Autor Dipl.-Ing./EWE Thomas AmmannDatum April 2012Verffentlicht in Deutschland

White Paper.Formieren beim Schweien.

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Inhalt.

1. Einfhrung. 3

2. Der Einfluss von Anlauffarben auf die Korrosionsbestndigkeit. 4

3. Einteilung und Wirkung der Wurzelschutzgase. 7

4. Auswahl des richtigen Wurzelschutzgases. 8

4.1. Werkstoffbezogene Eignung4.2. Dichte des Gases4.3. Wirtschaftliche Aspekte, Verfgbarkeit

5. Formiertechniken, Splleistung, Rohrlngeneinfluss. 10

6. Formiervorrichtungen und Messgerte. 12

6.1. Formiervorrichtungen6.2. Messgerte

7. Kondensationsbelge, Manganfahnen. 14

8. Gasfhrung in Schluchen. 16

9. Arbeitssicherheit beim Formieren. 17

10. Schrifttum. 19

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1. Einfhrung.

von Verfrbungen sind nur manuell zu bedienen und eher fr den Einsatz an kleineren Werkstcken praktikabel. Beim Strahlen und den anderen mechanischen Verfahren (Schleifen, Brsten) ist, sofern Zugnglichkeit besteht, manchmal der erforderliche Abtrag bzw. die Reinigungs wirkung in Frage gestellt. Zudem besteht immer die Gefahr, dass Arbeitsmittel fr nichtrostenden und unlegierten Stahl mitein-ander verwechselt werden. Wenn das passiert, knnen unlegierte Partikel die Oberflche des nichtrostenden Stahles verunreinigen, sodass die Passivschicht gestrt wird. Die Korrosionsbestndigkeit ist an diesen Stellen dann verloren.

Eine Alternative zu diesen Verfahren ist das Abschirmen der Nahtwurzel whrend des Schweiens mit einem Schutzgas das Formieren. Einige Aspekte der Anwendung und Besonderheiten diesesVerfahrens sind nachfolgend dargestellt.

Der wohl wichtigste Grund dafr, dass nichtrostende Sthle (Edel-sthle) so hufig verwendet werden, ist ohne Zweifel ihre Korrosions-bestndigkeit. Um die Betriebssicherheit von geschweiten Konstruk-tionen aus solchen Sthlen unter korrosiven Bedingungen zu gewhr leisten, ist es notwendig, die besonderen Eigenschaften dieser Werkstoffe auch bei der Herstellung von Schweiverbindungen zu erhalten. Unter der Einwirkung von Wrme (aus dem Schweiprozess) und Sauerstoff (aus der umgebenden Luft) kommt es bei nichtrosten-den Sthlen und anderen Werkstoffen wie z. B. Titan zur Bildung sogenannter Anlauffarben. Diese Anlauffarben, bunte Verfrbungen imSchweinahtbereich, knnen die Korrosionsbestndigkeit hoch-legierter Werkstoffe stark beeintrchtigen und mssen normalerweise entfernt bzw. vermieden werden.

Bei den Methoden zur Entfernung von Anlauffarben wird zwischen chemischen, elektrochemischen und mechanischen Verfahren unter-schieden. Das Beizen, ein rein chemischer Prozess, bei dem die Anlauffarben und sonstige Verunreinigungen mit einem Gemisch verschieden er Suren von der Werkstckoberflche entfernt werden, kann aus Grnden des Umweltschutzes oder der Zugnglichkeit nicht immer eingesetzt werden. Gerte zum elektrochemischen Entfernen

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Noch kritischer ist die Lochkorrosion, auch Lochfra oder Pitting genannt. Sie kann auftreten, wenn durch bestimmte chemisch aggres-sive Medien, z. B. Salzwasser, die Passivschicht punktfrmig geschdigt wird. Dann setzt sich die Korrosion im Werkstoffinneren fort und kann kavernenartige Aushhlungen verursachen (Bild 1). Anlauffarben, die beim Schweien hufig auftreten, begnstigen die Bildung von Loch-korrosion ganz enorm. Daher sollten Anlauffarben immer entfernt, oder besser noch, von vornherein ganz vermieden werden. Nur so bleibt der schne (und teure!) korrosionsbestndige Stahl auch wirklich korrosi-onsbestndig.

