Das Schweißen mit den Verfahren WIG, MIG und MAG erfolgt unter Schutzgasen. Diese schützen das geschmolzene und erhitzte Material vor dem Einfluss der Umgebungsluft. Eine weitere Aufgabe der Gase besteht darin, möglichst optimale Bedingungen für das Leuchten des Lichtbogens während des Schweißvorgangs zu schaffen. Gelangt während der Arbeit Luft in das Metall, führt der darin enthaltene Sauerstoff zu Oxidation, während Stickstoff zu Sprödigkeit oder Porosität des Materials führt. Da häufig Zweifel bestehen, welches Schweißgas gewählt werden soll, haben wir zu diesem Thema einen Artikel verfasst. Erfahren Sie, welche Brenn- und Schutzgase in der Schweißtechnik am häufigsten verwendet werden und bei welchen Verfahren sie zum Einsatz kommen.
Arten von Schweißgasen
In der Schweißtechnik werden Gase in zwei Gruppen eingeteilt – Brenngase und Schutzgase. Zu den Brenngasen zählen vor allem Propan und Acetylen, die zum Vorwärmen oder Richten ausgewählter Metallteile verwendet werden. Brenngase finden auch beim Gaslöten Anwendung. Sie weisen jedoch unterschiedliche Eigenschaften auf.
Propan (C3H8) wird vor allem beim Hartlöten verwendet (dabei wird es mit Sauerstoff gemischt) . Das Gas ohne Zusätze wird zum Weichlöten, zum Erwärmen und zum Umformen kleiner Teile verwendet. Propangas zeichnet sich durch eine hohe Verbrennungsreinheit aus und wird daher in verschiedenen Prozessen in der Landwirtschaft und Industrie eingesetzt.
Acetylen (C2H2) wird meist zum Schneiden längerer Werkstücke eingesetzt, ohne dass dabei häufige Arbeitsunterbrechungen erforderlich sind. In Verbindung mit Sauerstoff sorgt dieses Gas für eine hohe Verbrennungstemperatur, was ein um ein Vielfaches schnelleres Schneiden als bei der Verwendung von Propan ermöglicht. Acetylen ist schwerer als Luft und kann daher unter Tage eingesetzt werden; außerdem eignet es sich zum Schweißen von Stahl.
Schutzgase und deren Gemische schützen nicht nur den Schweißbereich vor Witterungseinflüssen, sondern haben oft auch einen wesentlichen Einfluss auf den Schweißprozess und die Qualität der entstandenen Schweißnaht. Zu den Schutzgasen zählen:
- Kohlendioxid (CO₂) – sorgt für eine sehr gute Kühlung des Schweißbrenners und schützt ihn so wirksam vor Überhitzung. Obwohl es sich um ein kostengünstiges Gas handelt, wird es beim Schweißen nicht mehr so häufig verwendet, da es zur Bildung großer Mengen an Rauch und Schweißstaub sowie zu Spritzern beiträgt. Außerdem weist die Schweißnaht schlechtere mechanische Eigenschaften auf. Kohlendioxid wird hauptsächlich als Bestandteil von Gasgemischen für das MAG-Schweißen verwendet;
- Argon (Ar) – zeichnet sich durch eine hohe Ionisationsfähigkeit im Lichtbogen aus. Dieses Gas ermöglicht eine hohe Strombelastung und wird dort eingesetzt, wo das Material Stickstoff oder Sauerstoff ausgesetzt ist. Argon bildet die Grundlage für die Herstellung von Schutzgasgemischen. Es wird häufig beim MIG- und WIG-Schweißen verwendet (standardmäßig wird es in der Reinheitsstufe 4,8 eingesetzt);
- Helium (He) – kann allein oder zusammen mit Argon verwendet werden. Das Gas ermöglicht eine höhere Schweißgeschwindigkeit und sorgt für eine gute Schweißnahtqualität. Ein Nachteil von Helium ist, dass es die Lichtbogenzündung erschwert, was jedoch durch eine Erhöhung des Durchflusses behoben werden kann;
- Stickstoff (N) – wird allein oder in Mischung mit Wasserstoff verwendet. Er wird vor allem zum Schweißen von austenitischen Stählen eingesetzt;
- Wasserstoff (H) – ist ein aktives Gas, das die Lichtbogenwärme und die Schweißgeschwindigkeit erhöht. Dank ihm entsteht eine qualitativ hochwertige Schweißnaht;
- Sauerstoff – ist ein geruchloses und farbloses Gas, das für den Verbrennungsprozess unverzichtbar ist (es handelt sich jedoch nicht um ein Schutzgas). Sein charakteristisches Merkmal ist seine hohe Reaktivität. Sauerstoff trägt zur Erhöhung der Schweißtemperatur sowie zu einer höheren Stabilität und Reinheit der Flamme bei. Er wird beim Lichtbogenschweißen eingesetzt und dient als Zusatz zu anderen Gasen.
