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Schweißen hochlegierter Stähle

Einsatzgebiete und Entwicklungstrends

Neue Anforderungen an die Eigenschaften von Werkstoffen hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit, Attraktivität und schweißtechnischer Verarbeitbarkeit sind die Triebfeder für Weiterentwicklungen. Da solche neu entwickelten Werkstoffe meist auch schweißtechnisch weiterverarbeitet werden, ergeben sich für die Hersteller von Stromquellen und Zusatzwerkstoffen, aber natürlich auch für die Entwickler von Schweißschutzgasen regelmäßig neue Herausforderungen.

Nach der Devise "das Gesamtsystem ist nur so gut wie das schwächste Glied in der Kette" muss eine Schweißverbindung möglichst die Eigenschaften des unbeeinflussten Grundwerkstoffs aufweisen. Dies ist gerade im Chemieapparatebau besonders wichtig, aber oft nur unter erheblichen Anstrengungen möglich.


Einsatzgebiete hochlegierter Stähle

Hochlegierte Stähle und Nickelbasiswerkstoffe kommen aufgrund ihrer Korrosionsfestigkeit und ihrer guten Verarbeitungseigenschaften zunehmend in den verschiedensten Bereichen der industriellen und handwerklichen Fertigung zum Einsatz.


Einsatz hochlegierter Staehle

So werden Austenite wie 1.4301 oder auch 1.4541 in beträchtlichem Maße im Bauwesen verwendet. Die gestiegene Bedeutung in diesem Sektor verdeutlicht zudem die steigende Zahl schweißbarer Stähle in der Bauregelliste. Hier wurde in den letzten Jahren die Anzahl der zugelassenen hochlegierten Stähle von 4 auf 15 erhöht.

In der chemischen Industrie trifft man auf eine Vielzahl unterschiedlichster Korrosionsbedingungen:

  • Säuren (heiß / kalt)

  • Laugen (heiß / kalt)

  • Heiße, korrosive Gase

  • Kombinationen der oben genannten Bedingungen mit unterschiedlichen mechanischen Belastungen

In klassischen Anwendungsgebieten für hochlegierte Stähle wie dem Chemieapparatebau verwendet man neben den Standard-Austeniten mit einem Deltaferritgehalt von etwa 6 bis 8 % für erhöhte Korrosionsbelastungen zunehmend Werkstoff-Weiterentwicklungen wie Vollaustenite, Duplex- und Superduplexstähle. Damit lässt sich teilweise die Korrosionsbeständigkeit von Nickelbasiswerkstoffen erreichen, die aber ebenfalls eher noch zunehmend eingesetzt werden. Diese breite Werkstoffpalette ist dazu geeignet, die recht unterschiedlichen Anforderungen in den verschiedenen Einsatzgebieten weitgehend abzudecken.


Schutzgasauswahl

Neu- oder Weiterentwicklungen von Werkstoffen werden häufig schubweise durch die Anforderungen neuer Projekte vorangetrieben. So konnten umfangreiche Erfahrungen zum MAG-Schweißen der relativ heißrissempfindlichen Vollaustenite bei der Entwicklung eines deutschen Minensuchboots gesammelt werden. Der Fortschritt der Offshore-Technik hatte zuvor bereits die Entwicklung der Duplex-Stähle forciert. Die beiden Werkstoffgruppen sind vom Gefüge her völlig unterschiedlich mit Ferritanteilen von unter 1% bzw. etwa 50 %. Ein weiteres Beispiel sind aufgrund von gestiegenen Umweltschutzanforderungen weiterentwickelte abgasarme Müllverbrennungsanlagen. Sie führen zu einem erheblich gestiegenen Bedarf an Plattierungen mit Nickelbasiswerkstoffen, wobei eine kostengünstige und zugleich qualitativ hochwertige Fertigung notwendig ist.

