Systematik der Schweißgase

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1 gas aktuell 64 Systematik der Schweißgase Wohin geht die Entwicklung? Abb. 1: Fehlerfreie, glatte Nähte machen zeit- und kostenaufwendige Nacharbeit überflüssig Schweißen heißt für die Fertigung in Handwerk, Gewerbe und Industrie immer auch Rationalisierung. Es zählen Sicherheit, Präzision und Effizienz. Fehlerfreie, glatte Nähte sollen zeit- und kostenintensive Nacharbeit einsparen. Dabei stellen die verschiedenen Werkstoffe unterschiedliche Anforderungen an den Schweißprozess und damit an die Schutzgas-Atmosphäre (Abb. 1). Messer Griesheim entwickelt hierzu maßgeschneiderte Mischgase wie z.b. Vierstoffgemische oder Gasgemische mit Mikrodotierungen. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die für den jeweiligen Werkstoff geeigneten Gase bzw. Gasgemische. Die lange Tradition des Schweißens macht leicht vergessen, dass das technische Zeitalter zunächst ohne diese Verbindungstechnik auskommen musste, denn Schweißen war von Beginn an ein High-Tech-Verfahren, das die Umsetzung eines gebündelten und umfassenden Know-hows erforderte. Erst zum Ende des 19. Jahrhunderts gelang der Durchbruch. Ganz überwiegend arbeitet man seitdem mit so genannten Schmelzschweißverfahren, die immer einen Schutz der Schmelze vor der umgebenden Atmosphäre erfordern. Das war auch die Geburtsstunde der Schweißgase. Oder eher umgekehrt: Die weite und zügige Verbreitung des Autogenschweißens wurde erst durch die großtechnische Verfügbarkeit von Acetylen (durch die Entwicklung der Beleuchtungstechnik) und Sauerstoff (zur Stahlerzeugung) möglich. Dieser Wirtschaftlichkeitsaspekt gilt auch heute noch: Schweißgase müssen großtechnisch und damit kostengünstig verfügbar sein. Der Aufschwung der Automobilindustrie in den zwanziger und dreißiger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts machte zuerst mit der Erdöl- und dann auch mit der Erdgasförderung Helium in großen Mengen verfügbar. Ausgehend vom Arcatom - 15

2 gas aktuell Schweißtechnik Edelgase Molekulare Gase Chemische Verbindungen Argon Helium Sauerstoff Stickstoff Wasserstoff Kohlendioxid Tab. 1: Gase, die beim Schweißen zum Einsatz kommen Schweißen unter Wasserstoff kam es zum Helium-Einsatz nach dem Heliarc -Verfahren. Anschließend erkannte man die Eignung von Argon, verfügbar aus der Luftzerlegung, für das Schutzgasschweißen. Das führte zum Argonarc -Verfahren. Heute heißt das Schweißen unter Edelgas mit einer Wolframelektrode, unabhängig von der Art des Schutzgases, TIG oder WIG. In den 50er Jahren kam noch das Schweißen mit abschmelzender Elektrode hinzu - mit inerten Schutzgasen als MIG- Prozess für Aluminium-Werkstoffe, mit Aktivgasen als MAG-Verfahren für Stähle. Die heute dominierende Anwendung des MIG/MAG-Schweißens beruht auf seiner hohen Leistungsfähigkeit in Verbindung mit der verfügbaren hochentwickelten Gerätetechnik. Welche Gase sind einsetzbar? Die Anzahl der zum Schweißen infrage kommenden Gase erscheint zunächst begrenzt (Tab. 1). Neben den schon erwähnten Edelgasen Argon und Helium sind es die molekularen Gase Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff, die ihren festen Platz beim Schweißen und ebenso beim Schneiden haben. Als chemische Verbindung gibt es neben den Kohlenwasserstoff-Brenngasen für die Autogentechnik wie Acetylen, Ethen (Grieson ), Propen (MAPP ) und Propan/Butan sowie Methan/Erdgas nur ein einziges Schweißgas im engeren Sinne: CO 2, die Schweißkohlensäure. Gasgemische die virtuellen Moleküle Gezielte Effekte beim Schutzgasschweißen lassen sich durch Mischungen erreichen, in der Lichtbogenhitze der Schutzgasschweißprozesse hat nämlich keine chemische Verbindung Bestand. Gemische wirken also wie virtuelle Moleküle. So