Schutzgasschweißverfahren
Zu den Schutzgasschweißverfahren gehören: WIG, MIG-MAG. Was zeichnet jedes dieser Verfahren aus und worin unterscheiden sie sich? WIG (Tungsten Inert Gas) ist ein Verfahren, bei dem ein Lichtbogen mithilfe einer nicht schmelzenden Wolframelektrode (unter Schutzgas) erzeugt wird. Zu den Vorteilen zählen unter anderem: Sauberkeit und hohe Qualität der Schweißnaht, kein Spritzen von flüssigem Metall sowie eine einfache Kontrolle über das Schweißbad. Das WIG-Schweißen erfolgt meist unter Verwendung von Argon oder Helium. Der Lichtbogen zwischen der nicht schmelzenden Elektrode und dem zu schweißenden Werkstoff schmilzt dessen Oberfläche. Bei diesem Verfahren ist kein Zusatzwerkstoff erforderlich (falls es jedoch erforderlich ist, wird es manuell oder mithilfe eines automatischen Drahtvorschubs zugeführt).
Das MIG-Verfahren (Metal Inert Gas) ist ein Lichtbogenschweißverfahren unter Schutzgas, bei dem die Metalle durch Erhitzen mit dem Lichtbogen miteinander verbunden werden. Der Schweißprozess basiert auf dem Schmelzen des Elektrodendrahtes im Lichtbogen, der mit konstanter Geschwindigkeit von einer Spule abgewickelt wird. Das MIG-Verfahren wird zum Schweißen von Aluminium und dessen Legierungen sowie von Kupfer eingesetzt. Das MAG-Verfahren (Metal Active Gas) hingegen ist ein Schweißen mit einer schmelzenden Elektrode unter Schutzgasen wie Kohlendioxid oder einer Mischung aus Kohlendioxid und Argon. Auch in diesem Fall wird der Draht im Lichtbogen geschmolzen, der mit konstanter Geschwindigkeit von einer Spule abgewickelt wird. Der Unterschied besteht in der Verwendung eines anderen Schutzgases. Das MAG-Verfahren findet Anwendung beim Schweißen von Niedriglegierterstahl und Unlegierterstahl.
Gase für das WIG-Verfahren
Wir haben bereits erwähnt, dass für das WIG-Schweißen ein Inertgas benötigt wird. Meistens ist dies Argon, gegebenenfalls ein Gemisch aus Argon und Helium (insbesondere beim Schweißen von Kupfer, Aluminium und anderen Nichteisenmetallen). Helium allein wird sehr selten verwendet, obwohl es die Schweißgeschwindigkeit und die Wärmeenergie des Lichtbogens erhöht – manchmal wird es beim mechanisierten WIG-Schweißen eingesetzt. Der Grund dafür ist, dass unter normalen Schweißbedingungen mit Helium als Schutzgas Probleme bei der Aufrechterhaltung der Stabilität des Schweißlichtbogens auftreten können. Beim WIG-Verfahren hat die Qualität des Schutzgases einen außerordentlich großen Einfluss auf den Arbeitsablauf. Es wird daher empfohlen, Argon der Reinheitsstufe mindestens 4,0, am besten jedoch 4,5 oder 5,0 (die höchste Reinheitsstufe – 99,995 %) zu verwenden. Dieses Gas wird allein zum Schweißen von Titanstählen, Säurestählen und Aluminium eingesetzt.
MIG-Verfahren – welches Schutzgas für Kupfer und ähnliche Metalle?
