Schutzgas

Schutzgase sind inerte oder halbinerte Gase , die häufig in verschiedenen Schweißverfahren eingesetzt werden, insbesondere beim Metall-Schutzgasschweißen ( MSG) und Wolfram-Inertgasschweißen (WIG). Sie dienen dem Schutz des Schweißbereichs vor Sauerstoff und Wasserdampf . Je nach Werkstoff können diese Gase die Schweißnahtqualität beeinträchtigen oder den Schweißvorgang erschweren. Auch andere Lichtbogenschweißverfahren nutzen alternative Methoden zum Schutz der Schweißnaht vor der Atmosphäre. Beim Lichtbogenhandschweißen beispielsweise wird eine Elektrode verwendet , die mit einem Flussmittel umhüllt ist , das beim Verbrennen Kohlendioxid freisetzt – ein halbinertes Gas, das als Schutzgas für das Schweißen von Stahl geeignet ist.

Die falsche Wahl eines Schweißgases kann zu einer porösen und schwachen Schweißnaht oder zu übermäßigen Spritzern führen; letztere beeinträchtigen zwar nicht die Schweißnaht selbst, verursachen aber Produktivitätsverluste aufgrund des Arbeitsaufwands zum Entfernen der verstreuten Tropfen.

Bei unsachgemäßer Verwendung können Schutzgase den Sauerstoff verdrängen und so zu Hypoxie und potenziell zum Tod führen. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Schutzgase lassen sich in zwei Kategorien einteilen: inerte und halbinerte. Nur zwei der Edelgase , Helium und Argon , sind wirtschaftlich genug, um beim Schweißen eingesetzt zu werden. Diese inerten Gase werden beim Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG ) und auch beim Metall-Inertgas-Schweißen (MIG/MAG) zum Schweißen von Nichteisenmetallen verwendet . Zu den halbinerten Schutzgasen, auch aktive Schutzgase genannt, gehören Kohlendioxid , Sauerstoff , Stickstoff und Wasserstoff . Diese aktiven Gase werden beim MIG/MAG-Schweißen von Eisenmetallen eingesetzt . Die meisten dieser Gase würden in großen Mengen die Schweißnaht beschädigen, können aber in kleinen, kontrollierten Mengen die Schweißnahteigenschaften verbessern.

Wichtige Eigenschaften von Schutzgasen sind ihre Wärmeleitfähigkeit und Wärmeübertragungseigenschaften, ihre Dichte im Vergleich zu Luft und ihre Ionisierbarkeit. Schwerere Gase als Luft (z. B. Argon) umhüllen die Schweißnaht und benötigen geringere Durchflussraten als leichtere Gase als Luft (z. B. Helium). Die Wärmeübertragung ist wichtig für die Erwärmung der Schweißnaht um den Lichtbogen herum. Die Ionisierbarkeit beeinflusst, wie leicht der Lichtbogen zündet und wie hoch die benötigte Spannung sein muss. Schutzgase können rein oder als Gemisch aus zwei oder drei Gasen verwendet werden. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Beim Laserschweißen hat das Schutzgas eine zusätzliche Funktion: Es verhindert die Bildung einer Plasmawolke über der Schweißnaht, die einen erheblichen Teil der Laserenergie absorbiert. Dies ist wichtig für CO₂- _Laser ; Nd:YAG-Laser neigen weniger zur Bildung eines solchen Plasmas. Helium erfüllt diese Funktion aufgrund seines hohen Ionisierungspotenzials am besten; das Gas kann eine hohe Energiemenge absorbieren, bevor es ionisiert wird.

Argon ist das gebräuchlichste Schutzgas und wird häufig als Basis für spezialisiertere Gasmischungen verwendet. ^{[ 5 ]}

Kohlendioxid ist das kostengünstigste Schutzgas und ermöglicht eine hohe Eindringtiefe. Allerdings beeinträchtigt es die Stabilität des Lichtbogens und erhöht die Neigung des geschmolzenen Metalls zur Tropfenbildung (Spritzern). ^{[ 6 ]} Kohlendioxid wird üblicherweise in einer Konzentration von 1–2 % in einem Gemisch mit Argon verwendet , um die Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls zu reduzieren. Ein weiteres gängiges Gemisch für das MIG/MAG-Schweißen besteht aus 25 % Kohlendioxid und 75 % Argon . ^{[ 7 ]}

