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Edelstahl schweißen
Edelstahl schweißen: Methoden, Prozesse, Feinheiten
Wer Edelstahl schweißen möchte, um seine eigenen Konstruktionen oder beschädigte Dinge zu reparieren, sollte nicht einfach den Brenner anwerfen und wild drauflosschweißen. Ein wenig Materialkenntnis und das Wissen um die einzelnen Schweißverfahren gehören dazu, um die Materialeigenschaften und ein zufriedenstellendes Ergebnis zu erhalten. In diesem Artikel bekommen Sie daher wertvolle Tipps rund um das Schweißen von Edelstahl.
Wann ist das Schweißen von Edelstahl sinnvoll?
Nicht nur Installationskünstler müssen häufig Edelstahl schweißen. Auch Heimwerker, die ihre eigenen Projekte verwirklichen wollen, sind mit dem Wissen um die richtigen Techniken des Schweißens von Edelstahl gut beraten. Dabei kann es sich beispielsweise um Halterungskonstruktionen für die Werkstatt, individuelle Geländerbauten, den selbstgebauten Grill aus Edelstahl, Pavillongestelle und vieles mehr handeln.
Edelstahl als Schweißmaterial
Die weitreichende Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl ist hinlänglich bekannt. Zwischen unterschiedlichen Edelstahlsorten bestehen aber auch unterschiedliche Festigkeits- und Formeigenschaften. Diese wirken sich direkt auf den Prozess des Schmelzschweißens aus.
Ferritische Edelstähle beispielsweise sind vergleichsweise weich. Deswegen ist es wichtig, beim Schweißen auf Dinge wie das Verfahren als solches, den verwendeten Schweißzusatz und die Einbringung von Wärme zu achten, da es ansonsten schnell zur Bildung von Rissen während des Schweißprozesses kommen kann.
Austenitische Stähle hingegen weisen eine doppelt so hohe Zähigkeit auf wie ferritische Stähle, was bedeutet, dass sie unempfindlicher gegenüber Riss- und Bruchausbreitung sind. Dies ist auch bei hohen (Schweiß-)Temperaturen der Fall. Durch die spezifische chemische Zusammensetzung neigt das Schweißgut zur Bildung kleiner Anteile, sogenannten Deltaferrits.
Diese können der Bildung sogenannter Heißrisse beim Schweißen entgegenwirken. Das ist allerdings nicht bei Stählen mit den Werkstoffnummern 1.4439 und 1.4539 der Fall. Daher muss hier bei Schweißvorbereitung und -durchführung mitunter besondere Acht gegeben werden – aber dazu später mehr.
Schweißprozesse für Edelstahl
Es gibt einige Schweißprozesse, die sich für das Schweißen von Edelstahl eignen. Diese werden zunächst in die Oberklassen Schmelzschweißprozesse und Pressschweißprozesse eingeteilt und dort genauer definiert.
Schmelzschweißprozesse für Edelstahl
Schutzgasschweißen (unterteilt in Wolfram-Schutzgas-Schweißen, Metall-Schutzgas-Schweißen sowie Plasma-Lichtbogenschweißen)
Laserstrahlschweißen
Unterpulverschweißen
Pressschweißprozesse für Edelstahl
Widerstandspressschweißen (in Form von Rollennaht-, Punkt- und Abbrennstumpfschweißen)
Bolzenschweißen
Nachfolgend werden die einzelnen Schweißprozesse kurz vorgestellt.
Lichtbogenschweißen
Im Bereich rostfreier Stahlsorten besitzt diese Schweißmethode einen besonders hohen Beliebtheitsgrad. Der Lichtbogen ist eine elektrische Entladung, die den Energieträger des Verfahrens darstellt. Grund dafür sind vor allem folgende Eigenschaften:
geringer Aufwand von Geräten/Ressourcen
niedrige Wärmeeinbringung
universelle Einsetzbarkeit in Werkstätten, auf Baustellen etc.
