Das Schutzgas 1x1 - Das solltest Du über Schutzgase wissen

Schweißen will gelernt sein. Zurecht, denn unter massiver Hitzeeinwirkung und Kraftaufwendung werden Metalle und andere Stoffe in eine flüssige Masse verwandelt oder gepresst, um neu kombiniert zu werden. Eine Kunst für sich.

Die unterschiedlichen Verfahren des Schweißens sind so vielfältig wie die menschliche Innovation erlaubt. Und da Verletzungsgefahr stets auf jeden Handwerker lauert, stehen Vorsichtsmaßnahmen auf der Tagesordnung und natürlich die Qualität des Kunstwerks: die Schweißnaht.

Beim Schmelzschweißverfahren werden dazu sogenannte Schutzgase herangezogen. Doch was Schutzgase eigentlich sind, welche Unterscheidungen du beachten musst und welche Gase für deine Zwecke geeignet sind - diesen Fragen gehe ich im nachstehenden Artikel auf den Grund.

Was sind Schutzgase?

Schutzgase sind Gase oder Gasgemische, die dafür sorgen, dass die Luft der Erdatmosphäre abgestoßen wird. Da die Luft vor allem aus Stickstoff- und Sauerstoffteilchen besteht, ist sie stets in einem oxidierenden Zustand und ständig bereit mit anderen Teilchen zu reagieren. Insbesondere bei Verwendung von Hitze, sind Atome reaktionsfreudig.

So besteht beim Schweißen die Gefahr, dass unser Schweißgut, das Metall, in erhitzter Form, mit der Umgebungsluft reagiert. Das kann in Brand resultieren und somit gefährlich für den Handwerker werden. Es kann sich aber auch auf die Qualität der Schweißnaht, der sogenannten Schweißraupe, auswirken.

Schutzgase schützen also dein Produkt davor mit dem Sauerstoff und anderen Elementen der Umwelt zu reagieren, was die Schweißarbeit maßgeblich vereinfacht.

Wo werden Schutzgase angewendet?

Kaum zu glauben, aber die Anwendung von Schutzgasen ist eine vielfältige Angelegenheit. Von der Metallindustrie bis hin zur Lebensmitteltechnik und Medizin, überall werden Schutzgase gebraucht.

Zu den Schutzgasen zählen:

• Argon,
• Helium,
• Kohlendioxid,
• Sauerstoff
• und Stickstoff.

Schutzgase in der Metallindustrie

In der Metallindustrie benötigt man sie, wie zuvor erwähnt beim Schweißen. Genauer gesagt beim Schutzgasschweißen, um Metalle zu verbinden. Dabei wird der Lichtbogen, der bei hoher elektrischer Spannung entsteht, sowie das Schmelzbad durch den Schutzgas vor dem Eindringen der Atmosphärengase (Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff), geschützt.

Schweißer können so Verbrennungen und Korrosionen vermeiden. Außerdem werden manche Stähle in Verbindung mit Stickstoff porös und entwickeln lästigen Poren an den Schweißnähten. Metalle wie Aluminium können beim Schweißen Ruß-ähnliche Ablagerungen bilden. Diese entstehen bei Alu-Metallen, wenn sie mit der Luft reagieren und Aluminiumoxid entsteht. Auch wenn sich dieser Effekt nicht vollständig vermeiden lässt, so kann man ihn mit ausreichender Hilfe eines Schweißschutzgases reduzieren.

Rissbildung ist ebenfalls eine ärgerliche Angelegenheit des Schweißers. Dabei können ihn 2 Arten der Risse Kopfzerbrechen bereiten: Der Heißriss und der Kaltriss.

• Der Heißriss tritt meist bei nichtrostendem Metall auf. Das liegt meist am Mangel eines Ferrit-Anteils (Deltaferrit).

• Einen Kaltriss dagegen, sieht man häufig bei Schweißnähten, die empfindlich auf Wasserstoff reagieren.

Auch in diesen Fällen kann man durch die korrekte Anwendung von Schweißschutzgasen die unangenehmen Effekte minimieren oder gar vermeiden.