Schutzgasauswahl

Konventionell kommt für das WIG-Schweißen der meisten hochlegierten Stähle reines Argon (Schweißargon) zum Einsatz. Eine moderne Fertigung strebt jedoch stets nach höherer Qualität und Wirtschaftlichkeit. Das WIG-Schweißen hat jedoch verfahrensbedingte Leistungsgrenzen, was dazu geführt hat, dass es bei größeren Blechdicken ausschließlich zum Schweißen der Wurzellage eingesetzt wird. Heute nutzt man zunehmend das leistungsfähigere MSG-(Metall-Schutz-Gas)Schweißen unter Verwendung von Argon-Mischgasen. Durch den Zusatz von CO2 und /oder O2 handelt es sich genau genommen um das MAG-(Metall-Aktiv-Gas)Schweißen. Kombiniert mit speziellen Impulsprogrammen ist so eine bislang nicht gekannte Verfahrenssicherheit bei gleichzeitig hoher Produktivität erreichbar. Entwickelt für die Auftragschweißung, bei der sich gezielt eine geringe Aufmischung (d. h. ein Vermischen des Beschichtungs- mit dem Grundwerkstoff) einstellen lässt, haben sich diese Gemische in gleicher Weise zum Verbindungsschweißen durchgesetzt. Erforderlich ist dabei allerdings eine bauteilbezogene, individuelle Programmierung der Impulsanlagen.

Bei Duplex-Stählen wird in der Regel ein weiterer Zusatz von 15 % Helium verwendet, was das Schweißverhalten und die Prozesssicherheit nochmals erheblich verbessert. Mit der Einbrandverstärkung durch die Helium-Komponente trägt man auch der höheren Wärmeleitfähigkeit der Duplex-Stähle Rechnung. Der Zusatz geringer Mengen Stickstoff (bis 2,5 %) bewirkt eine Stabilisierung des Austenit-Anteils im Gefüge der Schweißnaht.

Mit dem Vordringen der Niederaktivgase beim Schweißen unlegierter Stähle stellt sich die Frage, ob diese auch für die Verarbeitung austenitischer Stähle geeignet sind. Argon-Sauerstoff-Gemische sind metallurgisch grundsätzlich unproblematisch, selbst bei Sauerstoffgehalten von 12 %. Das übliche Niederaktivgas (mit 4 % O2) ist also auch gut für hochlegierte Stähle geeignet. Das Pendant mit CO2 (8 % CO2-Gehalt) führt dagegen zu einer deutlichen Aufkohlung, was die Korrosionsbeständigkeit stark herabsetzt.

Auch beim WIG-Schweißen dominiert nach wie vor das reine Argon. Wegen der höheren Schweißleistung werden für das mechanisierte Längsnahtschweißen dabei Wasserstoffzusätze in der Größenordnung von 5 % verwendet. Beim Handschweißen ist ein derart hoher Wasserstoffgehalt nicht oder nur bedingt einsetzbar. Durch die Senkung des Wasserstoff-Anteils konnten die positiven Eigenschaften des Wasserstoffs auch für Handschweißungen nutzbar gemacht werden.

Bei den Duplex-Stählen ist die Wasserstoffempfindlichkeit der Ferritkomponente entsprechend zu berücksichtigen, wobei hier allerdings eine gewisse Unklarheit für den Anwender herrscht. Gezielte Untersuchungen zeigen, dass zumindest bis zu Wasserstoffgehalten von 2 % keine Probleme zu erwarten sind. Solche Gasgemische sind auch für Anwendungen geeignet, bei denen eine Verfahrensprüfung erforderlich ist. Eine pauschale Ablehnung der Verwendung von Wasserstoff bei Duplex-Stählen, wie man sie verschiedentlich in der Literatur findet, ist also nicht gerechtfertigt.

Ein Zusatz von Stickstoff bis zu einem maximalen Gehalt von 5 % kann beim WIG-Schweißen von Duplex-Stählen zur Stabilisierung des Austenit-Anteils sinnvoll sein. Dies bewirkt eine Steigerung des CPT-Werts (mit dem Korrosionstest CPT wird die kritische Lochfraß-Temperatur bestimmt) um bis zu 5 °C. Dabei darf es aber nicht zu einer Stickstoff-Porenbildung kommen. Stickstoffgehalte von 1 oder 2 % im Schutzgas können hier in aller Regel noch als unkritisch angesehen werden.


Impulstechnik

Mit hochlegierten Elektroden und aktivgasarmen Schutzgasen lässt sich kein so stabiler Kurzlichtbogen ausbilden wie mit den für unlegierte Stähle üblichen Mischgasen der DIN EN ISO 14175 SG der Gruppe M2. Beim MAG-Schweißen hochlegierter Werkstoffe im unteren Blechdickenbereich ist daher der Einsatz der Impulstechnik zu empfehlen.

