In diesem Artikel von Wenzhou Tianyu Electronic Co., Ltd. wird erläutert, was bei der Spezifikation von Zusatzwerkstoffen zum Schweißen von Edelstahl zu beachten ist.
Die Eigenschaften, die Edelstahl so attraktiv machen – die Möglichkeit, seine mechanischen Eigenschaften sowie seine Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit individuell anzupassen – erhöhen auch die Komplexität der Auswahl eines geeigneten Schweißzusatzwerkstoffs.Für jede gegebene Basismaterialkombination kann je nach Kostenproblemen, Betriebsbedingungen, gewünschten mechanischen Eigenschaften und einer Vielzahl schweißbezogener Probleme eine von mehreren Elektrodenarten geeignet sein.
Dieser Artikel liefert den notwendigen technischen Hintergrund, um dem Leser ein Verständnis für die Komplexität des Themas zu vermitteln, und beantwortet anschließend einige der häufigsten Fragen, die Schweißzusatzwerkstoffen gestellt werden.Es legt allgemeine Richtlinien für die Auswahl geeigneter Edelstahlzusatzwerkstoffe fest – und erläutert anschließend alle Ausnahmen von diesen Richtlinien!Der Artikel befasst sich nicht mit Schweißverfahren, da dies ein Thema für einen anderen Artikel ist.
Vier Qualitäten, zahlreiche Legierungselemente
Es gibt vier Hauptkategorien von rostfreien Stählen:
austenitisch
martensitisch
ferritisch
Duplex
Die Namen leiten sich von der kristallinen Struktur des Stahls ab, die normalerweise bei Raumtemperatur vorkommt.Wenn kohlenstoffarmer Stahl auf über 912 °C erhitzt wird, ordnen sich die Atome des Stahls von der Struktur namens Ferrit bei Raumtemperatur in die Kristallstruktur namens Austenit um.Beim Abkühlen kehren die Atome in ihre ursprüngliche Struktur, Ferrit, zurück.Die Hochtemperaturstruktur Austenit ist nicht magnetisch, plastisch und weist eine geringere Festigkeit und größere Duktilität auf als die Raumtemperaturform von Ferrit.
Wenn dem Stahl mehr als 16 % Chrom zugesetzt werden, wird die kristalline Struktur, Ferrit, bei Raumtemperatur stabilisiert und der Stahl bleibt bei allen Temperaturen im ferritischen Zustand.Daher wird diese Legierungsbasis auch als ferritischer Edelstahl bezeichnet.Wenn dem Stahl mehr als 17 % Chrom und 7 % Nickel zugesetzt werden, wird die Hochtemperatur-Kristallstruktur des Stahls, Austenit, stabilisiert, sodass sie bei allen Temperaturen von der niedrigsten bis zur fast schmelzenden Temperatur bestehen bleibt.
Austenitischer rostfreier Stahl wird üblicherweise als „Chrom-Nickel“-Typ bezeichnet, und die martensitischen und ferritischen Stähle werden üblicherweise als „gerader Chrom“-Typ bezeichnet.Bestimmte Legierungselemente, die in rostfreien Stählen und Schweißmetallen verwendet werden, wirken als Austenitstabilisatoren und andere als Ferritstabilisatoren.Die wichtigsten Austenitstabilisatoren sind Nickel, Kohlenstoff, Mangan und Stickstoff.Die Ferritstabilisatoren sind Chrom, Silizium, Molybdän und Niob.Durch das Ausbalancieren der Legierungselemente wird die Menge an Ferrit im Schweißgut gesteuert.
Austenitische Sorten lassen sich leichter und zufriedenstellender schweißen als solche, die weniger als 5 % Nickel enthalten.Schweißverbindungen aus austenitischen Edelstählen sind im geschweißten Zustand stark, duktil und zäh.Sie erfordern normalerweise keine Vorwärmung oder Wärmebehandlung nach dem Schweißen.Austenitische Güten machen etwa 80 % des geschweißten Edelstahls aus, und dieser Einführungsartikel konzentriert sich stark auf sie.
Tabelle 1: Edelstahltypen und ihr Chrom- und Nickelgehalt.
tstart{c,80%}
thead{Typ|% Chrom|% Nickel|Typen}
tdata{Austenitisch|16 - 30 %|8 - 40 %|200, 300}
tdata{Martensitisch|11 - 18 %|0 - 5 %|403, 410, 416, 420}
tdata{Ferritisch|11 - 30 %|0 - 4 %|405, 409, 430, 422, 446}
tdata{Duplex|18 - 28 %|4 - 8 %|2205}
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So wählen Sie den richtigen rostfreien Zusatzwerkstoff aus
Wenn das Grundmaterial in beiden Platten das gleiche ist, lautete der ursprüngliche Leitsatz: „Beginnen Sie mit der Abstimmung des Grundmaterials.“Das funktioniert in manchen Fällen gut;Um Typ 310 oder 316 zu verbinden, wählen Sie den entsprechenden Füllertyp.
