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21.12.2014 : 21:04 : +0100

Fachwissen

Schweißen von nichtrostenden Stählen

Was sind nichtrostende Stähle?

In nichtrostenden Stählen ist Chrom das wichtigste Legierungselement. Ab einem hohen Chromgehalt werden Stahlsorten korrosions- und hitzebeständig. Es kann sich an der Oberfläche eine sehr dünne Chromoxydschicht bilden, wodurch das darunterliegende Material nicht angegriffen wird. Nichtrostender Stahl muss, damit er rostfrei wird, mind. 12 bis 14 % Chrom enthalten, eine glatte Oberfläche ist dabei jedoch notwendig. Bei höherem Chromgehalt nimmt die Korrosionsbeständigkeit weiter zu. Der Chromgehalt variiert von 12 bis ca. 30 %. Um bessere mechanische Eigenschaften und eine noch bessere Korrosionsbeständigkeit zu bekommen, werden andere Legierungselemente zulegiert wie Nickel, Molybdän, Titan und Niob. Nickel bis ca. 20% und Molybdän bis ca. 5%. Die Zugfestigkeit und die Dehnung ist bei den nichtrostenden Stählen im kaltgewalzten Zustand höher als bei vergleichbaren unlegierten Stählen, die Streckgrenzen sind ungefähr gleich.

Einteilung der nichtrostenden Stähle

Ein ferritischer Chromstahl enthält mehr als 12 % Chrom und einen niedrigen Kohlenstoffgehalt (weniger als 0,15 %), ist magnetisch, nicht aufhärtend, aber anfällig für Kornwachstum. Im Zusammenhang mit der Gefahr des Kornwachstums sind diese Legierungen nicht einfach zu verschweißen.

Ein martensitischer Chromstahl enthält meistens minimal 12 bis 14 % Chrom und hat einen verhältnismäßig hohen Kohlenstoffgehalt (mehr als 0,10 %), ist magnetisch und gehärtet. Wegen der Härte sind die martensitischen Chromstähle schwieriger zu verschweißen. Für Ofenteile wird oft 1.4006, X10Cr13 angewendet. Dies ist ein 13 %iger Chromstahl. Ein bekannter Typ ferritischen Chromstahls ist der 1.4016 (X6Cr17), AISI 430 (enthält 17 % Cr), der in der Erdölindustrie bei hohen Betriebstemperaturen eingesetzt wird. Ein austenitischer Chrom-Nickel-Stahl enthält mehr als 17 % Chrom und 8 % Nickel und hat einen niedrigen Kohlenstoffgehalt. Er ist nicht magnetisch, nicht aufhärtend, unempfi ndlich für Kornwachstum und sehr gut zu schweißen. Die Wärmeausdehnung ist bei diesen Stählen um etwa 50 % höher als bei unlegierten Stählen, während die Wärmeleitfähigkeit nur etwa 1/3 beträgt. Die Gruppe der austenitischen Stähle hat die weitaus größte Bedeutung.
Ein ferritisch-austenitischer Chrom-Nickel-Stahl, auch bekannt als Duplex- und Superduplex enthält 22 bis 25 % Chrom und 5 bis 7 % Nickel sowie Molybdän, Wolfram, Kupfer und Stickstoff. Diese Stahlsorten haben eine hohe allgemeine Korrosionsbeständigkeit und besitzen hohen Widerstand gegen Spaltkorrosion. Der bekannteste Vertreter ist der 1.4462.
Die am meisten vorkommenden Stahlsorten sind der 1.4306 (X2CrNi19-11), AISI 304L, bekannt als 18/8-rostfreier Stahl und der 1.4571 (X6CrNiMoTi17-12-2), AISI 316L.

