Spawanie stopów niklu

Autor:

Piotr Sompoliński

Data dodania:

12.12.2025 r.

Spawanie stopów niklu odgrywa kluczową rolę w wielu gałęziach przemysłu. Niniejszy artykuł przedstawia ogólne zasady spawania stopów niklu, zalecane metody i materiały spawalnicze, wpływ dodatków stopowych na spawalność oraz wymagania dotyczące przygotowania i obróbki cieplnej po spawaniu.

Ogólny opis techniki spawania

Stopy niklu ogólnie mówiąc spawa się podobnie jak stal nierdzewną, przy czym stopy niklu są bardziej „ociężałe”, mniej płynne, a jeziorko ma mniejszą głębokość wtopienia. W związku z tym konstrukcja rowka spawalniczego musi być starannie dobrana. Zasadniczo zaleca się wprowadzanie mniejszej ilości ciepła przez stosowanie niskich prądów spawania oraz wolne prowadzenie palnika lub elektrody. Nie zaleca się wykonywania szerokich ściegów wahadłowych. Zaleca się, żeby ściegi spawalnicze były lekko wypukłe, natomiast unikać należy ściegów płaskich i wklęsłych (które są akceptowalne przy spawaniu stali nierdzewnej).

Zalecane metody spawania stopów niklu

Stopy niklu powszechnie spawa się elektrodami otulonymi SMAW oraz metodami MIG/MAG i TIG. Oprócz tego dobre rezultaty daje spawanie plazmowe PAW, spawanie wiązką laserową LBW, spawanie wiązką elektronów EBW i zgrzewanie punktowe RSW. Spawanie łukiem krytym SAW jest odradzane, ponieważ ta metoda wprowadza dużą ilość ciepła do stopu bazowego, co sprzyja pękaniu na gorąco i wydzielaniu kruchych faz wtórnych.

Strefa wpływu ciepła SWC / HAZ

Strefa wpływu ciepła to metal poza granicami spawu, który nie został stopiony, ale którego własności i mikrostruktura zostały zmienione przez wpływ temperatury spawania. Różnicę w mikrostrukturze widać na poniższym zdjęciu.

Przekrój spawu i strefy wpływu ciepła HAZ. Podpisy: Unaffected base metal - Metal pozbawiony wpływu ciepła, Weld interface - granica wtopienia, HAZ - Strefa wpływu ciepła SWC. Źródło: ASM Specialty Handbook, Nickel, Cobalt, and Their Alloys

Pękanie na gorąco w strefie wpływu to jeden z problemów występujących przy spawaniu stopów niklu. Jest to skorelowane z rozrostem ziarna. Można mu zapobiec:

wybierając stop o innym składzie chemicznym,
odpowiednio wyżarzając stop przed spawaniem, tak by uzyskać małe ziarno,
ograniczając dopływ ciepła podczas spawania.

Przykładowo, spawanie wiązką elektronów ogranicza dopływ ciepła i jest polecaną metodą spawania trudnych, umacnianych wydzieleniowo stopów niklu.

Przygotowanie do spawania

Przygotowanie powierzchni. Ze względu na niebezpieczeństwo pękania spowodowanego zanieczyszczeniami (głównie związkami siarki, też fosforu czy ołowiu), przed spawaniem powierzchnia musi być dokładnie wyczyszczona. W przypadku kładzenia spoin wielościegowych bardzo ważne jest usunięcie z powierzchni każdego spawu powierzchni tlenków, ponieważ te zazwyczaj topią się w znacznie wyższej temperaturze, niż same stopy niklu. Zaleca się też szlifowanie miejsc rozpoczęcia i zakończenia spoin.

Rekomenduje się spawanie stopów w stanie wyżarzonym. Szczególna ostrożność jest zalecana przy spawaniu elementów umocnionych przez zgniot.

Ze względu na szkodliwy wpływ siarki, atmosfera spawania powinna być chroniona przed związkami siarki.

Podgrzewanie przed spawaniem na ogół nie jest potrzebne, o ile stop ma temperaturę pokojową. Jeśli temperatura wynosi 2°C i mniej, okolice spawu należy podgrzać do co najmniej 16°C, aby przeciwdziałać kondensacji. Wilgoć może powodować porowatość spawu.

