Edelstahl ist nicht unbedingt schwierig zu bearbeiten, das Schweißen erfordert jedoch besondere Sorgfalt. Er leitet Wärme nicht so gut ab wie Baustahl oder Aluminium und kann bei zu hoher Hitzeeinwirkung an Korrosionsbeständigkeit einbüßen. Bewährte Verfahren tragen dazu bei, seine Korrosionsbeständigkeit zu erhalten. Bild: Miller Electric
Die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl macht ihn zu einer attraktiven Wahl für viele kritische Rohrleitungsanwendungen, darunter Anwendungen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie mit hohen Reinheitsgraden, in der Pharmaindustrie, im Druckbehälterbau und in der Petrochemie. Allerdings leitet dieses Material Wärme nicht so gut ab wie Baustahl oder Aluminium, und unsachgemäßes Schweißen kann seine Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen. Zu hohe Wärmezufuhr und die Verwendung des falschen Schweißzusatzwerkstoffs sind zwei häufige Ursachen.
Die Anwendung bewährter Verfahren beim Edelstahlschweißen kann die Ergebnisse verbessern und sicherstellen, dass das Metall seine Korrosionsbeständigkeit behält. Darüber hinaus kann eine Optimierung des Schweißprozesses die Produktivität steigern, ohne die Qualität zu beeinträchtigen.
Bei der Edelstahlschweißung ist die Wahl des Schweißzusatzwerkstoffs entscheidend für die Kontrolle des Kohlenstoffgehalts. Die für das Schweißen von Edelstahlrohren verwendeten Schweißzusatzwerkstoffe sollten die Schweißleistung verbessern und die Anwendungsanforderungen erfüllen.
Verwenden Sie Schweißzusatzwerkstoffe mit der Kennzeichnung „L“, wie z. B. ER308L, da diese einen geringeren maximalen Kohlenstoffgehalt aufweisen und so die Korrosionsbeständigkeit von kohlenstoffarmen Edelstahllegierungen erhalten. Das Schweißen eines kohlenstoffarmen Grundwerkstoffs mit Standard-Schweißzusatzwerkstoffen erhöht den Kohlenstoffgehalt der Schweißverbindung und damit das Korrosionsrisiko. Vermeiden Sie Schweißzusatzwerkstoffe mit der Kennzeichnung „H“, da diese einen höheren Kohlenstoffgehalt aufweisen und für Anwendungen mit hohen Festigkeitsanforderungen bei erhöhten Temperaturen ausgelegt sind.
Beim Schweißen von Edelstahl ist es wichtig, einen Schweißzusatzwerkstoff mit geringen Spuren von Elementen (auch Verunreinigungen genannt) zu wählen. Dabei handelt es sich um Restelemente in den Rohstoffen, aus denen der Schweißzusatzwerkstoff hergestellt wird, darunter Antimon, Arsen, Phosphor und Schwefel. Diese können die Korrosionsbeständigkeit des Materials erheblich beeinträchtigen.
Da Edelstahl sehr empfindlich auf Wärmeeinwirkung reagiert, spielen die Nahtvorbereitung und die korrekte Montage eine entscheidende Rolle für die Wärmekontrolle und den Erhalt der Materialeigenschaften. Aufgrund von Spalten zwischen den Teilen oder ungleichmäßiger Passung muss der Brenner länger an einer Stelle verbleiben, und es wird mehr Schweißzusatzwerkstoff benötigt, um diese Spalten zu füllen. Dies kann zu einem Wärmestau im betroffenen Bereich und damit zu einer Überhitzung des Bauteils führen. Eine schlechte Passung erschwert zudem das Überbrücken der Spalte und das Erreichen des erforderlichen Schweißeinbrands. Achten Sie daher darauf, dass die Teile so passgenau wie möglich in den Edelstahl eingesetzt werden.
Die Sauberkeit des Materials ist ebenfalls von großer Bedeutung. Bereits geringste Verunreinigungen in Schweißverbindungen können zu Defekten führen, die die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Endprodukts beeinträchtigen. Verwenden Sie zur Reinigung des Untergrunds vor dem Schweißen eine spezielle Edelstahlbürste, die zuvor nicht für Kohlenstoffstahl oder Aluminium verwendet wurde.
Bei Edelstahl ist die Sensibilisierung die Hauptursache für den Verlust der Korrosionsbeständigkeit. Dies kann auftreten, wenn die Schweißtemperatur und die Abkühlgeschwindigkeit zu stark schwanken und dadurch das Mikrogefüge des Materials verändert wird.
Diese Außenschweißung an einem Edelstahlrohr, die mit GMAW und geregelter Metallablagerung (RMD) ohne Rückspülung der Wurzellage geschweißt wurde, ist in Aussehen und Qualität vergleichbar mit Schweißnähten, die mit rückgespültem GTAW hergestellt wurden.
Ein wesentlicher Bestandteil der Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl ist Chromoxid. Ist der Kohlenstoffgehalt in der Schweißnaht jedoch zu hoch, bildet sich Chromcarbid. Dieses bindet das Chrom und verhindert die Bildung des gewünschten Chromoxids, welches dem Edelstahl seine Korrosionsbeständigkeit verleiht. Fehlt es an Chromoxid, weist das Material nicht die gewünschten Eigenschaften auf und korrodiert.
