Schutzgase sind inerte oder halb-Inertgasedie häufig in mehreren Schweißverfahren verwendet werden, insbesondereMetallschutzgasschweißenUndWolfram-Inertgasschweißen(GMAW und GTAW, besser bekannt als MIG bzw. TIG). Ihr Zweck besteht darin, den Schweißbereich vorSauerstoff, UndWasserdampf. Je nach den zu schweißenden Materialien können diese atmosphärischen Gase die Qualität der Schweißnaht verringern oder das Schweißen erschweren. Bei anderen Lichtbogenschweißverfahren werden auch andere Methoden zum Schutz der Schweißnaht vor der Atmosphäre verwendet –Metallschutzgasschweißenverwendet beispielsweise eineElektrodebedeckt in einemFlussdas beim Verbrauch Kohlendioxid erzeugt, ein halbinertes Gas, das ein akzeptables Schutzgas zum Schweißen von Stahl ist.
Die Wahl eines falschen Schweißgases kann zu porösen und schwachen Schweißnähten oder zu übermäßigen Spritzern führen. Letzteres beeinträchtigt zwar nicht die Schweißnaht selbst, führt jedoch zu Produktivitätsverlusten aufgrund des Arbeitsaufwands zum Entfernen der verstreuten Tropfen.
Die wichtigen Eigenschaften von Schutzgasen sind ihre Wärmeleitfähigkeit und Wärmeübertragung, ihre Dichte im Verhältnis zu Luft und wie leicht sie ionisiert werden. Gase, die schwerer als Luft sind (z. B. Argon), umhüllen die Schweißnaht und erfordern einen niedrigeren Durchfluss als Gase, die leichter als Luft sind (z. B. Helium). Die Wärmeübertragung ist wichtig zum Erhitzen der Schweißnaht um den Lichtbogen herum. Die Ionisierbarkeit beeinflusst, wie leicht der Lichtbogen startet und wie hoch die erforderliche Spannung ist. Schutzgase können pur oder als Mischung aus zwei oder drei Gasen verwendet werden. Beim Laserschweißen spielt das Schutzgas eine zusätzliche Rolle, indem es die Bildung einer Plasmawolke über der Schweißnaht verhindert und einen erheblichen Teil der Laserenergie absorbiert. Dies ist wichtig für CO2-Laser; Nd:YAG-Laser zeigen eine geringere Tendenz zur Bildung eines solchen Plasmas. Helium spielt diese Rolle aufgrund seines hohen Ionisierungspotenzials am besten; das Gas kann große Energiemengen absorbieren, bevor es ionisiert wird.
Heliumist leichter als Luft; es sind größere Strömungsraten erforderlich. Es ist ein inertes Gas, das nicht mit den geschmolzenen Metallen reagiert. SeineWärmeleitfähigkeitist hoch. Es ist nicht leicht zu ionisieren, sodass eine höhere Spannung zum Starten des Lichtbogens erforderlich ist. Aufgrund des höheren Ionisierungspotentials erzeugt es bei höherer Spannung einen heißeren Lichtbogen und bietet eine breite, tiefe Schweißnaht; dies ist ein Vorteil für Aluminium-, Magnesium- und Kupferlegierungen. Oft werden andere Gase hinzugefügt. Mischungen aus Helium mit Zusatz von 5–10 % Argon und 2–5 % Kohlendioxid („Tri-Mix“) können zum Schweißen von rostfreiem Stahl verwendet werden. Wird auch für Aluminium und andere Nichteisenmetalle verwendet, insbesondere für dickere Schweißnähte. Im Vergleich zu Argon bietet Helium einen energiereicheren, aber weniger stabilen Lichtbogen. Helium und Kohlendioxid waren die ersten Schutzgase, die seit Beginn des Zweiten Weltkriegs verwendet wurden. Helium wird als Schutzgas verwendet inLaserschweißenfürKohlendioxidlaser. Helium ist teurer als Argon und erfordert höhere Durchflussraten. Daher ist es trotz seiner Vorteile möglicherweise keine kostengünstige Wahl für die Produktion größerer Stückzahlen. Reines Helium wird nicht für Stahl verwendet, da es einen unregelmäßigen Lichtbogen erzeugt und Spritzer fördert.