Es gibt noch weitere Korrosionsformen, die bei nichtrostenden Sthlen eine Rolle spielen, die im Rahmen dieses Textes jedoch unkommentiert bleiben sollen.

Anlauffarben entstehen bei gleichzeitiger Einwirkung von Wrme und Sauerstoff. Sie zeigen sich als bunte Verfrbungen parallel zur Schweinaht. Bei der Bildung von Anlauffarben wird die normale Pas-sivschicht des Werkstoffs durch Oxidations- und Diffusionsvorgnge verndert, und zwar sowohl in ihrer Dicke als auch in ihrem inneren Aufbau. Die Dicke der Oxidschicht kann, je nach Bildungstemperatur und Sauerstoffangebot, auf bis zu 300 nm anwachsen. Ein zuverlssiger Korrosionsschutz ist durch eine solche, vernderte Oxidschicht nicht mehr gegeben! Bild 2 zeigt den Unterschied zwischen einer gut for-mierten (links) und einer vllig ungeschtzten Nahtwurzel (rechts), die in dieser Form nicht mehr korrosionsbestndig ist. Es handelt sich in beiden Fllen um das gleiche Material, geschweit wurde mit gleichen Parametern.

Anzumerken ist, dass man im Falle des schwarz oxidierten Bereiches im linken Bild sinnvollerweise nicht mehr von einer Anlauffarbe spricht, sondern von verzundertem oder verbranntem Material, denn eine bloe Anlauffarbe ist in der Regel noch reparabel, etwa durch Brsten

Die Korrosionsbestndigkeit der nichtrostenden Sthle wird durch eine sehr dnne, festhaftende, aber empfindliche Chromoxidschicht auf der Oberflche bewirkt, die sich unter Sauerstoffeinwirkung (z. B. an der Luft) selbststndig bildet und die als Passivschicht bezeichnet wird. Die Bildung dieser Passivschicht erfolgt erst bei Chromgehalten von mehr als ca. 11 %, ihre Dicke betrgt etwa 5 bis 10 nm. Zum Vergleich: die Dicke der Passivschicht auf einem 3 mm-Edelstahlblech entspricht in etwa der Dicke einer Spielkarte auf dem Dach eines 30-stckigen Hau-ses!

Wird die Schicht zerstrt oder beschdigt, etwa indem man sie einritzt, baut sie sich nach kurzer Zeit wieder auf, sofern die Bildung nicht durch andere Oberflchenbelge gestrt wird und ein ausreichendes Sauer-stoffangebot vorhanden ist.

Mit einem hufigen Missverstndnis soll gleich zu Beginn aufgerumt werden: Dass nichtrostende Sthle nicht in blicher Weise rosten, heit nicht, dass sie nicht korrodieren knnen! Nichtrostend bedeutet in diesem Zusammenhang, dass diese Sthle nicht wie z. B. Baustahl fl-chig verrosten. Dafr gibt es aber einige andere Korrosionsformen, fr die der nichtrostende Stahl anfllig ist, und dies je nach Legierung mehr oder weniger stark.

Hier wre etwa die Spaltkorrosion zu nennen, die in engen Spalten auftreten kann, z. B. unter Unterlegscheiben, an Flanschverbindun-gen oder an nicht durchgeschweiten Schweinhten. Sie kann immer dann auftreten, wenn anfallende Korrosionsprodukte durch die Enge des Spaltes nicht abtransportiert werden knnen, sodass auch keine Luft mehr an den Werkstoff gelangt und sich die Passivschicht nicht neu bilden kann. Spaltkorrosion kann man durch geeignete konstruk-tive Manahmen in den Griff bekommen, indem z. B. Spalte ganz ver-mieden werden.