Die Vermeidung von Sensibilisierung hängt von der Wahl des Schweißzusatzwerkstoffs und der Kontrolle der Wärmeeinbringung ab. Wie bereits erwähnt, ist es wichtig, für das Schweißen von Edelstahl einen kohlenstoffarmen Schweißzusatzwerkstoff zu verwenden. In manchen Fällen ist Kohlenstoff jedoch erforderlich, um die Festigkeit für bestimmte Anwendungen zu gewährleisten. Eine präzise Wärmekontrolle ist besonders wichtig, wenn kohlenstoffarme Schweißzusatzwerkstoffe nicht zur Verfügung stehen.
Minimieren Sie die Zeit, in der die Schweißnaht und die Wärmeeinflusszone erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind – typischerweise 500 bis 800 Grad Celsius (950 bis 1500 Grad Fahrenheit). Je kürzer die Lötzeit in diesem Bereich ist, desto weniger Wärme entsteht. Überprüfen und überwachen Sie stets die Zwischenlagentemperatur während des gesamten Lötprozesses.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von Schweißzusatzwerkstoffen, die Legierungsbestandteile wie Titan und Niob enthalten, um die Bildung von Chromcarbid zu verhindern. Da diese Bestandteile jedoch auch die Festigkeit und Zähigkeit beeinflussen, sind diese Schweißzusatzwerkstoffe nicht für alle Anwendungen geeignet.
Das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) für die Wurzellage ist das traditionelle Verfahren zum Schweißen von Edelstahlrohren. Dabei ist üblicherweise eine Argon-Rückspülung erforderlich, um Oxidation auf der Schweißnahtrückseite zu verhindern. Allerdings werden Drahtschweißverfahren für Edelstahlrohre immer häufiger eingesetzt. Bei diesen Anwendungen ist es wichtig zu verstehen, wie die verschiedenen Schutzgase die Korrosionsbeständigkeit des Materials beeinflussen.
Beim Metall-Schutzgasschweißen (MSG) von Edelstahl werden üblicherweise Argon und Kohlendioxid, ein Argon-Sauerstoff-Gemisch oder ein Dreigasgemisch (Helium, Argon und Kohlendioxid) verwendet. Diese Gemische enthalten typischerweise hauptsächlich Argon oder Helium und weniger als 5 % Kohlendioxid, da Kohlendioxid Kohlenstoff in das Schmelzbad einbringt und das Risiko einer Sensibilisierung erhöht. Reines Argon wird für das MSG-Schweißen von Edelstahl nicht empfohlen.
Fülldraht für Edelstahl ist für die Verwendung mit einem herkömmlichen Gemisch aus 75 % Argon und 25 % Kohlendioxid ausgelegt. Das Flussmittel enthält Inhaltsstoffe, die verhindern sollen, dass Kohlenstoff aus dem Schutzgas die Schweißnaht verunreinigt.
Mit der Weiterentwicklung der GMAW-Verfahren wurde das Schweißen von Edelstahlrohren vereinfacht. Obwohl für einige Anwendungen weiterhin GTAW-Verfahren erforderlich sein können, bieten moderne Drahtschweißverfahren in vielen Edelstahlanwendungen eine vergleichbare Qualität und höhere Produktivität.
Edelstahl-Innenschweißnähte, die mit GMAW RMD hergestellt wurden, sind in Qualität und Aussehen mit entsprechenden Außenschweißnähten vergleichbar.
Die Wurzellage, die mit einem modifizierten Kurzschluss-GMAW-Verfahren wie Millers Regulated Metal Deposition (RMD) hergestellt wird, macht das Rückspülen bei einigen Anwendungen mit austenitischem Edelstahl überflüssig. Auf die RMD-Wurzellage können Füll- und Decklagen mittels gepulstem GMAW- oder Fülldraht-Lichtbogenschweißen folgen – eine Änderung, die im Vergleich zum WIG-Schweißen mit Rückspülung Zeit und Geld spart, insbesondere bei größeren Rohren.
RMD nutzt präzise gesteuerten Kurzschluss-Metallübergang, um einen ruhigen, stabilen Lichtbogen und ein gleichmäßiges Schmelzbad zu erzeugen. Dadurch wird das Risiko von Kaltverbindungen oder mangelnder Verschmelzung verringert, weniger Spritzer entstehen und die Qualität der Wurzellage wird verbessert. Der präzise gesteuerte Metallübergang sorgt außerdem für eine gleichmäßige Tropfenablagerung und eine einfachere Kontrolle des Schmelzbades und somit der Wärmeeinbringung und Schweißgeschwindigkeit.
Unkonventionelle Verfahren können die Schweißproduktivität steigern. Mit einem RMD (Remote Manufacturing Device) lassen sich Schweißgeschwindigkeiten von 15 bis 30 cm/min erreichen. Da das Verfahren die Produktivität ohne zusätzliche Erwärmung der Werkstücke erhöht, trägt es zum Erhalt der Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl bei. Der reduzierte Wärmeeintrag des Verfahrens hilft zudem, Verformungen des Substrats zu minimieren.
Dieses gepulste GMAW-Verfahren ermöglicht kürzere Lichtbogenlängen, schmalere Lichtbogenkegel und einen geringeren Wärmeeintrag als herkömmliche Sprühimpulsschweißverfahren. Da es sich um einen geschlossenen Regelkreis handelt, werden Lichtbogendrift und Abweichungen des Düsen-Werkstück-Abstands praktisch eliminiert. Dies erleichtert die Schmelzbadkontrolle beim Schweißen sowohl im eingebauten Zustand als auch außerhalb des eingebauten Zustands. Die Kombination von gepulstem GMAW für die Füll- und Decknaht mit RMD für die Wurzelnaht ermöglicht schließlich die Durchführung des Schweißvorgangs mit nur einem Draht und einem Schutzgas, wodurch Prozesswechselzeiten entfallen.
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