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Beschermgas
Dieser Artikel beschreibt nur Gase, die beim Schweißen verwendet werden. Schutzgase in der Lebensmitteltechnik siehe Schutzatmosphäre.

Schutzgas (ebenfalls Schutzgas bezeichnet als) ist Gas, das in der Schweißen, mit dem Ziel, das zu schweißende Werkstück vor unerwünschten Einflüssen aus der Umgebung zu schützen. Gase aus der Umgebung können die Arbeit erledigen brennen (Sauerstoff) aber sie können beispielsweise auch porös machen (Stickstoff-, Wasserstoff). Neben dieser Schutzfunktion kann das Gas auch unterstützende Wirkungen haben, beispielsweise den Schweißprozess verbessern oder die Schweißqualität beeinflussen.

Schutzgas wird hauptsächlich verwendet für Lichtbogenschweißen, aber auch mit anderen Schweißverfahren, wie z Laserschweißen. Zum Schutz vor unerwünschten Einflüssen werden beim Lichtbogenschweißen übrigens auch andere Verfahren eingesetzt: OP-Schweißen wird besonders Pulver angewendet und bei Elektrodenschweißen die Elektrodenbeschichtung selbst bildet beim Schweißen ein Schutzgas.

Eigenschaften

Schutzgase haben alle möglichen Eigenschaften, von denen einige wünschenswert und andere unerwünscht sind. Dies kann je nach Schweißverfahren und verwendetem Material unterschiedlich sein.

  • Wärmeleitung: Das Gas muss die Wärme effektiv auf das Werkstück übertragen können.
  • Dichte: Ein Gas, das leichter als Luft ist (z. B. Helium) wird nicht so gut an Ort und Stelle bleiben wie schwerere Gase.
  • Ionisierbarkeit: Ein schwer zu ionisierendes Gas benötigt eine höhere Spannung, um einen Lichtbogen zu bilden.
  • bei CO2-Laserschweißen kommt a Plasma frei, dass die Infrarotstrahlung des Lasers absorbiert; ein schutzgas hat auch die funktion, dieses plasma zu verdrängen, damit der laserstrahl das werkstück weiter erreichen kann.

Die verschiedenen Schutzgase

Schutzgase lassen sich in zwei Hauptgruppen einteilen: inerte und teilweise inerte Gase.

  • Die einzigen zwei Inertgase von wirtschaftlichem Interesse zum Schweißen sind die EdelgaseHelium und Argon.
  • Die semi-inerten oder aktiven Gase umfassen viele Gase, einschließlich Kohlendioxid, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff.

Wird oft Mischungen der verwendeten Gase. Einige Gase (z. B. Sauerstoff) haben eine schädliche Wirkung, wenn sie in hoher Konzentrationen verwendet werden, aber positive Wirkungen haben, wenn sie in kleinen Mengen verwendet werden.

Helium

Helium ist zusammen mit Kohlendioxid das erste Schutzgas, das Anfang des 20. Jahrhunderts zum Schweißen verwendet wurde Zweiter Weltkrieg.

Helium ist ein Edelgas. Es ist eines der teuersten Schutzgase im Einsatz. Es reagiert nie chemisch mit anderen Substanzen und bietet daher auch bei sehr hohen Temperaturen einen hervorragenden Schutz. Es ist leichter als Luft und steigt daher schnell auf. Zum Schutz des Schweißbades ist daher ein relativ großer Vorrat erforderlich. Die Wärmeleitfähigkeit ist groß: etwa das Zehnfache von Argon und Kohlendioxid. Helium ionisiert nicht schnell, daher gibt es ein Hoch elektrische Spannung benötigt, um einen Bogen zu erzeugen, und dieser Bogen ist relativ instabil. Aufgrund der Kombination der hohen Wärmeleitfähigkeit und der verwendeten Hochspannung bewirkt Helium eine tiefe Penetration.

