Kann man rostfreien Stahl an Kohlenstoffstahl schweißen? Ja! Nichtrostende Stähle können mit Kohlenstoffstahl (Baustahl) zuverlässig verschweißt werden, wenn die richtigen Zusatzwerkstoffe, Schweißverfahren und Korrosionsschutzstrategien verwendet werden. In der Industrie werden üblicherweise Übergangsschweißzusätze verwendet (in der Regel die ER309/309L-Familie, manchmal auch Inconel für anspruchsvolle Anwendungen), die Verdünnung und die Wärmezufuhr kontrolliert, das Schweißverfahren gemäß den geltenden Vorschriften (ASME/ASME IX, AWS D1.6 oder den für die Konstruktion geltenden Vorschriften) qualifiziert und ein galvanischer Korrosionsschutz auf der Montageebene vorgesehen. Wenn diese Schritte befolgt werden, liefern Mischschweißnähte akzeptable mechanische Leistungen und eine lange Lebensdauer; wenn sie ignoriert werden, sind Ausfälle durch Rissbildung oder Korrosion die typischen Folgen.

Warum Edelstahl-Kohlenstoff-Schweißnähte erforderlich sind

• Geflanschte Übergangsstücke und Reduzierstücke, wenn rostfreie Korrosionsbeständigkeit in der medienberührten Zone erforderlich ist, während die Rohrleitungen aus Kohlenstoffstahl stromaufwärts oder stromabwärts weitergeführt werden.

• Abgassysteme, Wärmetauscherverbindungen und Ummantelungen, die Teil der Baugruppe sind, müssen gegen Hochtemperaturoxidation oder Korrosion beständig sein.

• Strukturelle Verbindungen, bei denen nichtrostende Zier-/Fertigteile an Rahmen aus Kohlenstoffstahl befestigt werden.

• Reparatur- und Nachrüstungsarbeiten, bei denen das Entfernen der vorhandenen Kohlenstoffstruktur unwirtschaftlich ist.

Diese Anwendungen sind in der Energieerzeugung, Petrochemie, Lebensmittelverarbeitung und Haustechnik weit verbreitet. Die Entscheidung, unterschiedliche Metalle zu schweißen, ist in der Regel ein Kompromiss zwischen Kosten, Korrosionsbeständigkeit und Einfachheit der Herstellung.

Metallurgischer Hintergrund - was macht diesen Fall zu einem Sonderfall?

Die wichtigsten Unterschiede sind zu beachten:

• Chemie: Austenitische nichtrostende Stähle (z. B. 304/316) enthalten viel Chrom und Nickel; Kohlenstoffstähle enthalten nur sehr wenig Cr/Ni. Beim Schweißen kommt es zu einer Verdünnung des Schweißguts mit unedlen Metallen; die endgültige Schweißchemie bestimmt das Korrosionsverhalten und das Gefüge.

• Phasenumwandlung: Kohlenstoffstähle können Martensit bilden und müssen unter Umständen vor- bzw. nachgewärmt werden, um wasserstoffinduzierte Risse zu vermeiden; die meisten austenitischen nichtrostenden Stähle sind nicht härtbar und müssen nicht vorgewärmt werden. Dies schafft eine Vorheizen/Nachheizen-Konflikt über das Gelenk, die bei der Gestaltung des Verfahrens gelöst werden müssen.

• Thermische Ausdehnung und Eigenspannung: Nichtrostende Legierungen haben oft einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Kohlenstoffstähle - Schweißnähte weisen daher eine andere Dehnungsentwicklung auf, die zu Rissen in spröden Zusatzwerkstoff- oder Schweißzonen führen kann, wenn sie nicht berücksichtigt wird.

• Galvanische Potentialdifferenz: Nichtrostende Stähle sind edler; in feuchten Umgebungen kann eine Verbindung aus nichtrostenden Stählen und Kohlenwasserstoffen zu galvanischer Korrosion führen, so dass der Kohlenstoffstahl bevorzugt korrodiert, wenn er nicht richtig ausgelegt ist.

Kann man sie schweißen?