Um unterschiedliche Materialien zu verbinden, befolgen Sie diesen Leitsatz: „Wählen Sie einen Füllstoff, der zum höher legierten Material passt.“Um 304 mit 316 zu verbinden, wählen Sie einen 316-Füller.
Leider gibt es bei der „Match-Regel“ so viele Ausnahmen, dass ein besserer Grundsatz darin besteht, eine Auswahltabelle für Zusatzwerkstoffe zu konsultieren.Beispielsweise ist Typ 304 das am häufigsten verwendete Edelstahl-Grundmaterial, aber niemand bietet eine Elektrode vom Typ 304 an.
So schweißen Sie Edelstahl vom Typ 304 ohne eine Elektrode vom Typ 304
Zum Schweißen von Edelstahl vom Typ 304 verwenden Sie Füllmaterial vom Typ 308, da die zusätzlichen Legierungselemente in Typ 308 den Schweißbereich besser stabilisieren.
Allerdings ist auch 308L ein akzeptabler Füllstoff.Die Bezeichnung „L“ hinter jedem Typ weist auf einen niedrigen Kohlenstoffgehalt hin.Ein Edelstahl vom Typ 3XXL hat einen Kohlenstoffgehalt von 0,03 % oder weniger, während Standard-Edelstahl vom Typ 3XX einen maximalen Kohlenstoffgehalt von 0,08 % haben kann.
Da ein Füllstoff vom Typ L in die gleiche Klassifizierung fällt wie das Nicht-L-Produkt, können und sollten Hersteller die Verwendung eines Füllstoffs vom Typ L dringend in Betracht ziehen, da ein niedrigerer Kohlenstoffgehalt das Risiko interkristalliner Korrosionsprobleme verringert.Tatsächlich behaupten die Autoren, dass Füllstoffe vom Typ L häufiger eingesetzt würden, wenn die Hersteller einfach ihre Verfahren aktualisieren würden.
Hersteller, die das GMAW-Verfahren verwenden, sollten möglicherweise auch die Verwendung eines Füllstoffs vom Typ 3XXSi in Betracht ziehen, da die Zugabe von Silizium die Benetzung verbessert.In Situationen, in denen die Schweißnaht einen hohen oder rauen Scheitel aufweist oder in denen sich die Schweißpfütze nicht gut an den Spitzen einer Kehl- oder Überlappungsnaht festsetzt, kann die Verwendung einer MSG-Elektrode vom Typ Si die Schweißraupe glätten und eine bessere Verschmelzung fördern.
Wenn Karbidausfällung ein Problem darstellt, sollten Sie einen Füllstoff vom Typ 347 in Betracht ziehen, der eine kleine Menge Niob enthält.
So schweißt man Edelstahl an Kohlenstoffstahl
Diese Situation tritt bei Anwendungen auf, bei denen ein Teil einer Struktur eine korrosionsbeständige Außenfläche erfordert, die mit einem Strukturelement aus Kohlenstoffstahl verbunden ist, um die Kosten zu senken.Wenn Sie einen Grundwerkstoff ohne Legierungselemente mit einem Grundwerkstoff mit Legierungselementen verbinden, verwenden Sie einen überlegierten Zusatzwerkstoff, sodass die Verdünnung im Schweißgut ausgeglichen oder höher legiert ist als die des rostfreien Grundwerkstoffs.
Zum Verbinden von Kohlenstoffstahl mit Typ 304 oder 316 sowie zum Verbinden verschiedener rostfreier Stähle sollten Sie für die meisten Anwendungen eine Elektrode vom Typ 309L in Betracht ziehen.Wenn ein höherer Cr-Gehalt gewünscht ist, ziehen Sie Typ 312 in Betracht.
Zur Vorsicht: Austenitische rostfreie Stähle weisen eine um etwa 50 Prozent höhere Ausdehnungsgeschwindigkeit auf als Kohlenstoffstahl.Beim Fügen können die unterschiedlichen Ausdehnungsgeschwindigkeiten aufgrund innerer Spannungen zu Rissen führen, wenn nicht die richtige Elektrode und das richtige Schweißverfahren verwendet werden.