Natürlich kann die Porosität nicht nur dem Mangel eines Schutzgases oder der Verwendung eines falschen Schutzgases zugeschrieben werden und mag auch andere Ursachen haben. Zum Beispiel trägt eine fehlerhafte Schweißtechnik oder Verunreinigungen auf der Oberfläche zu einem nicht optimalen Ergebnis bei. Und doch bewirkt der korrekte Einsatz von Schutzgasen, dass der Schweißer am Ende seine gewünschte Schweißraupe bekommt.

Welche Schutzgase der korrekten Nutzung entsprechen, hängt stark von deinem Schweißgut und von dem Schweißverfahren ab, worauf ich im späteren Teil des Artikels noch eingehen werde.

Sonstige Anwendungen der Schutzgase

• Nicht nur in der Metallindustrie sind Schutzgase unabdingbar. Auch die Lebensmitteltechnologie macht sich diese zunutze und verhindert so, dass Lebensmittel mit dem Luftsauerstoff reagieren und schneller zersetzt werden, als dass die Produkte ihren Weg in die Haushalte finden. Dabei werden am häufigsten Kohlendioxid und Stickstoff verwendet. Solche Lebensmittel sind mit der Beschriftung “Unter Schutzatmosphäre verpackt” versehen. Wer ein Sodamax Zuhause hat, der wird sein Gerät regelmäßig mit Kohlendioxid (CO2-Kohlensäure) versorgen.

• Auch die Härtetechnik nutz Schutzgase und hält den Sauerstoff von dem zu härtenden Metall fern, so dass sich der Stahl nicht ungewollt verformt.

• In der Produkt- und Fertigungstechnik, also beim Stranggießen werden zum Umfüllen von flüssigem Metall Schutzgase zur Hilfe gezogen.

• Und auch in der Elektrotechnik werden Schutzgase zur Verdrängung der Luft für Funkenlöschung eingesetzt.

Welche Schutzgase brauche ich für meine Schweißzwecke?

Da es so viele unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten für Schutzgase gibt, ahnst du wahrscheinlich schon, dass nicht jedes Schutzgas für deine Zwecke passt. Im folgenden konzentrieren wir uns zunächst auf die Anwendung der Schutzgase beim Schweißen.

Damit deine Schweißnaht risslos und bruchsicher ist, weißt du ja jetzt, dass du Schutzgase verwenden solltest. Je nach Metallart unterscheidet sich das Gas(-gemisch), um ein optimales Schweißergebnis zu erreichen. Dabei kommen folgende Gase zum Einsatz:

Das Schutzgas Argon:

Argon zählt zu den Edelgasen, ist wasserlöslich und sogar Teil des Luftgemischs in der Erdatmosphäre. Es lässt sich nur in Extremsituationen auf eine chemische Reaktion ein, weshalb es sehr gut zum Schmelzschweißen geeignet ist.

Es ummantelt den Lichtbogen sowie die Schmelze und dient als solider Schutz vor dem reaktionsfreudigen Luftsauerstoff. Im Gegensatz zu anderen Edelgasen, wird Argon aus der Luft gewonnen und ist daher kostengünstiger.

Am häufigsten wird das Argon 4.6 beim Schweißen eingesetzt. Dieses inerte, d.h. inaktive Schutzgas reagiert nicht mit anderen Materialien und hat nur eine geringe Verunreinigung von 40 ppm.

So wird es aufgrund seiner hohen Anpassungsfähigkeit beim WIG Schweißen genutzt, um sowohl Kohlen- als auch niedrig legierte Stähle zu verschweißen. Als Schutzgas dient es auch beim MIG-Schweißen für Nichteisenmetalle, wie z.B. Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen und Titan.

Das Schutzgas Helium:

Auch Helium ist ein Edelgas und wird als inertes Schutzgas beim MIG und WIG Schweißen eingesetzt, da es keine chemische Reaktion eingeht und so die Schmelze schützt.