Behandlung nichtrostender Stähle

Nichtrostende Stähle werden üblicherweise in einwandfreiem Zustand mit einer gut geschlossenen Chromoxydschicht geliefert. Um diesen Zustand so beizubehalten darf die Oberfläche während des Transports, der Lagerung und der Bearbeitung nicht beschädigt oder verschmutzt werden. Schleifstaub, Abdrücke von Gummisohlen, Späne, Flüssigkeiten und andere Oberflächenkontaminierungen sind tunlichst zu vermeiden.
Werkzeuge und Vorrichtungen Hilfswerkzeuge wie Klammern, Schablonen, Spannvorrichtungen etc. müssen aus nichtrostendem Stahl hergestellt oder mit Kontaktflächen aus diesem Werkstoff versehen sein um das Eindrücken von Fremdmaterial zu verhindern.
Für das Entfernen von Schlackenresten und Schweißspritzern dürfen nur rostfreie Pickhämmer verwendet werden. Masseklemmen müssen fest sitzen – lose Anschlüsse sind absolut verboten, da dadurch an den Stromübergängen hohe Temperaturen, somit Spannungen entstehen und die Oberfläche beschädigt wird.
Bei der Vor- und Nachbearbeitung von nichtrostenden Stählen mittels Schleifen muss folgendes beachtet werden
• ausschließlich Schleifscheiben benutzen welche vom Hersteller für Edelstahl frei gegeben werden
• die verwendeten Schleifscheiben nur für Edelstahl einsetzen
• die Schleifbewegungen längs zur Schweißfuge ausführen (bei Schleifriefen in Querrichtung können beim nachfolgenden Schweißen Bindefehler entstehen)
• die Verschmutzung der umliegenden Blechoberfläche mit Schleifstaub vermeiden (Abdecken der Oberflächen)
• Schruppscheiben sind mit der Körnung 36-46, Fiberscheiben und Schleifmopteller mit Körnung 90, Schleifband mit Körnung 129 und Fiberscheiben zum Feinschleifen mit Körnung 160 bis 220 einzusetzen
• eine Erwärmung der Oberfläche von mehr als 300° darf nicht erfolgen

Tipps zum Heftschweißen

Heftschweißungen sollen nicht kleiner als die spezifi zierte Wurzelnaht sein und den gleichen Qualitätsstandards derselben entsprechen. Die Länge der Heftnaht soll nicht kleiner als das Vierfache der größeren Blechdicke sein und bei Blechdicken von mehr als 50 mm ist eine noch stärkere Ausführung in Betracht zu ziehen. Dies kann auch eine zweilagige Schweißung beinhalten. Beim Einsatz niederfester Schweißzusätze für höherfeste Grundwerkstoffe ist ebenfalls eine besondere Betrachtung notwendig.
Beim automatischen oder mechanisierten Schweißen ist die Aufnahme des Heftschweißens in der Schweißanweisung notwendig. Wenn eine Heftnaht in der fertigen Schweißnaht verbleibt ist diese entsprechend auszuführen und durch einen qualifizierten Schweißer vorzunehmen.

Die Heftschweißungen sind rissfrei auszuführen und vor der Überschweißung zu reinigen. Risse sind vor dem Überschweißen vollständig zu entfernen. Heftschweißungen welche nicht in der fertigen Naht verbleiben sind vollständig zu entfernen.
Alle zusätzlichen Hilfsvorrichtungen welche für den Zusammenbau des Bauteiles benötigt werden sind so auszuführen dass diese anschließend wieder leicht zu entfernen sind. Die Bauteiloberfläche muss nach dem Entfernen durch z. B. Meißeln oder Schneiden sauber überschliffen werden. Ein Nachweis der Rissfreiheit kann durch entsprechende zerstörungsfreie Prüfmethoden (Farbeindringprüfung) erfolgen.

Wurzelschutz

Ein perfektes Schweißgut ohne Beeinträchtigung der Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften kann nur erzielt werden, wenn ein Wurzelschutz angewendet wird, der zu sehr niedrigen Sauerstoffgehalten führt.
Optimale Ergebnisse können bei bis zu maximal 20 ppm Sauerstoff (O2) auf der Wurzelseite erzielt werden. Dies kann mit mit speziellen Vorrichtungen erreicht und mit einem modernen Sauerstoffmessgerät überwacht werden.
Reines Argon ist das am häufigsten verwendete Gas für den Wurzelschutz bei nichtrostenden Stählen.
Formiergas (90 % N2 + 10 % H2) ist eine ausgezeichnete Alternative für austenitische Standard-Stähle. Das Gas enthält eine aktive Komponente Wasserstoff (H2) durch die der Sauerstoffanteil im Schweißbereich reduziert wird. Stickstoff kann bei Duplex-Stählen eingesetzt werden um einen Stickstoffverlust im Schweißgut zu verhindern.

Verbindung von unterschiedlichen Stählen (Schwarz-Weiss-Verbindung)