Helium ist leichter als Luft; daher sind höhere Durchflussraten erforderlich. Es ist ein Edelgas und reagiert nicht mit den geschmolzenen Metallen. Seine Wärmeleitfähigkeit ist hoch. Es lässt sich nicht leicht ionisieren, weshalb zum Zünden des Lichtbogens eine höhere Spannung benötigt wird. Aufgrund des höheren Ionisierungspotenzials erzeugt es bei höherer Spannung einen heißeren Lichtbogen und sorgt für eine breite, tiefe Schweißnaht; dies ist ein Vorteil bei Aluminium-, Magnesium- und Kupferlegierungen. Oft werden weitere Gase beigemischt. Heliumgemische mit 5–10 % Argon und 2–5 % Kohlendioxid („Trimix“) eignen sich zum Schweißen von Edelstahl. Sie werden auch für Aluminium und andere Nichteisenmetalle, insbesondere für dickere Schweißnähte, verwendet. Im Vergleich zu Argon liefert Helium einen energiereicheren, aber weniger stabilen Lichtbogen. Helium und Kohlendioxid waren die ersten Schutzgase, die seit Beginn des Zweiten Weltkriegs eingesetzt wurden. Helium wird auch beimLaserschweißen mit Kohlendioxidlasern als Schutzgas verwendet . ^{[ 8 ]} Helium ist teurer als Argon und erfordert höhere Durchflussraten. Trotz seiner Vorteile ist es daher für die Produktion größerer Mengen möglicherweise keine wirtschaftliche Wahl. ^{[ 9 ]} Reines Helium wird nicht für Stahl verwendet, da es einen unregelmäßigen Lichtbogen verursacht und Spritzerbildung begünstigt.

Sauerstoff wird in geringen Mengen anderen Gasen beigemischt, typischerweise 2–5 % zu Argon. Er verbessert die Lichtbogenstabilität und reduziert die Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls, wodurch die Benetzung des festen Metalls erhöht wird. Er wird beim Sprühlichtbogenschweißen von unlegierten Stählen , niedriglegierten Stählen und Edelstählen eingesetzt . Seine Anwesenheit erhöht die Schlackenmenge. Argon-Sauerstoff-Gemische ( Ar-O₂ ₎ werden häufig durch Argon-Kohlendioxid-Gemische ersetzt. Auch Argon-Kohlendioxid-Sauerstoff-Gemische werden verwendet. Sauerstoff verursacht Oxidation der Schweißnaht und ist daher nicht geeignet zum Schweißen von Aluminium, Magnesium, Kupfer und einigen exotischen Metallen. Ein erhöhter Sauerstoffgehalt führt dazu, dass das Schutzgas die Elektrode oxidiert, was zu Porosität im Schweißgut führen kann, wenn die Elektrode nicht ausreichend Desoxidationsmittel enthält . Überschüssiger Sauerstoff, insbesondere bei nicht dafür vorgesehenen Anwendungen, kann zu Versprödung in der Wärmeeinflusszone führen. Für austenitischen Edelstahl, bei dem Argon-CO₂ aufgrund des erforderlichen niedrigen Kohlenstoffgehalts in der Schweißnaht nicht verwendet werden kann, werden Argon-Sauerstoff-Gemische mit 1–2 % Sauerstoff eingesetzt _; die Schweißnaht weist eine zähe Oxidschicht auf und muss gegebenenfalls gereinigt werden.

Wasserstoff wird zum Schweißen von Nickel und einigen Edelstählen, insbesondere dickerer Werkstücke, verwendet. Er verbessert die Fließfähigkeit des geschmolzenen Metalls und erhöht die Oberflächenreinheit. Üblicherweise wird er Argon in Mengen unter 10 % beigemischt. Um die oxidierende Wirkung von Kohlendioxid zu kompensieren, kann er auch Argon-Kohlendioxid-Gemischen beigemischt werden. Durch die Zugabe von Wasserstoff wird der Lichtbogen verengt und die Lichtbogentemperatur erhöht, was zu einem besseren Einbrand führt. In höheren Konzentrationen (bis zu 25 % Wasserstoff) kann er zum Schweißen leitfähiger Werkstoffe wie Kupfer eingesetzt werden. Allerdings sollte er nicht für Stahl, Aluminium oder Magnesium verwendet werden, da er Porosität und Wasserstoffversprödung verursachen kann ; seine Anwendung beschränkt sich daher in der Regel auf bestimmte Edelstähle.

Die Zugabe von Stickstoffmonoxid dient der Reduzierung der Ozonproduktion . Es kann außerdem den Lichtbogen beim Schweißen von Aluminium und hochlegiertem Edelstahl stabilisieren.