zahlreiche Spezialelektroden für verschiedenste Anwendungsfälle lieferbar
Bei dieser Methode wird, wie der Name bereits andeutet, ein Schutzgas eingesetzt, unter welchem der Lichtbogen brennt. Das Schutzgas hat dabei die Aufgabe, Lichtbogen und Schmelzbad vor dem Zutritt der Atmosphäregase Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff zu schützen. Der Zutritt besagter Gase kann nämlich zu einer Korrosion oder Verbrennung des Werkstoffs führen. Bei diesem Gas handelt es sich in der Regel um Schweißargon, wobei im Falle von maschinellen Verfahren auch gängige Argon-Wasserstoff-Mischgase zum Einsatz kommen können. Das Wolfram-Inertgas-Schweißen ist besonders zum Schweißen dünner Bleche (wie sie zum Beispiel beim Grillbau Verwendung finden) und Wurzellagen geeignet. Wurzel bedeutet hier: die Unterseite einer Schweißnaht.
Das Plasmalichtbogenschweißen, das ebenfalls der Gruppe der Schutzgasschweißmethoden zugerechnet wird, kommt überwiegend in maschinellen Verfahren zum Einsatz (zum Beispiel beim sogenannten Mikroplasmaschweißen, bei dem die Dicke des zu schweißenden Materials einen Millimeter nicht überschreitet.
Plasmalichtbogenschweißen zeichnet sich durch folgende Vorteile aus:
geringe Wärmeeinbringung
hohe Schweißgeschwindigkeiten
geringer Verzug des Materials
schmale Wärmeeinflusszone
Allerdings kommen auch einige Nachteile hinzu. So ist eine aufwändigere Schweißanlage als beim Wolfram-Inertgas-Schweißen vonnöten. Die Schweißnaht ist im Vorfeld genau vorzubereiten. Ebenso werden Spannvorrichtungen und ein Fahrwerk benötigt.
Im Rahmen des Metall-Schutzgas-Schweißens wird im Falle von Edelstahl im Grunde nur das sogenannte Metall-Aktivgas-Schweißen (MAG) angewendet. Bei diesem Verfahren können hohe Abschmelzleistungen erreicht werden. Als Schutzgas dient Argon mit einer Beimischung von 1-3% Sauerstoff beziehungsweise 2,5 % Stickstoff.
Der Reiz dieser Methode liegt vor allem in dem Umstand, dass das Metall durch die enorme Fokussierung des Lasers das zu schweißende Material in einer sehr engen lokalen Begrenzung aufschmelzen kann. Die durch das Laserstrahlschweißen entstandenen Schweißnähte sind im Vergleich zu anderen konventionellen Schweißverfahren wesentlich schlanker.
Die spezifischen Eigenschaften von Laserschweißnähten in der Übersicht
geringer thermischer Verzug
Nähte lassen sich gut umformen
Wärmeeinflusszone nur sehr schmal
Schweißnähte haben ein großes Tiefen-/Breitenverhältnis
In der Industrie kommen für Laserschweißverfahren heute entweder CO²- oder Nd:YAG-Laser zum Einsatz. CO²-Laser werden vorrangig für Werkstücke mit einem Durchmesser zwischen 1 und 15mm eingesetzt, während der Nd:YAG-Laser (ausgeschrieben: Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser) für die Feinbearbeitung von Edelstahlkomponenten und Verschweißung von Blechen zwischen 0,2 und 0,4 mm Durchmesser verwendet.
Dieses vollautomatisierte Verfahren ist bestenfalls als „kompliziert“ zu nennen. Der Lichtbogen brennt durch das Schweißpulver verdeckt zwischen Draht- beziehungsweise Bandelektrode und Werkstück. Das Pulver bildet eine sogenannte Schlackenkaverne, die den Lichtbogen komplett umhüllt. Um einen reibungslosen Ablauf eines solchen Schweißprozesses zu gewährleisten, wird ein Fahrwerk benötigt, das den Schweißkopf sowie den Pulver-und Drahtvorrat trägt und sich gegenüber dem Werkstück bewegt. Alternativ dazu kann das Werkstück auch entlang der stationären Schweißeinrichtung bewegt werden.
Widerstandspressschweißen
Edelstahl verfügt über eine geringe elektrische Leitfähigkeit sowie über eine niedrige Wärmeleitfähigkeit. Diese Eigenschaften führen dazu, dass sich Edelstahl mittels Widerstandspressschweißverfahren gut bearbeiten lässt. Die geringe Wärmezufuhr hat den Effekt, dass die Oberfläche des Werkstücks kaum beeinträchtigt wird. Allerdings kann die hohe Wärmeausdehnung sich auf den Verzug des Materials auswirken.