Beim MIG-Schweißen kommen inerte Schutzgase zum Einsatz, also – genau wie beim WIG-Verfahren – Argon, Helium oder deren Gemische. Sie eignen sich zum Schweißen von Metallen, die zur Oxidation neigen. Dazu zählen: Kupfer, Aluminium, Magnesium, Titan, Zirkonium sowie deren Legierungen. Die Zusammensetzung des verwendeten Gases beeinflusst die Qualität des Gasschutzes, die Querschnittsform der Schweißnaht sowie den Wert der kritischen Stromstärke. Die Durchflussgeschwindigkeit muss so gewählt werden, dass ein ausreichender Schutz des Schweißlichtbogens und des Schmelzbades gewährleistet ist. Es gilt die Regel, dass pro Millimeter Durchmesser der Gasdüse ein Gasdurchfluss von 1 l/min erforderlich ist.
Gase für das MAG-Schweißverfahren
Das MAG-Schweißverfahren erfordert den Einsatz von aktiven Gasen – dazu gehören Kohlendioxid sowie Gemische, die neben CO₂ auch Sauerstoff, Argon und andere Gase enthalten. Die Verwendung eines Gemisches mit Kohlendioxid wird für das Schweißen von Edelstählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (0,03 %) nicht empfohlen. Für diese wird, ebenso wie für hochlegierte Stähle, in der Regel ein Gemisch aus Argon und Sauerstoff (1–3 %) verwendet. Zwar ist die Verwendung von CO₂ die kostengünstigste Option für Schutzgase beim MAG-Schweißen, doch in diesem Fall ist die Einstellung präziserer Schweißparameter erforderlich. Außerdem muss mit stärkerem Spritzbild und höherem Überlauf gerechnet werden.
Gase für das Gasschweißen
Das Gasschweißen, auch als autogenes Schweißen bezeichnet, ist eine der ersten entdeckten Methoden zum Verbinden von Metallen. Dieses Verfahren wird bis heute angewendet und besteht darin, die Kanten des zu schweißenden Materials mit einem Schweißbrenner aufzuschmelzen. Seine Flamme entsteht durch die Verbrennung von brennbaren Gasen und Sauerstoff. Bei diesem Verfahren kommt Acetylen zum Einsatz, deutlich seltener Propan oder Wasserstoff. Das Gasschweißen wird bei verschiedenen Sanierungs- und Reparaturarbeiten eingesetzt. Mit dieser Methode lassen sich dünne Rohre schweißen, z. B. solche, die Teil von Gas-, Fernwärme- oder Wasserinstallationen sind. Bei Aluminium, hochlegiertem Stahl und Kupfer wird diese Methode nicht angewendet, da die Schweißnaht nicht ausreichend fest ist (es sei denn, man verwendet geeignete Flussmittel, die dabei helfen, Oxidschichten zu entfernen).
Gase für das Plasma- und Gasschneiden
Das Plasmaschneiden wird zum Schneiden aller elektrisch leitfähigen Werkstoffe eingesetzt, d. h. dünner, mittlerer und dicker Bleche aus Aluminium und hochlegiertem Stahl. Dieses Verfahren wird auch zum Schneiden von feinkörnigem, hochfestem Baustahl empfohlen. Die Qualität des Plasmaschneidens wird hauptsächlich durch die Wahl der Gase beeinflusst. Meistens wird hierfür Druckluft verwendet, die aus einem Gemisch aus Stickstoff und Sauerstoff sowie anderen Gasen besteht. Manchmal wird auch Stickstoff eingesetzt, vor allem bei Nichteisenmetallen.
Das Gasschneiden, auch als Sauerstoffschneiden bezeichnet, ist ein Verfahren, bei dem Stahl auf Entzündungstemperatur erhitzt und anschließend unter Verwendung von Hochdruck-Sauerstoff oxidiert und das Material weggeblasen wird. Dieses Schneidverfahren wird ausschließlich bei Niedriglegierterstahl und Niedrigkohlenstoffstahl angewendet. Zum Erhitzen des Materials wird hauptsächlich Acetylen oder Propan verwendet. Das Sauerstoffschneiden ermöglicht das Trennen von Stahl mit einer Dicke von 3 mm bis zu 200 mm.
