Fomiergase: Wurzelschutz beim Schweißen

Wozu dient der Wurzelschutz?

Die Zufuhr von inerten Gasen durch eine Düse im Handbrenner schützt die äußere, sichtbare Schweißnaht beim Fügen vor Einschlüssen und Korrosion. Wenn Sie schon einmal beim Schweißen vergessen haben, die Gaszufuhr aufzudrehen, wissen Sie, dass ohne das schützende Gas keine Barriere zur Umgebungsluft vorhanden ist. Die Folge sind vermehrte Spritzer, die Bildung von Schlacke und eine poröse Schweißnaht. Schutzgase halten die sauerstoffhaltige Atmosphäre mit seiner korrodierenden Wirkung von der Schweißnaht fern. Die Naht kann unter dieser Schutzglocke auskühlen und Einschlüsse wie auch Verunreinigungen lassen sich vermeiden.
Ohne diesen Schutz sind die Nähte unsauber und in ihrer Stabilität erheblich beeinträchtigt.

Nachträglicher Wurzelschutz

Während des Schweißens nichtrostender Stähle oxidieren die erhitzten Nahtbereiche durch den Sauerstoff in der Umgebungsluft. Dies zerstört die Passivschicht des Stahls, wodurch er nicht länger vor Korrosion geschützt ist. Dieser Umstand ist nach dem Schweißen durch die typischen blauen Anlauffarben um die Naht herum zu erkennen. Diese Bereiche weisen eine verminderte Korrosionsbeständigkeit auf und sind anfällig für Oxidation und Lochfraßkorrosion. Letztere ist tückisch, da die kleinen punktförmigen Stellen sich oft lange unbemerkt trogförmig und weitflächig ausdehnen.

Zugängliche Stellen können behandelt werden

Zugängliche Stellen können nach der Wärmebehandlung mittels Bürsten oder durch verschiedenste Beizverfahren behandelt werden. Das Beizen von Edelstählen reinigt das Material gründlich und befreit es von Verunreinigungen. Es ermöglicht den Wiederaufbau einer gleichmäßigen Passivschicht. Je nach Konstruktion, Größe und Lage kommen unterschiedliche Beizprodukte zum Einsatz.

Bei nicht zugänglichen Stellen kommt Formiergas zum Einsatz

Sind die zu behandelnden Stellen nicht zugänglich (Rohre, Behälter und Körper mit Hohlräumen), setzen Konstrukteure inerte Gase wie Stickstoff (N) und Gasgemische mit Anteilen von Wasserstoff ein. Das Formiergas umströmt die Nahtbereiche von innen und sorgt dafür, dass die schützende Passivschicht erhalten bleibt. Zu beachten ist, dass das Formiergas den Sauerstoff in der umgebenden Atmosphäre so lange verdrängt, bis die Naht ausgekühlt ist. Erst dann kann keine Reaktion mehr stattfinden.

Was zeichnet ein Formiergas aus?

Formiergas ist ein Sammelbegriff. Er umfasst leicht reduzierende Gasgemische und solche mit Wasserstoffanteil. Dazu zählen unter anderem Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2). Nicht nur beim Schweißen, sondern auch bei anderen Arten der Wärmebehandlung von Metallen wie Löten, Walzen, Pressen und Glühen nutzt die Industrie Formiergase.

Exkurs: reduzierende vs. oxidierende Stoffe

Die Chemie unterscheidet zwischen reduzierenden und oxidierenden Stoffen.

Oxidierend wirkende Stoffe fördern eine Verbrennung, sind dabei jedoch selbst nicht brennbar. Dazu zählen Elemente wie Sauerstoff (O2), Fluor (F) und sauerstoffreiche Salze.

Demgegenüber stehen reduzierend wirkende Stoffe. Stickstoff (N) und wasserstoffhaltige Gemische sind unter anderem solche Stoffe, die reduzierend und damit oxidationshemmend wirken. Sie sind, salopp ausgedrückt, “gierig nach Sauerstoff”.

Welche Werkstoffe sind zu formieren?

Hochlegierte Werkstoffen (z. B. CrNi-Stähle und Ni-Legierungen) und nichtrostende Edelstählen sind nach einer Wärmebehandlung anfällig für Korrosion.

Folgende Materialien erfordern unter anderem die Nutzung von Formiergas zum Erhalt der Passivschicht und Korrosionseigenschaften.