Ja, aber das Schweißgut muss so gewählt werden, dass:

1. Er enthält genügend Legierungselemente (Cr, Ni, Mo), um einer übermäßigen Verdünnung zu widerstehen und die Bildung harter, spröder Mischgefüge in der Nähe der Kohlenstoffstahlseite zu vermeiden.

2. Die mechanischen Eigenschaften entsprechen denen des schwächeren Grundmetalls (oder übertreffen sie leicht).

3. Das Schweißverfahren behandelt den Grundwerkstoff mit den restriktivsten Bedingungen, z. B. Vorwärmen, Zwischenlagentemperatur und Schweißerqualifikation.

Aus diesem Grund sind Schweißzusatzwerkstoffe wie ER309 / ER309L / ER312 werden in der Regel für Verbindungen von austenitischem Edelstahl mit Kohlenstoffstahl empfohlen. Diese Füllstoffe bringen mehr Chrom und Nickel ein, so dass das Schweißgut gegen Rissbildung und Verdünnungsprobleme beständig ist. Bei sehr anspruchsvollen mechanischen oder thermischen Zyklen werden manchmal Füllstoffe auf Nickelbasis (z. B. die Inconel-Familie) als Übergangsschicht verwendet.

Gängige Schweißverfahren und ihr Vergleich bei ungleichen Verbindungen

Praktische Regel: Verwenden Sie ein Verfahren, das die Steuerung der Wärmezufuhr und der Schweißbaddurchmischung ermöglicht, um die Verdünnung des Übergangsfüllers zu minimieren und unannehmbare Gefüge auf der Kohlenstoffstahlseite zu vermeiden.

Auswahl der Schweißzusatzwerkstoffe - die Standardoptionen und warum sie funktionieren

Empfohlene Füllstoffe (typische Anwendungen)

• ER309 / ER309L (austenitischer Edelstahl): die "erste Wahl" für die Verbindung von austenitischen Edelstählen (304/316) mit Kohlenstoffstählen. Es liefert mehr Cr/Ni, um einer Verdünnung zu widerstehen, und reduziert das Risiko von Martensit/Härte in der Nähe der Kohlenstoffseite. Gut geeignet für die meisten Einsatzbedingungen.

• ER312: höhere Festigkeit und anderes Ferritgleichgewicht; wird manchmal verwendet, wenn die Festigkeit wichtiger ist.

• ER316L-Familie: nicht ideal als Übergangsfüllstoff, da geringeres Cr/Ni im Vergleich zu 309; 316 nur wählen, wenn beide Elternteile 316 sind und die Verbindung geringfügig ist.

• Füllstoffe auf Nickelbasis (z. B. Inconel 82/182, Inconel 625-Familie): werden bei hohen Temperaturen oder in korrosiven Umgebungen eingesetzt, oder wenn eine ungleichmäßige Wärmeausdehnung und das Risiko von Rissbildung nicht akzeptabel sind. Sie bieten einen korrosions- und rissbeständigen Puffer und werden häufig in Schutzrohren und Kesseln eingesetzt.

Grundsätze der Auswahl

1. den niedrigeren mechanischen Anforderungen entsprechen oder diese leicht übertreffen (das Schweißgut sollte mindestens so fest/zäh sein wie das schwächere Grundmaterial).

2. Ausreichende Legierungsmittel bereitstellen um spröde Phasen zu verhindern und die Korrosionsbeständigkeit in der erwarteten Betriebsumgebung zu gewährleisten.

Montage, Vorbereitung und Fugengestaltung

• Stumpfnähte mit einer mäßigen Abschrägung werden bei druckdichten Anwendungen bevorzugt: Sie ermöglichen eine Kontrolle der Verdünnung und eine vollständige Penetration mit dem gewählten Füllstoff.

• Unterleg- oder Butterungsschichten: Bei schwierigen Kombinationen tragen Sie zunächst eine Pufferschicht aus Nickelbasisfüllstoff oder ER309 auf den Kohlenstoffstahl auf, um einen abgestuften Übergang zu schaffen; dann schweißen Sie den nichtrostenden Stahl an den gepufferten Bereich. Dadurch wird die Verdünnung des endgültigen Schweißguts durch den Kohlenstoffstahl verringert.

