Dieser Artikel der Wenzhou Tianyu Electronic Co., Ltd. erklärt, was bei der Auswahl von Schweißzusatzwerkstoffen für Edelstahl zu beachten ist.
Die Eigenschaften, die Edelstahl so attraktiv machen – die Möglichkeit, seine mechanischen Eigenschaften und seine Beständigkeit gegen Korrosion und Oxidation gezielt anzupassen – erhöhen gleichzeitig die Komplexität der Auswahl eines geeigneten Schweißzusatzwerkstoffs. Für jede gegebene Grundwerkstoffkombination kann je nach Kosten, Einsatzbedingungen, gewünschten mechanischen Eigenschaften und einer Reihe schweißtechnischer Faktoren eine von mehreren Elektrodenarten geeignet sein.
Dieser Artikel liefert die notwendigen technischen Grundlagen, um dem Leser die Komplexität des Themas zu verdeutlichen, und beantwortet anschließend einige der häufigsten Fragen an Lieferanten von Schweißzusatzwerkstoffen. Er legt allgemeine Richtlinien für die Auswahl geeigneter Edelstahl-Schweißzusatzwerkstoffe fest und erläutert alle Ausnahmen von diesen Richtlinien. Schweißverfahren werden in diesem Artikel nicht behandelt, da dies Gegenstand eines separaten Artikels ist.
Vier Sorten, zahlreiche Legierungselemente
Es gibt vier Hauptkategorien von Edelstählen:
austenitisch
martensitisch
ferritisch
Doppelhaushälfte
Die Bezeichnungen leiten sich von der Kristallstruktur des Stahls bei Raumtemperatur ab. Wird kohlenstoffarmer Stahl über 912 °C erhitzt, ordnen sich die Atome des Stahls von der bei Raumtemperatur als Ferrit bezeichneten Struktur in die Kristallstruktur Austenit um. Beim Abkühlen nehmen die Atome wieder ihre ursprüngliche Struktur, das Ferrit, an. Die Hochtemperaturstruktur Austenit ist nicht magnetisch, plastisch und weist eine geringere Festigkeit, aber eine höhere Duktilität als die bei Raumtemperatur vorliegende Ferritform auf.
Bei einem Chromgehalt von über 16 % stabilisiert sich die Ferritstruktur, die bei Raumtemperatur vorliegt, und der Stahl bleibt bei allen Temperaturen ferritisch. Daher wird diese Legierung als ferritischer Edelstahl bezeichnet. Bei einem Chromgehalt von über 17 % und einem Nickelgehalt von über 7 % stabilisiert sich die Austenitstruktur, die bei hohen Temperaturen vorliegt, sodass sie bei allen Temperaturen von sehr niedrigen bis hin zu nahezu Schmelzpunkten erhalten bleibt.
Austenitischer Edelstahl wird üblicherweise als Chrom-Nickel-Stahl bezeichnet, martensitische und ferritische Stähle hingegen als Chrom-Edelstähle. Bestimmte Legierungselemente in Edelstählen und Schweißgut wirken als Austenitstabilisatoren, andere als Ferritstabilisatoren. Die wichtigsten Austenitstabilisatoren sind Nickel, Kohlenstoff, Mangan und Stickstoff. Zu den Ferritstabilisatoren zählen Chrom, Silicium, Molybdän und Niob. Durch die Abstimmung der Legierungselemente lässt sich der Ferritanteil im Schweißgut steuern.
Austenitische Stähle lassen sich leichter und zufriedenstellender schweißen als solche mit einem Nickelgehalt von unter 5 %. Schweißverbindungen aus austenitischen Edelstählen sind im Schweißzustand fest, duktil und zäh. Sie benötigen in der Regel keine Vorwärmung oder Nachbehandlung. Austenitische Stähle machen etwa 80 % des geschweißten Edelstahls aus, und dieser Einführungsartikel konzentriert sich hauptsächlich auf sie.
Tabelle 1: Edelstahlsorten und ihr Chrom- und Nickelgehalt.
tstart{c,80%}
thead{Type|% Chromium|% Nickel|Types}
tdata{Austenitisch|16 - 30%|8 - 40%|200, 300}
tdata{Martensitisch|11 - 18%|0 - 5%|403, 410, 416, 420}
tdata{Ferritic|11 - 30%|0 - 4%|405, 409, 430, 422, 446}
tdata{Duplex|18 - 28%|4 - 8%|2205}
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Wie man das richtige Edelstahl-Füllmaterial auswählt
Wenn das Grundmaterial beider Platten gleich ist, lautete der ursprüngliche Grundsatz: „Beginnen Sie mit der Auswahl des passenden Grundmaterials.“ Das funktioniert in manchen Fällen gut; um beispielsweise Bleche des Typs 310 oder 316 zu verbinden, wählen Sie den entsprechenden Füllstofftyp.