Gasflaschen – Größen und Typen
Gasflaschen zur Lagerung von Schweißgasen werden aus Edelstahl, hochkohlenstoffhaltigem Stahl, Aluminium oder Verbundwerkstoffen hergestellt. Je nach Hersteller und Gasart stehen meist Gasflaschen mit einem Fassungsvermögen von ca. 5 l bis zu 50 l zur Auswahl. Schweißgase werden geliefert in:
- Gasflaschen – der Innendruck erreicht 200 bar;
- Flaschenbündeln – dabei handelt es sich um mehrere fest miteinander verbundene Gasflaschen, sodass während des Betriebs kein Austausch der Behälter erforderlich ist;
- Kryogenbehälter – das sind große Behälter zur Lagerung von Gasen in flüssiger Form.
Kennzeichnung von Gasen
Gasflaschen müssen ordnungsgemäß gekennzeichnet sein. Die Erkennungsfarben wurden durch die europäische Norm EN-1089-3 festgelegt, die 1997 veröffentlicht wurde. Die entsprechende polnische Norm wurde 1999 eingeführt. Das auf der Gasflasche angebrachte Etikett muss folgende Angaben enthalten:
- Gefahrenhinweise und Sicherheitsempfehlungen (R- und S-Sätze);
- ADR-konforme (gemäß den Beförderungsvorschriften) Warnaufkleber;
- Chemische Formeln der Gase, ggf. der Gasgemische;
- Handelsname des Produkts;
- Vollständige Bezeichnung des Gases;
- EWG-Nummer für einkomponentige Gase oder die Angabe „Gasgemisch“;
- Hinweise des Herstellers;
- Kontaktdaten des Herstellers.
Je nachdem, welches Gas sich im Inneren befindet, hat die Gasflasche eine andere Farbe. So ist beispielsweise Acetylen kastanienbraun gekennzeichnet, Helium braun-grau, Gemische mit Wasserstoff rot-grau und Stickstoff schwarz-grau.
Flaschenregler
Ein Gasflaschen-Druckminderer ist ein Gerät, das dazu dient, den Druck des aus der Gasflasche austretenden Gases zu senken. Er ist auch nützlich, um den Druck auf einem konstanten Niveau zu halten, obwohl der Druck in der Gasflasche abfällt. Er ist ein wesentlicher Bestandteil einer Schweißanlage. Die unter hohem Druck in den Gasflaschen befindlichen Schweißgase können nicht direkt aus den Gasflaschen zum Schweißen verwendet werden, da dies dazu führen würde, dass flüssiges Metall aus dem Schweißbad herausgeblasen wird. Zudem muss das Gas im Schweißbrenner einen konstanten Druck aufweisen, während der Druck in der Gasflasche mit fortschreitender Entleerung sinkt. Um Schwankungen des Gasdrucks zu verhindern, wird ein Druckminderer eingesetzt. Dieses Gerät kann mit Manometern (die den Flaschendruck und den Arbeitsdruck anzeigen) oder einem Rotameter ausgestattet sein. Es handelt sich um einen Durchflussmesser, der einfach aufgebaut, aber äußerst empfindlich ist. Er besteht aus einem senkrecht stehenden, konischen Glasrohr und einem Schwimmer in Form eines Kegelstumpfs oder einer Kugel. Während der Durchströmung des Rotameters durch das Gas steigt der Schwimmer nach oben, bis der Gasdruck sein Gewicht ausgleicht. Dann entsteht zwischen dem Schwimmer und dem Rohr ein ringförmiger Spalt, durch den das Gas strömt.
Erwähnenswert sind auch die Gas-Einsparvorrichtungen. Ihre Aufgabe ist es, den Gasverbrauch beim Schweißen mit den Schweißverfahren MIG/MAG und WIG zu senken. Das Gerät wird am Auslassstutzen des Druckminderers montiert. Es funktioniert nach dem Prinzip, den maximalen Gasdurchfluss auf einen Grenzwert von ca. 15–20 l/ min und den Ausgangsdruck auf ca. 0,8 bar. Die größten Einsparungen lassen sich unter anderem beim Punktschweißen erzielen. Wenn wir den Durchflusswert für das Schutzgas am Sparventil einstellen, bleibt dieser Wert auch dann erhalten, wenn der Bediener beispielsweise den Durchfluss am Flaschenregler erhöht. Dadurch werden unnötige Gasverluste vermieden.
Welches Gas für Aluminium?
