In den vielfältigen Anwendungsbereichen des Schweißens sind Effizienz, Präzision und Sicherheit entscheidend, um kostspielige und zeitintensive Nacharbeiten zu minimieren oder gänzlich zu vermeiden. Die Qualität der Schweißnaht und die Integrität des geschweißten Bauteils hängen maßgeblich von der korrekten Anwendung der Schweißparameter ab.
Die Vielfalt der Werkstoffe erhöht die Komplexität des Schweißens. Jeder Werkstoff erfordert spezifische Schutzgase, die das Schmelzbad vor Sauerstoff und Stickstoff und Luftfeuchtigkeit schützen, die zu Porosität und Versprödung führen können.
Besonders im Chemie- und Lebensmittelbereich werden hochentwickelte Edelstähle wie Duplex-, Superduplex- und Vollaustenit-Stähle eingesetzt. Sie zeichnen sich durch hervorragende mechanische Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit aus. Stickstoff als Legierungselement in diesen Stählen verbessert Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
Daher ist beim Schweißen dieser Edelstähle eine präzise Zugabe von Stickstoff zum Schutzgas erforderlich, um die Werkstoffeigenschaften zu erhalten und Entstickung zu verhindern. Eine falsche Schutzgaszusammensetzung kann die Stickstoffkonzentration in der Schweißnaht reduzieren und die Eigenschaften negativ beeinflussen. Die exakte Abstimmung des Schutzgases ist entscheidend für die Qualität und Langlebigkeit geschweißter Konstruktionen in diesen anspruchsvollen Branchen.
Herausforderungen beim MAG-Schweißen hochlegierter Stähle
Hochlegierte Stähle zeichnen sich durch ihre spezifische chemische Zusammensetzung aus, die ihnen besondere Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit oder hohe Festigkeit verleiht. Diese Werkstoffe enthalten in der Regel Legierungselemente wie Chrom, Nickel und Molybdän, die entscheidend zur Leistungsfähigkeit der Materialien beitragen.
Das Metall-Aktivgas-Schweißen (MAG) ist ein etabliertes und weit verbreitetes Verfahren zur Verbindung dieser hochlegierten Stahlsorten, das in unterschiedlichen Branchen wie der chemischen Industrie und dem Schiffbau genutzt wird.
Trotz seiner Vielseitigkeit und Effizienz treten beim MAG-Schweißen dieser Werkstoffe häufig Qualitätsprobleme auf. Besonders kritisch sind Oxidation und die damit verbundenen Verfärbungen an der Schweißnaht. Diese Effekte entstehen, weil die Legierungselemente eine hohe Affinität zu Sauerstoff aufweisen. Während des Schweißprozesses, bei dem hohe Temperaturen auftreten, kann es sowohl an der Oberfläche als auch im Schweißgut zur Bildung von Oxiden kommen. Die Folge sind Beeinträchtigungen der mechanischen Eigenschaften wie Zähigkeit und Festigkeit, was die strukturelle Integrität der Schweißnaht gefährden kann. Darüber hinaus können infolge der Oxidation Porosität und andere Gefügefehler auftreten, welche häufig aufwendige Nacharbeiten erforderlich machen.
© Air Liquide
Schutzgasauswahl für anspruchsvolle Werkstoffe
Für das MAG-Schweißen verschiedenster anspruchsvoller Werkstoffe, darunter rostbeständige Chrom-Nickel-(CrNi)- und Chrom-(Cr)-Stähle, Duplex-Stähle, Nickel-Basis-Werkstoffe sowie zahlreiche Sonderedelstähle, bietet die Arcal Technical Line von Air Liquide gezielt abgestimmte Schutzgase. Deren spezifische Eigenschaften nehmen maßgeblichen Einfluss auf den gesamten Schweißprozess und tragen entscheidend zur Qualität und Prozesssicherheit bei.
Die Wahl des geeigneten Schutzgases spielt eine zentrale Rolle beim MAG-Schweißen, insbesondere um unerwünschte Oxidation während des Schweißprozesses zu verhindern und somit die Qualität der Schweißnaht maßgeblich zu beeinflussen. Schutzgase umhüllen den gesamten Schweißbereich und schaffen eine inerte oder reaktionsarme Atmosphäre, die den direkten Kontakt des geschmolzenen Metalls sowie der angrenzenden, hocherhitzten Bereiche mit dem Sauerstoff und Stickstoff der Umgebungsluft unterbindet.
Dieser Schutzmechanismus ist essenziell, um die Bildung von Oxiden und Nitriden an der Schweißnaht und in der Wärmeeinflusszone zu vermeiden. Solche Verunreinigungen können die mechanischen Eigenschaften des Schweißguts wie Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit negativ beeinträchtigen und führen oft zu einer erhöhten Sprödigkeit der Naht. Durch die effektive Abschirmung wird die Qualität und die Langzeitbeständigkeit des Schweißguts nachhaltig gesichert.
