten.
Verwenden Sie Schweißparameter mit „geringer-Wärmezufuhr-. Ziel ist es, die Verweilzeit innerhalb des kritischen Temperaturbereichs (450 Grad – 850 Grad) zu minimieren. Dies wird durch niedrige Schweißströme, hohe Verfahrgeschwindigkeiten, kurze Lichtbogenlängen und die Vermeidung von Querpendelbewegungen erreicht. Auf die Schweißnaht können erzwungene Kühlmethoden (z. B. Verwendung von Kupferträgerplatten oder Wasserkühlung) angewendet werden, um die Abkühlgeschwindigkeit der Schweißverbindung zu beschleunigen und die Größe der Wärmeeinflusszone (HAZ) zu verringern.
Beim Mehrlagenschweißen muss die Zwischen-temperatur streng kontrolliert werden; Die vorhergehende Schweißnaht sollte auf unter 60 Grad abkühlen, bevor der nächste Durchgang aufgetragen wird. Die Schweißnaht auf der Seite des Bauteils, die mit dem korrosiven Medium in Kontakt kommt, sollte zuletzt geschweißt werden. Nach dem Schweißen sollte eine Lösungsbehandlung durchgeführt werden: Das Werkstück wird auf eine Temperatur zwischen 1050 und 1150 Grad erhitzt und anschließend abgeschreckt. Dieser Prozess führt dazu, dass sich die Cr23C6-Ausscheidungen an den Korngrenzen wieder in das Korninnere auflösen und so eine gleichmäßige austenitische Mikrostruktur wiederherstellen.
II. Heißes Knacken
Ursachen für Heißrisse
Ein großes Temperaturintervall zwischen den Liquidus- und Soliduslinien-d. h. ein großer Temperaturbereich während des Erstarrungsprozesses-führt zu einer starken Entmischung von Verunreinigungen mit niedrigem -Schmelzpunkt-, die sich tendenziell an den Korngrenzen konzentrieren. Darüber hinaus führt ein hoher Wärmeausdehnungskoeffizient zu erheblichen Spannungen beim Abkühlen und Schrumpfen.
Maßnahmen zur Kontrolle der Heißrissbildung
Kontrollieren Sie die Mikrostruktur des Schweißguts; Idealerweise sollte das Schweißgut eine Duplexstruktur aufweisen, wobei der Ferritgehalt bei oder unter 3–5 % gehalten wird. Dies liegt daran, dass Ferrit die Fähigkeit besitzt, erhebliche Mengen schädlicher Verunreinigungen wie Schwefel (S) und Phosphor (P) aufzulösen. Kontrollieren Sie die chemische Zusammensetzung; Durch die Reduzierung des Gehalts an Nickel, Kohlenstoff, Schwefel und Phosphor im Schweißgut-bei gleichzeitiger Erhöhung des Gehalts an Elementen wie Chrom, Molybdän, Silizium und Mangan-kann das Auftreten von Heißrissen wirksam minimiert werden.
Wählen Sie eine geeignete Art der Elektrodenbeschichtung. Die Verwendung von beschichteten Elektroden mit niedrigem -Wasserstoffgehalt- fördert die Kornverfeinerung im Schweißgut, verringert die Entmischung von Verunreinigungen und erhöht die Rissbeständigkeit. Umgekehrt besitzen säurehaltige-beschichtete Elektroden starke oxidierende Eigenschaften, die zu einem erheblichen Abbrennen-der Legierungselemente und einer daraus resultierenden Verringerung der Rissbeständigkeit führen; Darüber hinaus führen sie zu grobkörnigen Strukturen, wodurch die Schweißnaht sehr anfällig für Heißrisse ist. Setzen Sie geeignete Schweißparameter und Abkühlgeschwindigkeiten ein. Nutzen Sie „kalte“ Schweißparameter-insbesondere einen niedrigen Strom und eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit-, um eine Überhitzung des Schweißbades zu verhindern und eine schnelle Abkühlung zu ermöglichen; Dies minimiert die Entmischung und verbessert die Rissbeständigkeit. Kontrollieren Sie beim Mehrlagenschweißen die Temperatur zwischen den Lagen streng. Stellen Sie sicher, dass die vorherige Schweißnaht auf 60 Grad abgekühlt ist, bevor Sie die nächste Schweißnaht auftragen.
