Beim Schweißen von Edelstahl muss das richtige Schutzgas ausgewählt werden, um die metallurgische Zusammensetzung und die damit verbundenen physikalischen und mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Zu den üblichen Schutzgaselementen für Edelstahl zählen Argon, Helium, Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserstoff (siehe Abbildung 1). Diese Gase werden in unterschiedlichen Verhältnissen kombiniert, um den Anforderungen der verschiedenen Zufuhrarten, Drahtarten, Basislegierungen, gewünschten Schweißraupenprofile und Schweißgeschwindigkeiten gerecht zu werden.
Aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Edelstahl und der relativ „kalten“ Natur des Kurzschluss-Metall-Schutzgasschweißens (GMAW) erfordert das Verfahren ein „Trimix“-Gas, das aus 85 % bis 90 % Helium (He), bis zu 10 % Argon (Ar) und 2 % bis 5 % Kohlendioxid (CO2) besteht. Eine übliche Triblend-Mischung enthält 90 % He, 7,5 % Ar und 2,5 % CO2. Das hohe Ionisierungspotenzial von Helium fördert die Lichtbogenbildung nach einem Kurzschluss. In Verbindung mit seiner hohen Wärmeleitfähigkeit erhöht die Verwendung von He die Fließfähigkeit des Schmelzbades. Die Ar-Komponente von Trimix bietet eine allgemeine Abschirmung des Schweißbads, während CO2 als reaktive Komponente zur Stabilisierung des Lichtbogens dient (siehe Abbildung 2, um zu sehen, wie sich verschiedene Schutzgase auf das Schweißraupenprofil auswirken).
Einige ternäre Gemische verwenden möglicherweise Sauerstoff als Stabilisator, während andere ein He/CO2/N2-Gemisch verwenden, um den gleichen Effekt zu erzielen. Einige Gashändler verfügen über proprietäre Gasmischungen, die die versprochenen Vorteile bieten. Händler empfehlen diese Mischungen auch für andere Übertragungsmodi mit der gleichen Wirkung.
Der größte Fehler der Hersteller besteht darin, dass sie versuchen, rostfreien GMAW-Stahl mit dem gleichen Gasgemisch (75 Ar/25 CO2) wie Baustahl kurzzuschließen, normalerweise, weil sie keine zusätzliche Flasche benötigen. Dieses Gemisch enthält zu viel Kohlenstoff. Tatsächlich sollte jedes für Massivdraht verwendete Schutzgas maximal 5 % Kohlendioxid enthalten. Die Verwendung größerer Mengen führt zu einer Metallurgie, die nicht mehr als L-Klasse-Legierung gilt (L-Klasse hat einen Kohlenstoffgehalt von unter 0,03 %). Zu viel Kohlenstoff im Schutzgas kann Chromkarbide bilden, die die Korrosionsbeständigkeit und die mechanischen Eigenschaften verringern. Außerdem kann sich Ruß auf der Schweißoberfläche bilden.
Als Randbemerkung: Bei der Auswahl von Metallen zum Kurzschließen von MSG-Schweißen für die Basislegierungen der 300er-Serie (308, 309, 316, 347) sollten Hersteller die Güte LSi wählen. LSi-Füllstoffe haben einen niedrigen Kohlenstoffgehalt (0,02 %) und werden daher besonders empfohlen, wenn die Gefahr einer interkristallinen Korrosion besteht. Ein höherer Siliziumgehalt verbessert die Schweißeigenschaften, beispielsweise die Benetzung, trägt zum Abflachen der Schweißnahtkrone bei und fördert die Verschmelzung an der Nahtspitze.
Hersteller sollten bei der Verwendung von Kurzschlussübertragungsverfahren vorsichtig sein. Durch das Erlöschen des Lichtbogens kann es zu einer unvollständigen Verschmelzung kommen, wodurch das Verfahren für kritische Anwendungen ungeeignet wird. Bei hohen Stückzahlen ist eine Impulssprühübertragung die bessere Wahl, wenn das Material die Wärmezufuhr verträgt (≥ 1/16 Zoll ist ungefähr das dünnste Material, das im Impulssprühmodus geschweißt werden kann). Wenn Materialdicke und Schweißposition es zulassen, ist das Sprühübertragungs-GMAW vorzuziehen, da es eine gleichmäßigere Verschmelzung bietet.
Diese Modi mit hoher Wärmeübertragung erfordern kein He-Schutzgas. Beim Sprühtransferschweißen von Legierungen der 300er-Serie werden üblicherweise 98 % Argon und 2 % reaktive Elemente wie CO2 oder O2 verwendet. Einige Gasgemische können auch geringe Mengen N2 enthalten. N2 hat ein höheres Ionisierungspotenzial und eine höhere Wärmeleitfähigkeit, was die Benetzung fördert und eine schnellere Bewegung oder verbesserte Durchlässigkeit ermöglicht; außerdem verringert es die Verzerrung.
Für gepulstes Sprühtransfer-GMAW kann 100 % Argon eine akzeptable Wahl sein. Da der gepulste Strom den Lichtbogen stabilisiert, benötigt das Gas nicht immer aktive Elemente.