Punkt-, Rollennaht- und Buckelschweißen
Die Verfahren dienen dem Verschweißen von (Edelstahl-)blechen, die überlappt angeordnet sind und dadurch einen Spalt zwischen den einzelnen Blechen aufweisen. Hier kann es beim Schweißen zur Entstehung sogenannter Anlauffarben kommen, die sich jedoch durch Kühlung von außen oder durch die Verwendung von Schutzgas reduzieren lässt.
Das Verfahren des Bolzenschweißens beschreibt den Vorgang, bei dem einzelne Teile in Stiftform mit flächigen Werkstücken (z.B. Bleche oder Platten) durch Pressschweißen miteinander verbunden werden. Hierbei wird vorrangig das Verfahren des Lichtbogen-Bolzenschweißens angewendet. Ein entzündeter Lichtbogen an der Schweißstelle schmilzt zunächst die Stirnflächen an. Anschließend wird der Stift oder Bolzen in die Schmelze gedrückt. Der Lichtboden erlischt und die geschmolzene Stahlmasse wird hart.
Das Verfahren wird bevorzugt im Bauwesen, im Straßen- und Schienenbau, im Schiffbau sowie in Anlagen- und Apparatebau eingesetzt. Nichtrostende Stähle wie rostfreier Edelstahl eignen sich für dieses Verfahren, weil keine Gefügeumwandlung und keine Aufhärtung während des Schweißens auftreten. Ausscheidungen von Carbid und anderen Stoffen werden durch die hohe Abkühlungsgeschwindigkeit verhindert. Dennoch muss die Schweißbedingung bei nichtrostenden Stählen sorgfältig abgestimmt werden. Die niedrigen Toleranzbereiche der Schweißparameter machen beispielsweise den Einsatz von Schutzgas bei Bolzen, die einen Durchmesser von mehr als 16 Millimetern aufweisen, notwendig.
Allgemeine Informationen zum Schweißprozess
Nachdem Sie nun mehr über die einzelnen Schweißarten erfahren haben, soll es in diesem Teil um Wissenswertes rund um den eigentlichen Prozess des Schweißens gehen.
Vorbereitungen für das Schweißen von Edelstahl
Im Fall von Edelstahl ist eine sorgfältige Vorbereitung des Schweißprozesses eine wesentliche Voraussetzung für das Gelingen des Vorhabens. Besonders wichtig ist beispielweise die Sauberkeit der Schweißnahtkanten. Das bedeutet, dass nicht nur die Oberfläche „metallisch blank“, das heißt frei von Zunder und sonstigen Oxiden sein muss, die bei der Metallverarbeitung entstehen, sondern auch frei von Fetten, Ölen, Faserrückständen oder sonstigen Stoffen. Ist dies nicht gegeben, besteht die Gefahr, dass Aufkohlungen und Einschlüsse in den Schweißnähten entstehen.
Die Vorbereitung der Nahtkanten kann durch unterschiedliche mechanische Verfahren erfolgen (Fräsen, Hobeln, Wasserstrahlschneiden, Scheren oder Schleifen).
Die Vorbereitung durch Plasma- oder Laserschneiden gehört zu den thermischen Bearbeitungsverfahren. Bei den letztgenannten Verfahren ist es ratsam, die Kanten im Anschluss noch einmal mechanisch zu überschleifen, da sich bei den Vorgängen des Plasmaschneidens beziehungsweise Laserschneidens schnell Oxidreste an den Kanten festsetzen. Das Schleifen sollte mittels kunstharzgebundener Korundscheiben erfolgen, die nicht zuvor für die Bearbeitung un- oder niedriglegierter Stähle zum Einsatz kamen. Zur weiteren Reinigung der Nahtkanten sollten nur Bürsten aus nichtrostendem Stahl verwendet werden.
