Geregeltes MSG-Schweißen eines dickwandigen Längsnahtrohres aus der Nickelbasislegierung Alloy 617

Für die Herstellung dickwandiger, längsnahtgeschweißter Rohre aus Alloy 617 für den Einsatz als Dampfleitungen in Kraftwerken wurden Strategien für einen geregelten Metallschutzgas-Schweißprozess entwickelt. Hinsichtlich einer Steigerung der Wirtschaftlichkeit gegenüber dem WIG-Verfahren und gleichzeitiger Prozesssicherheit stand die Vermeidung von Heißrissen und Bindefehlern im Fokus der Untersuchungen. Im Rahmen eines durch die EU und das Land NRW geförderten Projektes wurde ein 5 Meter langes Demonstratorrohr gefertigt, das keine makroskopischen Defekte aufweist.

Um in Zukunft den Wirkungsgrad von neu gebauten, mit fossilen Brennstoffen betriebenen Dampfkraftwerken von derzeit etwa 45 % auf über 50 % steigern zu können, sollen bestimmte Rohrleitungen im Dampfkreislauf bei Drücken von bis zu 350 bar und Temperaturen über 700°C betrieben werden können. Der Nickelbasiswerkstoff Alloy 617 (Kurzzeichen NiCr23Co12Mo, Werkstoffnummer 2.4663) ist seit Mitte der 1990er Jahre für die unter den gegebenen thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen stehenden Komponenten in den Fokus der Untersuchungen gerückt.

Den guten Hochtemperatureigenschaften von Alloy 617 steht jedoch eine eingeschränkte Schweißeignung gegenüber. Aufgrund seines großen Erstarrungsintervalls neigt dieser Werkstoff beim Schweißen zur Bildung von Heißrissen, weshalb eine möglichst geringe Wärmeeinbringung anzustreben ist.

Einen neuen, wirtschaftlichen Ansatz bietet hier die Anwendung eines geregelten MSG-Prozesses, der sich durch eine geringe Streckenenergie auszeichnet. Die Kombination der Vorteile eines geregelten Kurzlichtbogens (geringe Streckenenergie, hohe Prozesssicherheit) mit denen eines Impulslichtbogens (besseres Einbrandverhalten) ist in diesem Prozess möglich, wodurch hinsichtlich der Prozessleistung eine Brücke vom Kurzlichtbogen bis hin zum Impulslichtbogen geschlagen wird. Im Rahmen des Projektes „Hochleistungsschweißverfahren für Nickelbasiswerkstoffe“ wurde u.a. ein solches geregeltes MSG-Verfahren zum Fügen eines Längsnaht-Demonstratorrohres angewendet. Dieses wurde in Zusammenarbeit mit der Firma Eisenbau Krämer GmbH, einem Spezialisten mit langjähriger Erfahrung im Bereich Rohrleitungsbau, gefertigt. Nach dem Biegen und Heften, sowie dem Schweißen der Wurzel und dem Fräsen der U-Fuge erfolgte die Anwendung des geregelten MSG-Verfahrens zum Schweißen der Fülllagen und der Decklage. Die Fugengeometrie ist in Bild 1 dargestellt. Das Rohr hat dabei eine Länge von fünf Metern, eine Wanddicke von 40 mm und einen Außendurchmesser von 546 mm, Bild 2.

Im Fokus der Untersuchungen stand die Prozesssicherheit, insbesondere die Vermeidung von Bindefehlern und Heißrissen, u.a. durch das Arbeiten in einem geeigneten Fenster für die Streckenenergie, sowie angepasste Brennerlängs- und Queranstellungen. Ein Querschliffbild zeigt beispielsweise Bild 3. Es sind keine makroskopischen Defekte in der Schweißnaht aufgetreten.

^{Bild 3: Makroquerschliff des mit dem geregelten MSG-Prozess geschweißten Rohrteils Die Füllschweißung umfasst dabei 72 einzelne Strichraupen, die in der Fertigung zu einer Schweißhauptzeit von ca. 144 min bei einem Meter Rohrlänge führen. Eine vergleichbare Schweißung mit dem WIG-Kaltdrahtverfahren würde demgegenüber mehr als 12 Stunden in Anspruch nehmen.}

Funkenspektroskopische Analysen ergaben, dass im Schweißgut mit der genutzten Draht-Schutzgas-Kombination kein unzulässiger Legierungsabbrand stattfindet, sodass auch die Gehalte besonders sauerstoffaffiner Elemente, wie beispielsweise Aluminium und Titan, im Bereich der Grundwerkstoffzusammensetzung liegen. Weitere Konsortialpartner waren die Firma Bilfinger Piping Technologies GmbH, die ihr Fachwissen aus dem Bereich Anlagenbau einfließen ließ, die Firma voestalpine Böhler Welding Germany GmbH, die innovative Zusatzwerkstoffe zur Verfügung stellte, sowie die Firma WELTRON Steuerungs- und Schweißanlagenbau GmbH, die maßgeschneiderte Schweißanlagen für die Versuche und die Demonstratorfertigung entwickelt hat. Wir danken für die Förderung des Projekts „Hochleistungsschweißtechnologien für die Herstellung und Verarbeitung von Rohren für 700 C-Kraftwerke aus Nickelbasiswerkstoffen“ (EF 2042 A-E) im Rahmen des ERFE/Ziel2.NRW-Programmes durch die Europäische Union.

An dem Projekt beteiligt sind die JARA-ENERGY Mitglieder:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Uwe Reisgen,
Dipl.-Ing. Konrad Willms und
Dipl.-Ing. Stephan Wieland