verhält sich Sauerstoff als reines Element in gewissen Grenzen ganz ähnlich wie Sauerstoff aus CO 2. Ein Schweißgasmolekül CAr 4 O 2 lässt sich zum Beispiel als Cocktail mühelos realisieren, ohne dass dafür ein Chemie-Nobelpreis in Sicht wäre. Dieses Gemisch entspricht recht genau dem Standardschutzgas Krysal 18 von Messer zum MAG-Schweißen unlegierter Stähle, zusammengesetzt aus 82 % Argon und 18 % CO 2. Für das Schweißen von Stahlwerkstoffen haben sich solche sauerstoffhaltigen Argon-Gemische seit langem unter dem Sammelbegriff Mischgas etabliert. Beim Edelstahlschweißen können diese Gemische als weitere Zusätze Helium, Stickstoff oder Wasserstoff enthalten. Die bei zulassungspflichtigen Anwendungen geltende Schweißgase-Norm DIN EN 439 ist dabei, anders als die Vorläufer- Norm DIN , so gestaltet, dass neue Gemische grundsätzlich immer nach EN- Nummern klassifizierbar sind. Zugleich konnte im Interesse der Anwender durchgesetzt werden, dass die entsprechenden Zulassungen, zum Beispiel im Brückenoder Behälterbau, wesentlich flexibler als bisher geregelt sind. Gesteigerte Produktivität erfordert neue Schutzgasgemische Die weitere Entwicklung der Schweißschutzgase bei Messer verfolgt konsequent das Ziel, einen Beitrag zur Produktivitätserhöhung zu leisten. Dass es hierbei nicht um eine nachrangige Frage geht, ergibt sich aus einer aktuellen Studie, die der deutsche Schweißverband (DVS) beim Essener RWI-Institut (Rheinisch-Westfälisches Institut für Wirtschaftsförderung) in Auftrag gegeben hat. Danach betrug die Wertschöpfung durch Schweißtechnik 1999 mit fast 17 Mrd. Euro nahezu 1 % des gesamten Bruttoinlandsprodukts (BIP) und annähernd 4 % der Wertschöpfung des verarbeitenden Gewerbes. Nur ein vergleichsweise geringer Anteil von 1,5 Mrd. Euro kommt dabei aus der direkten Her- Abb. 2: Diese Fähre für Indonesien wurde mit Monomix und Monomix He 50 geschweißt 16

3 gas aktuell 64 Mischgas Argon He 30 Argon He 50 Argon He 70 Heliumanteil 30 % 50 % 70 % Mischgas Monomix He 15 Monomix He 30 Monomix He 50 Heliumanteil 15 % 30 % 50 % Tab. 2: Durch die Mikrodotierung mit Stickstoff kann der Helium-Anteil im Schweißschutzgas sinken; zugleich werden negative Einflüsse der Helium-Komponente (breite Naht, Spritzerbildung) kompensiert stellung von Maschinen, Zusatzwerkstoffen und Schweißgasen. 12,5 Mrd. Euro entfallen dagegen unmittelbar auf die schweißtechnische Produktion von Gebrauchs- und Investitionsgütern. Der Einsatz prozessoptimierter Schutzgasgemische ist daher ein wichtiger Schlüssel zur weiteren Erhöhung der Produktivität. Der allgemeine Wettbewerbsdruck erfordert ein ständiges Ausschöpfen aller Reserven bezüglich Schweißleistung und Qualität. Dabei geht es im ersten Schritt um die Reduzierung von kostenintensiver Nacharbeit, die aus ganz unterschiedlichen Gründen anfallen kann. Hierbei gehören das Abschleifen von Schweißnähten an der Oberseite, das Entfernen von Schweißspritzern und das Beheben von Schweißverzug zu den Maßnahmen, die zwar recht kostenintensiv sein können, aber keine grundsätzlichen Qualitätsprobleme betreffen. Wesentlich gravierender sind Fehler innerhalb der Schweißnaht wie Risse, Poren oder mangelnde Anbindung an den Grundwerkstoff, die sicher vermieden werden müssen. In allen Fällen können Schweißgase wirksam dazu beitragen, die Prozesse sicherer zu machen und damit neben der Qualität auch die Wirtschaftlichkeit entscheidend zu verbessern. Mikrodotierung mit Stickstoff kleine Ursache, große Wirkung Qualitätsfragen sind besonders beim Schweißen von Aluminium zu beachten. Aufgrund seiner spezifischen Vorteile kommt dieser Werkstoff in steigendem Maße bei Schweißkonstruktionen zum Einsatz. Obwohl Aluminium ungleich schwieriger zu schweißen ist als Stahl, sollen die Schweiß-Kosten dennoch