Andere Gase können für spezielle Anwendungen, rein oder als Mischungszusätze, verwendet werden; z. B. Schwefelhexafluorid oder Dichlordifluormethan . ^{[ 10 ]}

Schwefelhexafluorid kann dem Schutzgas beim Aluminiumschweißen zugesetzt werden, um Wasserstoff im Schweißbereich zu binden und so die Schweißporosität zu verringern. ^{[ 11 ]}

Dichlordifluormethan mit Argon kann als Schutzgasatmosphäre beim Schmelzen von Aluminium-Lithium-Legierungen verwendet werden. ^{[ 12 ]} Es reduziert den Wasserstoffgehalt in der Aluminiumschweißnaht und verhindert so die damit verbundene Porosität. Dieses Gas wird jedoch aufgrund seines hohen Ozonabbaupotenzials immer seltener eingesetzt .

• Argon-Kohlendioxid
  • C-50 (50 % Argon/50 % CO₂ ₎ wird zum Kurzlichtbogenschweißen von Rohren verwendet .
  • C-40 (60 % Argon/40 % CO₂ _{) wird für bestimmte} Fülldraht-Lichtbogenschweißverfahren verwendet . Es bietet eine bessere Schweißnahtdurchdringung als C-25.
  • C-25 (75 % Argon/25 % CO₂ ₎ wird häufig von Hobbyisten und in der Kleinserienfertigung eingesetzt. Es ist auf Kurzschluss- und Kugelstrahlschweißen beschränkt. Üblicherweise wird es beim Kurzschluss-Metall-Schutzgasschweißen von niedriggekohltem Stahl verwendet.
  • C-20 (80 % Argon/20 % CO ₂ ) wird für Kurzschluss- und Sprühtransferverfahren bei Kohlenstoffstahl verwendet.
  • C-15 (85 % Argon/15 % CO₂ ₎ ist in der Fertigungsumgebung für Kohlenstoff- und niedriglegierte Stähle weit verbreitet. Es zeichnet sich durch geringe Spritzerbildung und guten Einbrand aus und eignet sich für dickere Bleche und Stähle mit starker Zunderschicht . Geeignet ist es für Kurz-, Kugel-, Impuls- und Sprühschweißen. Die höchste Produktivität wird bei dünnen Metallen im Kurzlichtbogen erzielt. Im Vergleich zu _CO₂ -reichen Gemischen besteht eine geringere Durchbrennneigung, und es werden ausreichend hohe Abschmelzleistungen erzielt.
  • C-10 (90 % Argon/10 % CO₂ ₎ ist in der Produktion weit verbreitet. Es zeichnet sich durch geringe Spritzerbildung und gute Schweißnahtdurchdringung aus, die jedoch geringer ist als bei C-15; geeignet für viele Stahlsorten. Gleiche Anwendungsbereiche wie bei der 85/15-Mischung. Ausreichend für ferritische Edelstähle.
  • C-5 (95 % Argon/5 % CO₂ ₎ wird für das Impulsspritzen und Kurzschlussschweißen von niedriglegiertem Stahl verwendet. Es weist eine bessere Toleranz gegenüber Walzzunder und eine bessere Schmelzbadkontrolle als Argon-Sauerstoff auf, jedoch nicht so gut wie C-10. Die Wärmeentwicklung ist geringer als bei C-10. ^{[ 13 ]} Es ist für ferritische Edelstähle ausreichend. Die Leistung ist vergleichbar mit der von Argon mit 1 % Sauerstoff.
• Argon-Sauerstoff
  • O-5 (95 % Argon/5 % Sauerstoff) ist das gebräuchlichste Schutzgas zum Schweißen von Kohlenstoffstahl. Ein höherer Sauerstoffgehalt ermöglicht höhere Schweißgeschwindigkeiten. Bei einem Sauerstoffgehalt von über 5 % oxidiert das Schutzgas die Elektrode, was zu Porosität im Schweißgut führen kann, wenn die Elektrode nicht ausreichend Desoxidationsmittel enthält.
  • O-2 (98 % Argon/2 % Sauerstoff) wird beim Sprühlichtbogenschweißen von Edelstahl, Kohlenstoffstählen und niedriglegierten Stählen verwendet. Es bietet eine bessere Benetzung als O-1. Die Schweißnaht ist dunkler und stärker oxidiert als bei O-1. Die Zugabe von 2 % Sauerstoff fördert den Sprühlichtbogenübergang, der für das Sprühlichtbogen- und das Impulssprühlichtbogen-GMAW-Schweißen entscheidend ist.
  • Für Edelstähle wird O-1 (99 % Argon/1 % Sauerstoff) verwendet. Sauerstoff stabilisiert den Lichtbogen.
• Argon-Helium
  • A-25 (25 % Argon/75 % Helium) wird für Nichteisenmetalle verwendet, wenn eine höhere Wärmeeinbringung und ein gutes Schweißnahtbild erforderlich sind.
  • A-50 (50 % Argon/50 % Helium) wird für Nichteisenmetalle mit einer Dicke von weniger als 0,75 Zoll beim Hochgeschwindigkeits-Maschinenschweißen verwendet.
  • A-75 (75 % Argon/25 % Helium) wird zum maschinellen Schweißen von dickem Aluminium verwendet. Es reduziert die Schweißnahtporosität in Kupfer. ^{[ 14 ]}
• Argon-Wasserstoff
  • H-2 (98 % Argon/2 % Wasserstoff)
  • H-5 (95 % Argon/5 % Wasserstoff)
  • H-10 (80 % Argon/20 % Wasserstoff)
  • H-35 (65 % Argon/35 % Wasserstoff) ^{[ 15 ]}
• Andere
  • Argon mit 25–35 % Helium und 1–2 % CO₂ _ermöglicht hohe Produktivität und gute Schweißergebnisse bei austenitischen Edelstählen. Es eignet sich zum Verbinden von Edelstahl mit Kohlenstoffstahl.
  • Argon-CO₂ _mit 1–2 % Wasserstoff erzeugt eine reduzierende Atmosphäre, die die Oxidbildung auf der Schweißnahtoberfläche verringert und Benetzung und Einbrand verbessert. Gut geeignet für austenitische Edelstähle.
  • Argon mit 2–5 % Stickstoff und 2–5 % CO₂ _im Kurzschlussverfahren führt zu guter Schweißnahtform und -farbe und erhöht die Schweißgeschwindigkeit. Beim Sprüh- und Impulssprühschweißen ist es anderen Mischungen nahezu gleichwertig. Beim Verbinden von Edelstahl mit Kohlenstoffstählen in Stickstoffatmosphäre ist auf ein optimales Schweißnahtgefüge zu achten. Stickstoff erhöht die Lichtbogenstabilität und den Einbrand und reduziert den Verzug des Schweißteils. Bei Duplex-Edelstählen trägt er zur Aufrechterhaltung des optimalen Stickstoffgehalts bei.
  • Ein Gemisch aus 85–95 % Helium, 5–10 % Argon und 2–5 % CO₂ _ist Industriestandard für das Kurzschlussschweißen von Kohlenstoffstahl.
  • Argon – Kohlendioxid – Sauerstoff
  • Argon–Helium–Wasserstoff
  • Argon – Helium – Wasserstoff – Kohlendioxid

