Die Chemie hinter GMAW-Elektroden aus unlegiertem Kohlenstoffstahl

Die Auswahl einer Elektrode aus unlegiertem Kohlenstoffstahl kann die Arbeitsproduktivität und die gesamten Schweißkosten erheblich steigern oder verringern – weshalb es für Schweißer wichtig ist, die Chemie hinter dem Zusatzwerkstoff zu verstehen. Bilder: ESAB

Anwendungsexperten werden oft gefragt: „Welcher ist der beste MIG-Draht?“ Die Antwort auf diese Frage beim Metall-Schutzgasschweißen (GMAW) lautet immer: „Eine Lösung, die den erforderlichen Schweißvorschriften, mechanischen Eigenschaften und Schweißverfahrensspezifikationen entspricht.“

Allerdings müssen Hersteller neben der Erfüllung der technischen Anforderungen auch die gesamten Schweißkosten berücksichtigen. Der Arbeitsaufwand macht durchschnittlich 75 bis 85 % der gesamten Schweißkosten aus, während Zusatzmetalle etwa 10 % ausmachen. Die Auswahl des optimalen Schweißzusatzwerkstoffs kann die Arbeitsproduktivität und die Gesamtschweißkosten erheblich steigern oder verringern.

Im Folgenden finden Sie einen Überblick darüber, wie sich die Chemie des Zusatzwerkstoffs auf die Schweißergebnisse auswirkt. Dabei liegt der Schwerpunkt auf Elektroden zum Schweißen von unlegiertem Kohlenstoffstahl (Sorte A36), da es sich dabei um die am häufigsten verwendeten Elektroden handelt und die meisten Menschen zuerst lernen, damit umzugehen.

Die American Welding Society (AWS) klassifiziert Kohlenstoffstahlelektroden (siehe Abbildung 1). Diese Elektroden haben eine Mindestzugfestigkeit des Schweißguts von 70.000 PSI und eignen sich daher zum Schweißen von A36-Stahl an sich selbst oder an andere Kohlenstoffstahlsorten (Sie müssen nur A36 anpassen, da dieser die niedrigste Festigkeit aufweist).

Bei der Formulierung von Kohlenstoffstahlelektroden kontrollieren die Hersteller bis zu 17 verschiedene Rohelemente (siehe Abbildung 2). Die drei Hauptlegierungselemente sind Kohlenstoff, Mangan und Silizium. AWS gibt die Mindest- und Höchstmengen dieser Elemente an, Hersteller können jedoch Leistungsmerkmale hervorheben, indem sie die Chemie kontrollieren.

Kohlenstoff (C) beeinflusst die strukturellen und mechanischen Eigenschaften stärker als jedes andere Element. Bei ER70-Elektroden liegt der Kohlenstoffgehalt normalerweise zwischen 0,05 % und 0,12 %, wodurch die Festigkeit des Schweißmetalls gewährleistet wird, ohne die Duktilität, Zähigkeit und Porosität zu beeinträchtigen.

Hersteller fügen andere Legierungen hinzu, um die Desoxidation der Schweißpfütze zu kontrollieren und die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht zu bestimmen. Unter Desoxidation versteht man die Verbindung eines Elements mit Sauerstoff aus der Schweißpfütze, was zur Bildung von Schlacke oder Silikatinseln auf der Schweißoberfläche führt. Durch die Entfernung von Sauerstoff aus der Pfütze wird dieser als Ursache für die Porosität des Schweißguts beseitigt.

Silizium (Si) ist das häufigste desoxidierende Element; Je nach Verwendungszweck enthalten Elektroden in der Regel 0,45 % bis 1 % der Legierung. In diesem Prozentbereich weist Silizium eine sehr gute Desoxidationsfähigkeit auf. Eine Erhöhung des Siliziumgehalts erhöht die Schweißnahtfestigkeit bei nur geringfügiger Abnahme der Duktilität und Zähigkeit. Allerdings kann Schweißgut bei mehr als 1 % bis 1,2 % Silizium rissempfindlich werden. Die Legierung beeinflusst auch die Fließfähigkeit der Pfütze.

Mangan (Mn) ist auch ein häufiges Desoxidationsmittel und Stärkungsmittel. Mangan macht 1 bis 2 % der Weichstahlelektroden aus. Eine Erhöhung des Mangangehalts erhöht die Festigkeit des Schweißguts stärker als bei Silizium. Mangan verringert auch die Empfindlichkeit des Schweißguts gegenüber Heißrissen.

Aluminium (Al), Titan (Ti) und Zirkonium (Zr) sind sehr starke Desoxidationsmittel. Diese Elemente werden manchmal in sehr kleinen Dosen zugesetzt, normalerweise nicht mehr als 0,2 % zusammen. In diesem Bereich wird eine gewisse erhöhte Festigkeit erreicht.

ABBILDUNG 1. AWS klassifiziert Kohlenstoffstahlelektroden anhand von Faktoren wie Zugfestigkeit und chemischer Zusammensetzung.

