Wie man Edelstahl schweißt

Einführung in Edelstahl

Bevor man sich mit dem Schweißen von Edelstahl beschäftigt, sollte man eine grobe Materialbeschreibung anbieten. Rostfreie Stähle stellen eine Klasse von Materialien auf Eisenbasis dar, die in einigen Umgebungen aufgrund des Vorhandenseins von Chrom in ihrer Zusammensetzung eine gewisse Beständigkeit gegen Rost und Korrosion aufweisen. Chrom trägt zur Bildung einer zähen, undurchlässigen Chromoxidschicht auf der Materialoberfläche bei, die die Oberfläche vor Rost und Korrosion schützt. Man sollte sich bewusst sein, dass der Begriff „Edelstahl“ für eine riesige Klasse unterschiedlicher Materialien steht. Es ist kein technischer Begriff, der ein bestimmtes Metall identifiziert, und kann nicht für praktische Zwecke wie den Kauf verwendet werden.

Drei Klassen

Die drei allgemeineren Klassen von rostfreien Stählen – austenitisch, ferritisch und martensitisch – werden anhand ihrer metallurgischen Struktur angegeben. Genauer gesagt verwenden sie einen Identifikator, der sich auf das Aussehen ihrer Mikrostruktur bezieht, wie sie unter dem Mikroskop oder durch Röntgenbeugung zu sehen ist. Diese Mikrostrukturen können in bestimmten Stählen vorhanden sein, daher werden sie verwendet, um die vorherrschende Struktur im Edelstahl anzuzeigen. Die Eigenschaften jeder Klasse können den Schweißprozess auf unterschiedliche Weise beeinflussen, daher ist es wichtig, im Voraus zu ermitteln, welcher Typ verwendet wird.

1. Austenitisch

Beim Schweißen von Edelstahl gelten austenitische Edelstähle als die am leichtesten schweißbaren der drei Klassen. Sie sind als "300er Serie" bekannt, was sich auf eine Standardklassifizierung bezieht, die vom American Iron and Steel Institute (AISI) und der Society of Automotive Engineers (SAE) stammt. Eine wichtige Unterklasse, bekannt als „18/8“, hat Legierungselemente, die zu 18 Prozent aus Chrom und zu acht Prozent aus Nickel bestehen.

Die Haupteigenschaften von austenitischen Edelstählen sind wie folgt:

• Nicht magnetisch oder nur schwach magnetisch
• Nicht angegriffen durch eine 10-prozentige Lösung von Salpetersäure (HNO3) in Alkohol
• Härtet nicht durch Wärmebehandlung
• Dehnungshärtung – Ziemlich duktil und durch mechanische Bearbeitung leicht verformbar, was sowohl die Härte als auch die Festigkeit erhöht
• Leicht geschweißt, mit den notwendigen Vorsichtsmaßnahmen
• Wärmeleitfähigkeit zwischen einem Drittel und der Hälfte von anderen Stählen
• Wärmeausdehnungskoeffizient um 30–40 %, zeitweise sogar um 50 %

Beim Schweißen von rostfreien Stählen beeinflussen die beiden letzten Eigenschaften das Ergebnis auf verschiedene Weise und erzeugen eine größere Verformung als bei anderen Stählen.

Nicht alle austenitischen Edelstähle der 300er-Reihe haben die gleiche Schweißbarkeit. Die Zugabe von Schwefel oder Selen zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit (wie bei Typ 303) führt zu starker Heißrissbildung in der Schweißnaht, wodurch dieses spezielle Material „nicht schweißbar“ wird.

Vorsicht beim Schweißen von austenitischen Edelstählen. Die Korrosionsbeständigkeitseigenschaften dieser Edelstähle können durch den Sensibilisierungsprozess beeinträchtigt werden, der bei Temperaturintervallen von 600 bis 900 Grad Celsius (1100 bis 1650 Fahrenheit) auftritt. Dies fördert die Ansammlung von Chromkarbiden an Korngrenzen und den parallelen Verlust von korrosionsschützendem Chrom aus dem Grundmetall.

Der obige Temperaturbereich tritt natürlicherweise nicht in der Schweißzone auf, wo die Temperatur höher ist und nur für kurze Zeit anhält, sondern in den beiden Metallstreifen auf jeder Seite der Schweißraupe. Dies ist die Wärmeeinflusszone (HAZ), in der die schädlichen Auswirkungen stattfinden.

In einem sensibilisierten Gelenk wird das Chrom, der wichtigste "rostfreie" Inhaltsstoff, sequestriert oder aus dem Spiel genommen und steht lokal für die Schutzwirkung nicht mehr zur Verfügung. Wenn nicht richtig vorgegangen wird, kann das Schweißen von rostfreien 18/8-Stählen entlang sensibilisierter Pfade zum Verlust ihrer Schutzeigenschaften führen, und das geschweißte Material wird anfällig für interkristallinen Angriff in einer korrosiven Umgebung.

