Schutzgasschweißen: Richtig Gas geben

Das Schutzgas hat die Aufgabe, die Schweißstelle vor den Einwirkungen der atmosphärischen Luft zu schützen. Der Autor beschreibt, welches Gas für welche Werkstoffe geeignet ist.

Edelstahlrohr
Ein Edelstahl-Rohr mit vier Millimetern Wandstärke kann mit dem Schutzgasgemisch Tagonox 5 problemlos durchgeschweißt werden. Foto: Westfalen-Gruppe

Die wichtigsten physikalischen Eigenschaften der Schutzgase sind die Ionisierungsenergie, die Wärmeleitfähigkeit und das chemische Reaktionsverhalten. Die Ionisierungsenergie ist die Energiemenge, die nötig ist, um ein Elektron von einem Atom zu lösen und damit den Lichtbogen elektrisch leitfähig zu machen. Ist die Ionisierungsenergie gering, lässt sich der Lichtbogen leicht zünden und brennt stabil. Gase, die aufgrund ihrer geringen Ionisierungsenergie einen stabilen Lichtbogen erzeugen, übertragen auf der anderen Seite die Energie nicht so gut auf das Werkstück.
Ein anderer Mechanismus der Energieübertragung ist die Wärmeleitung, die von der Wärmeleitfähigkeit der Gase abhängt. Das chemische Verhalten der Gase unterteilt sich aus schweißtechnischer Sicht in inert, oxidierend oder reduzierend.

Die Art des Gases und der eingesetzten Elektrode ermöglichen eine Klassifizierung der Schutzgasschweißverfahren. Unterschieden wird zwischen Metall- und Wolfram-Schutzgasschweißen. Das Verfahren differenziert sich nach Art des verwendeten Gases in Metall-Aktivgas- (MAG) und Metall-Inertgas- (MIG) Schweißen. Im Gegensatz zur abschmelzenden Elektrode beim Metall-Schutzgasschweißen wird beim Wolfram-Schutzgasschweißen mit einer nicht abschmelzenden Wolfram-Elektrode gearbeitet. Dieses Verfahren gliedert sich ebenfalls zweifach: in Wolfram-Inertgas (WIG)-Schweißen und Wolfram-Plasma (WP)-Schweißen.

Kennen Sie die Gase

Argon ist das preislich attraktivste inerte Schutzgas. Daher kommt es häufig als Schutzgas für die inerte Abschirmung zum Einsatz. Benötigt der Schweißprozess jedoch viel Energie, kommt Argon nicht in Betracht. Es lässt sich zwar gut ionisieren, führt aber im Vergleich zu anderen Schutzgasen und argonreichen Mischgasen zu einem Spannungsabfall im Lichtbogen. Auch ist Argon ein schlechter Wärmeleiter, sodass ein starkes Temperaturgefälle im Lichtbogen entsteht; der Randbereich als Einbrand fällt daher gering aus.
Das zeitweise knapp und teuer gewordene Helium bietet gegenüber Argon eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit und damit eine gleichmäßigere Wärmeentwicklung im Lichtbogen. Die elektrische Leitfähigkeit ist gering, das Ionisationspotenzial höher als bei Argon, sodass mit höheren Lichtbogenspannungen gearbeitet werden muss. Deshalb ist das Schmelzbad heißer und dünnflüssiger und kann besser entgasen. Helium eignet sich daher ausgezeichnet zum Schweißen von gut wärmeleitenden Werkstoffen wie etwa Kupfer oder Aluminium. Wegen der geringen Dichte muss der Anwender allerdings einen höheren Gasverbrauch in Kauf nehmen.
Kohlendioxid besitzt eine starke Wärmeleitfähigkeit in den weniger heißen Randbereichen des Lichtbogens, die zu einer Kontraktion des stromführenden Kerns und einer hohen Energiedichte führt. Diese bewirkt den tiefen Einbrand. Durch die Dissoziation von Kohlendioxid im Lichtbogen findet eine Volumenvergrößerung statt, die die Schutzgaswirkung steigert. Außerdem wird gegenüber Argon mit einer erhöhten Schweißspannung gearbeitet, wodurch sich ebenfalls die Wärmeeinbringung erhöht. Insgesamt entsteht ein heißes Schmelzbad mit einem breiten und tiefen Einbrandprofil. Darüber hinaus fällt beim Einsatz von Kohlendioxid die Porenbildung sehr gering aus.

Berücksichtigen Sie die Wirkung

Schutzgasschweissen
Sagox 7S (links) erzielt beim MAG-Schweißen deutlich weniger Spritzer als das herkömmliche Argon-Kohlendioxid-Schutzgasgemisch Sagox 18 (rechts).