Zwar ist Helium das am zweithäufigsten vorkommende Element, doch die Gewinnung dessen ist um einiges aufwendiger. Zusätzlich wird diese aktuell durch Handelsblockaden im Katar erschwert, da einige Förderanlagen geschlossen werden mussten. Das spiegelt sich auch im Preis wieder.

Mit Helium lassen sich beim Schweißen schnelle und qualitativ hochwertige Nähte erzeugen.

Das Schutzgas Kohlendioxid:

Kohlendioxid ist kein Edelgas und wird daher als aktives Schutzgas beim Schweißen verwendet. Aufgrund seiner aktiven Eigenschaft kann es zwar mit der Schmelze reagieren, doch die Reaktion fällt nur sehr gering aus. Daher wird es in geringen Mengen als Zusatzstoff bei Schutzgasgemischen beim MAG-Schweißen eingesetzt. So beispielsweise das Schutzgas 18.

Das Schutzgas Stickstoff:

Stickstoff ist ein gasförmiges Element, eher reaktionsarm und dafür bekannt Flammen zu ersticken. Es lässt sich aus der Erdatmosphäre gewinnen, die zu 78% aus Stickstoff besteht. Beim Schweißen dient Stickstoff dem Schutz von abschmelzendem Draht sowie der Schmelze vor der Luft.

Schutzgase gemischt:

Mischgase sind Zusammensetzungen aus den oben beschriebenen Schutzgasen und zum Teil mit einem geringen Sauerstoffanteil angereichert. Die Komposition des Gemischs ist dabei wichtig, um die Eigenschaften des Schweißgutes je nach Wunsch des Resultats zu beeinflussen. So will man eine bestimmte Tropfengröße erreichen oder Einbrand verhindern.

Aktive Schutzgasgemische:

Diese Gemische werden beim aktiven Schutzschweißverfahren, wie dem MAG angewendet. Da aktive Gase reaktionsfreudig sind, werden sie bewusst eingesetzt, um das Schweißergebnis zu beeinflussen.

Es ist gängig eine Mischung aus aktiven und inerten Gasen zu verwenden, um ein kontrollierteres Resultat zu erhalten. Häufig werden Zusammensetzungen aus Argon-Kohlendioxid-Sauerstoff gewählt oder nur Argon mit Kohlendioxid (z.B. Argon 4.6)

Inerte (inaktive) Schutzgasgemische:

Diese Mixtur setzt sich zusammen aus Argon und Helium. Da sie nicht mit Metallen reagieren werden sie beim MIG und WIG-Schweißen gebraucht.

Welche Schutzgasschweißverfahren gibt es?

Nun habe ich bereits die gängigen Schutzgasschweißverfahren für die Verwendung der jeweiligen Schutzgase erwähnt. Was diese Verfahren genau bedeuten und welche Metalle und Bedingungen für diese gelten, darauf gehe ich Im Folgenden ein.

Wolfram-Inertgasschweißen (WIG):

Das Schmelzschweißverfahren funktioniert mithilfe einer nicht abschmelzenden Elektrode aus reinem oder legierten Wolfram. Es wird hauptsächlich:

• zum Wurzelschweißen an niedrig- und hochlegierten Stählen verwendet
• sowie zum Schweißen von Aluminiumlegierungen
• und anderen Nichteisen-Metallen.

Dabei brennt der Lichtbogen frei zwischen der Elektrode und dem Rohstoff. Um den Lichtbogen zu schützen, wird Argon, Helium oder eine Mischung aus den beiden Schutzgasen verwendet, die direkt über den Schweißkopf zugeführt wird. Bei hochlegierten Stählen wird Argon auch mal mit Wasserstoff gemischt, um schneller arbeiten zu können.

Mit diesem Verfahren lassen sich sogar gasempfindliche Metalle wie Titan, Niob und Tantal verschweißen. Es zeigt sich verlässlich bei dünnen Rohren und Blechen. Die Schweißnahtqualität ist hoch, selbst in Zwangspositionen und beim Wurzelschweißen.