Dobór produktów spawalniczych dla danego stopu

Alloy 200 / alloy 201: elektroda ENi-1; drut spawalniczy ERNi-1;
Alloy 400: elektroda ENiCu-7; drut spawalniczy ERNiCu-7;
Alloy 450, miedzionikle o dużej zawartości miedzi: elektroda ECuNi; drut spawalniczy ERCuNi;
Alloy 600: elektroda ENiCrFe-1, ENiCrFe-3, ENiCrFe-7; drut spawalniczy ERNiCr-3, ERNiCrFe-7;
Alloy 601: elektroda ENiCrFe-3; drut spawalniczy ERNiCr-3, ERNiCrFe-7;
Alloy 625: elektroda ENiCrMo-3; drut spawalniczy ERNiCrMo-3;
Alloy 617: elektroda ENiCrCoMo-1; drut spawalniczy ERNiCrCoMo-1;
Alloy 800HT: elektroda ENiCrCoMo-1; drut spawalniczy ERNiCrCoMo-1;
Alloy 825: elektroda ENiCrMo-3; drut spawalniczy ERNiCrMo-3;
Alloy 686: elektroda ENiCrMo-3; drut spawalniczy ERNiCrCoMo-(4 do 10);
Alloy 622: elektroda ENiCrMo-3; drut spawalniczy ERNiCrCoMo-(4 do 10);
Alloy C-276: elektroda ENiCrMo-3; drut spawalniczy ERNiCrCoMo-(4 do 10);
Alloy G: elektroda ENiCrMo-3, ENiCrMo-9; drut spawalniczy ERNiCrCoMo-(4 do 10);
Alloy G-2: elektroda ENiCrMo-3, ENiCrMo-9; drut spawalniczy ERNiCrCoMo-(4 do 10);
Alloy 690: elektroda ENiCrFe-3, ENiCrFe-7; drut spawalniczy ERNiCr-3, ERNiCrFe-7;
Alloy 718: drut spawalniczy ERNiFeCr-2
Alloy X-750: drut spawalniczy ERNiFeCr-2

Dobór produktów spawalniczych przy spawaniu stopów niklu ze stalą i stopami miedzi

Przy łączeniu stopów niklu ze stalą i stopami miedzi należy korzystać z następujących produktów spawalniczych:

Alloy 200 / Alloy 201:

ze stalą nierdzewną: elektroda ENiCrFe-2; drut spawalniczy ERNiCr-3;
ze stalą węglową / niskostopową: elektroda ENiCrFe-2; drut spawalniczy ERNiCr-3;
ze stalą niklową 5-9% Ni: elektroda ERNiCrFe-2; drut spawalniczy ERNiCr-3;
z miedzią: elektroda ENiCu-7; drut spawalniczy ERNiCu-7;
z miedzioniklem: elektroda ENiCu-7; drut spawalniczy ERNiCu-7;

Alloy 400:

ze stalą nierdzewną: elektroda ENiCrFe-2; drut spawalniczy ERNiCr-3;
ze stalą węglową / niskostopową: elektroda ENiCr-7; drut spawalniczy ERNi-1;
ze stalą niklową 5-9% Ni: elektroda ENiCr-7; drut spawalniczy ERNi-1;
z miedzią: elektroda ENiCu-7; drut spawalniczy ERNiCu-7;
z miedzioniklem: elektroda ENiCu-7; drut spawalniczy ERNiCu-7;

Alloy 600 / alloy 601 / alloy 690 / alloy 800:

ze stalą nierdzewną: elektroda ENiCrFe-2; drut spawalniczy ERNiCr-3;
ze stalą węglową / niskostopową: elektroda ENiCrFe-2; drut spawalniczy ERNiCr-3;
ze stalą niklową 5-9% Ni: elektroda ENiCrFe-2; drut spawalniczy ERNiCr-3;
z miedzią: elektroda ENi-1; drut spawalniczy ERNi-1;
z miedzioniklem: elektroda ENi-1; drut spawalniczy ERNi-1;
(ze względu na wysoką zawartość chromu, przy spawaniu alloy 690 z miedzią i miedzioniklem, część miedzianą warto przed spawaniem „posmarować” metalem spawalniczym na bazie niklu)

