Beim Schweißen von Edelstahl ist die Auswahl eines geeigneten Schutzgases erforderlich, um dessen metallurgische Zusammensetzung und die damit verbundenen physikalischen und mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Gängige Schutzgase für Edelstahl sind Argon, Helium, Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserstoff (siehe Abbildung 1). Diese Gase werden in unterschiedlichen Verhältnissen gemischt, um den Anforderungen verschiedener Zuführungsarten, Drahttypen, Grundlegierungen, gewünschter Schweißnahtprofile und Schweißgeschwindigkeiten gerecht zu werden.
Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Edelstahl und der relativ niedrigen Temperaturen beim Kurzschluss-Schutzgasschweißen (MSG) benötigt das Verfahren ein Dreiergemisch aus 85 % bis 90 % Helium (He), bis zu 10 % Argon (Ar) und 2 % bis 5 % Kohlendioxid (CO₂). Ein gängiges Dreiergemisch enthält 90 % He, 7,5 % Ar und 2,5 % CO₂. Das hohe Ionisationspotenzial 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 des Dreiergemisches dient der allgemeinen Abschirmung des Schweißbades, während CO₂ als reaktive Komponente den Lichtbogen stabilisiert (siehe Abbildung 2 zur Auswirkung verschiedener Schutzgase auf das Schweißnahtprofil).
Manche ternäre Gemische verwenden Sauerstoff als Stabilisator, andere ein He/CO₂/N₂-Gemisch, um denselben Effekt zu erzielen. Einige Gashändler bieten eigene Gasmischungen an, die die versprochenen Vorteile bieten. Händler empfehlen diese Mischungen auch für andere Getriebearten mit derselben Wirkung.
Der größte Fehler von Herstellern besteht darin, Edelstahl mittels GMAW mit demselben Gasgemisch (75 % Ar/25 % CO₂) wie Baustahl zu schweißen, meist aus Angst vor einer zusätzlichen Gasflasche. Dieses Gemisch enthält jedoch zu viel Kohlenstoff. Tatsächlich sollte jedes Schutzgas für Massivdraht maximal 5 % Kohlendioxid enthalten. Höhere Anteile führen zu einer Metallurgie, die nicht mehr der Güteklasse L entspricht (L-Güteklasse: Kohlenstoffgehalt unter 0,03 %). Überschüssiger Kohlenstoff im Schutzgas kann Chromcarbide bilden, welche die Korrosionsbeständigkeit und die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen. Außerdem kann sich Ruß auf der Schweißnahtoberfläche bilden.
Anmerkung: Bei der Auswahl von Schweißzusätzen für das GMAW-Schweißen von Basislegierungen der 300er-Serie (308, 309, 316, 347) sollten Hersteller die LSi-Sorte wählen. LSi-Zusatzwerkstoffe weisen einen niedrigen Kohlenstoffgehalt (0,02 %) auf und sind daher besonders empfehlenswert, wenn die Gefahr interkristalliner Korrosion besteht. Ein höherer Siliziumgehalt verbessert die Schweißnahteigenschaften, wie z. B. die Benetzung, trägt zur Glättung der Schweißnahtkrone bei und fördert die Verschmelzung am Übergang.
Hersteller sollten bei der Verwendung von Kurzschluss-Transferverfahren Vorsicht walten lassen. Durch Lichtbogenlöschung kann es zu unvollständiger Verschmelzung kommen, wodurch das Verfahren für kritische Anwendungen ungeeignet ist. Bei hohem Durchsatz ist das Impulsspritzverfahren die bessere Wahl, sofern das Material die Wärmeeinbringung verträgt (die minimale Materialstärke beim Pulsspritzschweißen beträgt ca. 1,6 mm). Wo Materialstärke und Schweißposition dies zulassen, ist das GMAW-Sprühverfahren vorzuziehen, da es eine gleichmäßigere Verschmelzung ermöglicht.
Diese Verfahren mit hoher Wärmeübertragung benötigen kein Helium-Schutzgas. Beim Sprühschweißen von Legierungen der 300er-Serie wird häufig ein Gasgemisch aus 98 % Argon und 2 % reaktiven Elementen wie Kohlendioxid oder Sauerstoff verwendet. Einige Gasmischungen können auch geringe Mengen Stickstoff enthalten. Stickstoff besitzt ein höheres Ionisationspotenzial und eine höhere Wärmeleitfähigkeit, was die Benetzung fördert und ein schnelleres Schweißen bzw. eine verbesserte Durchlässigkeit ermöglicht; außerdem reduziert er den Verzug.
Beim GMAW-Schweißen mit gepulstem Sprühtransfer kann 100%iges Argon eine akzeptable Wahl sein. Da der gepulste Strom den Lichtbogen stabilisiert, benötigt das Gas nicht immer aktive Elemente.
Bei ferritischen und Duplex-Edelstählen (50/50-Verhältnis Ferrit zu Austenit) fließt das Schmelzbad langsamer. Für diese Legierungen verbessert ein Gasgemisch wie z. B. 70 % Ar, 30 % He und 2 % CO₂ die 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 Schweißnahtoberfläche (z. B. reicht die Zugabe von 2 % CO₂ oder O₂ aus, um den Oxidanteil zu erhöhen; Hersteller sollten diese daher vermeiden oder einen hohen Zeitaufwand für die Nachbearbeitung einplanen). Da diese Oxide so hart sind, dass sie sich in der Regel nicht mit einer Drahtbürste entfernen lassen, ist ein abrasives Verfahren erforderlich.