Es entstehen wenige Spritzer und so gut wie keine Gase, was sich gut auf die Gesundheit des Schweißers auswirkt. Beim Vorbereiten der Schweißnaht muss für ein sauberes Ergebnis unbedingt der Rost entfernt werden.

Metallschweißen mit inerten Gasen (MIG):

Diese Schweißmethode ist ein sogenanntes Lichtbogenschweißverfahren. Der Schweißdraht wird dabei von einer motorbetriebenen Spule automatisch abgewickelt und direkt an die Schweißstelle herangeführt und geschmolzen.

Das Schweißbad wird mittels eines Schutzgases, der durch eine Düse zugeführt wird, von Sauerstoff ferngehalten. Wie der Name schon preisgibt, wird bei diesem Verfahren mit inaktiven Gasen gearbeitet, die nicht mit den Metallen reagieren. So wird es hauptsächlich bei:

• Kupfer,
• Aluminium(-legierungen)
• und bei Nichteisenmetallen angewandt.

Auch hier dient Argon als Schutzgas, ganz selten auch Helium oder eben ein Gemisch aus den beiden.

Diese Schweißtechnik wird meist in der Feinwerktechnik, in der Herstellung von Rohrleitungen, Behältern und im Maschinenbau verwendet, aber auch in der Kerntechnik.

Es werden keine Schlacke produziert. Aufrgund des schnellen Arbeitstempos kommt es kaum zu Wärmeeinwirkungen und Verformungen können reduziert werden. Die Schweißnaht weist eine hohe Festigkeit auf und verringert die Nachbearbeitungszeit.

Das Verfahren erfordert allerdings viel Erfahrung und eine gründliche Schweißnahtvorbereitung.

Metallschweißen mit aktiven Gasen (MAG):

Ebenso wie das MIG, gehört das MAG zu den Lichtbogenschweißverfahren. Auch hier wird der Schweißdraht mittels einer Spule automatisch abgewickelt und durch eine Kontakthülse an die Schweißstelle gebracht, es schmilzt direkt ab.

Zugleich wird durch eine Düse das Schutzgas zugeführt, das für eine oxidationsfreie Verbindung der Metalle sorgt. Dazu wird ein Gemisch aus Argon, Kohlendioxid und Sauerstoff zur Hilfe genommen. Die Menge der einzelnen Gase ist abhängig von dem gewünschten Resultat. Die Hauptanwendung des MAG erfolgt hauptsächlich bei:

• unlegierten oder
• niedriglegierten Stählen,
• aber auch hochlegierte nichtrostende Metalle ebenfalls mit dem Verfahren verschweißt werden.

Für die letzteren wird eher Helium oder Argon als Schutzgas gewählt.

Oft findet dieses Verfahren Anwendung bei der Produktion von Fahrzeugen, Behältern, Rohrleitungen oder im Maschinenbau und Schiffbau. Aufgrund des hohen Arbeitstempos beim Schweißen wird das Verfahren häufig angewendet, um dünne Bleche ab 0,6mm für Reparaturen und Instandhaltungen zu verbinden.

Doch Vorsicht - Windgefahr

Alle 3 Verfahren produzieren keine Schlacke und dürfen nur in geschlossenen Räumen praktiziert werden. Denn bestimmte Witterungsbedingungen könnten die Wirkung des Schutzgases (z.B. durch Wind) zunichte machen. Das Schutzgas wird einfach weggeweht. Somit wäre das Schweißgut oxidationsgefährdet, was für den Schweißer gefährlich werden könnte. Außerdem würden so unerwünschte Verformungen des Werkstücks entstehen sowie unsaubere Nähte.

Fazit

Schweißen muss gelernt sein. Um dabei das gesundheitliche Risiko zu minimieren und die Chancen auf ein optimales Schweißergebnis zu erhöhen, sind Schutzgase unentbehrlich. Mit diesem Blogartikel hast du nun das “Schutzgas 1x1” erlernt. Dein Schweißgut wird es dir danken und du wirst zu einem glücklicheren Schweißer.