• Verkleidung: Bei einigen Konstruktionen ist es ratsam, Bauteile aus Kohlenstoffstahl mit einer rostfreien Schicht zu verkleiden, anstatt eine Schmelzverbindung herzustellen - die Verkleidung minimiert die Exposition des Kohlenstoffstahls und vermeidet einen durchgehenden galvanischen Pfad.

• Sauberkeit: Entfernen Sie Walzzunder, starken Rost, Öle und Beschichtungen in der unmittelbaren Schweißzone; Oxidschichten behindern die ordnungsgemäße Verschmelzung und begünstigen Fehler. Nichtrostende Oberflächen müssen so behandelt werden, dass eine Verunreinigung durch Baustahlwerkzeuge vermieden wird.

Wärmesteuerung - Vorwärmen, Zwischenlagentemperatur und Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT)

Dies ist häufig der schwierigste Teil: Kohlenstoffstähle sind oft vom Vorheizen profitieren um Wasserstoffrisse zu vermeiden, aber nichtrostende Stähle können durch hohe Temperaturen beschädigt werden (Sensibilisierung) und müssen im Allgemeinen nicht vorgeheizt werden.

Wie kann der Konflikt gelöst werden?

1. Befolgen Sie die restriktivste Anforderung um Rissbildung zu verhindern - in der Regel die Kohlenstoffstahlseite. Wenn der Kohlenstoffstahl vorgewärmt werden muss, ist eine sorgfältige, kontrollierte Vorwärmung nur auf der Kohlenstoffseite vorzunehmen und die Temperatur auf der Edelstahlseite zu minimieren (Verwendung von Kühlstäben, lokalen Erwärmungstechniken oder Buttering).

2. Begrenzung der Zwischenlagentemperatur auf ein Niveau bringen, das eine Sensibilisierung der rostfreien Seite verhindert (bei Austenitwerkstoffen sollten Sie lange Belichtungen im Bereich von 450-850°C vermeiden, wenn es sein muss). Verwenden Sie Niedrigtemperaturverfahren (Laser, gepulstes WIG), um die Verweildauer im Sensibilisierungsbereich zu minimieren.

3. PWHTFür austenitische rostfreie Stähle unüblich; für niedrig legierte Stähle manchmal erforderlich. Wenn für den Kohlenstoffstahl eine Druckwasserhärtung erforderlich ist, sollten der kompatible Schweißzusatz und die Konstruktion so gewählt werden, dass sie den gewählten Druckwasserhärtungszyklus vertragen. Prüfen Sie immer die geltenden Vorschriften.

Korrosions- und Galvanikschutzstrategien

Das Problem: Nichtrostender Stahl ist edler als Kohlenstoffstahl; in elektrolytischen (nassen) Umgebungen begünstigt eine galvanische Zelle die Korrosion von Kohlenstoffstahl in der Nähe der Verbindung, manchmal in aggressiver Weise.

Ansätze zur Schadensbegrenzung:

• Beschichtungen: Streichen oder beschichten Sie den Kohlenstoffstahl und, wenn möglich, auch den nichtrostenden Stahl in der Nähe der Verbindungsstelle, um den direkten elektrischen Kontakt zu unterbrechen. Beschichten Sie den Kohlenstoffstahl nur dort, wo es notwendig ist, um ein günstiges Verhältnis zwischen Anoden- und Kathodenfläche zu erhalten.

• Isolierung: Verwenden Sie nichtleitende Dichtungen, Manschetten oder dielektrische Durchführungen an Befestigungselementen und Schraubverbindungen.

• Entwurf für Flächenverhältnis: Halten Sie die Kohlenstofffläche im Vergleich zu Edelstahl groß (große Anode zu kleiner Kathode), um den galvanischen Angriff zu verlangsamen; vermeiden Sie kleine Kohlenstoffflecken, die direkt an großen Edelstahlteilen im See-/Nassbetrieb angebracht sind.

• Entwässerung und Belüftung: Vermeidung von Spalten und Wassereinbrüchen in der Schweißzone; Konstruktion von Details, die Flüssigkeit ableiten und das Trocknen ermöglichen.

• Materialauswahl und Opferschutz: in einigen Systemen Opferanoden hinzufügen oder eine routinemäßige Inspektion/Austausch eines örtlichen Anodenelements akzeptieren.