die von unlegiertem Stahl möglichst nicht überschreiten. Der Aufwand für die Nacharbeit muss Abb. 3: Mit Monomix He 50 geschweißter Waggon der Dänischen Eisenbahngesellschaft daher unbedingt in Grenzen gehalten werden. Besonders kritisch ist hier die Reaktivität des Aluminiums beim Schweißprozess. Wasserstoff kann bereits in Spuren, wie sie z.b. über den Schweißdraht und das Werkstück eingeschleppt werden, eine erhebliche Porosität in der Schweißnaht verursachen. Diese Herausforderungen führten zur Entwicklung des Mischgases Monomix : Eine präzise Mikrodotierung von weniger als 0,1 % Stickstoff brachte in verschiedener Hinsicht entscheidende Verbesserungen: Die im Lichtbogen aufgespaltenen Stickstoffmoleküle bewirken nicht nur eine Lichtbogenbündelung und Prozess-Stabilisierung, sie beeinflussen außerdem die Konvektion im Schweißbad günstig. Eine solche Wirkung ist grundsätzlich vom Edelstahlschweißen bekannt und wird dort als Marangoni -Effekt bezeichnet. Im Ergebnis wird die Naht schlanker und tiefer ein durchgängig vorteilhafter Effekt. Die von Messer unter dem Namen Monomix angebotenen Argon-Stickstoffgemische, denen auch noch Helium zugesetzt werden kann, sind inzwischen am Markt etabliert. Schiffe, Eisenbahnwaggons und vieles andere mehr werden bereits mit Monomix geschweißt (Abb. 2, 3). Auch in Klein- und Mittelbetrieben hat das Produkt viele Anwendungsmöglichkeiten. Die recht geringe Zumischung von nur 150 vpm Stickstoff hat einige skeptische Fragen bezüglich ihrer Wirksamkeit aufgeworfen. Die beste Antwort darauf ist natürlich die praktische Demonstration der erzielten qualitativen und wirtschaftlichen Verbesserungen. Neue Resultate aus vertiefenden anwendungsnahen Untersuchungen zweier Hochschul-Institute liefern eine zusätzliche uneingeschränkte Bestätigung dieser Ergebnisse. So wurden mit anderen Mikro-Zusätzen wie Sauerstoff oder CO 2 keine mit Stickstoff vergleichbaren Resultate erzielt. Der Stickstoff-Effekt ist darüber hinaus so stark, dass ein Helium-Zusatz bei verbessertem 17

4 gas aktuell Schweißtechnik Abb. 4: Mit Argofit lassen sich ein schmalerer, tieferer Einbrand sowie blankere und glattere Nähte ohne Nacharbeit erzielen Abb. 5: Argomag Ni hat sich bei der Piller Industrieventilatoren GmbH bereits bewährt Schweißergebnis erheblich reduziert werden kann, ohne dass überdies die für Helium-Zusätze typischen Verfahrensnachteile auftreten (Tab. 2). Generelle Vorteile der Monomix He-Gemische sind: schmalere Nähte keine Lichtbogen-Unruhe Vermeiden von Schweißspritzern WIG-Schweißen von Edelstählen Argofit ein neues Schutzgas für ein klassisches Verfahren Aufgrund der spezifischen Einsatzgebiete der Edelstähle liegt der Schwerpunkt hier noch mehr beim WIG-Schweißen als bei den Aluminiumwerkstoffen, bei denen sich zunehmend eine Umschichtung vom WIGzum wesentlich leistungsstärkeren MIG- Schweißen vollzieht. Die Gründe hierfür liegen in den charakteristischen Werkstoffeigenschaften von Edelstählen in Verbindung mit den hohen Anforderungen an die Lebensdauer bei korrosiver und mechanischer Belastung. Dabei dominiert bauteilbedingt nach wie vor das Schweißen von Hand. Durch das Vordringen von Edelstählen in weitere Einsatzbereiche, wie zum Beispiel im Bauwesen oder auch im öffentlichen Bereich, steht zunehmend auch der mittelständische Metallbau vor der Notwendigkeit, Edelstahl wirtschaftlich zu verarbeiten. Beim Handschweißen von Edelstählen wurde bislang reines Argon eingesetzt. Die vom Automatenschweißen her bekannten Argon-Wasserstoffgemische sind für den Handschweißer nicht beherrschbar. Dies gab für die Messer-Entwicklung den Anstoß, hier nach einer geeigneten Schutzgas-Alternative zu suchen. Gefunden wurde sie mit Argofit, einem auf Argon basierenden Dreistoffgemisch mit