2. Der Einfluss von Anlauffarben auf die Korrosionsbestndigkeit.

Bild 1: Fortgeschrittene Lochkorrosion im Schweigut einer WIG-Schweiverbindung an nichtrostendem Stahl (Quelle: SLV Mnchen, Fr. Weilnhammer)

Bild 2: Geschtzte (links) und ungeschtzte (rechts) Nahtwurzel. WIG-manuell, nichtrostender Stahl

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Bild 3: Lochkorrosionspotenziale in Abhngigkeit der Oxidschicht-dicke [1] (WS = Wirksumme = %Cr + 3,3 %Mo + 30 %N2)

1.4462 (WS: 37) 1.4571 (WS: 25) 1.4301 (WS: 18)

oder Beizen etc. Verzunderte Bereiche hingegen knnen auch durch Beizen nicht mehr auf bestndig getrimmt werden, das Material ist zerstrt.

Hufig wird von Verarbeitern die Frage gestellt, welche Anlauffarbe denn noch belassen werden darf, ohne die Korrosionsbestndigkeit zu gefhrden. Bild 3 zeigt den Verlauf des Lochkorrosionspotenzials in Abhngigkeit von der Dicke der Oxidschicht fr drei gebruchliche CrNi-Werkstoffe, nmlich einen CrNi-Stahl in Standardqualitt (1.4301), einen Titan-stabilisierten CrNiMo-Stahl (1.4571) sowie einen Duplex-stahl (1.4462). Die fr jeden dieser drei Werkstoffe angegebene Wirk-summe (WS, auch bekannt als PRE = Pitting Resistance Equivalent) dient der Abschtzung der Bestndigkeit gegenber Loch- und Spalt-korrosion. Sie wird ermittelt aus den Gehalten des Werkstoffes an Chrom, Molybdn und Stickstoff.

Fr diesen Versuch wurden die Anlauffarben flchig im Glhofen unter kontrollierter Atmosphre erzeugt und anschlieend einer elektro-chemischen Korrosionsuntersuchung unterzogen. Das Ergebnis die-ser Untersuchung ist das Lochkorrosionspotenzial, eine elektrische Kenngre, die angibt, wie widerstandsfhig ein Werkstoff gegen-ber Lochkorrosion ist; je hher das Potenzial, desto hher die Bestn-digkeit. Die Lochkorrosionspotenziale der unbeeinflussten Grund-werkstoffe liegen bei ca. 550 mV, 750 mV bzw. 1400 mV, also etwa in gedachter Verlngerung der Linien zu niedrigeren Temperaturen hin (gepunktete Linien). Die Grafik zeigt deutlich, dass im Bereich der gel-ben Anlauffarben (Bildungstemperatur zwischen 200 C und 400 C) die Lochkorrosionsbestndigkeit kaum beeintrchtigt wird. Im Bereich der roten bzw. rotbraunen Farbe (400 C bis 800 C) sinkt dagegen das Potenzial dramatisch ab, und zwar bei allen drei Werkstoffen auf den gleichen niedrigen Wert. Das bedeutet, dass fast alle CrNi-Werkstoffe im Bereich einer roten Anlauffarbe gleich unbestndig sind, und zwar unabhngig von ihrer Legierungszusammensetzung. Zu hheren Bil-

dungstemperaturen hin steigt das Lochkorrosionspotenzial wieder stark an. Die dort erreichten Werte sind beinahe so hoch wie die der jeweiligen unbeeinflussten Grundwerkstoffe.

Die blaue Anlauffarbe ist also, fr sich alleine betrachtet, sogar nen-nenswert bestndig. Allerdings entstehen beim Schweien immer Tem-peraturverlufe zwischen Schmelztemperatur des Stahles einerseits und Raumtemperatur andererseits. Das hat zur Folge, dass berall dort, wo eine blaue Anlauffarbe auftritt, zwangslufig auch eine Rote zu finden ist, mit den beschriebenen Auswirkungen hinsichtlich der Kor-rosionsbestndigkeit. Die Magabe kann also nur lauten, dass gelbe Anlauffarben in den meisten Fllen belassen werden knnen (je hel-ler, desto besser), alle anderen Farbtnungen aber die Bestndigkeit