DE102017213043A1

DE102017213043A1 - Schweißen von Nickelbasis-Legierungen unter Verwendung von Sauerstoff als Prozessgas

Info

Publication number: DE102017213043A1
Application number: DE102017213043.1A
Authority: DE
Inventors: Torsten Jokisch; Silke Settegast
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2017-07-28
Publication date: 2019-01-31

Abstract

Durch die Verwendung eines sauerstoffhaltigen Prozessgases können Nickelbasis-Superlegierungen bei Raumtemperatur geschweißt werden, ohne dass es zu Heißrissen kommt.

Description

Die Erfindung betrifft das Schweißen von Nickelbasis-Legierungen mit hohem γ`-Anteil.
Das Schweißen ohne Zusatzmaterial von Nickelbasis-Superlegierungen mit sehr hohen γ`-Ausscheidungen gilt generell als schwierig. Die Volumenänderung im Temperaturbereich oberhalb 1273K, verbunden mit Eigenspannungen, führen zu Heißrissen beim Schweißen, besonders an den Korngrenzen und bereits bei der Wärmebehandlung nach dem Schweißen.
Alloy 247 mit ~ 55% γ`-Anteil hat die größte Herausforderung, wenn

- Vorwärmung nicht erwünscht ist,
- kein duktiler Zusatzwerkstoff gewünscht ist.

Bisher ist keine Möglichkeit bekannt, derartiges Material

- artgleich, d.h. ohne Zusatzmaterial im Stumpfstoß
- bei Raumtemperatur (ohne Vorwärmung)
- rissfrei, also ohne nennenswerte Schweißfehler

Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Beschreibung und die Figur stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Die Figur zeigt eine Liste von Nickelbasis-Legierungen, die geschweißt werden können.
Für einzelne Anwendungen ist es möglich, mittels Schweißen und einem Prozessgas, nahezu rissfreie Oberflächenverbindungen zu erzeugen.
Vorzugsweise wird ein Laserschweißverfahren zur Umschmelzung oder Auftragschweißung auf ein Substrat verwendet.
Das Prozessgas beim Schweißen, das der Schweißstelle zugeführt wird, weist einen Anteil von 0,5% - 20% von Sauerstoff O₂ auf, insbesondere mindestens 1% Sauerstoff.
Der maximale Anteil von Sauerstoff liegt vorzugsweise bei 10%.
Die Angabe ist vorzugsweise in Volumenprozent (vol.-%).
Es entsteht beim Schweißen eine oberflächliche Schicht aus Oxiden, insbesondere Aluminium- und Chromoxid. Diese Elemente reduzieren signifikant den γ`-Anteil und somit die Gefahr von Heißrissbildung.
Die Anwendung beschränkt sich vorzugsweise auf Schweißverbindungen, deren Schweißnahttiefe (also Verbindungsbreite oder Anbindequerschnitt) gleich oder kleiner ist als die Verarmungszone von γ`-Anteilen.
Die Vorteile sind:

• Artgleiches Schweißen von hochwarmfesten Nickelbasis-Superlegierungen mit hohem γ`-Anteil,
• Schweißverbindung ohne Zusatzmaterial,
• Signifikante Schweißqualitätsverbesserung durch reduzierte Heißrissanfälligkeit,
• Keine Zwischenlagen aus duktilem Zusatzmaterial nötig,
• Kein Zusatzmaterial nötig,
• Keine Reduzierung der Lebensdauer der Schweißverbindung durch veränderte Werkstoffeigenschaften,
• Hohe zusätzliche Oxidationsbeständigkeit der Schweißverbindung durch Umlagerung der hohen Temperaturbeständigkeit aufgrund γ` zu hoher Temperaturbeständigkeit aufgrund Bildung von Oxidschichten (Al + Ni meistens),
• Duktilere Schweißverbindung aufgrund der Reduzierung von γ` bei gleichbleibender Werkstoffqualität,
• Verbesserte Schweißqualität aufgrund reduzierter Heißrissbildung.

Erfindungsgemäß wird hier entgegen der vorherrschenden Meinung als Prozessgas ein Gasgemisch mit Sauerstoff O₂ verwendet, insbesondere mit Anteilen von 0,5% - 20%. Der restliche Anteil des Prozessgases weist Argon (Ar) und/oder Helium (He) und/oder Stickstoff (N₂) auf und das Gemisch besteht insbesondere daraus.
Ebenso kann auch Luft verwendet werden, um den Anteil an Sauerstoff zur Verfügung zu stellen.
Nicht abschließende Beispiele für das Prozessgas sind:

N_2/O₂,
Ar/O₂,
He/O₂,
Ar/N₂/O₂,
N_2/He/O₂,
He/N₂/O₂,
Ar/N_2/He/O₂,
Luft,
Luft/N₂ ,
Luft/Ar,
Luft/Ar/N₂,
Luft/He,
Luft/He/Ar,
Luft/He/Ar/N₂, ....

Claims

Verfahren zum Schweißen von Nickelbasis-Superlegierungen unter Verwendung von einem Prozessgas, insbesondere mittels Laserschweißen, wobei ein Prozessgas verwendet wird, das Sauerstoff (O₂) enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Sauerstoffanteil mindestens 0,5%, insbesondere mindestens 1% beträgt und optional maximal 20% beträgt, insbesondere maximal 10% beträgt.
Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem Material aufgetragen wird.
Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem eine Umschmelzung stattfindet.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem das Prozessgas weiterhin Stickstoff (N₂), Helium (He) und/oder Argon (Ar) aufweist, insbesondere nur aus Stickstoff (N₂) und/oder Helium (He) und/oder Argon (Ar) sowie Sauerstoff (O₂) besteht.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, bei dem Luft als Sauerstofflieferant verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 sowie 5 oder 6, bei dem das gleiche oder dasselbe Material wie das eines Substrats aufgetragen wird.