Andere Elemente wie Nickel (Ni), Chrom (Cr) und Molybdän (Mo) werden häufig hinzugefügt, um die mechanischen oder Korrosionsbeständigkeitseigenschaften zu verbessern. In geringen Mengen können sie in Kohlenstoffstahldrähten verwendet werden, um die Festigkeit und Zähigkeit der Ablagerung zu verbessern.

GMAW-Elektroden für Weichstahl enthalten üblicherweise den Buchstaben S (was darauf hinweist, dass es sich um eine Massivelektrode handelt) und entweder eine numerische Bezeichnung (2 bis 7) oder den Buchstaben G. Die am häufigsten verwendeten Elektroden sind S-3 und S-6.

Hier finden Sie eine kurze Anleitung dazu, was diese Elektrodenbezeichnungen bedeuten und warum sie beliebt sind. Außerdem finden Sie Hinweise zu anderen Elektrodenchemikalien, die Ihnen bei der Auswahl helfen sollen.

„Dreifach desoxidierte“ S-2-Elektroden enthalten Aluminium, Titan und Zirkonium (zusätzlich zu Mangan und Silizium) und sind für das Schweißen über Rost und Walzzunder konzipiert. Die weniger flüssige Schweißpfütze erleichtert die Kontrolle bei Verwendung außerhalb der Position und macht ihn zu einem bevorzugten Draht für das Schweißen von Rohren mit kleinem Durchmesser in allen Positionen.

S-3-Elektroden und andere mit niedrigem Siliziumgehalt erzeugen eine steifere Pfütze und eine bessere Kontrolle über das hintere Wulstprofil. Sie neigen dazu, weniger und kleinere Kieselsäureinseln zu produzieren. Für lackierte Teile schreiben Hersteller häufig den Einsatz einer S-3-Elektrode vor.

S-4-Elektroden haben einen höheren Silizium- und Mangangehalt als S-3-Elektroden und sind für Anwendungen gedacht, die höhere Desoxidationsmittelwerte erfordern. Die ER70S-4-Klassifizierung erfordert keine Charpy-Schlagzähigkeitsprüfung.

S-6-Elektroden haben einen höheren Siliziumgehalt, was einen gleichmäßigeren Lichtbogen erzeugt (Spritzerbildung reduziert) und die Flüssigkeit der Pfütze verbessert („Benetzung“). Dies fördert einen sanften Übergang an den Schweißnahtspitzen und glättet die Wulstkrone. S-6-Elektroden sind für Anwender attraktiv, da sie das Erreichen einer guten Raupe erleichtern und weniger Reinigung erfordern.

S-6-Elektroden enthalten mehr Mangan und Silizium, die als Desoxidationsmittel wirken und Verunreinigungen entfernen. Eine S-6-Elektrode schneidet bei kleinen Mengen Walzzunder, Öl, Schmutz und Rost besser ab als eine S-3-Elektrode. Der Nachteil besteht darin, dass sich die abgewaschenen Verunreinigungen als Silikatinseln manifestieren. Lackierte Teile müssen gereinigt werden (normalerweise mit einer Nadelpistole), da sonst die Silica-Insel irgendwann abplatzt, einen Makel hinterlässt und möglicherweise rostet.

S-7-Elektroden haben einen höheren Mangangehalt, was der Schweißverbindung eine höhere Streckgrenze und Zugfestigkeit verleiht. Der Siliziumgehalt dieses Elektrons liegt irgendwo zwischen S-3 und S-6. Sie eignen sich für den Einsatz mit 100 % CO2 oder einem Argon/CO2-Schutzgasgemisch (100 % CO2 reduziert das Mangan im Schweißgut und verringert dadurch dessen Festigkeit, was je nach Anwendung ein Problem darstellen kann oder auch nicht).

Elektroden mit niedrigem Wasserstoffgehalt verringern das Risiko einer Wasserstoffrissbildung, insbesondere bei Materialien mit härteren mechanischen Eigenschaften. Eine H4R-Bezeichnung gibt an, dass weniger als 4 ml diffundierbarer Wasserstoff pro 100 g aufgetragener Schweißnaht vorhanden sind.

ABBILDUNG 2. Datenblätter führen die chemische Zusammensetzung eines Schweißzusatzmetalls auf. Dargestellt ist die chemische Zusammensetzung einer ER70S-6-Elektrode, die zum Schweißen von unlegierten Stählen wie im allgemeinen Bau-, Druckbehälter- und Schiffbau sowie für feinkörnige Kohlenstoff-Mangan-Stähle verwendet wird.

G- (oder GS-)Elektroden sind Elektroden mit allgemeiner Klassifizierung, die keine Zusammensetzung, mechanischen Eigenschaften oder Testanforderungen haben, deren Eigenschaften jedoch denen von AWS-klassifizierten Elektroden entsprechen oder diese übertreffen können. Sie sind nur für Einzeldurchgangsanwendungen vorgesehen, zu denen auch Spezialanwendungen wie das Schweißen von verzinktem Stahl gehören können.