Alloy 825:

ze stalą nierdzewną: elektroda ENiCrMo-3; drut spawalniczy ERNiCrMo-3;
ze stalą węglową / niskostopową: elektroda ENiCrMo-3; drut spawalniczy ERNiCrMo-3;
ze stalą niklową 5-9% Ni: elektroda WE 113; drut spawalniczy ERNiCrMo-3;
z miedzią: elektroda ENi-1; drut spawalniczy ERNi-1;
z miedzioniklem: elektroda ENi-1; drut spawalniczy ERNi-1;

Wpływ dodatków stopowych na spawalność

Czysty nikiel daje się spawać bez większych problemów, chociaż ma tendencję do porowatości spawu.

Miedź nie wpływa znacząco na spawalność stopów niklu. Miedzionikiel 50Ni-50Cu spawa się w zasadzie tak samo jak czysty nikiel, a 30Ni-70Cu - jak miedź.

Chrom zmniejsza tendencję do porowatości spawu. 15%Cr w połączeniu z 1%Si może zwiększać tendencję do pękania na gorąco. Stopy Ni-Cr mają korzystnie wąski zakres krzepnięcia. Chrom ma również naturalne powinowactwo z tlenem, azotem i wodorem. Z tego powodu podczas spawania stopów niklu z chromem konieczne jest stosowanie atmosfer ochronnych.

Żelazo do 8% nie wpływa na spawalność stopów niklowo-chromowych. W stopach zawierających powyżej 40% Fe (np. alloy 800), żelazo zwiększa tendencję do pękania na gorąco.

Węgiel znacznie pogarsza spawalność, szczególnie czystego niklu. Stąd czysty nikiel do zastosowań wysokotemperaturowych (np. alloy 201) powinien mieć nie więcej niż 0,02% C, a nikiel do spawania powinien mieć dodatkowo dodatki stopowe tytanu. W stopach niklu węgiel nie pogarsza spawalności aż tak mocno, bo wiąże się z miedzią, chromem i tytanem.

Mangan poprawia spawalność stopów niklu. W elektrodach spawalniczych na bazie niklu spotyka się mangan o zawartości nawet 9%.

Magnez chroni przed pękaniem na gorąco w strefie wpływu ciepła.

Krzem zwiększa tendencję do pękania na gorąco w strefie wpływu ciepła, szczególnie gdy jego zawartość przekracza 1%. Najgorzej krzem wpływa na stopy Ni-Cr.

Tytan i aluminium to dodatki umacniające wydzieleniowo. Aluminium zwiększa też odporność na utlenianie. Większa zawartość tych pierwiastków znacząco naraża stop na pękanie na gorąco.

Bor dodawany jest, w ilościach 0,003 - 0,100% celem polepszenia własności wysokotemperaturowych. Powyżej poziomu 0,030% stężenia, bor znacząco pogarsza spawalność, zwiększając szansę popękania spawu i strefy wpływu ciepła.

Cyrkon ma podobny, lecz nieco mniejszy wpływ na spawalność, co bor.

Siarka jest prawdopodobnie najczęstszą przyczyną problemów podczas spawania stopów niklu. W temperaturach powyżej 316°C (dla czystego niklu) lub 650°C (dla stopów Ni-Cr) tworzy szkodliwe, powodujące pękanie wydzielenia, zarówno w strefie spawu, jak i strefie wpływu ciepła. Dodatki stopowe magnezu i manganu ograniczają szkodliwy wpływ siarki. Dodatkowo podczas spawania konieczna jest niezwykła dbałość o to, by nie zanieczyścić stopu związkami siarki.

Ołów ma podobnie szkodliwe działanie co siarka, ale zanieczyszczenie ołowiem następuje dużo rzadziej, niż zanieczyszczenie siarką, ponieważ w warunkach warsztatowych związki ołowiu są znacznie mniej powszechne.

Fosfor ma podobne działanie co ołów i siarka, przy czym szkodliwe działanie fosforu zaczyna się w temperaturach powyżej 870°C, stąd problem pękania w mniejszym stopniu dotyczy strefy wpływu ciepła.