Sauerstoffwird in kleinen Mengen als Zusatz zu anderen Gasen verwendet; typischerweise als 2–5%iger Zusatz zu Argon. Es verbessert die Lichtbogenstabilität und reduziert dieOberflächenspannungdes geschmolzenen Metalls, wodurchBenetzungdes festen Metalls. Es wird zum Sprühtransferschweißen von mildenKohlenstoffstähle, niedrig legiertUndrostfreie Stähle. Seine Anwesenheit erhöht die Schlackenmenge. Argon-Sauerstoff (Ar-O2)-Gemische werden häufig durch solche aus Argon und Kohlendioxid ersetzt. Es werden auch Argon-Kohlendioxid-Sauerstoff-Gemische verwendet. Sauerstoff verursacht Oxidation der Schweißnaht und ist daher nicht zum Schweißen von Aluminium, Magnesium, Kupfer und einigen exotischen Metallen geeignet. Erhöhter Sauerstoff führt dazu, dass das Schutzgas die Elektrode oxidiert, was zu Porosität im Schweißgut führen kann, wenn die Elektrode nicht genügend Sauerstoff enthält.Desoxidationsmittel. Übermäßiger Sauerstoff, insbesondere bei Verwendung in Anwendungen, für die er nicht vorgeschrieben ist, kann zuSprödigkeitin der Wärmeeinflusszone. Argon-Sauerstoff-Gemische mit 1–2 % Sauerstoff werden für austenitischen Edelstahl verwendet, wo Argon-CO2 aufgrund des erforderlichen niedrigen Kohlenstoffgehalts in der Schweißnaht nicht verwendet werden kann; die Schweißnaht hat eine zähe Oxidschicht und muss möglicherweise gereinigt werden.
Wasserstoffwird zum Schweißen von Nickel und einigen rostfreien Stählen verwendet, insbesondere bei dickeren Teilen. Es verbessert die Fließfähigkeit des geschmolzenen Metalls und verbessert die Sauberkeit der Oberfläche. Es kann jedochWasserstoffversprödungvieler Legierungen und insbesondere Kohlenstoffstahl, daher ist seine Anwendung normalerweise nur auf einige rostfreie Stähle beschränkt. Es wird Argon in Mengen zugesetzt, die normalerweise unter 10 % liegen. Es kann Argon-Kohlendioxid-Mischungen zugesetzt werden, um die oxidierenden Effekte von Kohlendioxid auszugleichen. Seine Zugabe verengt den Lichtbogen und erhöht die Lichtbogentemperatur, was zu einer besseren Schweißdurchdringung führt. In höheren Konzentrationen (bis zu 25 % Wasserstoff) kann es zum Schweißen leitfähiger Materialien wie Kupfer verwendet werden. Es sollte jedoch nicht bei Stahl, Aluminium oder Magnesium verwendet werden, da es Porosität und Wasserstoffversprödung verursachen kann.
StickstoffmonoxidDie Zugabe dient der Reduzierung der Produktion vonOzonAußerdem kann es den Lichtbogen beim Schweißen von Aluminium und hochlegiertem Edelstahl stabilisieren.
Für spezielle Anwendungen können auch andere Gase verwendet werden, pur oder als Zusätze, z. B.SchwefelhexafluoridoderDichlordifluormethan.
Schwefelhexafluoridkann dem Schutzgas beim Aluminiumschweißen zugesetzt werden, um Wasserstoff im Schweißbereich zu binden und so die Schweißporosität zu verringern.
Dichlordifluormethanmit Argon kann als Schutzatmosphäre zum Schmelzen von Aluminium-Lithium-Legierungen verwendet werden. Es reduziert den Wasserstoffgehalt in der Aluminiumschweißnaht und verhindert die damit verbundene Porosität.