Die Anwendung von Schutzgasen ist hauptsächlich durch die Kosten des Gases und der Ausrüstung sowie durch den Schweißort begrenzt. Einige Schutzgase, wie beispielsweise Argon, sind teuer, was ihren Einsatz einschränkt. Auch die Ausrüstung zur Gaszufuhr verursacht zusätzliche Kosten. Daher sind Verfahren wie das Lichtbogenhandschweißen, das mit kostengünstigerer Ausrüstung auskommt, in bestimmten Situationen vorzuziehen. Da atmosphärische Bewegungen die Verteilung des Schutzgases um die Schweißnaht herum verursachen können, werden Schweißprozesse, die Schutzgase erfordern, häufig nur in Innenräumen durchgeführt, wo eine stabile Umgebung herrscht und das Eindringen von atmosphärischen Gasen in den Schweißbereich wirksam verhindert werden kann.

Die optimale Gasdurchflussrate hängt primär von der Schweißnahtgeometrie, der Schweißgeschwindigkeit, dem Strom, der Gasart und dem gewählten Werkstoffübergangsmodus ab. Das Schweißen ebener Oberflächen erfordert einen höheren Durchfluss als das Schweißen von gerillten Werkstoffen, da sich das Gas schneller verteilt. Höhere Schweißgeschwindigkeiten bedeuten im Allgemeinen, dass mehr Gas zugeführt werden muss, um eine ausreichende Schutzgasabdeckung zu gewährleisten. Darüber hinaus erfordert ein höherer Strom einen größeren Durchfluss, und im Allgemeinen wird mehr Helium als Argon benötigt, um eine ausreichende Schutzgasabdeckung zu erzielen. Besonders wichtig ist, dass die vier Hauptvarianten des GMAW-Schweißens unterschiedliche Anforderungen an den Schutzgasdurchfluss stellen: Für die kleinen Schmelzbäder der Kurzschluss- und Impulssprühverfahren sind im Allgemeinen etwa 10  l /min (20 ft³ ^/ h ) geeignet, während für den Kugelübergang etwa 15 l/min (30 ft³ ^/ h) bevorzugt werden. Die Sprühstrahlvariante benötigt aufgrund des höheren Wärmeeintrags und des damit verbundenen größeren Schmelzbads normalerweise mehr Gas, etwa 20–25 l/min (40–50 ft³ ^/ h). ^{[ 16 ]}

• Formiergas

• Schutzgashandbuch