Impulstechnik

Im Chemieanlagenbau ist zum Erhalt der Korrosionsbeständigkeit besonders auf spritzerarme, gleichmäßige, glatte und oxidarme Nähte zu achten. Die Stromquellen bieten in aller Regel feste Puls-Programme, die beim Einsatz heliumhaltiger Gemische allerdings anzupassen sind. Die Impulstechnik ermöglicht die Nutzung aller gängigen Lichtbogenbereiche wie Kurz- und Sprühlichtbogen ohne störende Übergangsbereiche.

Wurzelschutz

Hochlegierte Werkstoffe sind in aller Regel von der Schweißwurzel her korrosiv am stärksten belastet. Daher ist hier besonders darauf zu achten, dass die Bildung von Anlauffarben und die damit verbundene Oxid-Bildung auf der Oberfläche verhindert werden (s. Abb.).


Wurzelschutz

Der so genannte Wurzelschutz ist somit unerlässlich. Dabei wird der Schweißbereich wurzelseitig mit einem inerten oder reduzierenden Schutzgas umspült. Dies kann selbst bei Kehlnähten zur Vermeidung von Anlauffarben auf der Gegenseite erforderlich sein. Ist die Wurzelseite wie z. B. bei Behältern unzugänglich, ist ein "Formieren" , d.h. das Füllen des gesamten Behälters mit Inertgas erforderlich.


Wurzelschutz


Wegen der bei Großverbrauchern üblichen Versorgung mit tiefkalt verflüssigtem Argon in großvolumigen Speichertanks wird dieses Gas häufig auch zum Wurzelschutz eingesetzt. Bei korrekter Zuführung des Formiergases lassen sich auch ohne Zusatz von Wasserstoff völlig blanke Nähte erzielen, wenn der Grundwerkstoff nicht titan- oder nickelstabilisiert ist. Ein Wasserstoffzusatz erhöht jedoch die Sicherheit gegen Luftsauerstoffreste und führt zu einer glatteren Wurzel. Zusätzlich verringert sich das Risiko einer Kerbenbildung. Bei Flaschenversorgung ist nach wie vor die Verwendung von speziellen Formiergasen üblich. Es werden sowohl Stickstoff-Wasserstoff- als auch Argon-Wasserstoff-Gemische eingesetzt. Die Stickstoff-Wasserstoff-Gemische haben häufig einen Wasserstoffanteil von 10 %. Eine Begrenzung des Anteils auf 5 % hat den Vorteil, dass keine Verpuffungsgefahr besteht.

Beim Einsatz von Argon-Wasserstoff-Gemischen ist aus Sicherheitsgründen zu empfehlen, dass ein Wasserstoffgehalt von maximal 2 % nicht überschritten wird. Auch bei Duplex-Stählen ist eine Wasserstoffkomponente im Wurzelschutzgas als grundsätzlich unbedenklich anzusehen: Tests mit 20 % Wasserstoff im Wurzelschutzgas führten selbst bei einem wesentlich empfindlicheren hochfesten Feinkornbaustahl mit einer Streckgrenze von 690 N/mm2 unter ungünstiger Spannungsbelastung zu keinerlei Rissbildung. Ein Eindringen von Wurzelschutzgas in den Lichtbogenbereich findet also nicht statt.

Bei Duplex-Werkstoffen und auch bei Vollausteniten kann sich eine Stickstoffkomponente im Wurzelschutzgas günstig auf das Gefüge und damit die Korrosionsbeständigkeit auswirken. Unabhängig von der Schutzgasauswahl ist bei komplexen Bauteilen auf angemessen lange Spülzeiten zu achten. Bei doppelwandigen Rohrsystemen kann ein Spülen über Nacht erforderlich sein.

Hier ist eine Restsauerstoffmessung hilfreich. Abhängig vom zulässigen Restsauerstoffgehalt im Formiergas ist oft eine unkomplizierte und schnelle Messung möglich. Bei hohen Ansprüchen kann jedoch ein stundenlanger Messvorgang unvermeidbar sein.


Inhalte von AIR LIQUIDE Deutschland GmbH

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