Werkstoffe beim Schweißen: unlegierter Stahl, Edelstahl und Aluminium

Eine Schweißung ist nie nur eine Frage von Verfahren und Einstellung — sie ist ebenso sehr eine Frage danach, welches Material auf dem Tisch liegt. Baustahl, Edelstahl und Aluminium verhalten sich beim Erwärmen sehr unterschiedlich, und eine Technik, die auf dem einen Material eine schöne Naht ergibt, kann auf einem anderen eine fehlerhafte Naht oder eine direkt schwache Konstruktion ergeben.

Unlegierter und niedriglegierter Stahl — umgangssprachlich oft 'Schwarzstahl' genannt — ist das verbreitetste Material im Konstruktionsbau. Er ist verhältnismäßig nachsichtig zu schweißen, weil er keine schützende Oxidschicht bildet, die durchbrochen werden muss, und weil die meisten gängigen Schweißverfahren gerade für dieses Material entwickelt wurden. Bei dickeren Querschnitten oder höherem Legierungsgehalt kann jedoch die Gefahr von Aufhärtung und Rissbildung in der Wärmeeinflusszone entstehen, und hier werden Vorwärmen und eine kontrollierte Abkühlgeschwindigkeit wichtige Mittel, um das Material zäh zu halten und spröde, gerissene Verbindungen zu vermeiden.

Die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl beruht auf einer unsichtbaren, selbstheilenden Oberflächenschicht aus Chromoxid. Die Schicht bildet sich automatisch, wenn das Chrom im Stahl mit dem Sauerstoff der Luft reagiert, und sie ist der Grund dafür, dass der Werkstoff nicht wie gewöhnlicher Stahl rostet. Das Problem entsteht, wenn die Schweißwärme ins Spiel kommt: Wird der Stahl nahe an den Schmelzpunkt erhitzt, brennt Chrom aus der Oberfläche aus, und die schützende Schicht wird örtlich geschwächt.

Die Lösung besteht einerseits darin, die Wärmezufuhr und die Abkühlzeit zu begrenzen, andererseits darin, einen Zusatzwerkstoff mit niedrigem Kohlenstoffgehalt oder einen mit Niob stabilisierten zu wählen, der weniger dazu neigt, die schädlichen Karbide zu bilden. Außerdem sollten die Fugenflanken sauber und frei von Eisenverunreinigungen aus gewöhnlichem Stahl gehalten werden, da schon kleine Eisenpartikel auf der ansonsten rostfreien Oberfläche Korrosion auslösen können.

Aluminium bringt seine eigene Herausforderung mit: Das Metall bildet an der Luft sofort eine Oxidhaut, und diese Haut hat einen Schmelzpunkt von etwa 2.060 °C — fast dreimal höher als der Schmelzpunkt des Aluminiums selbst von rund 660 °C. Ohne Entfernen der Oxidhaut kann der Schweißdraht oder die Elektrode nicht mit dem Grundmaterial verschmelzen, und das Ergebnis sind Bindefehler.

Beim WIG-Schweißen löst man das, indem man Wechselstrom (AC) statt Gleichstrom verwendet: Die wechselnde Stromrichtung reinigt die Oxidhaut während des Schweißens weg, sodass sich ein sauberes Schmelzbad bilden kann. Aluminium leitet die Wärme außerdem viel besser als Stahl, was bedeutet, dass mehr Leistung zugeführt werden muss, um das Schmelzbad flüssig zu halten — dafür verteilt sich die Wärme aber auch schnell im restlichen Werkstück, was bei dünnerem Material das Risiko von Durchbrand und Verzug erhöht.

• 01Schwarzstahl: Achte bei dickerem Material oder hoher Legierung auf Aufhärtung und Risse — bei Bedarf vorwärmen
• 02Edelstahl: Begrenze die Wärmezufuhr, verwende einen niedriggekohlten oder niobstabilisierten Zusatzwerkstoff und halte die Fugenflächen frei von Eisenverunreinigungen
• 03Aluminium: Entferne die Oxidhaut mechanisch oder mit AC-WIG und gleiche die hohe Wärmeleitfähigkeit des Materials aus
• 04Mische niemals Schleifscheiben oder Bürsten zwischen Materialarten — das überträgt Verunreinigungen vom einen Material auf das andere

Der tüchtige Schweißer beginnt immer damit, den Werkstoff und seine Eigenschaften zu bestimmen, bevor Verfahren, Zusatzwerkstoff und Parameter gewählt werden. Die Schwachpunkte der drei Grundwerkstoffe zu kennen — Aufhärtung bei unlegiertem Stahl, Sensibilisierung bei rostfreiem und die Oxidhaut bei Aluminium — ist der Unterschied zwischen einer Naht, die heute schön aussieht, und einer Naht, die Jahrzehnte hält.