Obróbka cieplna po spawaniu

Obróbka cieplna po spawaniu dotyczy głównie umacnianych wydzieleniowo stopów niklu (aby umacnianie się powiodło, stop umacniany powinien być na ogół w stanie wyżarzonym. Spawanie stopów umocnionych wydzieleniowo może powodować pękanie starzeniowe [ang. strain-age cracking]). W pozostałych stopach niklu zwykle nie jest to wymagane normami. Wyżarzać należy również łączenia spawane stopów niklu ze stalą nierdzewną. Poniżej kilka przykładów stopów niklu, które wymagają obróbki cieplnej po spawaniu.

Alloy 602 CA / 2.4633 - stop o wysokiej zawartości aluminium. Obróbka cieplna po spawaniu zalecana, jeśli elementy spawane mają być używane w temperaturze w zakresie 600-750°C. Przesycanie 1220 °C; chł. powietrzem/wodą + stabilizowanie 950 °C; 3h; chł. powietrzem.

Alloy 80a / 2.4952 - obróbka cieplna po spawaniu poprawia własności wytrzymałościowe i odporność na korozję. Parametry obróbki dla różnych wyrobów w linku.

Alloy 200 / Alloy 201 - obróbka cieplna po spawaniu zalecana, jeśli spaw ma być użytkowany w żrącym środowisku o odczynie zasadowym. Należy wyżarzać w 700°C przez 30 minut na 25mm grubości blachy, chłodzić powietrzem.

Alloy 600 / 2.4816 - obróbka cieplna po spawaniu zalecana, jeśli spaw ma być użytkowany w żrącym środowisku o odczynie zasadowym. Należy wyżarzać w 900°C przez 1 godzinę, chłodzić powietrzem.

Alloy 400 / 2.4360 - obróbka cieplna po spawaniu zalecana, jeśli spaw ma być użytkowany w środowisku kwasu fluorowodorowego. Należy wyżarzać w 600°C przez 30 minut, chłodzić powietrzem.

Problem niskiej wytrzymałości strefy wpływu ciepła

Dotyczy: stopów umacnianych wydzieleniowo spawanych w stanie umocnionym (starzonym).

Opis: wpływ temperatury rozpuszcza umacniające wydzielenia. Strefa wpływu ciepła przestaje być umocniona. Oprócz tego mogą pojawić się pęknięcia.

Rozwiązanie: wyżarzanie przesycające po spawaniu i ponowne starzenie.

Problem pękania starzeniowego

Dotyczy: stopów umacnianych wydzieleniowo, których łączna zawartość alumunium i tytanu przekracza 6%, na przykład:

Rene 41,
Alloy 702,
Alloy 700,
Unitemp 1753,
Udimet 500,
Astroloy,
Alloy 713,
B-1900 Alloy
Waspaloy

Opis: Podczas spawania metal dwukrotnie - podczas nagrzewania i chłodzenia - przechodzi przez zakres temperatur starzenia (zwykle 600-750°C). Następnie, podczas podgrzewania do obróbki cieplnej po spawaniu, w momencie gdy stop ponownie przechodzi przez temperaturę starzenia, powstałe naprężenia doprowadzają do pęknięć starzeniowych.

Rozwiązania:

wybór stopu umacnianego wydzieleniowo o mniejszej zawartości Ti+Al (np. alloy 718),
obróbka cieplna w próżni lub atmosferze ochronnej,
spawanie w stanie przestarzonym (szczególnie pomocne w wypadku Rene 41),
szybkie nagrzewanie podczas obróbki cieplnej po spawaniu.

Poza tym takie stopy zawsze należy spawać w stanie odprężonym i ograniczać ilość doprowadzanego ciepła.

Spawanie naprawcze

Na ogół stopy niklu nie zmieniają składu chemicznego nawet po długiej eksploatacji i mogą być naprawiane za pomocą spawania. Spawanie naprawcze jest szczególnie możliwe, jeśli uszkodzenie ma charakter lokalny. Jednak długotrwały wpływ środowisk siarkujących, nawęglających lub utleniających może pogorszyć ogólny stan części na tyle, że możliwości spawania naprawczego są ograniczone.

Spawanie stopów odlewniczych

Wiele stopów niklu przeznaczonych do obróbki ma odpowiednik odlewniczy. Te stopy mają zwykle wyższą zawartość krzemu, stąd ich spawanie sprawia więcej problemów.