Um unterschiedliche Werkstoffe zu verbinden, gilt folgender Grundsatz: „Wählen Sie einen Schweißzusatz, der dem höher legierten Werkstoff entspricht.“ Um beispielsweise 304 mit 316 zu verbinden, wählen Sie einen Schweißzusatz aus 316.
Leider gibt es so viele Ausnahmen von der „Übereinstimmungsregel“, dass es ratsamer ist, eine Tabelle zur Auswahl des Schweißzusatzwerkstoffs zu konsultieren. Beispielsweise ist Edelstahl 304 der gebräuchlichste Grundwerkstoff, aber es wird keine Elektrode aus Edelstahl 304 angeboten.
Wie schweißt man Edelstahl Typ 304 ohne Elektrode Typ 304?
Zum Schweißen von Edelstahl des Typs 304 sollte Schweißzusatzwerkstoff des Typs 308 verwendet werden, da die zusätzlichen Legierungselemente im Typ 308 die Schweißnaht besser stabilisieren.
Allerdings ist auch 308L ein geeigneter Füllstoff. Das „L“ hinter der Typenbezeichnung steht für einen niedrigen Kohlenstoffgehalt. Edelstahl vom Typ 3XXL hat einen Kohlenstoffgehalt von 0,03 % oder weniger, während Standard-Edelstahl vom Typ 3XX einen maximalen Kohlenstoffgehalt von 0,08 % aufweisen kann.
Da Füllstoffe des Typs L in dieselbe Kategorie wie Produkte anderer Typen fallen, sollten Verarbeiter deren Verwendung unbedingt in Erwägung ziehen, da der geringere Kohlenstoffgehalt das Risiko interkristalliner Korrosion reduziert. Die Autoren argumentieren sogar, dass Füllstoffe des Typs L weiter verbreitet wären, wenn Verarbeiter ihre Verfahren entsprechend anpassen würden.
Bei der Metallverarbeitung mit dem GMAW-Verfahren kann die Verwendung eines 3XXSi-Zusatzwerkstoffs sinnvoll sein, da der Siliziumzusatz die Benetzung verbessert. Bei Schweißnähten mit hoher oder rauer Oberseite oder bei unzureichender Verbindung des Schmelzbades an den Überlappungs- oder Kehlnahtübergängen kann eine Si-GMAW-Elektrode die Schweißnaht glätten und eine bessere Verschmelzung fördern.
Wenn die Bildung von Carbiden ein Problem darstellt, sollten Sie einen Füllstoff vom Typ 347 in Betracht ziehen, der eine geringe Menge Niob enthält.
Wie man Edelstahl mit Kohlenstoffstahl verschweißt
Diese Situation tritt auf, wenn ein Bauteil aus Kostengründen eine korrosionsbeständige Außenfläche benötigt, die mit einem Bauteil aus Kohlenstoffstahl verbunden wird. Beim Verbinden eines Grundwerkstoffs ohne Legierungselemente mit einem Grundwerkstoff mit Legierungselementen ist ein überlegierter Schweißzusatzwerkstoff zu verwenden, sodass die Legierungsverteilung im Schweißgut der des Edelstahl-Grundwerkstoffs entspricht oder höher ist.
Für das Verbinden von Kohlenstoffstahl mit den Werkstoffen 304 oder 316 sowie für das Verbinden unterschiedlicher Edelstähle empfiehlt sich in den meisten Fällen eine Elektrode vom Typ 309L. Ist ein höherer Chromgehalt erforderlich, sollte der Typ 312 in Betracht gezogen werden.
Vorsichtshalber ist zu beachten, dass austenitische Edelstähle eine etwa 50 Prozent höhere Wärmeausdehnung als Kohlenstoffstahl aufweisen. Beim Verbinden können die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten aufgrund von inneren Spannungen zu Rissen führen, sofern nicht die geeignete Elektrode und das richtige Schweißverfahren verwendet werden.