Verwenden Sie die richtigen Reinigungsverfahren für die Schweißnahtvorbereitung
Wie bei anderen Metallen auch, entfernen Sie Öl, Fett, Markierungen und Schmutz zunächst mit einem chlorfreien Lösungsmittel.Danach lautet die Hauptregel bei der Vorbereitung von rostfreien Schweißnähten: „Vermeiden Sie Verunreinigungen durch Kohlenstoffstahl, um Korrosion zu verhindern.“Einige Unternehmen nutzen separate Gebäude für ihre „Edelstahlwerkstatt“ und „Kohlenstoffwerkstatt“, um Kreuzkontaminationen zu verhindern.
Kennzeichnen Sie Schleifscheiben und rostfreie Bürsten als „nur rostfrei“, wenn Sie Kanten für das Schweißen vorbereiten.Bei manchen Verfahren ist eine Reinigung im Abstand von 5 cm von der Fuge erforderlich.Auch die Vorbereitung der Verbindung ist wichtiger, da es bei der Elektrodenmanipulation schwieriger ist, Inkonsistenzen auszugleichen als bei Kohlenstoffstahl.
Verwenden Sie das richtige Reinigungsverfahren nach dem Schweißen, um Rost vorzubeugen
Denken Sie zunächst daran, was einen rostfreien Stahl rostfrei macht: die Reaktion von Chrom mit Sauerstoff unter Bildung einer Schutzschicht aus Chromoxid auf der Oberfläche des Materials.Rostfreier Edelstahl rostet aufgrund der Karbidausfällung (siehe unten) und weil der Schweißvorgang das Schweißgut so weit erhitzt, dass sich auf der Oberfläche der Schweißnaht ferritisches Oxid bilden kann.Im geschweißten Zustand kann eine einwandfreie Schweißnaht in weniger als 24 Stunden „Wagenrostspuren“ an den Grenzen der Wärmeeinflusszone aufweisen.
Damit sich eine neue Schicht aus reinem Chromoxid richtig bilden kann, muss Edelstahl nach dem Schweißen durch Polieren, Beizen, Schleifen oder Bürsten gereinigt werden.Verwenden Sie auch hier spezielle Schleifmaschinen und Bürsten.
Warum ist Edelstahl-Schweißdraht magnetisch?
Vollaustenitischer Edelstahl ist nicht magnetisch.Durch die Schweißtemperaturen entsteht jedoch ein relativ großes Korn im Gefüge, wodurch die Schweißnaht rissempfindlich ist.Um die Empfindlichkeit gegenüber Heißrissen zu verringern, fügen Elektrodenhersteller Legierungselemente, einschließlich Ferrit, hinzu.Durch die Ferritphase werden die austenitischen Körner wesentlich feiner, sodass die Schweißnaht rissbeständiger wird.
Ein Magnet haftet nicht an einer Spule aus austenitischem Edelstahlfüllstoff, aber eine Person, die einen Magneten hält, könnte aufgrund des zurückgehaltenen Ferrits einen leichten Zug verspüren.Leider führt dies dazu, dass einige Benutzer denken, dass ihr Produkt falsch etikettiert ist oder dass sie das falsche Füllmetall verwenden (insbesondere, wenn sie das Etikett vom Drahtkorb abgerissen haben).
Die richtige Ferritmenge in einer Elektrode hängt von der Betriebstemperatur der Anwendung ab.Beispielsweise führt zu viel Ferrit dazu, dass die Schweißnaht bei niedrigen Temperaturen ihre Zähigkeit verliert.Daher hat ein Füllstoff vom Typ 308 für eine LNG-Rohrleitungsanwendung eine Ferritzahl zwischen 3 und 6, verglichen mit einer Ferritzahl von 8 für einen Standardfüllstoff vom Typ 308.Kurz gesagt, Schweißzusatzmetalle mögen auf den ersten Blick ähnlich erscheinen, kleine Unterschiede in der Zusammensetzung sind jedoch wichtig.
Gibt es eine einfache Möglichkeit, Duplex-Edelstähle zu schweißen?
Typischerweise haben Duplex-Edelstähle eine Mikrostruktur, die zu etwa 50 % aus Ferrit und zu 50 % aus Austenit besteht.Vereinfacht ausgedrückt bietet der Ferrit eine hohe Festigkeit und eine gewisse Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion, während der Austenit für eine gute Zähigkeit sorgt.Die beiden Phasen in Kombination verleihen den Duplexstählen ihre attraktiven Eigenschaften.Es steht eine große Auswahl an Duplex-Edelstählen zur Verfügung, wobei Typ 2205 am gebräuchlichsten ist;dieser enthält 22 % Chrom, 5 % Nickel, 3 % Molybdän und 0,15 % Stickstoff.