• X10CrMoVNb9-1 (1.4903)
• X10CrWMoVNb9-2 (1.4901)
• X20CrMoV11-1 (1.4922)
• X12CrCoWMoVNb12-2-2 (1.4915)
• NiCr23Co12Mo (2.4663)

Bereits die geringste Oxidation dieser Werkstoffe verringert die Korrosionsbeständigkeit beträchtlich. Das ist durch die typischen Anlauffarben und Verfärbungen zu erkennen.

Doch Vorsicht: Schweißen Sie Titan und nutzen Formiergas mit Anteilen von Stickstoff, werden Sie eine gelbliche Verfärbung der Wurzel bemerken. Diese Verfärbung ist kein Hinweis auf Oxidation, sondern entsteht durch Bildung von Titannitrid.

Anwendung in der Industrie – das passende Formiergas wählen

Je nach zu behandelndem respektive zu fügendem Werkstoff, ist das passende Gas auszuwählen:

• Argon I1: Alle Werkstoffe
• Stickstoff N1: Austenitische CrNi-Stähle, Duplexstähle
• Stickstoff / Wasserstoff N5: Austenitische CrNi-Stähle
• Argon / Wasserstoff R2: Austenitische CrNi-Stähle, Nickel und Nickel-Basis-Werkstoffe
• Argon / Stickstoff N2: Austenitische CrNi-Stähle, Duplex- und Superduplexstähle

Das anzuwendende Gas hängt außerdem davon ab, welche Stärke der Werkstoff aufweist und wie der Werkstoffübergang beschaffen ist.

Fallendes und steigendes Formieren

Das Formiergas soll die Atmosphäre innerhalb eines hohlen Körpers verdrängen. Daher ist auf die Dichte des genutzten Gases zu achten.

• Gase, die leichter sind als Luft, für fallendes Formieren: Von oben ein- und unten abführen.
• Gase, die schwerer sind als Luft, für steigendes Formieren: Von unten ein- und oben abführen.

Die Wahl des Verfahrens richtet sich nach den speziellen Anforderungen an den Schweißvorgang.

Die Verwendung von Stickstoff

Stickstoff (N) ist zu 78 % in unserer Atemluft enthalten und liegt in der Natur zumeist als zweiatomiges Molekül vor (N2).

Stickstoff ist nicht giftig, führt in hohen Konzentrationen jedoch zu Erstickung. Da es farb- und geruchslos ist, wird der Austritt oft nicht bemerkt und kann innerhalb weniger Minuten zum Tod führen.

Stickstoff ist im Gegensatz zu Argon leichter als die Umgebungsluft und wird beim fallenden Formieren eingesetzt. Bei der Wurzelschutz Anwendung in Verbindung mit Duplexstählen wird dem Stickstoff im Vergleich zu Argon eine bessere Lochkorrosionsbeständigkeit nachgesagt.

Die Verwendung von Wasserstoff – Explosions- und Brandgefahr!

Ist Wasserstoff in Formiergasen enthalten, wirkt er reduzierend auf die Metalloxide und verhindert die Oxidation des Werkstoffes.
Vorsicht beim Umgang mit Gasen, deren Wasserstoffanteil über 5,5 % liegt: Ab diesem Punkt ist das Gas leicht entzündlich und es besteht Explosionsgefahr.
Überschreitet der Anteil an Wasserstoff 10 %, muss das Gas am Austrittspunkt abgefackelt oder verdünnt werden!

Spülzeiten

Die Spülzeiten variieren je nach Anwendungsfall und Querschnitt des zu spülenden Bauteils. Eine Restsauerstoffmessung kann helfen, die notwendige Menge Gas pro Minute zu bestimmen. Empfehlenswert ist ein Sauerstoffgehalt von ca. 20 ppm bis 50 ppm.
Die meisten Betriebe und Schweißer verlassen sich bei der Einstellung der Gaszufuhr jedoch auf ihre Erfahrung.

Während verminderte Spülzeiten zu Fehlern in der Wurzel führen, sind zu lange Spülzeiten aufgrund des erhöhten Gasverbrauchs unwirtschaftlich und gehen mit erhöhten Kosten einher.
Die optimale Menge lässt sich am besten durch einen Schweißversuch ermitteln. Um Verwirbelungen zu vermeiden, ist die Einströmgeschwindigkeit möglichst gering zu halten.