Ein besonders wichtiger Faktor bei der Gaszusammensetzung ist der Kohlenstoffdioxidgehalt (CO₂). Beim Schweißen hochlegierter Stähle, insbesondere Edelstählen, ist ein niedriger CO₂-Gehalt (typischerweise < 3 Vollumenprozent) entscheidend. Ein solcher geringer CO₂-Anteil trägt zur Stabilisierung des Lichtbogens bei, indem er eine ausreichende Ionisierung der Gasatmosphäre ermöglicht, ohne dabei einen signifikanten Kohlenstoffübergang in das Schweißgut zu verursachen.
Ein erhöhter Kohlenstoffgehalt in hochlegierten Stählen, insbesondere austenitischen Edelstählen, kann zur Ausscheidung von Chromkarbiden an den Korngrenzen führen. Dies hat eine unerwünschte Sensibilisierung zur Folge, die die Korrosionsbeständigkeit, insbesondere gegenüber interkristalliner Korrosion, erheblich mindert und die Zähigkeit des Materials herabsetzt. Die Beibehaltung der ursprünglichen Materialeigenschaften der hochlegierten Stähle ist somit gewährleistet, und eine unerwünschte Veränderung der Gefügestruktur, die zu Versprödung führen könnte, wird vermieden.
Ein erhöhter Anteil an Helium (He) in der Schutzgasmischung bewirkt eine signifikante Erhöhung der Lichtbogentemperatur. Helium besitzt im Vergleich zu Argon eine höhere Ionisierungsenergie und eine höhere Wärmeleitfähigkeit. Dies führt zu einem konzentrierteren und energiereicheren Lichtbogen. Ein heißerer Lichtbogen bringt den Vorteil einer verbesserten Wärmeeinbringung in das Werkstück. Diese verbesserte Wärmeeinbringung ist besonders bei größeren Wandstärken der Werkstoffe und höheren Schweißgeschwindigkeiten von Relevanz.
Bei dickeren Materialien ermöglicht der heißere Lichtbogen eine tiefere und stabilere Einbrandkerbe, was zu einer besseren Durchschweißung führt und das Risiko von Bindefehlern oder unzureichendem Einbrand minimiert. Bei höheren Schweißgeschwindigkeiten sorgt die intensivere Wärmekonzentration dafür, dass die notwendige Schmelzbadgröße und -temperatur auch bei schnellerem Vorschub aufrechterhalten werden kann. Durch den wärmeren Lichtbogen wird somit eine überlegene Durchschweißung erreicht, was die Prozesssicherheit erhöht und die mechanische Güte sowie die optische Qualität der Naht signifikant verbessert. Dies trägt nicht nur zur Reduzierung von Nacharbeit bei, sondern auch zur Steigerung der Produktivität im gesamten Schweißprozess.
Schutzgas für hochkorrosionsbeständige Werkstoffe
Das Schutzgas Arcal M11 wurde speziell für das MAG-Schweißen hochkorrosionsbeständiger Nickel-Basis-Werkstoffe entwickelt und zeichnet sich durch einen reduzierten Anteil aktiver Komponenten aus. Diese Zusammensetzung schafft eine kontrollierte Schutzatmosphäre, die die Bildung unerwünschter Oxide effektiv verhindert und somit die Integrität der Schweißnaht nachhaltig sichert.
Für das Schweißen hochlegierter Chrom-Nickel-Stähle entspricht Arcal M11 der Norm DIN EN ISO 14175 in der Schutzgasgruppe M11 und bietet eine leistungsfähige, wirtschaftliche Alternative zu herkömmlichen Schutzgasen. Hauptbestandteil des Gasgemischs ist Argon, ergänzt durch geringe Anteile Kohlendioxid und Wasserstoff. Wasserstoff wirkt ähnlich wie Helium, hat aber noch eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit und kann deshalb in viel geringeren Mengen eingesetzt werden.
Das enthaltene Kohlendioxid verbessert insbesondere bei Stumpfnähten die Spaltüberbrückbarkeit und die Tropfenablösung und reduziert die Neigung zu Spritzern. Der Wasserstoffzusatz steigert die Schweißleistung und optimiert das Fließverhalten des Schweißguts, wodurch sich die Nahtübergänge und die Flankenbenetzung deutlich verbessern.
Durch den Einsatz von M11 lässt sich die Produktivität deutlich erhöhen, da das Gas einen konzentrierten und stabilen Lichtbogen erzeugt, der zu einem verbesserten Einbrand sowie einer optimalen Nahtbenetzung führt. Dies ermöglicht schnellere Schweißgeschwindigkeiten bei gleichzeitig hoher Nahtqualität.
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