Edelstahl schweißen mit WIG: Wärme, Anlauffarben, Korrosion
Über eine Edelstahlnaht entscheidet die Wärme. Kornzerfall, Anlauffarben, Zusatzwerkstoff, Formieren und Duplex — was zu beherrschen ist und warum Zahlen zählen.
Edelstahl ist nicht schwer zu schweißen. Schwer ist, ihn zu schweißen und rostfrei zu behalten — und fast jeder Fehler, auf den es ankommt, läuft auf dieselbe Größe hinaus: wie viel Wärme hineinging und wie lange das Metall gebraucht hat, sie wieder loszuwerden.
Was Edelstahl rostfrei macht
Die Korrosionsbeständigkeit kommt nicht aus dem Werkstoff selbst. Sie kommt aus einer Passivschicht aus Chromoxid, wenige Atomlagen dick, die sich an der Oberfläche bildet und nach einem Kratzer von selbst wieder aufbaut — solange im Metall darunter genug freies Chrom steckt.
Alles auf dieser Seite dient dazu, diese Schicht zu schützen oder hinterher wiederherzustellen.
Kornzerfall: der Fehler, den man nicht sieht
Hält man austenitischen Edelstahl zwischen etwa 425–815 °C, verbindet sich Chrom mit Kohlenstoff zu Chromkarbiden, die sich an den Korngrenzen ausscheiden. Das Karbid selbst ist nicht das Problem. Das Problem ist, was es mitnimmt: Das Metall unmittelbar neben der Korngrenze bleibt an Chrom verarmt zurück, und verarmtes Metall kann die Passivschicht nicht mehr aufbauen.
Das Bauteil sieht weiterhin aus wie Edelstahl. Im Einsatz korrodiert es entlang der Korngrenzen — interkristalline Korrosion, im deutschen Sprachgebrauch Kornzerfall —, und zwar unsichtbar, von innen heraus.
Zwei Gegenmittel, und gute Praxis nutzt beide:
- Kohlenstoffarme Sorten. 1.4307 (304L) und 1.4404 (316L) begrenzen den Kohlenstoff auf 0,03 %, sodass zu wenig übrig bleibt, um nennenswert Karbid zu bilden. Stabilisierte Sorten wie 1.4541 (321) und 1.4550 (347) lösen es anders: Titan oder Niob binden den Kohlenstoff zuerst.
- Niedriger Wärmeeintrag. Kornzerfall ist eine Funktion von Temperatur und Zeit. Je kürzer die Wärmeeinflusszone in diesem Bereich verweilt, desto weniger Karbid entsteht — weshalb Schweißgeschwindigkeit und Wärmeeintrag hier mehr zählen als die Handführung.
Anlauffarben: der Fehler, den man sieht
Die Farben neben einer Edelstahlnaht sind die dicker werdende Oxidschicht. Sie lassen sich als Temperaturprotokoll lesen:
| Farbe | Ungefähr | Bedeutung |
|---|---|---|
| Silbern, hellstroh | am niedrigsten | Schicht im Wesentlichen unversehrt |
| Stroh bis Gold | mäßig | Verdickte Schicht, Chrom noch ausreichend |
| Bronze bis Violett | höher | Schicht verändert, Chrom darunter verarmt |
| Blau bis Grau, schwarzer Zunder | am höchsten | Starke Oxidation, deutliche Verarmung |
Angelaufenes Metall korrodiert schneller als das Metall daneben. Bei einer Zierteilarbeit ist das eine Frage der Optik. An einer Pharmaleitung, einem Wärmetauscher oder einem Offshore-Verteiler ist es ein Mangel, und die Spezifikation sagt das auch.
Zwei Wege damit umzugehen: durch Formieren und niedrigen Wärmeeintrag vermeiden oder hinterher entfernen — Beizpaste, Elektropolieren oder mechanisches Reinigen mit einer Bürste, die nie unlegierten Stahl berührt hat. Das Entfernen ist langsamer, arbeitet mit aggressiven Chemikalien und kostet über eine lange Naht mehr, als die Wärme von vornherein richtig zu führen.
Die Wurzel formieren
Eine durchgeschweißte Naht setzt die Wurzel dem aus, was dahinter ist. Unformiert oxidiert sie zu einer rauen, dunklen, körnigen Zunderschicht, die keine Technik auf der Decklagenseite behebt, die in einem geschlossenen Rohr nicht erreichbar ist und für die Lebensdauer des Bauteils eine Korrosionsstelle bleibt.
Formiert wird mit Argon, und die Luft muss vor dem Zünden verdrängt sein. Der übliche Zielwert für Edelstahl liegt bei unter etwa 50 ppm Restsauerstoff; ein Messgerät schlägt jede Schätzung. Das formierte Volumen hält man mit Dämmen klein, statt eine ganze Rohrleitung zu fluten. Einzelheiten dazu stehen im Schutzgas-Leitfaden.
Verzug: zwei Zahlen, die überraschen
Austenitischer Edelstahl verhält sich in zwei Punkten anders als unlegierter Stahl, und beide ziehen in dieselbe Richtung:
- Die Wärmedehnung ist rund 50 % größer. Dieselbe Wärme bewegt das Bauteil weiter.
- Die Wärmeleitfähigkeit beträgt etwa ein Drittel. Die Wärme fließt nicht ab, sie staut sich an der Naht.