Bei ferritischen und Duplex-Edelstählen (Verhältnis Ferrit zu Austenit 50/50) ist das Schmelzbad langsamer. Bei diesen Legierungen fördert ein Gasgemisch wie etwa ~70 % Ar/~30 % He/2 % CO2 eine bessere Benetzung und erhöht die Schweißgeschwindigkeit (siehe Abbildung 3). Ähnliche Gemische können zum Schweißen von Nickellegierungen verwendet werden, führen jedoch zur Bildung von Nickeloxiden auf der Schweißoberfläche (z. B. reicht die Zugabe von 2 % CO2 oder O2 aus, um den Oxidgehalt zu erhöhen. Hersteller sollten sie daher vermeiden oder darauf vorbereitet sein, viel Zeit darauf zu verwenden). Abrasiv, da diese Oxide so hart sind, dass sie sich mit einer Drahtbürste normalerweise nicht entfernen lassen.
Hersteller verwenden flussmittelgefüllte Edelstahldrähte für das Schweißen außerhalb der Schweißstelle, da das Schlackensystem in diesen Drähten eine „Ablage“ bietet, die das Schweißbad beim Erstarren stützt. Da die Flussmittelzusammensetzung die Auswirkungen von CO2 mildert, ist flussmittelgefüllter Edelstahldraht für die Verwendung mit Gasgemischen aus 75 % Argon/25 % CO2 und/oder 100 % CO2 vorgesehen. Obwohl flussmittelgefüllter Draht pro Pfund mehr kosten kann, ist zu beachten, dass höhere Schweißgeschwindigkeiten und Abschmelzleistungen in allen Positionen die Gesamtschweißkosten senken können. Darüber hinaus verwendet der flussmittelgefüllte Draht eine herkömmliche Gleichstromausgabe mit konstanter Spannung, wodurch das grundlegende Schweißsystem weniger kostspielig und weniger komplex ist als gepulste GMAW-Systeme.
Für Legierungen der Serien 300 und 400 bleibt 100 % Argon die Standardwahl für das Wolfram-Inertgasschweißen (WIG). Beim WIG-Schweißen einiger Nickellegierungen können, insbesondere bei mechanisierten Verfahren, kleine Mengen Wasserstoff (bis zu 5 %) hinzugefügt werden, um die Schweißgeschwindigkeit zu erhöhen (beachten Sie, dass Nickellegierungen im Gegensatz zu Kohlenstoffstählen nicht zur Wasserstoffrissbildung neigen).
Zum Schweißen von Superduplex- und Superduplex-Edelstahl sind 98 % Ar/2 % N2 bzw. 98 % Ar/3 % N2 eine gute Wahl. Durch Zugabe von Helium kann die Benetzbarkeit um etwa 30 % verbessert werden. Beim Schweißen von Superduplex- und Superduplex-Edelstahl besteht das Ziel darin, eine Verbindung mit einer ausgewogenen Mikrostruktur aus etwa 50 % Ferrit und 50 % Austenit herzustellen. Da die Bildung der Mikrostruktur von der Abkühlgeschwindigkeit abhängt und das WIG-Schweißbad schnell abkühlt, bleibt bei Verwendung von 100 % Ar überschüssiges Ferrit zurück. Bei Verwendung eines N2-haltigen Gasgemisches gelangt das N2 in das Schmelzbad und fördert die Austenitbildung.
Edelstahl muss beide Seiten der Verbindung schützen, um eine fertige Schweißnaht mit maximaler Korrosionsbeständigkeit zu erzeugen. Wird die Rückseite nicht geschützt, kann es zu „Verzuckerung“ oder starker Oxidation kommen, die zu Lötfehlern führen kann.
Enge Stoßverbindungen mit durchgängig hervorragender Passung oder dichter Eindämmung auf der Rückseite der Verbindung erfordern möglicherweise kein Stützgas. Hier besteht das Hauptproblem darin, eine übermäßige Verfärbung der Wärmeeinflusszone durch Oxidbildung zu verhindern, die dann mechanisch entfernt werden muss. Technisch gesehen ist ein Schutzgas erforderlich, wenn die Temperatur auf der Rückseite 500 Grad Fahrenheit übersteigt. Ein konservativerer Ansatz besteht jedoch darin, 300 Grad Fahrenheit als Schwellenwert zu verwenden. Idealerweise sollte die Unterlage unter 30 PPM O2 liegen. Die Ausnahme besteht darin, wenn die Rückseite der Schweißnaht ausgehobelt, geschliffen und geschweißt wird, um eine vollständige Durchdringung zu erzielen.
Die beiden Trägergase der Wahl sind N2 (am günstigsten) und Ar (teurer). Bei kleinen Baugruppen oder wenn Argonquellen leicht verfügbar sind, ist die Verwendung dieses Gases möglicherweise praktischer und die N2-Einsparungen nicht wert. Zur Verringerung der Oxidation können bis zu 5 % Wasserstoff hinzugefügt werden. Es stehen verschiedene kommerzielle Optionen zur Verfügung, doch häufig werden selbstgebaute Träger und Reinigungsdämme verwendet.
Die Zugabe von 10,5 % oder mehr Chrom verleiht Edelstahl seine rostfreien Eigenschaften. Um diese Eigenschaften beizubehalten, ist eine gute Technik bei der Auswahl des richtigen Schweißschutzgases und beim Schutz der Rückseite der Verbindung erforderlich. Edelstahl ist teuer und es gibt gute Gründe für seine Verwendung. Es hat keinen Sinn, beim Schutzgas oder bei der Auswahl des Schweißzusatzwerkstoffs Abstriche zu machen. Daher ist es immer sinnvoll, bei der Auswahl eines Gases und Schweißzusatzwerkstoffs zum Schweißen von Edelstahl mit einem erfahrenen Gashändler und Schweißzusatzwerkstoffspezialisten zusammenzuarbeiten.
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