Elektroden ohne Klassifizierung weisen häufig auf eine Spezialanwendung hin. Beispielsweise sind „Easy Grind“-Elektroden vollständig desoxidiert und zum Überschweißen mittlerer Mengen an Rost und Lack konzipiert, die bei Karosseriereparaturarbeiten auftreten. Das geschweißte Metall lässt sich leichter schleifen als die meisten handelsüblichen Elektroden, wodurch die Reinigung nach dem Schweißen einfacher und schneller erfolgt.

Hersteller können verschiedene Leistungsmerkmale der Elektroden hervorheben, indem sie die Chemie, die Chemietoleranzen, die Elektrodenbeschichtung und den Herstellungsprozess kontrollieren.

Daher können Elektroden unterschiedlicher Hersteller, auch wenn sie die gleiche Bezeichnung tragen, in ihrer Leistung stark variieren. Einige häufige Beispiele sind:

Schutzgase für das MSG-Schweißen bestimmen die Art der Metallübertragung und die Eindringtiefe. Kurz gesagt sind Argon- und CO2-Mischungen die gebräuchlichsten Schutzgase für Weichstahlelektroden. Eine Mischung mit hohem Argongehalt (75 % bis 90 % Argon, Rest CO2 oder CO2 und Sauerstoff) erzielt eine gute mechanische Leistung und erzeugt weniger Rauch und weniger Spritzer, was die Attraktivität für den Bediener erhöht.

Allerdings kosten Mischungen mit hohem Argongehalt mehr. CO2 ist ein kostengünstigeres Gas und bietet das breiteste Eindringprofil und die beste Reinigungswirkung. Der Nachteil sind etwas schlechtere mechanische Testergebnisse, mehr Schweißrauch, ein härterer Lichtbogen und mehr Spritzer.

CO2 und Sauerstoff sind manchmal nützlich, da sie die Lichtbogenstabilität und eine gute Verschmelzung zwischen Schweißbad und Grundmaterial fördern. Sauerstoff ist viel stärker oxidierend als CO2. Folglich betragen die Sauerstoffzusätze zu Argon in der Regel weniger als 10 Vol.-%, während beim Kurzschluss-MSG 100 % CO2 verwendet werden kann. Bei der Verwendung oxidierender Gase müssen Elektroden stark desoxidierende Elemente enthalten, um die Porosität zu unterdrücken.

Im Allgemeinen weicht die chemische Zusammensetzung des Schweißguts beim Schweißen mit Argon und 1 bis 3 % Sauerstoff oder mit Argonmischungen mit niedrigem CO2-Gehalt nicht wesentlich von der Analyse der Drahtelektrode ab. Wenn jedoch 100 % CO2 und Sauerstoff als Schutzgas verwendet werden, ist mit einer Reduzierung von Silizium, Mangan und anderen desoxidierenden Elementen zu rechnen, während die Gehalte an Nickel, Chrom, Molybdän und Kohlenstoff konstant bleiben. Beachten Sie, dass Elektroden mit einem sehr niedrigen Kohlenstoffgehalt (0,04 % bis 0,06 %) bei Verwendung von 100 % CO2 ein Schweißgut mit einem höheren Kohlenstoffgehalt erzeugen.

Bei vielen Kohlenstoffstahlanwendungen weist das Grundmaterial eine leichte Schicht aus Walzzunder, leichtem Rost oder Beizöl auf, die die Schweißleistung beeinträchtigen kann, wenn sie vor dem Schweißen nicht entfernt wird. In diesem Fall ist es ideal, eine ER70S-6-Elektrode mit einem hohen Argongehalt zu verwenden, beispielsweise eine Mischung aus 90 % Argon und 10 % CO2 für das Sprühübertragungs-GMAW oder kurz eine 80 % bis 85 % Argon mit CO2 als Rest -Schaltkreis GMAW. Die Desoxidationsmittel der Elektrode sollten in Kombination mit 10 % bis 20 % CO2 eine ausreichende Reinigungswirkung bieten und eine Schweißnaht mit gutem Aussehen, guter Eindringung und glatten Übergängen an der Nahtspitze erzeugen.

Hersteller von Zusatzwerkstoffen aktualisieren kontinuierlich Chemie und Verpackung, wenn sie auf Kundenanfragen reagieren, um ihnen bei der Lösung von Anwendungsanforderungen und Schweißproblemen zu helfen. Die Verwendung einer modernen Formulierung kann Herstellern dabei helfen, viele häufige Ursachen für unproduktive Zeiten im Zusammenhang mit Spritzern, Porosität, Silica-Inseln, Kontaktspitzenverschleiß und Schweißqualität anzugehen. In einer Zeit, in der Hersteller Schwierigkeiten haben, mehr Leute zu finden, müssen auf dem Weg zur Produktionssteigerung alle möglichen Maßnahmen ergriffen werden, damit die vorhandenen Mitarbeiter weiterhin effizient schweißen, und dazu gehört auch die Auswahl des optimalen Schweißzusatzwerkstoffs.