Vorrichtungen zum Formieren – Ein Praxisbeispiel

Ein typischer Anwendungsfall des Wurzelschutzes mittels Formiergas liegt vor, wenn mehrere Meter lange Rohre aus nichtrostenden Stählen zu fügen sind. Die Schutzgaszufuhr an der Mantelfläche ist durch den Handbrenner des Schutzgasschweißgerätes gewährleistet. Falls notwendig, könnte der Schweißer die Passivschicht des Werkstoffes mittels Beizverfahren nachträglich wiederherstellen. Im Falle der vorliegenden meterlangen Rohre ist die Naht jedoch nach dem Fügen von innen nicht mehr zu erreichen. Daher ist das Rohr vor dem Schweißvorgang mit Formiergas zu spülen.

Formieren: Vorrichtungen abhängig von Konstruktion des Werkstücks

Es gibt verschiedenste Vorrichtungen für den Formiervorgang. Konstruktionen mit aufwendigen Geometrien erfordern mitunter speziell konstruierte Abdichtungen sowie Ein- und Auslässe, um zu gewährleisten, dass das Bauteil bestmöglich ausgespült ist.

Für einfache Rohre, wie in diesem Beispiel, eignen sich Stopfen aus Kautschuk oder Silikon.
Um den Gasverbrauch zu minimieren, bietet es sich an, nur die Stelle zu spülen, die zu fügen ist. Dafür gibt es Formiergassysteme, die beidseitig über einen Dichtstopfen mit Doppellippe verfügen, die über eine Eisenstange miteinander verbunden sind.
Der Schweißer schiebt diese Konstruktion an die passende Stelle, nachdem er die Gaszu- und Abfuhr angeschlossen hat.

Nach dem Vorspülen beginnt der Schweißvorgang

Der Schweißvorgang kann nach ausreichender Vorspülzeit beginnen. Die Zufuhr des Gases muss langsam und stetig erfolgen, um Verwirbelungen zu vermeiden. Siebbleche oder Düsen aus Sintermetall eignen sich optimal, um eine geringe Strömungsgeschwindigkeit zu erzielen. Ist die Naht ausgekühlt, kann das System entweder weiter durchgeschoben, oder mithilfe eines Drahtseiles zurückgezogen werden.

Checkliste zum Formieren – worauf kommt es an?

Unabhängig davon, wie die Abdichtung erfolgt und welches Gas auf welche Art Anwendung findet, gibt es grundlegende Punkte, die beim Arbeiten mit Formiergas zu beachten sind.

• Die Auswahl des Formiergases nach Werkstoff und Lage der Schweißnaht
• Gewährleistung der Verdrängung des Sauerstoffes um den Bereich der Wurzel
• Aufrechterhaltung der Gaszufuhr während des Schweißvorgangs bis zum Auskühlen (ca. 200 – 300 °C)
• Gase die schwerer als Luft sind von unten zuführen
• Gase die leichter als Luft sind von oben zuführen
• Gaszufuhr muss langsam erfolgen, um Verwirbelungen zu vermeiden.
• Zu spülenden Raum aus wirtschaftlichen Gründen möglichst klein halten.
• Besondere Vorsicht bei entzündlichen Gasgemischen mit Wasserstoff (ab 5,5 % leicht entzündlich, ab 10 % abfackeln oder verdünnen!)
• Erstickungsgefahr beim Arbeiten mit Stickstoff beachten, ggf. Gasdetektor tragen

Bereits beim Heften ist auf eine ausreichende Verdrängung des Sauerstoffes zu achten. Beim Überschweißen der Heftpunkte bleibt bereits oxidiertes Material in der Wurzel zurück.

Fazit: Wurzelschutz durch Formiergas

Das Schweißen von Rohren, Behältern und anderen Hohlkörpern aus hochlegierten sowie nichtrostenden Stählen erfordert präzise Vorarbeit. Der Bau einer Konstruktion kann unter Umständen mehr Zeit in Anspruch nehmen als der eigentliche Schweißvorgang.
Haben Sie jedoch die Vorarbeit mit der nötigen Sorgfalt erledigt, das passende Gas ausgewählt und die zu fügende Stelle ausreichend abgedichtet, steht einer sauberen Schweißnaht nichts mehr im Wege und Sie erhalten eine Wurzel, mit bestmöglichen Korrosionseigenschaften.