Mehr Dehnung bei weniger Ableitung heißt spürbar mehr Verzug bei gleicher Naht. Öfter heften, als es bei unlegiertem Stahl nötig wäre, die Zwischenlagentemperatur niedrig halten — üblicherweise unter 150 °C, sofern die Anweisung nichts anderes sagt — und an dünnem Blech mit Badsicherung oder Kupferunterlage arbeiten.
Zusatzwerkstoffe
Im deutschsprachigen Raum wird nach EN ISO 14343 bestellt; die AWS-Nummern stehen daneben, weil sie in internationalen Unterlagen auftauchen.
| Grundwerkstoff | EN ISO | AWS | Anmerkung |
|---|---|---|---|
| 1.4301 / 1.4307 (304, 304L) | W 19 9 L | 308L | Die austenitische Standardpaarung |
| 1.4401 / 1.4404 (316, 316L) | W 19 12 3 L | 316L | Behält das Molybdän für die Lochkorrosionsbeständigkeit |
| Edelstahl an unlegiertem Stahl | W 23 12 L | 309L | Verträgt die Aufmischung, ohne zu verspröden |
| Duplex 1.4462 (2205) | W 22 9 3 N L | 2209 | Nickelreicher, um den Ferritanteil der Naht auszugleichen |
| 1.4541 / 1.4550 (321, 347) | W 19 9 Nb | 347 | Behält das stabilisierende Element |
Das L ist entscheidend. Die Standardsorten ohne L tragen genug Kohlenstoff für Kornzerfall; die kohlenstoffarmen Varianten sind das, was moderne Anweisungen vorschreiben, und der Festigkeitsunterschied ist für die Verbindung vernachlässigbar.
Duplex ist eine andere Aufgabe
Duplex — 1.4462 (2205) und die Super-Duplex-Sorten — besteht etwa zur Hälfte aus Austenit und zur Hälfte aus Ferrit, und dieses Gleichgewicht liefert sowohl die Festigkeit als auch die Chloridbeständigkeit. Das Schweißen stört es in beide Richtungen:
- Zu wenig Wärme, und die Naht kühlt zu schnell ab, als dass sich wieder Austenit bilden könnte. Die Verbindung wird ferritlastig, hart und zäharm.
- Zu viel Wärme, und es scheiden sich intermetallische Phasen aus, darunter Sigma — und die Korrosionsbeständigkeit, wegen der die Legierung gekauft wurde, ist dahin.
Duplex ist also kein Werkstoff nach der Regel „so kalt wie möglich”. Er hat ein Wärmeeintragsfenster, üblicherweise mit 0,5–2,5 kJ/mm angegeben, und die qualifizierte Anweisung benennt es. Das Formiergas enthält meist einen kleinen Stickstoffanteil, damit der Wurzelbereich seinen Stickstoff behält, und die Zwischenlagentemperatur ist eng begrenzt.
Wenn es einen Werkstoff gibt, bei dem die WPS keine Formsache ist, dann diesen.
Werkstattordnung
- Eigene Bürsten und Schleifmittel. Alles, was unlegierten Stahl berührt hat, trägt Eisenpartikel ein, die rosten und Lochkorrosion anstoßen. Das ist die häufigste Ursache für „Edelstahl, der rostet”.
- Getrennt lagern. Edelstahl nicht auf dieselbe Bank legen, auf der Baustahl getrennt wird.
- Vorher reinigen, nicht nachher. Erst entfetten — das Bürsten einer öligen Oberfläche drückt das Öl ins Metall.
Warum der Wärmeeintrag das ganze Argument ist
Liest man die Fehler oben noch einmal durch, ist das Muster schwer zu übersehen. Kornzerfall ist Zeit bei Temperatur. Anlauffarben sind Spitzentemperatur. Verzug ist Gesamtenergie. Duplex ist ein Wärmeeintragsfenster. Kein einziger davon ist ein Problem der Handfertigkeit.
Deshalb zählt bei Edelstahl das Verfahren mehr als bei den meisten Werkstoffen — und genau dort setzt Heißdraht-WIG an. Weil der Zusatzwerkstoff mechanisch und vorgewärmt zugeführt wird, muss der Lichtbogen keinen kalten Draht aufschmelzen; dieselbe Naht entsteht bei deutlich höherer Schweißgeschwindigkeit, und weniger Zeit über einer Stelle bedeutet weniger Wärme im Bauteil. TIP TIG liefert den niedrigsten Wärmeeintrag aller drahtgeführten Verfahren, was bei Edelstahl unmittelbar heißt: weniger Zeit im Kornzerfallbereich, weniger Anlauffarben zu entfernen, weniger Verzug zu richten.
Der praktische Beleg steht bei geprüften Nähten: an ID-plattiertem Inconel-Rohr für CNOOC, wo konventionelles WIG zu langsam war und Impuls-MIG die Qualität nicht hielt, lautete die Forderung 100 % Röntgen bei null Nacharbeit — die Fallstudie hat die Einzelheiten. Wo dasselbe Argument sonst noch trägt, zeigt der Leitfaden zu Metallen und Legierungen.
Kurz gefasst
Edelstahl lässt sich leicht schweißen und ebenso leicht um seine Korrosionsbeständigkeit bringen, und beides hängt an der Wärme. Kohlenstoffarmen Zusatz passend zum Grundwerkstoff wählen, jede durchgeschweißte Wurzel formieren, die Zwischenlagentemperatur niedrig halten und Anlauffarben als Mangel behandeln, nicht als Oberfläche. Duplex braucht seinen Wärmeeintrag in einem Fenster statt einfach niedrig. Und die Bürsten für unlegierten Stahl bleiben auf der anderen Seite der Werkstatt.