Durchführung der Schweißarbeiten
Während des Schweißens selbst ist es von Wichtigkeit, die besonderen physikalischen Eigenschaften, die Edelstahl aufweist, im Blick zu haben. Dies sind gegenüber un- oder niedriglegierten Stahlsorten die niedrigere Wärmeleitfähigkeit, der höhere Wärmeausdehnungskoeffizient sowie der größere elektrische Widerstand. Diese haben vor allem Auswirkungen auf den Verzug während des Schweißens. Um diesen Widrigkeiten zu begegnen, haben sich folgende Maßnahmen bewährt:
Schweißgut in dafür konstruierte Vorrichtungen einspannen
Wärme durch Kupferschienen abführen
Streckenenergie beim Schweißen gering halten
Abstand der Heftstellen verringern
Weitere Hinweise in Bezug auf einzelne Schweißverfahren:
Sind die Schweißnähte nur einseitig zugängig, muss die sogenannte Wurzellage (die Unterseite der Schweißnaht) vor Oxidation geschützt werden. Dazu werden verschiedene Schutzgase eingesetzt.
Beim Schmelzschweißen von vollaustenitischen (also unmagnetischen, hitze- und korrosionsbeständigen) Stahlsorten besteht erhöhte Heißrissgefahr (also Rissstellen, die durch hohe Temperaturen während, vor allem aber nach Beendigung des Schweißprozesses im Zuge der Abkühlung, auftreten können). Um dies zu vermeiden, ist mit begrenzter Wärmeeinbringung zu arbeiten. Außerdem sollten die empfohlenen Zwischenlagen- und Arbeitstemperaturen eingehalten werden.
Vor Beginn jeglicher Schweißarbeit sollten die spezifischen Verarbeitungsempfehlungen des Stahlherstellers geprüft und beachtet werden.
Nachbehandlung von Schweißerzeugnissen
Sind die Schweißarbeiten beendet, sollten die Schweißnähte und die durch das Schweißen beeinflussten Zonen des Werkstücks gründlich gereinigt werden, um die Korrosionsbeständigkeit bestmöglich zu gewährleisten. Reste von Schlacke, Anlauffarben, Schweißspritzer und ähnliche Erscheinungen, die durch die Oxidation des Stahls entstanden sind, müssen dabei entfernt werden.
Wenn sich Oxidschichten und Schlackereste durch das Bürsten vollständig entfernen lassen, kann dieser Reinigungsprozess ausreichen. Wichtig ist, rostfreie Stahlbürsten zu benutzen, die zuvor nicht zur Reinigung anderer Werkstoffe herhalten mussten.
Wenn Schweißnähte geschliffen werden sollen, ist es unerlässlich, darauf zu achten, dass die zu verwendenden Schleifwerkzeuge eisenfrei sind, um die Ablagerung von Fremdrost zu vermeiden. Weiterhin sollten auch diese Werkzeuge nur zur Bearbeitung nichtrostender Stahlsorten eingesetzt werden. Eine Körnung zwischen 180 und 240 wird empfohlen, richtet sich aber immer auch nach dem jeweiligen Anwendungsfall. Der Anpressdruck während des Schleifens sollte gering bleiben. Anlauffarben und Schleifriefen sollten nach dem Prozess komplett verschwunden sein.
Für das Verfahren des Strahlens eignen sich im Falle von Edelstahl Quarzsand, Glasperlen oder sonstige Strahlmittel (synthetisch oder mineralisch verwendet, solange sie nur eisenfrei sind. Je nach Anforderung an die Korrosionssicherheit muss die gestrahlte Oberfläche im Anschluss noch gebeizt werden.
Der Beizvorgang kann mittels verschiedener Beizverfahren (Sprühbeizen, Tauchbeizen, Beizen mittels Beizpaste oder Beizgel) erfolgen. Wichtig: Verunreinigungen durch Fett oder Öl oder sonstiges sind vorher sorgfältig zu entfernen. Empfehlungen des Beizmittelherstellers sollten ebenfalls berücksichtigt werden. Nach dem Beizen sind die Werkstücke sorgfältig mit Wasser zu spülen. Dabei ist darauf zu achten, dass keine Beizrückstände übersehen werden. Ansonsten können diese später Korrosionsschäden auslösen.
Schweißen, und nichts zuletzt besonders das Schweißen von Edelstahl, ist Handwerk. Die Materialbeschaffenheit, das Verfahren, die Werkzeuge und die Expertise des Schweißenden sind die Faktoren, die einen Schweißprozess zum gewünschten Erfolg führen bzw. die eine geringe oder hohe Nachbereitung erfordern.
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