Beim Schweißen von Duplex-Edelstahl können Probleme auftreten, wenn das Schweißgut zu viel Ferrit enthält (die Hitze des Lichtbogens führt dazu, dass sich die Atome in einer Ferritmatrix anordnen).Um dies zu kompensieren, müssen Füllmetalle die austenitische Struktur mit einem höheren Legierungsgehalt fördern, typischerweise 2 bis 4 % mehr Nickel als im Grundmetall.Fülldraht zum Schweißen vom Typ 2205 kann beispielsweise 8,85 % Nickel enthalten.
Der gewünschte Ferritgehalt kann nach dem Schweißen zwischen 25 und 55 % liegen (kann aber auch höher sein).Beachten Sie, dass die Abkühlgeschwindigkeit langsam genug sein muss, damit sich der Austenit neu formieren kann, aber nicht so langsam, dass intermetallische Phasen entstehen, und auch nicht zu schnell, dass überschüssiges Ferrit in der Wärmeeinflusszone entsteht.Befolgen Sie die vom Hersteller empfohlenen Verfahren für den Schweißprozess und das ausgewählte Zusatzmetall.
Anpassung der Parameter beim Schweißen von Edelstahl
Für Hersteller, die beim Schweißen von Edelstahl ständig Parameter (Spannung, Stromstärke, Lichtbogenlänge, Induktivität, Impulsbreite usw.) anpassen, ist die typische Ursache eine inkonsistente Zusammensetzung des Zusatzwerkstoffs.Angesichts der Bedeutung von Legierungselementen können Schwankungen der chemischen Zusammensetzung von Charge zu Charge spürbare Auswirkungen auf die Schweißleistung haben, wie z. B. eine schlechte Benetzung oder eine schwierige Schlackenfreisetzung.Variationen im Elektrodendurchmesser, der Oberflächenreinheit, dem Guss und der Helix wirken sich auch auf die Leistung bei MSG- und FCAW-Anwendungen aus.
Kontrolle der Karbidausfällung in austenitischem Edelstahl
Bei Temperaturen im Bereich von 426–871 °C wandert ein Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,02 % zu den Korngrenzen der austenitischen Struktur, wo er mit Chrom unter Bildung von Chromkarbid reagiert.Wenn das Chrom mit dem Kohlenstoff gebunden ist, steht es nicht für die Korrosionsbeständigkeit zur Verfügung.Wenn es einer korrosiven Umgebung ausgesetzt wird, kommt es zu interkristalliner Korrosion, die dazu führt, dass die Korngrenzen weggefressen werden.
Um die Karbidausfällung zu kontrollieren, halten Sie den Kohlenstoffgehalt durch Schweißen mit kohlenstoffarmen Elektroden so niedrig wie möglich (maximal 0,04 %).Kohlenstoff kann auch durch Niob (früher Columbium) und Titan gebunden werden, die eine stärkere Affinität zu Kohlenstoff haben als Chrom.Zu diesem Zweck werden Elektroden vom Typ 347 hergestellt.
So bereiten Sie sich auf eine Diskussion über die Auswahl von Zusatzwerkstoffen vor
Sammeln Sie mindestens Informationen über die Endverwendung des geschweißten Teils, einschließlich der Betriebsumgebung (insbesondere Betriebstemperaturen, Einwirkung korrosiver Elemente und Grad der erwarteten Korrosionsbeständigkeit) und der gewünschten Lebensdauer.Informationen über die erforderlichen mechanischen Eigenschaften unter Betriebsbedingungen, einschließlich Festigkeit, Zähigkeit, Duktilität und Ermüdung, sind von großem Nutzen.
Die meisten führenden Elektrodenhersteller stellen Leitfäden für die Auswahl von Zusatzwerkstoffen zur Verfügung, und die Autoren können diesen Punkt nicht genug betonen: Konsultieren Sie einen Leitfaden zur Anwendung von Zusatzwerkstoffen oder wenden Sie sich an die technischen Experten des Herstellers.Sie helfen bei der Auswahl der richtigen Edelstahlelektrode.
Weitere Informationen zu den Edelstahlzusatzwerkstoffen von TYUE und die Möglichkeit, die Experten des Unternehmens um Rat zu fragen, finden Sie unter www.tyuelec.com.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 23. Dezember 2022