Zum Schweißen von Aluminium und seinen Legierungen im MIG- und WIG-Verfahren kann erfolgreich eine Argonvariante mit erhöhter Reinheit – 4,5 – verwendet werden (sie gilt als universelles Schutzgas). Einer der wesentlichen Vorteile von Argon ist seine chemische Inertheit, was bedeutet, dass es nicht zur Oxidation der Wolframelektrode (beim WIG-Verfahren) beiträgt und keine Reaktionen mit dem flüssigen Schweißbad eingeht. Ähnliche Eigenschaften weist Helium auf, das jedoch im Gegensatz zu Argon leichter als Luft ist. Dies kann sich negativ auf die Wirksamkeit des Schutzes des Schweißbads auswirken. Aus diesem Grund muss der Heliumdurchsatz beim Schweißen im Vergleich zu Argon um das 2- bis 3-fache erhöht werden. Dieses Gas ist für die Bearbeitung von Materialien mit beträchtlicher Dicke vorgesehen, da es eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und den Querschnitt der Lichtbogensäule vergrößert. Dadurch lässt sich auf einer großen Fläche ein tiefes Einbrennen bei geringem Übermaß an der Schweißnahtoberfläche erzielen.
Was Helium-Argon-Gemische betrifft (die sich ebenfalls gut zum Schweißen von Aluminium eignen), sollte der Heliumanteil von der Dicke des zu schweißenden Materials abhängig gemacht werden. Je dünner das jeweilige Bauteil ist, desto weniger Helium sollte im Gemisch enthalten sein. Da dieses Gas die Schutzwirkung des Schweißbads beeinträchtigen kann, sollte eine Erhöhung seines Anteils im Gemisch mit einer Erhöhung des Gasdurchsatzes an der Düse einhergehen.
Welches Gas für Stahl?
Das vielseitigste Gas zum Schweißen von Unlegierterstahl und Niedriglegierterstahl unterschiedlicher Dicke ist ein Gemisch aus Argon und 18 % Kohlendioxid. Es wird beim Kurzschluss-, Puls- und Spritzlichtbogenschweißen eingesetzt. Zum Schweißen der meisten hochlegierten Stähle wird hingegen ein Gemisch aus Argon und 2,5 % Kohlendioxid verwendet, das für geringe Spritzer- und Schlackebildung an der Schweißnaht sorgt. Beim Schweißen von austenitischem Stahl (im WIG- oder MAG-Verfahren) empfiehlt sich am besten ein Gasgemisch, das Stickstoff und 10 % oder 20 % Wasserstoff enthält. Letzteres gewährleistet den Schutz der Schweißnahtkante vor Oxidation, weshalb ein Schleifen oder Beizen nach dem Schweißen oft nicht erforderlich ist. In Duplex- und austenitischen Stählen wird Stickstoff als vorteilhafter Legierungsbestandteil angesehen, der die Kornvergrößerung bei Temperaturen über 900 °C begrenzt und den Austenit stabilisiert.
Wie lassen sich Fehler beim Schutzgasschweißen vermeiden?
Schon ein kurzer Moment der Unachtsamkeit reicht aus, um beim Schweißen einen Fehler zu begehen, der sich negativ auf die Qualität der ausgeführten Arbeit auswirkt. Beim Einsatz des Schutzgasschweißverfahrens müssen die Art des Werkstoffs und dessen Eigenschaften berücksichtigt und auf dieser Grundlage das richtige Gas oder Gasgemisch ausgewählt werden.
Der Schutzgasdurchfluss muss an die jeweilige Schweißarbeit und oft auch an die Größe der Gasdüse angepasst werden. Nach Beendigung des Schweißvorgangs muss das Gas noch relativ lange weiterströmen, um dem erstarrenden Schweißbad einen ausreichenden Schutz zu gewährleisten. Dadurch wird auch die Wolframelektrode vor Oxidation geschützt. Eine häufige Ursache für eine schlechte Schweißnahtqualität ist eine unzureichende Gasabschirmung des Schweißbads oder die Verwendung von Gas (oder eines Gemisches) von schlechter Qualität. Nicht selten kommt es auch vor, dass eine Gasflasche verwendet wird, die mit einem anderen Gas befüllt ist als zu Beginn, was sich ebenfalls negativ auf die Arbeitsergebnisse auswirken kann.