Anmerkung: Oberflächenbeschaffenheit und Schweißnahtprofil sind wichtig: Eine raue Schweißnaht, in der sich Feuchtigkeit sammelt, beschleunigt den lokalen Angriff. Eine einfache Abhilfemaßnahme ist das Streichen oder Plattieren der Kohlenstoffseite in geringem Abstand von der Schweißnaht (25-40 mm wird üblicherweise empfohlen).

Qualifizierung, Codes und NDT

• Für kritische Arbeiten ist eine Qualifizierung erforderlich. Verwenden Sie ASME Section IX (für Druck-/Behälterarbeiten) oder AWS-Strukturcodes (AWS D1.6 ist der Strukturcode für rostfreien Stahl und regelt die Qualifizierung von rostfreien Schweißnähten; Verbindungen zwischen Kohlenstoff und rostfreiem Stahl fallen normalerweise unter die Regeln für das Schweißen von Mischverbindungen und müssen qualifiziert werden).

• Testkupons sollten exakt die gleichen Grund- und Zusatzwerkstoffe, das gleiche Schweißverfahren und die der Produktion entsprechenden Schweißparameter verwendet werden: Dies beweist die mechanische und metallurgische Akzeptanz.

• Gängige ZfP-Methoden: visuell, Farbeindringmittel für Oberflächenrisse, Magnetpartikel auf der Kohlenstoffstahlseite (nicht auf austenitischem Edelstahl), Radiographie für volumetrische Defekte, Ultraschall (unter Berücksichtigung unterschiedlicher akustischer Eigenschaften). Chemische Analysen/Korrosionsproben können für die Validierung des Betriebs verwendet werden.

• Metallurgische Untersuchung kann bei kritischen Mischnähten erforderlich sein, um sicherzustellen, dass in der Nähe der Kohlenstoffseite keine Mikrozonen mit geringer Zähigkeit vorhanden sind.

Typische Probleme und Abhilfemaßnahmen

Praktische Schritt-für-Schritt-Schweißverfahren

1. Identifizieren Sie unedle Metalle und deren Einsatzumgebung.

2. Füller auswählen (ER309L üblich; für extreme Beanspruchung Nickel-Basis in Betracht ziehen).

3. Entscheiden Sie den Prozess (GTAW-Wurzel + GMAW-Füllung ist für die Produktionsbilanz üblich).

4. Fuge vorbereitenReinigen, Anfasen, Anpassen. Zunder/Verunreinigungen entfernen. Halten Sie rostfreie Teile nach Möglichkeit von der Kontamination der CS-Werkzeuge getrennt.

5. Buttern oder plattieren Karbonseite, wenn dies bei schweren Einsätzen erforderlich ist.

6. Definieren und Aufzeichnen von Vorwärm-/Zwischenpass-Grenzwerten pro restriktivstem Material (Dokument in WPS).

7. Qualifizieren Sie das Verfahren mit einem PQR und allen nach den geltenden Vorschriften erforderlichen zerstörenden Prüfungen.

8. Produktionsschweißungen durchführen mit einem für dieselben PQR-Parameter qualifizierten Betreiber.

9. Überprüfen Sie visuell und mit erforderlicher zerstörungsfreier Prüfung; Durchführung von Korrosionsschutzmaßnahmen.

10. Dokument WPS/PQR und Prüfprotokolle zur Rückverfolgbarkeit.

Tabellen - Schnellübersicht

Tabelle A - Häufig verwendete Füllstoffe und typische Verwendungszwecke

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Tabelle B - Verfahren und Abschirmung (praktische Hinweise)

Inspektion, Prüfung und Abnahmekriterien

• Mechanische Prüfung Die Prüfung von Qualifizierungsproben umfasst in der Regel Zug- und Biegeversuche, Makroätzungen und CV-/Stoßprüfungen, wenn niedrige Temperaturen oder dynamische Belastungen zu erwarten sind.

• Radiographie identifiziert volumetrische Defekte, kann aber flächige Schmelzfehler in der Nähe ungleicher Grenzflächen übersehen; gegebenenfalls mit Eindringverfahren oder magnetischen Methoden kombinieren.