Reines Helium erzeugt einen unangenehm instabilen Lichtbogen. Daher wird es in der Regel vor der Verwendung mit Schweißen vermischt. "Tri-Mix"[1] ist eine Mischung aus Helium mit 5-10% Argon und 2-5% Kohlendioxid. Diese Mischung eignet sich besonders für dicke Schweißnähte in rostfreier Stahl, Aluminium und andere Nichteisenmetalle. Gerade beim Schweißen von Metallen, die selbst eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen (Kupfer und Aluminium), ist es wichtig, dass der Wärmeeintrag groß ist, was am besten mit Helium möglich ist. Beim Schweißen von niedriglegierten Stahl Helium wird nicht verwendet, da es einen unregelmäßigen Lichtbogen und Spritzer erzeugt.

Bei CO2 Bei Lasern hat Helium die zusätzliche Funktion, das durch den Laserstrahl gebildete Plasma wegzublasen und das Licht des Laserstrahls zu absorbieren. Die Tatsache, dass Helium selbst schwer zu ionisieren ist, ist hier eine wünschenswerte Eigenschaft.

Argon

In der Industrie wird dieses Gas "das große A" genannt, weil es weit verbreitet ist. Argon ist etwas schwerer als Luft, daher ist es weniger wahrscheinlich, dass es startet. (Natürlich steigt sie noch, weil warme Gase weniger wiegen als kalte.) Dadurch wird eine wesentlich geringere Zufuhr benötigt als bei Helium. Die Wärmeleitfähigkeit von Argon ist viel geringer als die von Helium. Argon hingegen ionisiert viel leichter und verleiht ihm einen angenehm stabilen Lichtbogen.Argon wird beim Schweißen von Aluminium und anderen NE-Metallen oft unvermischt verwendet, aber auch gemischt. Zum Beispiel werden manchmal 25-50% Helium für eine tiefere Penetration hinzugefügt. Außerdem werden geringe Mengen Sauerstoff oder Kohlendioxid zugesetzt, um den Lichtbogen zu stabilisieren und ein Auffächern zu verhindern.

Argon wird auch als Schutzgas beim Schweißen mit Nd:YAG-Lasern verwendet.

Kohlendioxid

Kohlendioxid (CO2) hat gute Wärmeübertragungseigenschaften, nicht insbesondere aufgrund der spezifische Wärme oder die Wärmeleitfähigkeit, sondern weil sie im Schweißlichtbogen liegt dissoziiert und wieder auf der kälteren Metalloberfläche rekombiniert und gibt Wärme ab. CO2 ist sehr billig und ergibt einen sehr tiefen Schnitt, aber einen etwas instabilen Lichtbogen und intensive Spritzer und Rauch. Weil CO2 dissoziiert teilweise, freier Sauerstoff ist vorhanden, der mit dem Metall reagiert und mehr produziert Schnecke wird gebildet.

CO2 wird in reiner Form verwendet (nur mit Widerstandsschweißen) oder in Mischungen mit Argon, um zum Beispiel schlimmste Spritzer zu vermeiden Beim Schweißen von nichtrostenden Stählen, bei denen der Kohlenstoffgehalt begrenzt werden muss, kommt der oben erwähnte Trimix zum Einsatz, der nur einen geringen Anteil an CO . enthält2 enthält.

Sauerstoff

Sauerstoff wird manchmal in geringen Mengen (2-5%) dem Schutzgas, insbesondere Argon, zugesetzt. Es stabilisiert den Lichtbogen und senkt die Oberflächenspannung des Schmelzbades, was zu glatteren Schweißnähten führt Es wird beim Spritzschweißen von Leichtmetall-Kohlenstoff- und rostfreien Stählen verwendet. Sauerstoff führt naturgemäß zu einer stärkeren Oxidation, so dass mehr Schlacke entsteht.Manchmal wird – bei Kohlenstoffstählen – auch CO hinzugefügt.2 eingemischt für tieferes Eindringen.

Ein Sauerstoffüberschuss erzeugt zu viel Schlacke und kann die Schweißnaht spröde machen.

Stickstoff

Beim Schweißen einiger nichtrostender Stähle wird Stickstoff verwendet. Es ist ein sehr billiges Gas. Stickstoff steigt ebenso wie CO2 die Einschweißtiefe und stabilisiert zusätzlich den Lichtbogen. Bei Kohlenstoffstählen erhöht es jedoch die Porosität. Es werden alle Arten von Mischungen mit Stickstoff verwendet, zum Beispiel zusammen mit Argon und CO2, oder mit Wasserstoff.