wenig Helium und einer noch geringeren Wasserstoffbeimengung. Erste Resultate bei ausgewählten Anwendern bestätigen die Resultate von Laborschweißungen. Der schmalere und tiefere Einbrand, die blankere und glattere Naht bieten vielfältige Kostenvorteile. So wird das Durchschweißen 3 mm dicker Bleche bei vergleichsweise hoher Schweißleistung sicher beherrscht, die Beizkosten können nahezu halbiert werden, ein Beschleifen ist auch bei Sichtnähten kaum noch erforderlich (Abb. 4). Sonder-Edelstähle: Schutzgase nach Maß Für besondere Anwendungen im Chemieapparatebau und der Lebensmitteltechnik kommen in steigendem Maße weiterentwickelte Edelstahlqualitäten wie z.b. Duplex und Superduplex, Vollaustenit und Superaustenit zum Einsatz. Stickstoff ist hier teilweise ein Legierungselement, was oft beim Schutzgas die Zumischung von Stickstoff im Prozentbereich erfordert. Das MAG-Schweißen wird bei mechanisierten Anwendungen zunehmend auch im Edelstahlbereich angewendet, bei Kehlnahtschweißungen auch von Hand. Zusätze von Aktivgas sowie von Wasserstoff und Helium verbessern das schlechtere Fließverhalten der Schweißschmelzen. Einige Beispiele hierzu: Das Dreistoffgemisch Argomag He mit CO 2 - und Helium- Zusätzen zum Argon liefert bei Duplexstählen eine erhöhte Verfahrenssicherheit und führt zu blanken, nacharbeitsarmen Nähten. Sowohl für Vollaustenite als auch für die noch schwieriger zu schweißenden Nickelbasiswerkstoffe hat sich das Vierstoffgemisch Argomag Ni bewährt, das neben Argon, Helium und Wasserstoff einen ganz geringen CO 2 -Anteil enthält (Abb. 18

5 gas aktuell 64 Abb. 6: Der Laser eröffnet dem Schutzgasschweißen ganz neue Möglichkeiten 5). Hier gibt es noch eine weitere ganz neue Erkenntnis: Ferromix, ein Argon- Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch, das bei Vollausteniten zur fast völligen Unterdrückung von ferritischen Gefügeanteilen (so genannter Delta-Ferrit) unter extremen Anforderungen dient, erzeugt beim WIG- Schweißen von Nickelbasislegierungen eine wesentlich verbesserte Heißriss- Sicherheit ohne störende Nebeneffekte. Dies ist das Resultat einer mehrjährigen Forschungsarbeit an der Universität Magdeburg. Erhöhte Anforderungen bei unlegiertem Stahl Nach wie vor ist das Schweißen unlegierter Stähle mit dem MAG-Verfahren die insgesamt wichtigste Anwendung des Schutzgasschweißens. Statt der früher üblichen Schweißkohlensäure werden heute argonreiche Mischgase mit einem Anteil von 18 % CO 2 (Krysal 18) oder 8 % Sauerstoff (Argomix D) eingesetzt. Daneben gibt es auch Ar-O 2 -CO 2 -Gemische. Ausgelöst durch den Einsatz umweltfreundlicher wasserlöslicher Lacke hat es hier eine bemerkenswerte Weiterentwicklung gegeben: Diese Lacke reagieren recht empfindlich auf Schweißspritzer und Schlacke-Inseln auf der Nahtoberseite. Als Konsequenz werden noch spritzer- und schlackeärmere Nähte als bisher beim Schweißen unlegierter Stähle gefordert. Die von Messer Griesheim entwickelten Gasgemische Argomix 4 und Krysal 8 sind als so genannte Niederaktivgase mit halbiertem Aktivgasanteil hier im Vergleich zu den derzeitigen Gemischstandards eine interessante Alternative. Die Nähte sind erheblich schlackeärmer und auch die Spritzerbildung lässt sich wesentlich einfacher vermeiden oder begrenzen. Ein positiver Nebeneffekt ist dabei auch die Abnahme der Schweißrauchbildung, die unmittelbar mit der Verminderung der Schweißspritzer einhergeht. Da mit den Niederaktivgasen auch eine sehr hohe Abschmelzleistung erzielbar ist, belegt dies gleichzeitig, dass eine gesteigerte Leistung nicht zu Lasten der Qualität am Arbeitsplatz gehen muss. Argomix 4 bewährt sich auch sehr gut beim so genannten Hochstromschweißen, das zeitweise unter dem Namen TIME-Prozess propagiert wurde. Krysal 8 andererseits hat