Verwenden Sie die korrekten Schweißnahtvorbereitungs- und Reinigungsverfahren
Wie bei anderen Metallen sollten zunächst Öl, Fett, Markierungen und Schmutz mit einem chlorfreien Lösungsmittel entfernt werden. Danach gilt bei der Schweißvorbereitung von Edelstahl die wichtigste Regel: „Vermeiden Sie Verunreinigungen durch Kohlenstoffstahl, um Korrosion zu verhindern.“ Einige Unternehmen nutzen separate Gebäude für ihre Edelstahl- und Kohlenstoffstahlbearbeitung, um Kreuzkontaminationen auszuschließen.
Beim Vorbereiten von Schweißkanten sollten Schleifscheiben und Edelstahlbürsten ausschließlich für Edelstahl verwendet werden. Manche Verfahren sehen vor, dass bis zu 5 cm vor der Schweißnaht gereinigt werden muss. Die Nahtvorbereitung ist zudem kritischer, da Ungenauigkeiten bei der Elektrodenführung schwieriger auszugleichen sind als bei Kohlenstoffstahl.
Verwenden Sie das korrekte Reinigungsverfahren nach dem Schweißen, um Rost zu vermeiden.
Zunächst einmal ist es wichtig zu verstehen, was Edelstahl rostfrei macht: die Reaktion von Chrom mit Sauerstoff, bei der sich eine schützende Chromoxidschicht auf der Materialoberfläche bildet. Edelstahl rostet aufgrund von Karbidausscheidungen (siehe unten) und weil das Schweißgut beim Schweißen so stark erhitzt wird, dass sich ferritisches Oxid auf der Schweißnahtoberfläche bilden kann. Selbst eine einwandfreie Schweißnaht kann im unbehandelten Zustand innerhalb von weniger als 24 Stunden an den Rändern der Wärmeeinflusszone charakteristische Rostspuren aufweisen.
Damit sich eine neue Schicht aus reinem Chromoxid bilden kann, muss Edelstahl nach dem Schweißen durch Polieren, Beizen, Schleifen oder Bürsten gereinigt werden. Verwenden Sie hierfür unbedingt die dafür vorgesehenen Schleif- und Bürstengeräte.
Warum ist Edelstahl-Schweißdraht magnetisch?
Vollständig austenitischer Edelstahl ist nicht magnetisch. Allerdings führt das Schweißen bei hohen Temperaturen zu einem relativ groben Gefüge, wodurch die Schweißnaht rissanfällig wird. Um diese Anfälligkeit für Heißrisse zu verringern, fügen Elektrodenhersteller Legierungselemente, darunter Ferrit, hinzu. Die Ferritphase bewirkt ein deutlich feineres Austenitgefüge, wodurch die Schweißnaht rissbeständiger wird.
An einer Spule mit austenitischem Edelstahl-Schweißdraht haftet kein Magnet, aber eine Person, die einen Magneten hält, kann aufgrund des verbleibenden Ferrits eine leichte Anziehungskraft spüren. Leider führt dies bei manchen Anwendern zu der Annahme, ihr Produkt sei falsch etikettiert oder sie verwendeten den falschen Schweißdraht (insbesondere, wenn sie das Etikett vom Drahtkorb abgerissen haben).
Der optimale Ferritgehalt einer Elektrode hängt von der Einsatztemperatur ab. Beispielsweise führt ein zu hoher Ferritgehalt bei niedrigen Temperaturen zu einem Verlust der Zähigkeit der Schweißnaht. So weist Schweißzusatzwerkstoff Typ 308 für LNG-Rohrleitungen einen Ferritgehalt zwischen 3 und 6 auf, im Vergleich zu einem Ferritgehalt von 8 bei Standard-Schweißzusatzwerkstoff Typ 308. Kurz gesagt: Schweißzusatzwerkstoffe mögen auf den ersten Blick ähnlich erscheinen, doch bereits kleine Unterschiede in der Zusammensetzung sind von Bedeutung.
Gibt es eine einfache Möglichkeit, Duplex-Edelstähle zu schweißen?