Hersteller verwenden Fülldraht aus Edelstahl für das Schweißen außerhalb von Baustätten, da das Schlackensystem dieser Drähte eine Art „Ablage“ bildet, die das Schmelzbad beim Erstarren stützt. Da die Flussmittelzusammensetzung die Auswirkungen von CO₂ minimiert, ist Fülldraht aus Edelstahl für die Verwendung mit 75 % Ar/25 % CO₂- und/oder 100 % CO₂-Gasgemischen ausgelegt. Obwohl Fülldraht pro Kilogramm teurer sein kann, sind höhere Schweißgeschwindigkeiten und Abschmelzleistungen in allen Positionen zu berücksichtigen, die die Gesamtschweißkosten senken können. Darüber hinaus verwendet der Fülldraht eine konventionelle Gleichspannung, wodurch das Schweißsystem im Vergleich zu gepulsten GMAW-Systemen kostengünstiger und weniger komplex ist.
Bei Legierungen der Serien 300 und 400 ist 100%iges Argon nach wie vor die Standardwahl für das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG). Beim WIG-Schweißen einiger Nickellegierungen, insbesondere bei mechanisierten Verfahren, können geringe Mengen Wasserstoff (bis zu 5%) hinzugefügt werden, um die Schweißgeschwindigkeit zu erhöhen (im Gegensatz zu Kohlenstoffstählen neigen Nickellegierungen nicht zu Wasserstoffrissen).
Für das Schweißen von Superduplex- und Superduplex-Edelstählen eignen sich Gasgemische aus 98 % Ar/2 % N₂ bzw. 98 % Ar/3 % N₂. Durch die Zugabe von Helium lässt sich die Benetzbarkeit um etwa 30 % verbessern. Ziel beim Schweißen von Superduplex- und Superduplex-Edelstählen ist eine Schweißnaht mit einem ausgewogenen Gefüge aus ca. 50 % Ferrit und 50 % Austenit. Da die Gefügebildung von der Abkühlgeschwindigkeit abhängt und das WIG-Schmelzbad schnell abkühlt, bleibt bei Verwendung von 100 % Ar überschüssiger Ferrit zurück. Bei Verwendung eines N₂-haltigen Gasgemisches vermischt sich der Stickstoff mit dem Schmelzbad und fördert die Austenitbildung.
Edelstahl muss beidseitig der Schweißnaht geschützt werden, um eine Schweißnaht mit maximaler Korrosionsbeständigkeit zu erzielen. Wird die Rückseite nicht geschützt, kann es zu „Verzuckerung“ oder starker Oxidation kommen, die zum Versagen der Lötverbindung führen kann.
Dicht stehende Stumpfverbindungen mit durchgehend exzellenter Passung oder dichtem Abschluss an der Rückseite benötigen unter Umständen kein Schutzgas. Hierbei geht es hauptsächlich darum, eine übermäßige Verfärbung der Wärmeeinflusszone durch Oxidbildung zu verhindern, die anschließend mechanisch entfernt werden muss. Technisch gesehen ist ein Schutzgas erforderlich, wenn die Temperatur auf der Rückseite 500 °F (260 °C) übersteigt. Ein konservativerer Ansatz ist jedoch, 300 °F (150 °C) als Grenzwert anzusetzen. Idealerweise sollte die Sauerstoffkonzentration auf der Rückseite unter 30 ppm liegen. Eine Ausnahme besteht, wenn die Schweißnahtrückseite vorgeschliffen und anschließend geschweißt wird, um eine vollständige Durchschweißung zu erzielen.
Die beiden bevorzugten Trägergase sind Stickstoff (N₂, am günstigsten) und Argon (Ar, teurer). Bei kleinen Baugruppen oder wenn Argonquellen leicht verfügbar sind, kann die Verwendung von Argon praktischer sein, sodass sich die Einsparungen bei Stickstoff nicht lohnen. Zur Reduzierung der Oxidation können bis zu 5 % Wasserstoff beigemischt werden. Es gibt verschiedene kommerzielle Lösungen, aber selbstgebaute Träger und Reinigungsdämme sind weit verbreitet.
Die Zugabe von mindestens 10,5 % Chrom verleiht Edelstahl seine charakteristischen Eigenschaften. Um diese Eigenschaften zu erhalten, ist eine sorgfältige Auswahl des richtigen Schweißschutzgases und der Schutz der Schweißnahtrückseite unerlässlich. Edelstahl ist teuer, und das aus gutem Grund. Es ist daher nicht ratsam, bei der Wahl des Schutzgases oder des Schweißzusatzwerkstoffs zu sparen. Deshalb empfiehlt es sich, bei der Auswahl von Gas und Schweißzusatzwerkstoff für das Schweißen von Edelstahl stets mit einem erfahrenen Gashändler und Schweißzusatzwerkstoff-Spezialisten zusammenzuarbeiten.
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