• Metallographie von repräsentativen Proben ist die einzige definitive Möglichkeit, unerwünschte Phasen oder Verdünnungsprofile im kritischen Betrieb festzustellen.

Wann nicht geschweißt werden sollte - zu berücksichtigende Alternativen

• Verkleidung (Überschweißung von rostfreiem Stahl auf Kohlenstoff), wenn die Korrosionsbeständigkeit lokal begrenzt ist.

• Mechanisches Fügen (Flansche, Kupplungen), wenn unterschiedliche thermische Ausdehnung oder galvanische Probleme vorherrschen.

• Explosive Bindung oder Diffusionsbindungen in speziellen Anwendungen.

• Ersetzen Sie das Karbonteil durch ein rostfreies Teil wenn das Korrosionsrisiko oder die Wartungskosten dies rechtfertigen.

Beispiele aus der Praxis und Fallbeispiele

• Rohrleitungen und geflanschte Übergänge: Die übliche Lösung ist eine kurze rostfreie Spule, die mit einem Kohlenstoffflansch verschweißt wird, wobei für die Schweißnaht ein ER309L-Zusatzwerkstoff und eine dielektrische Dichtung verwendet wird, um eine galvanische Kopplung zu verhindern.

• Schutzrohre und Kesseldurchführungen: verwenden häufig Füllstoffe auf Nickelbasis, um die thermischen und korrosiven Spannungen auszugleichen; in der Vergangenheit kam es zu Ausfällen, wenn in sehr zyklischen thermischen Umgebungen nur 309 verwendet wurden.

• Reparaturen vor Ort: Stumpfschweißen mit 309L-Stäben ist eine häufige Lösung für kleine Verbindungen, bei denen eine vollständige Stumpfschweißung in der Werkstatt unpraktisch ist. Für Drucksysteme sind nach wie vor qualifizierte Verfahren und Schweißer erforderlich.

FAQs

1. Ist ER309L immer der richtige Schweißzusatz zum Schweißen von rostfreiem Stahl auf Kohlenstoff?
ER309L ist die gängigste und wirtschaftlichste erste Wahl, da der Legierungsgehalt keine Verdünnungsprobleme verursacht. Für schwere thermische Zyklen, Hochtemperaturbetrieb oder aggressive korrosive Umgebungen können jedoch Füllstoffe auf Nickelbasis (Inconel-Familie) oder speziellere Legierungen erforderlich sein. Passen Sie den Füllstoff immer an die Anforderungen des Betriebs und der Vorschriften an.

2. Kann ich für die Verbindung von rostfreiem Stahl 316 mit Baustahl einen Standardfüller aus 316 verwenden?
Nicht empfohlen. Der 316er Zusatzwerkstoff hat einen geringeren Legierungsgehalt als der 309er und verdünnt sich leichter; dies erhöht das Risiko spröder Phasen in der Nähe der Kohlenstoffseite und einer schlechteren Korrosionsbeständigkeit des Schweißguts. Verwenden Sie die 309er-Familie für ungleiche Verbindungen, es sei denn, eine metallurgische Studie spricht für 316.

3. Muss ich beim Schweißen von rostfreiem Stahl auf Kohlenstoffstahl vorwärmen?
Dies hängt von der Härtbarkeit und Dicke des Kohlenstoffstahls ab. Ein Vorwärmen kann erforderlich sein, um Wasserstoffrisse im Kohlenstoffstahl zu verhindern. Das Schweißverfahren muss das Vorwärmen dokumentieren und die Anwendung muss die Temperatur kontrollieren, um eine Überhitzung der nichtrostenden Seite zu vermeiden.

4. Wie verhindere ich galvanische Korrosion an der Verbindungsstelle?
Zu den Optionen gehören Beschichtungen auf Kohlenstoffstahl, dielektrische Isolierung, ein geeignetes Flächenverhältnis, Verkleidungen oder Opferanoden. Die Beschichtung des Kohlenstoffstahls in geringer Entfernung von der Verbindung (25-40 mm) ist ein üblicher praktischer Schritt.