Es gibt drei Strategien, die angewendet werden können, um die nachteiligen Wirkungen des Sensibilisierungsprozesses in rostfreien Stählen der Serie 300 zu verringern. Eine besteht darin, eine sehr kohlenstoffarme Version zu verwenden (d. h. 304L, wobei L für kohlenstoffarm steht), bei der nicht viel Kohlenstoff für die Herstellung von Chromkarbiden verfügbar ist.

Eine andere Strategie besteht darin, eine andere Art von Grundmetall zu verwenden, das Titan (Typ 321) oder Niob (Typ 347) enthält, das Titan- oder Niobkarbide bildet, wodurch der Kohlenstoff während des Sensibilisierungsprozesses für Chrom nicht mehr verfügbar ist. Dadurch kann das Chrom seine Korrosionsschutzaufgaben erfüllen.

Hinweis :Das Füllmetall für dieses Material sollte, falls erforderlich, immer Niob sein. Wieso den? Weil Titan reaktiv ist und während der Abscheidung nicht ohne weiteres zurückgewonnen wird. Dies bedeutet, dass es nicht verfügbar wäre, wenn es am dringendsten benötigt wird. Columbium ist jedoch nicht reaktiv. Es bleibt während des Schmelzprozesses an Ort und Stelle, und wenn das Material auf den Sensibilisierungstemperaturbereich erhitzt wird, übernimmt es die Aufgabe, Niobkarbide zu produzieren, was den Tag rettet.

Die dritte Strategie besteht darin, eine Lösungsglühbehandlung bei erhöhter Temperatur (1050 Grad Celsius oder 1900 Fahrenheit) durchzuführen, die die Korrosionsanfälligkeit reparieren würde. Diese Strategie bringt eine feste Lösung von Chromkarbiden ein, die während des Schweißsensibilisierungsprozesses von normalem 18/8-Edelstahl entstanden sind. Dieses Verfahren ist jedoch mit Problemen wie der Bildung schwerer Oxide konfrontiert, wenn es nicht in einem Vakuum oder einer anderen Schutzatmosphäre frei von Verunreinigungen durchgeführt wird. Typ 309 und 310, die für Anwendungen bei erhöhten Temperaturen verwendet werden, und Typ 316 oder besser Typ 316L, der für verbesserte Korrosionsbeständigkeit verwendet wird, sind im Allgemeinen nicht anfällig für Sensibilisierung und werden mit Fülldrähten ähnlicher Zusammensetzung verwendet.

2. Ferritisch

Die zweite Klasse von Edelstahl wird als ferritischer Edelstahl bezeichnet. Dieser Stahl ist ferromagnetisch, kann aber nicht durch Wärmebehandlung gehärtet werden. Dies ist eine gängige Edelstahlsorte, die in Autoabgaskomponenten verwendet wird. Eine begrenzte Menge an ferritischer Struktur, wenn sie in einer ansonsten hauptsächlich austenitischen Struktur vorhanden ist, wird als vorteilhaft angesehen, da sie die Wahrscheinlichkeit von Heißrissen verringert. Das Schweißen von rostfreien ferritischen Stählen kann problemlos mit Lichtbogenschweißverfahren durchgeführt werden, entweder mit ferritischem oder austenitischem Schweißzusatz. Zur Verbesserung der Eigenschaften kann eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erforderlich sein.

3. Martensitisch

Martensitische Edelstähle sind magnetisch und können durch Wärmebehandlung vollständig gehärtet werden. Das Schweißen von Edelstahl dieser Art wird nicht empfohlen, obwohl es mit speziellen Techniken möglich ist. Beim Schweißen können Risse entstehen, insbesondere wenn der Kohlenstoffgehalt nicht ausreichend niedrig ist. Vorwärm- und Nachwärmebehandlungen können erforderlich sein.

Eine Abschlussklasse

Um die Übersicht über das Schweißen von rostfreien Stählen zu vervollständigen, sollte eine vierte Materialklasse erwähnt werden, die oben nicht aufgeführt ist – ausscheidungshärtbare (PH) rostfreie Stähle, die ziemlich gut schweißbar sind. Es sollten jedoch genaue Anweisungen bezüglich Wärmebehandlungen befolgt werden, um die erforderlichen Eigenschaften zu entwickeln.

Schweißverfahren für Edelstahl

Es gibt viele verschiedene Schweißarten, die beim Schweißen von Edelstahl verwendet werden können. Sie alle haben ihre Vor- und Nachteile, und sie alle erfordern spezifische Anweisungen, um jedes Mal eine ordnungsgemäße, starke Schweißnaht zu gewährleisten.

