Nikkellegering Lassen: Expert Technieken & Tips voor Extreme Omstandigheden

Wat Zijn Nikkellegeringen?

Nikkellegeringen worden gekozen om hun uitstekende veelzijdigheid, corrosiebestendigheid en prestaties bij hoge temperaturen. Dit maakt ze populair voor extreme omgevingen, zoals vliegtuigturbines, stoomturbines, kerncentrales en de petrochemische en chemische industrie.

Gegeven hun gebruik in extreme omstandigheden, moeten de laszones van nikkellegeringen consistente eigenschappen hebben; dit is de enige manier waarop het gelaste product de extreme omstandigheden kan weerstaan. Daarnaast is het belangrijk dat de las van hoge kwaliteit is en zeer weinig fouten bevat, want deze kunnen ook de prestaties in harde omgevingen beïnvloeden.

Definitie en Voorbeelden

Nikkellegeringen worden over het algemeen gedefinieerd als legeringen waar nikkel, een veelzijdig element, het hoofdelement is. Historisch werden nikkellegeringen gedefinieerd als legeringen met meer dan 50% nikkel. Moderne nikkellegeringen hebben doorgaans een hoger nikkelgehalte. Voorbeelden:

• Inconel 718: 19Cr 3Mo 0,9Ti 5,1Cb 0,5Al 18Fe balans Ni
• Hastelloy X: 22Cr 1,5Co 9Mo 0,6W 18,5Fe balans Ni

Nikkel Lassen: Processen en Kenmerken

Nikkel lassen wordt uitgevoerd met een van de beschikbare nikkellegeringen. Booglassen kan worden gebruikt, waaronder stoklassen (MMA), MIG-lassen en WIG-lassen (GTAW). Stoklassen creëert een las die sterker is dan het basismetaal. Voor MIG-lassen van nikkel is het beschermingsgas een 50/50 mengsel van helium en argon.

Alle conventionele lasprocessen zijn geschikt voor het lassen van nikkellegeringen. Het hoofdverschil zit in de thermische uitdijting. Nikkellegeringen hebben een lagere thermische uitdijtingscoëfficiënt dan roestvrij staal, en controlemethoden voor vervorming zijn vergelijkbaar met die voor koolstofstaal.

Nikkellegeringen kunnen betrouwbaar worden verbonden door alle soorten lasprocessen, met uitzondering van smeedlassen en oxy-acetyleenlassen. Gesmede nikkellegeringen kunnen worden gelast onder voorwaarden die vergelijkbaar zijn met die voor austenitisch roestvrij staal. Gegoten nikkellegeringen, met name die met een hoog siliciumgehalte, geven problemen bij het lassen.

De meest toegepaste processen voor het lassen van niet-uitverhardende (vastestof-versterkte) gesmede nikkellegeringen zijn WIG-lassen (GTAW), MIG-lassen (GMAW) en stoklassen (SMAW). Onderpoederbooglassen (SAW) en electroslaglassen (ESW) hebben beperkte toepasbaarheid, net als plasmalassen (PAW). Hoewel GTAW bevorzugd wordt voor uitverhardende legeringen, worden ook GMAW en SMAW gebruikt.

Nikkellegeringen worden meestal in de oplossingsbehandelde toestand gelast. Uitverhardende (PH) legeringen moeten worden geanst als ze operaties hebben ondergaan die hoge residuele spanningen introduceren.

Veelvoorkomende Problemen bij het Lassen van Nikkellegeringen

Het meest voorkomende en ernstige probleem is hete scheurvorming (hot cracking). Dit treedt op in de fusielijn, in de WBZ, of in het lasmetaal (fusiezone), wobei de fusielijn het meest getroffen wordt.

Meestal veroorzaakt zwavel in de legering of op het oppervlak deze scheurvorming, hoewel bismuth, lood, fosfor en boor ook een negatief effect kunnen hebben. Om dit te voorkomen, is het essentieel dat zowel de WBZ als het lasmetaal volledig vrij zijn van olie, vet, vuil en andere verontreinigingen. Overmatig zwavel in het vulmateriaal of basismateriaal kan ook problemen geven.

Voorbereiding van het Materiaal

• Ontvetten, gevolgd door grondige roestvrij staal of machine draadborstelen.
• Gebruik een oplosmiddel dat ontworpen is voor nikkellegeringen.
• Lassen moet plaatsvinden binnen acht uur na reiniging om verdere verontreiniging te voorkomen.
• Warmtebehandeling alleen in een elektrische oven of met zwavelvrije brandstof, in vacuüm of inerte omgeving.
• Als het materiaal al gebruikt is of gerepareerd wordt, moet het geslepen of gemachineerd worden om verontreinigingen in het reparatiegebied te verwijderen.

Porositeit is ook een probleem, met name wanneer zuurstof of waterstof oppervlakteverontreiniging veroorzaken door ingesloten lucht in het lasbad. Tegengaan: efficiënte gaspurge en bescherming aan beide kanten van de las, alle gasslangen in perfecte staat, en de lasafgeschermd van trek.