5. Welche Vorschriften gelten für die Prüfung von Mischnähten?
ASME Section IX (Schweißverfahren und Schweißerqualifikation) und AWS D1.6 für strukturelle rostfreie Arbeiten werden üblicherweise herangezogen; der Konstrukteur muss die für das Projekt geltende Vorschrift bestätigen und die exakte ungleiche Kombination gemäß dieser Vorschrift qualifizieren.

6. Ist eine Verkleidung langfristig die bessere Option?
Häufig für schwere Korrosionsbeanspruchung geeignet. Durch die Verkleidung wird ein kontinuierlicher galvanischer Kontaktpfad vermieden und die Anzahl der kritischen Schmelzverbindungen reduziert; sie kann jedoch kostspieliger sein und erfordert geeignete Verfahren.

7. Welche zerstörungsfreie Prüfung ist für diese Verbindungen am besten geeignet?
Verwenden Sie eine Kombination aus Sichtprüfung + Eindringprüfung (Oberflächenrisse), Röntgen- oder Ultraschallprüfung (volumetrisch) und ggf. Metallografie für Mikrostrukturprüfungen. Magnetische Partikel funktionieren nur in Bereichen aus Kohlenstoffstahl.

8. Kann ich austenitischen rostfreien Stahl ohne Zusatzwerkstoff (autogen) an Kohlenstoff schweißen?
Nicht empfohlen für unähnliche Kombinationen, da die Verdünnung des Grundmetalls zu einer unterlegierten Schweißnaht (auf der Kohlenstoffseite) und schlechter Korrosion/mechanischer Leistung führt. Verwenden Sie einen Übergangsfüller.

9. Wie wichtig ist die Auswahl des Schutzgases?
Entscheidend für MSW/TIG: argonreiche Gase für Austenitwerkstoffe verringern Oxidation und Porosität; geringe Zusätze von CO₂ oder O₂ verändern die Übertragungsart, können aber bei falscher Anwendung die Oberflächengüte oder Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen.

10. Was ist die Hauptversagensursache bei Schweißnähten zwischen Edelstahl und Kohlenstoff?
Mangelnde Qualifikation der Verfahren und fehlende Berücksichtigung von galvanischer Korrosion und Konflikten zwischen Vorwärmung und Interpass. In der Praxis schlägt die schlechte Planung die Metallurgie als Hauptursache.

Zusammenfassung - Technische Checkliste vor dem Schweißen

1. Identifizieren Sie den Code und den Qualifikationspfad (ASME, AWS, Kundenspezifikation).

2. Wählen Sie den Füllstoff (ER309L Standard; Nickel, falls erforderlich).

3. Konstruktion für den Korrosionsschutz (Beschichtungen, Isolierung, Flächenverhältnisse).

4. Lösen Sie Konflikte beim Vorheizen/PWHT in der WPS.

5. Vollständiger PQR und Schweißerqualifikation - Prüfung an den exakten Materialien.

Abschließende Praxistipps aus der Ladenpraxis

• Führen Sie immer eine kleine Probeschweißung und zerstörende Prüfungen an Proben durch, bevor Sie die Produktion in Gang setzen.

• Aufzeichnung der chemischen Analyse jeder Füllstoffcharge (Werkszertifikate) zur Rückverfolgbarkeit.

• Bei Feldschweißungen ist darauf zu achten, dass Elektroden und Drähte trocken gehalten werden und der Bediener die PQR-Parameter genau einhält.

• Ziehen Sie beim Fügen dünner oder thermisch empfindlicher Abschnitte eine Buttering-Schicht in Betracht.

• Bei Sicherheits- oder Drucksystemen ist im Zweifelsfall ein Schweißfachingenieur zu Rate zu ziehen und die genaue Ausgabe der Regelwerke heranzuziehen.

Maßgebliche Referenzen

• Nickel Institute - Richtlinien für das Schweißen von artfremden Metallen (technischer Leitfaden PDF)
• Lincoln Electric - ER309 / ER309L Schweißzusatzwerkstoff Produkt- und Anwendungsdaten
• AWS D1.6 - Structural Welding Code - Stainless Steel (Übersicht über die Vorschriften und Anforderungen)
• Nickel Institute - Umgang mit galvanischer Korrosion (praktische Prävention und Schadensbegrenzung)