sich bei einer anderen Variante des Hochleistungsschweißens, dem Zweidrahtoder Twin-Prozess, als günstige Alternati- ve zu Krysal 18 erwiesen: Die Stabilität der beiden simultan brennenden Lichtbögen ist deutlich erhöht. Das Vordringen verzinkter Bleche, ausgelöst durch den Automobilbau, stellt neue Anforderungen. Eine Alternative zum MAG- Schweißen ist das MSG-Schutzgaslöten mit Bronze-Drähten. Auch hier geht der Trend weg vom reinen Argon hin zu Argon- Gemischen mit geringen Aktivgaszusätzen (siehe auch gas aktuell 61). Lasertechnik: Neue Möglichkeiten mit Megalas Der scharf gebündelte Laserstrahl eröffnet ganz neue Möglichkeiten beim Schutzgasschweißen von der Dentaltechnik bis zum Automobil-, Flugzeug- und Schiffbau (Abb. 6, 7). So ist im Automobilbau die durchschnittliche Schweißnahtlänge durch den Einsatz von Lasern erheblich angestiegen. Die Schutzgasanwendung hat hier wie beim WIG-Verfahren mit Helium als Schutzgas begonnen. Aber auch in der Lasertechnik ist der Einsatz von Mehrkomponenten-Gemischen vorgezeichnet. Dabei erweisen sich in der Regel Gemische von Argon mit Helium und aktivierenden 19

6 gas aktuell Schweißtechnik 100 Relative Anfangs-Porosität im Schmelzgut [%] Argon Heißstart Argon + 0,015 % N 2 Grundwerkstoff / Zusatzwerkstoff: AIMgSi 1 / AISi 5, ø 1,2 mm Schweißparameter: Stromquelle: FRONIUS TPS 330 Schweißstrom: 110 A Schweißspannung: 20 V N 2 Heißstart und N 2 Blechdicke: 5 mm keine Vorwärmung Startstrom 100 % Startstrom 200 % Abb. 8: Einfluss des Schweißschutzgases und des Startstroms auf die Porosität beim MIG-Schweißen von Aluminium bei Schweißbeginn auf kaltem Blech Zusätzen als günstig. Dies gilt sowohl für das Laserschweißen als auch für das Laserlöten. Meist werden für Großserienprodukte dem heutigen Stand der Technik Abb. 7: Das Laserschweißen bietet nicht nur im Automobilbau Vorteile, sondern z.b. auch bei der Fertigung von Batterien entsprechende maßgeschneiderte Gemische eingesetzt. Für den Anwender ist dabei die Erfahrung der Entwickler und Anwendungstechniker von Messer Griesheim eine wirkungsvolle und gern angenommene Unterstützung. Mit der Produktlinie Megalas hat Messer Griesheim einen Standardisierungsrahmen für alle Lasergase geschaffen, der Orientierungshilfen für die Produktauswahl gibt (siehe auch gas aktuell 62). Wohin geht die Entwicklung? Für das Laserschweißen, ebenso wie für das klassische WIG-Verfahren, geht der Trend hin zur Kosteneinsparung mit Mehrstoffgemischen. Nach wie vor wird dabei auch die Werkstoffentwicklung ein Motor für wichtige Fortschritte bei den Schweißgasen bleiben. Hybride Automobilkarosserien mit Mischungen aus Stahl- und Aluminiumkomponenten erfordern neue Varianten der Schutzgasschweißverfahren. Genauso sind die Schutzgasentwickler bei der hybriden Verfahrenskombination von Laser- und Lichtbogenschweißen gefordert. Hier ist man schon über die Phase der Studien und Prototyp-Anwendungen hinaus. In der bislang weltweit größten Laser- Hybrid-Anwendung, im Schiffbau, wurde auch auf die Erfahrungen der Messer- Anwendungstechnik zurückgegriffen. Dabei ist es wichtig, in allen Fällen sämtliche Weiterentwicklungen der Schweißtechnik zu nutzen also beispielsweise auch die der Schweißgeräte. Sehr gut deutlich machen lässt sich dies am Beispiel der Porensicherheit beim Aluminiumschweißen (Abb. 8): Zusätzlich zum optimierten Schutzgas, z.b. Monomix He 50, ist es wichtig, eine Impulsstromquelle einzusetzen und eine spezielle Startstrom- Regie einzuprogrammieren. Dies zeigt zugleich, dass eine erfolgreiche Gase-Ent- wicklung und -Beratung eine umfassende verfahrenstechnische Sicht erfordert, die Messer durch die Zusammenarbeit mit Anwendern, Geräteherstellern, Hochschulen und Verbänden sicherstellt. Dr. Alfward Farwer, Thomas Stölcker 20