Stickstoffhaltige Stähle verwenden stickstoffhaltige Schutzgase, um den verdampften Stickstoff zu kompensieren. (Stickstoff wird Stahl in kleinen Mengen für die mechanische Festigkeit und Gegen Lochfraßkorrosion; Englischer Begriff: 'pitting'.)

Manchmal wird beim Laserschweißen auch reiner Stickstoff anstelle von Helium verwendet, aber bei einigen Stählen ist dies nicht möglich, da es zu Sprödigkeit in der Schweißnaht kommen kann.

Wasserstoff

Die Zugabe von Wasserstoff zum Schutzgas führt zu einem engeren Lichtbogen und einer höheren Lichtbogentemperatur, so dass eine tiefere Schweißnaht erreicht werden kann.

Wasserstoff wird beim Schweißen von Nickel und dickem Edelstahl verwendet. Es erhöht die Fließfähigkeit des Schweißbades und reinigt die Oberfläche. Es kann jedoch bei vielen Stahlsorten nicht verwendet werden, da es insbesondere bei Kohlenstoffstahl zu Sprödigkeit führen kann. Es wird normalerweise in Konzentrationen unter 10 % verwendet, beispielsweise zu Argon hinzugefügt. Manchmal in Kombination mit CO2, wo der Wasserstoff die oxidierende Wirkung des Kohlendioxids ausgleicht. Beim Schweißen von Kupfer kann es in höheren Anteilen (bis zu 25 %) verwendet werden, jedoch nicht bei Stahl, Magnesium und Aluminium, da es zu Sprödigkeit führen kann. Biene Schweißen mit atomarem Wasserstoff reines Wasserstoffgas verwendet wird.

Stickoxid

Zugabe von Lachgas reduziert die Produktion von Ozon. Es wird auch zur Stabilisierung des Lichtbogens beim Schweißen von Aluminium und hochlegierten Edelstählen verwendet.

Schwefelhexafluorid

Schwefelhexafluorid wird beim Schweißen von Aluminium zugesetzt, um Wasserstoff einzufangen und somit Porosität zu verhindern.

Dichlordifluormethan

Dichlordifluormethan (Freon-12) wird auch als Wasserstofffänger verwendet, insbesondere beim Schweißen von AluminiumLithiumLegierungen.

Erdgas

Manchmal Erdgas als Schutzgas verwendet. Beim Schweißen verbrennt es und entzieht der Umgebung Sauerstoff, damit das Werkstück nicht verbrennt. Dies geschieht besonders bei Abbrennschweißen.

Formiergas

Beim Schweißen wird ein Werkstück so heiß, dass manchmal die „Rückseite“ (die dem Schweißen gegenüberliegende Seite) so stark erhitzt wird, dass sie geschützt werden muss. Da die Temperatur dort deutlich weniger ansteigt als an der „Front“ und kein Plasma gebildet wird, kann oft ein billigeres Aktivgas verwendet werden. Solche Gase heißen Formiergas oder Stützgas. Oft wird hierfür eine Mischung aus Stickstoff mit einem geringen Wasserstoffanteil (<10%) gewählt, aber manchmal - zum Beispiel beim Schweißenlassen Titan - dort wird auch Argon benötigt.

Eine zusätzliche Funktion des Formiergases ist die Kühlung des Werkstücks.

Formiergas wird auch als Spurengas zur Lecksuche verwendet. Hier wird ein Wasserstoff-Lecksucher eingesetzt, um den Wasserstoffanteil im Formiergasgemisch zu erfassen.

Anwendungen

Die Wahl des Schutzgases wird oft in erster Linie aus Kostengründen getroffen: den Kosten des Gases und der Ausrüstung. Insbesondere die Edelgase sind teuer, so dass für den industriellen Einsatz immer nach billigeren Gemischen gesucht wird.

Schutzgase haben keine Wirkung bei starker Luftbewegung, insbesondere im Freien. In diesem Fall können Sie Elektrodenschweißen oder Fülldrahtschweißen bevorzugt werden.

Natürlich muss immer nach Gasen oder Gasgemischen gesucht werden, die das Werkstück ausreichend schützen, keine Versprödung verursachen und die Schweißelektrode selbst nicht angreifen.

Siehe auch