Reibschweißen

Das Reibschweißen von rostfreien Stählen bereitet fast keine Probleme, außer bei den frei schneidenden rostfreien Stählen, die überhaupt nicht geschweißt werden sollten. Es wird zum Schweißen von Edelstahl nicht nur mit anderen Edelstahlwerkstücken, sondern auch mit verschiedenen Metallen wie Kupfer und Aluminium verwendet. Man sollte sich vor dem Schweißen immer der Materialart und -beschaffenheit sowie der Hitzeeinwirkung in der Nähe der Verbindung bewusst sein. Einige Elemente wie Schwefel oder Selen können die endgültige Festigkeit von Schweißverbindungen beeinträchtigen.

Widerstandsschweißen

Widerstandsschweißen kann in den meisten Edelstählen verwendet werden. Austenitischer Stahl der Serie 300 der Serie 300 kann ohne weiteres Widerstandsschweißen verwenden, ebenso wie ferritische Stähle. Martensitische rostfreie Stähle können jedoch ein Problem darstellen, da das Schweißergebnis spröde ist, wenn sie nicht durch eine Temperbehandlung nach dem Schweißen ausreichend erweicht werden.

Das Widerstandsschweißverfahren wird derzeit bei Edelstahl mit Anpassungen verwendet, um die Unterschiede im elektrischen Widerstand und die geringe Wärmeleitfähigkeit sowie den hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, die höhere Schmelztemperatur und die hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen zu bewältigen. Die Elektrodenkraft ist höher, während Zeit und Strom bei kohlenstoffarmen Stählen geringer sind.

Alle Edelstähle müssen vor dem Widerstandsschweißverfahren (oder jedem Schweißverfahren) nicht nur von Schmutz, Öl, Fett oder Farbe gereinigt werden, sondern auch von der sich natürlich bildenden Chromoxidschicht. Dieser muss mit einer Edelstahldrahtbürste entfernt werden.

Lichtbogenschweißen

Lichtbogenschweißen kann beim Schweißen von Edelstahl verwendet werden, solange das richtige Flussmittel verwendet wird. Dies macht den Prozess für das WIG-Schweißen viel weniger geeignet, es sei denn, es gibt keine andere Wahl. Beim WIG-Schweißen von Edelstahl müssen nach dem Schweißprozess alle Spuren von Flussmittelresten auf dem Teil entfernt werden, was den Vorgang verlängert und die Kosten erhöht. Üblicherweise wird das Lichtbogenschweißen verwendet, wobei die Klasse und der Zustand des zu schweißenden Materials sowie Sensibilisierungen und Verformungen im Auge behalten werden.

Alle Arten von Lichtbogenverfahren können zum Schweißen von rostfreien Stählen unter Berücksichtigung von Nahtform, -abmessungen und -vorbereitung eingesetzt werden. Insbesondere das Shielded Metal Arc Welding (SMAW) ist aufgrund seiner Flexibilität weit verbreitet. Es ist zu beachten, dass es zwei Arten von Elektroden gibt, was die Zusammensetzung der Ummantelung betrifft, was die Wahl des verwendeten Stroms beeinflussen kann.

Es gibt viele Füllmetalle, die während des Lichtbogenprozesses verwendet werden können. Die Klassifizierung für Edelstahl-Füllmetalle finden Sie in AWS A5.9/A5.9M:2006 – Specification for Bare Stainless Steel Welding Electrodes and Rods der American Welding Society.

Elektronenstrahlschweißen

Das Elektronenstrahlschweißen (EBW) von rostfreien Stählen lässt sich problemlos mit guten Ergebnissen durchführen, selbst bei sehr tiefen Schweißnähten. Das bemerkenswert hohe Verhältnis von Tiefe zu Breite ermöglicht es EBW, Konfigurationen zu verbinden, die mit anderen Mitteln nicht möglich sind. Bei geringer Wärmeeinbringung und geringer Ausdehnung der Wärmeeinflusszone treten oft keine nennenswerten Beeinträchtigungen der mechanischen Eigenschaften auf, so dass eine weitere Wärmebehandlung nicht erforderlich ist.

Laserschweißen

Laserschweißen kann auch beim Schweißen von rostfreien Stählen verwendet werden, solange Vorkehrungen getroffen werden, um das Schweißen von der Luft zu isolieren und die während der Wärmebehandlung erhaltenen Schadenseigenschaften zu begrenzen.

Schließlich ist das Edelstahlschweißen überhaupt kein komplizierter Prozess. Es bedarf nur ein wenig Liebe zum Detail, wenn es um Werkstückmaterialien, Zusatzwerkstoffe und die verwendete Schweißart geht. Wenn all das stimmt, können Sie Ihre Edelstahlteile erfolgreich schweißen.

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