Sauerstoff ist Bestandteil zahlreicher aktiver Schutzgasgemische – allerdings mit einem Anteil von nur wenigen Volumenprozent. Der Sauerstoff im Schutzgas setzt die Oberflächenspannung des Schweißbades herab und sorgt so für ein besseres Benetzungsverhalten des Werkstoffs. Der Werkstoffübergang wird feintropfig und die Schweißnaht flach und feinschuppig. Bei höheren Sauerstoffgehalten im Schutzgas besteht allerdings das Risiko einer vorlaufenden, teilweise sehr flüssigen Schmelze. Nachteilig, je nach Menge des Sauerstoffs im Schutzgas, ist die Bildung von Metalloxiden (Schlacken auf der Oberfläche). Diese führen zu einer geringen Minderung der Festigkeit und Streckgrenze. Weitere Nachteile sind die teilweise fest haftenden Oxide am Rand und auf der Schweißnaht.
Wasserstoff besitzt aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeit eine ähnliche Wirkung auf die Einbrandform wie Helium. Auch kann der Anwender mit wasserstoffhaltigen Schutzgasen die Schweißgeschwindigkeit deutlich erhöhen. Wegen unerwünschter Porenbildung wird Wasserstoff aber nicht beim Schweißen von Aluminium eingesetzt. Auch der Einsatz bei un- und niedriglegierten Stählen sollte nur in Ausnahmefällen stattfinden – wegen des Risikos der Kaltrissigkeit.
Stickstoff, ein extrem reaktionsträges Schutzgas, kommt in der Schweißtechnik als Spülgas zur Inertisierung beim Formieren von hochlegierten Rohren zum Einsatz. Formiergase mit bis zu zehn Prozent Wasserstoff in Stickstoff (Formiergas 90/10) sind üblich. Bei höheren Wasserstoff-Anteilen muss abgefackelt werden. Ein weiteres Einsatzgebiet von Stickstoff ist die Anwendung bei hochlegierten austenitischen Chrom-Nickel-Stählen, die nach dem Schweißen unerwünschte Delta-Ferrit-Anteile enthalten – diese mindern die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnaht.
Generell ist eine steigende Nachfrage für stickstoffhaltige Schweißschutzgase festzustellen. Dabei wird dem inerten Schutzgas Argon meistens zwei bis drei Prozent Stickstoff zugemischt. Da Stickstoff austenitisierend wirkt, verringert er die Bildung des Delta-Ferrit-Anteils im Schweißgut. Die Basler-Norm II schreibt in diesem Fall einen Ferritgehalt von maximal 0,5 Prozent vor. Allerdings sollte der Anwender, mit Blick auf die Warmrissneigung und die Verformbarkeit, den Delta-Ferrit-Anteil nicht gänzlich auf Null schrauben.

Achten Sie auf homöopathische Beimischungen

Schweißgashersteller wie die Westfalen-Gruppe liefern Gasgemische mit homöopathischen Beimischungen von Stickstoffmonoxid und Stickstoff zum Schweißen von Aluminiumwerkstoffen. Früher kamen dafür reines Argon und je nach Anwendung auch Argon-Helium-Gemische zum Einsatz. Die Stickstoffmonoxid- und Stickstoff-Anteile sollen eine höhere Energieeinbringung bei gleichzeitiger Stabilisierung des Lichtbogens bewirken. Untersuchungen mit unterschiedlichen Komponenten ergaben eine optimale Zumischung von 300 parts per million (ppm) Stickstoffmonoxid und siebzig ppm Stickstoff. Je nach Blechdicke kann eine Zumischung von Helium die Schweißleistung noch weiter erhöhen.

Das MAG-Schweißen eignet sich zum Schweißen un-, niedrig- und hochlegierter Stähle. Im Wesentlichen müssen dabei der Zusatzwerkstoff und das Schutzgas dem Grundwerkstoff angepasst werden. Dabei finden Kombinationen aus inerten Schutzgasen wie Argon oder Helium mit Beimischungen von Kohlendioxid oder Sauerstoff oder Kombinationen aus diesen Gasen Anwendung.

Speziell zum WIG- und MIG-Schweißen von Aluminium hat die Westfalen-Gruppe Schweißschutzgase mit Anteilen von zehn, dreißig und fünfzig Prozent Helium in Argon und minimalen Beimischungen von Stickstoffmonoxid und Stickstoff entwickelt. Die Beimischungen sorgen für eine Fokussierung des Lichtbogens. Die gut wärmeleitenden Helium-Zugaben bewirken einen sehr tiefen Einbrand und erhöhen die Schweißgeschwindigkeiten.
Beim WIG-Schweißen muss aufgrund der nicht abschmelzenden Elektrode eigentlich mit inerten Gasen gearbeitet werden. Standard ist dabei immer noch Argon mit einer Reinheit von 4.6 (99,996 Volumenprozent). Argon überträgt jedoch aufgrund der geringen Ionisierungsenergie bei gleichzeitig niedriger Wärmeleitfähigkeit die Energie des Lichtbogens schlecht auf das Werkstück. Gefragt sind also Gase, die die Wärmeleitfähigkeit erhöhen.

Fazit: Verbessern Sie die Qualität und senken die Kosten
Keine Banalität, sondern fast schon eine Wissenschaft für sich ist die Wahl des richtigen Schweißgases. Das ist abhängig von zahlreichen Faktoren: Verfahren, Werkstoff oder Beschaffenheit der Bauteile. Ein Gas für alle Anwendungen gibt es leider nicht. Die Schweißtechnik-Experten der Hersteller unterstützen die Anwender dabei, ihre Schweißprozesse zu optimieren. Die Fachleute entwickeln individuelle, maßgeschneiderte Lösungen, die im Idealfall die Qualität verbessern und die Kosten senken.

Matthias Thumme 

Letzte Aktualisierung: 02.10.2018