III. Spannungsrisskorrosion
Ursachen für Spannungsrisskorrosion
Spannungsrisskorrosion (SCC) ist ein Phänomen verzögerter Rissbildung, das in Schweißverbindungen auftritt, wenn sie in einer bestimmten korrosiven Umgebung einer Zugspannung ausgesetzt werden. Bei Schweißverbindungen aus austenitischem Edelstahl stellt SCC eine besonders schwerwiegende Versagensart dar, die sich als Sprödbruch äußert, der nicht von einer makroskopischen plastischen Verformung begleitet wird.
Maßnahmen gegen Spannungsrisskorrosion
Legen Sie geeignete Formungs-, Verarbeitungs- und Montageverfahren fest, um durch Kühlung-bedingte Verformungen so gering wie möglich zu halten; Zwangsmontage vermeiden; und verhindern die Entstehung verschiedener Oberflächendefekte während des Montageprozesses (da verschiedene montagebedingte Kratzer und Lichtbogeneinschläge als Rissbildungsstellen für SCC dienen können und dazu neigen, sich zu Korrosionsgruben zu entwickeln). Wählen Sie Schweißzusatzstoffe mit Bedacht aus. Das Schweißgut und der Grundwerkstoff sollten gut aufeinander abgestimmt sein,-um die Bildung unerwünschter Mikrostrukturen-wie Kornvergröberung oder harten, spröden Martensit zu verhindern. Setzen Sie geeignete Schweißverfahren ein. Stellen Sie sicher, dass die Schweißraupe eine gute Morphologie aufweist und frei von Fehlern ist, die zu Spannungskonzentrationen oder Lochfraß führen könnten (z. B. Hinterschnitt); Darüber hinaus sollten Sie eine rationelle Schweißreihenfolge anwenden, um Restspannungen beim Schweißen zu minimieren. Implementieren Sie Behandlungen zur Stressbewältigung. Dies umfasst in der Regel Wärmebehandlungen nach dem Schweißen, z. B. Vollglühen oder Glühen; In Fällen, in denen eine Wärmebehandlung schwierig durchzuführen ist, können alternative Methoden-wie nachträgliches-Schweißstrahlen oder Kugelstrahlen-zum Einsatz kommen.
IV. Schlechte Schweißnahtbildung
A. Ursachen für eine schlechte Schweißnahtbildung
Beim Schweißen von austenitischem Edelstahl führt der hohe Gehalt an Legierungselementen im Schweißgut zu einer schlechten Fließfähigkeit des Schweißbades, was häufig zu einer schlechten Ausbildung der Schweißraupenoberfläche führt. Dies äußert sich vor allem in einer verschlechterten Formation auf der Rückseite der Wurzellage und einer rauen Oberflächenbeschaffenheit auf der Kappenlage. Während die Auswirkungen einer schlechten Oberflächenbildung auf die Schweißleistung unter Umgebungsbedingungen oder Betriebsbedingungen bei hohen-Temperaturen nicht besonders offensichtlich sind, können die durch solche Defekte hervorgerufenen Spannungskonzentrationen unter Bedingungen niedriger-Temperaturen die Leistung der Schweißnaht bei niedrigen-Temperaturen genauso erheblich beeinträchtigen wie interne Schweißfehler.
B. Maßnahmen gegen schlechte Schweißnahtbildung
Probleme hinsichtlich einer schlechten Schweißnahtbildung-sowie das Problem der interkristallinen Korrosion innerhalb der Wärmeeinflusszone (HAZ)-können durch die Optimierung von Schweißprozessen effektiv gelöst werden. Insbesondere der Einsatz des Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißens (GTAW) für die Wurzellage in Kombination mit der Verwendung einer geringen Schweißwärmezufuhr ermöglicht eine wirksame Kontrolle darüber, in welchem Ausmaß die WEZ dem Sensibilisierungstemperaturbereich ausgesetzt ist.
Abschluss
Austenitischer Edelstahl ist ein weit verbreitetes Material in der chemischen und petrochemischen Industrie. Allerdings ist das Schweißen anfällig für vier primäre Arten von Fehlern-wie interkristalline Korrosion und Heißrissbildung-, deren Hauptursachen größtenteils mit der Temperaturkontrolle, Elementsegregation und Eigenspannung zusammenhängen. Bestenfalls beeinträchtigen diese Probleme lediglich die Schweißnahtmorphologie; Im schlimmsten Fall verschlechtern sie die Materialleistung drastisch oder führen sogar zu Sprödbrüchen. Folglich erfordern wirksame Präventions- und Kontrollstrategien ein umfassendes Management über mehrere Phasen hinweg-einschließlich der Elektrodenauswahl, der Optimierung der Schweißparameter und der Nachbehandlung-des Schweißvorgangs-, wobei die präzise Steuerung des Wärmeeintrags den entscheidenden Schwerpunkt bildet.