Lasvoorbereiding voor Nikkellegeringen

Lasvoorbereiding is essentieel. Het belangrijkste ontwerpaspect is voldoende toegang voor de lasbrander en het bereiken van volledige penetratie indien vereist.

De beste stootlasontwerp is een rechte stootlas, maar dit is beperkt door dikte door onvermogen om de las te penetreren. Daarom wordt vaak een U- of V-voorbereiding gebruikt, met een hoek van 30° tot 40° bij 10 mm dikte, voor penetratie en opvullaag.

Voor gasvoorbereiding kan het nuttig zijn om tot 10% waterstof aan het inerte gasmengsel toe te voegen, wat de vloeibaarheid in het lasbad verbetert.

Geen voorverhitting vereist voor nikkellegeringen lassen, tenzij er condensatie moet worden verwijderd. Het lassen van nikkel vereist doorgaans een maximale tussentemperatuur van 250°C, hoewel sommige legeringen maximaal 100°C toelaten.

Soms is naslijpen na het lassen nodig om een hechttende oxidedelaag te verwijderen die zich op het lasbad kan vormen. Soms is draadborstelen onvoldoende om deze nalaasresten te verwijderen.

Na-lasbehandeling

Geen na-lasbehandeling, noch thermisch noch chemisch, is vereist om corrosiebestendigheid te behouden of te herstellen, hoewel in sommige gevallen een volledige oplossingsglowing de corrosiebestendigheid verbetert.

Warmtebehandeling kan nodig zijn om specificaties te halen, zoals spanningsverlichting van een geconstrueerde structuur om uitverharding of spanning-corrosiescheurvorming (SCC) van de las in hydrofluurzuurdamp of kaustische soda te voorkomen. Als lassen matige tot hoge residuele spanningen induceert, vereisen PH-legeringen een spanningsverlichtingsglowing na het lassen en voor de uitverharding.

Nikkel en nikkellegeringen zijn gevoelig voor embrittlement door lood, zwavel, fosfor en andere laagsmeltende elementen. Deze materialen kunnen bestaan in vet, olie, verf, merkpotloden of inkt, smeermiddelen, koelvloeistoffen, werkplaatsvuil en verwerkingschemicaliën.

Werkstukken moeten volledig vrij zijn van vreemd materiaal voordat ze worden verhit of gelast. Werkplaatsvuil, olie en vet kunnen worden verwijderd door dampontvetten of afwassen met aceton of een ander niet-toxisch oplosmiddel.

Verf en andere materialen die niet oplosbaar zijn in ontvettingsoplossingen kunnen methylenechloride, alkalische reinigers of speciale eigenaardige middelen vereisen. Als alkalische reinigers met natriumcarbonaat worden gebruikt, moeten deze zelf voor het lassen worden verwijderd. Afspuiten of schrobben met heet water wordt aanbevolen. Merkinkt kan meestal met alcohol worden verwijderd.

Verwerkingsmateriaal dat in het werkmetaal is ingedrongen, kan worden verwijderd door slijpen, straalbehandeling en afwassen met 10% HCl-oplossing, gevolgd door grondige waterafspoeling. Oxiden moeten ook uit het lasgebied worden verwijderd, voornamelijk vanwege het verschil in smeltpunt tussen oxide en basismetaal. Oxiden worden normaal verwijderd door slijpen, machinebewerking, straalbehandeling of beitsen.

Nikkellegeringen, zowel gegoten als gesmede, en zowel vastestof-versterkt als uitverhardend, kunnen worden gelast met het GTAW-proces. De toevoeging van vulmateriaal wordt meestal aanbevolen. Directe stroom elektrode negatief (DCEN) wordt aanbevolen voor zowel handmatige als machine laswerken.

Beschermingsgas

Zowel argon als helium, of een mengsel van de twee, wordt gebruikt als beschermingsgas voor het lassen van nikkel en nikkellegeringen. Toevoegingen van zuurstof, koolstofdioxide of stikstof aan argongas zullen meestal porositeit of elektrodeerosie veroorzaken. Argon met kleine hoeveelheden waterstof (typisch 5%) kan worden gebruikt en kan porositeit in zuiver nikkel voorkomen, evenals oxidevorming tijdens het lassen reduceren.

Lassen van Gegoten Nikkellegeringen

Gegoten nikkellegeringen kunnen worden verbonden door GTAW, GMAW en SMAW processen. Voor optimale resultaten moet de gieting voor het lassen worden oplossingsgeglost om een deel van de gietspanningen te verlichten en enige homogenisatie van de gietstructuur te bieden.

Lichte peening van het vastgestelde metaal na de eerste laag zal spanningen verlichten en dus scheurvorming aan de verbinding van lasmetaal en gietmetaal verminderen. Peening van opvolgende lagen is van weinig, zo ja, voordeel. Spanningsverlichting na het lassen is ook wenselijk.