Aufgrund der im Mikroschliff unterschiedlichen Färbung werden Verbindungsschweißungen zwischen unlegierten Stählen und nichtrostenden Werkstoffen als Schwarz-Weiss-Verbindung bezeichnet. Die größte Herausforderung ist die Vermeidung der Martensitbildung und die damit einhergehende Rissanfälligkeit. Dazu sind folgende Maßnahmen zu treffen:
• Schweißen ohne Zusatz darf generell nicht erfolgen
• Unlegierte Schweißzusätze führen zu einem vollmartensitischem Gefüge und somit unbrauchbar.
• Durch die Verwendung überlegierter Schweißzusätze wie dem 1.4370 oder noch besser dem 1.4332 kann ein nahezu martensitfreies Gefüge erreicht werden.
• Die Aufmischung mit dem Grundwerkstoff ist so gering wie möglich zu halten. Dies kann durch eine unterschiedliche Anfasung der Bleche (nahezu 90° bei dem unlegierten Material und 50-60° beim hochlegierten Werkstoff) und durch das Ausrichten des Lichtbogens zum hochlegierten Stahl erreicht werden.
• Beim Schleifen ist aufgrund der Gefahr von Aufhärtungsrissen sehr vorsichtig zu arbeiten.
• Mit einer Korrosionsbeständigkeit des nichtrostenden Stahles ist erst ab einem Abstand von ca. 30 mm zur Schweißnaht zu rechnen.

Schutz der Schweißnaht

Die Hauptaufgaben des Schutzgases bestehen darin, den Schweißbereich während des Schweißvorgangs vor atmosphärischen Einfl üssen, also vor Oxidation und Stickstoffnahme, zu schützen und den Lichtbogenzu stabilisieren. Die Auswahl des Schutzgases kann einen Einfluß auf die Eigenschaften des Lichtbogens haben.

MSG-Schweißen

Die Weiterentwicklung der Schweißmaschinen und die Auswahl des Schutzgases trägt zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit beim MSG-Schweißen bei. Dies hat zu einem größeren Einsatz des MSG-Prozesses geführt.Das Basisgas zum MSG-Schweißen ist ein Inertgas - Argon (Ar) oder Helium (He) oder eine Mischung von beiden. Weiterhin kann durch einen geringfügigen Zusatz von Sauerstoff (O2) oder Kohlendioxid (CO2) der Lichtbogen stabilisiert und das Fließverhalten und die Qualität des Schweißguts verbessert werden. Für nichtrostende Stähle sind außerdem Schutzgase mit geringen Mengen Wasserstoff (H2) erhältlich.

WIG- und Plasmaschweißen

Im Normalfall wird zum WIG-Schweißen als Schutzgas Argon, Helium oder eine Mischung aus Beiden eingesetzt. In einigen Fällen wird Stickstoff (N2) und/oder Wasserstoff (H2) hinzugefügt, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen.Schutzgase mit Wasserstoff können beispielsweise für viele herkömmliche Edelstähle zur Erhöhung der Produktivität eingesetzt werden. Wenn Stickstoff zugefügt wird, können dadurch die Eigenschaften des Schweißguts verbessert werden. Oxidierende Gasanteile werden nicht hinzugefügt, weil sie die Wolframelektrode zerstören.

Gas

Grundwerkstoff

MSG Schweißen Austenitisch Duplex Ferritisch Voll austenitisch Super Duplex Nickelbasis Legierungen
Ar ● a)
He ● a)
Ar + He ● a)
Ar + (1-3) % O2 ● b) ● b) ● b) ● c) ● b)  
Ar + (1-3) % CO2 d) ● e) ● e) ● e) ● c) ● e)  
Ar + 30 % He + (1-3) % O2 ● f) ● f) ● f) ● c) ● f)  
Ar + 30 % He + (1-3) % CO2  d) ● f) ● f) ● f) ● c) ● f)  
Ar + 30 % He + (1-3) % N2       ● g)  

Gas

Grundwerkstoff

WIG Schweißen Austenitisch Duplex Ferritisch Voll austenitisch Super Duplex Nickelbasis Legierungen
Ar  
He
Ar + He ● h)
Ar + (2-5) % H2 ● i)     ● i)   ● i)
Ar + (1-2) % N2        
Ar + 30 % He + (1-2) % N2        

● empfohlen ○ bedingt empfohlen

a) Ar vorzugsweise beim MSG-Impuls-Schweißen.
b) Besseres Fließverhalten des Schweißbades als mit Ar.
c) Nicht für 22.12.HT and 27.31.4LCu besser Ar.
d) Nicht zum Sprühlichtbogenschweißen, wenn ein besonders niedriger Kohlenstoffgehalt gefordert ist.
e) Besseres Fließverhalten des Schweißbades als mit Ar. Bessere Kurzlichtbogeneigenschaften als bei Ar + (1-3)% CO2.
f) Besseres Fließverhalten des Schweißbades als mit Ar. Bessere Kurzlichtbogeneigenschaften als bei Ar + (1-3)% CO2.
g) Für Qualitäten die mit Stickstoff legiert sind.
h) Ar + 30 % He bietet bessere Fließeigenschaften als Ar.
i) Vorzugsweise zum automatischen Schweißen. Hohe Schweißgeschwindigkeit. Risiko der Porosität bei Mehrlagenbetrieb.