Typischerweise weisen Duplex-Edelstähle ein Mikrogefüge aus etwa 50 % Ferrit und 50 % Austenit auf. Vereinfacht gesagt, sorgt der Ferrit für hohe Festigkeit und eine gewisse Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion, während der Austenit für gute Zähigkeit sorgt. Das Zusammenspiel dieser beiden Phasen verleiht den Duplexstählen ihre attraktiven Eigenschaften. Es ist eine breite Palette an Duplex-Edelstählen erhältlich, wobei der Typ 2205 am häufigsten verwendet wird. 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 bewirkt, dass sich die Atome in einer Ferritmatrix anordnen). Um dies auszugleichen, müssen Zusatzwerkstoffe die austenitische Struktur durch einen höheren Legierungsgehalt fördern, typischerweise 2 bis 4 % mehr Nickel als im Grundwerkstoff. Beispielsweise kann Fülldraht zum Schweißen von Typ 2205 8,85 % Nickel enthalten.
Der gewünschte Ferritgehalt nach dem Schweißen kann zwischen 25 und 55 % liegen (ist aber auch höher möglich). Die Abkühlgeschwindigkeit muss ausreichend langsam sein, damit sich Austenit neu bilden kann, jedoch nicht so langsam, dass intermetallische Phasen entstehen, und nicht so schnell, dass sich überschüssiger Ferrit in der Wärmeeinflusszone bildet. Beachten Sie die vom Hersteller empfohlenen Verfahren für das Schweißverfahren und den gewählten Schweißzusatzwerkstoff.
Anpassung der Parameter beim Schweißen von Edelstahl
Bei Schweißern, die beim Schweißen von Edelstahl ständig Parameter wie Spannung, Stromstärke, Lichtbogenlänge, Induktivität und Impulsbreite anpassen müssen, ist die häufigste Ursache eine uneinheitliche Zusammensetzung des Schweißzusatzwerkstoffs. Aufgrund der Bedeutung von Legierungselementen können Chargenabweichungen in der chemischen Zusammensetzung die Schweißleistung deutlich beeinträchtigen, beispielsweise durch schlechte Benetzung oder erschwerte Schlackenablösung. Auch Abweichungen im Elektrodendurchmesser, der Oberflächenreinheit sowie der Gussform und der Steigung beeinflussen die Leistung beim GMAW- und FCAW-Schweißen.
Kontrolle der Karbidausscheidung in austenitischem Edelstahl
Bei Temperaturen zwischen 426 und 871 °C wandert Kohlenstoff mit einem Gehalt von über 0,02 % an die Korngrenzen des Austenitgefüges, wo er mit Chrom zu Chromcarbid reagiert. Ist das Chrom an den Kohlenstoff gebunden, steht es nicht für den Korrosionsschutz zur Verfügung. In korrosiver Umgebung kommt es zu interkristalliner Korrosion, wodurch die Korngrenzen zerstört werden.
Um die Karbidausscheidung zu kontrollieren, sollte der Kohlenstoffgehalt durch Schweißen mit kohlenstoffarmen Elektroden so gering wie möglich gehalten werden (maximal 0,04 %). Kohlenstoff kann auch durch Niob (früher Columbium) und Titan gebunden werden, die eine stärkere Affinität zu Kohlenstoff als Chrom aufweisen. Elektroden des Typs 347 werden für diesen Zweck hergestellt.
Wie man sich auf eine Diskussion über die Auswahl von Schweißzusatzwerkstoffen vorbereitet
Sammeln Sie mindestens Informationen über den Verwendungszweck des Schweißteils, einschließlich der Einsatzumgebung (insbesondere Betriebstemperaturen, Einwirkung korrosiver Elemente und erwarteter Korrosionsbeständigkeitsgrad) und der gewünschten Lebensdauer. Informationen über die erforderlichen mechanischen Eigenschaften unter Betriebsbedingungen sind sehr hilfreich, darunter Festigkeit, Zähigkeit, Duktilität und Dauerfestigkeit.
Die meisten führenden Elektrodenhersteller bieten Leitfäden zur Auswahl des Schweißzusatzwerkstoffs an, und die Autoren können diesen Punkt nicht genug betonen: Konsultieren Sie einen Anwendungsleitfaden für Schweißzusatzwerkstoffe oder wenden Sie sich an die technischen Experten des Herstellers. Diese helfen Ihnen gerne bei der Auswahl der richtigen Edelstahlelektrode.
Weitere Informationen zu den Edelstahl-Schweißzusätzen von TYUE sowie die Kontaktdaten der Experten des Unternehmens für eine Beratung finden Sie unter www.tyuelec.com.
Veröffentlichungsdatum: 23. Dezember 2022