Baustähle: Diese Schweißverfahren gibt es

Zu viel Kohlenstoff wirkt sich negativ auf die Schweißeignung aus. Daher geht es in diesem Bericht um unlegierte und niedriglegierte Baustähle (unter 5 % Legierungselemente), die weniger als 0,2 Prozent Kohlenstoffgehalt aufweisen. Diese Baustähle sind kostengünstig, lassen sich "gutmütig" schweißen und reichen mit ihren eher "überschaubaren" mechanischen Eigenschaften für sehr viele Konstruktionen aus. Etwa bei Stahltreppen, im Hallenbau oder für Brücken.

Die renommierten Stahlhersteller liefern heute hochwertige Baustähle, die sich praktisch mit allen gängigen Verfahren schweißen lassen: unlegierte Baustähle, niedriglegierte Feinkornbaustähle für hochbelastbare Stahlkonstruktionen sowie wetterfeste Baustähle. Diese Baustähle sind in der Norm EN 10025 spezifiziert, die Hersteller bieten weitere Details zur Verarbeitung ihrer teilweise individuellen Stahlsorten.
Die unlegierten Baustähle sind als wirtschaftliche "Klassiker" in vielen Stahlkonstruktionen zu finden. Niedriglegierte Feinkornbaustähle haben eine höhere Streckgrenze und sind durch ihr feines Korn duktiler als vergleichbare Stähle. Die feine Körnung im metallurgischen Gefüge wird durch Legierungselemente erreicht. Sie werden vor allem für hochbeanspruchte Schweißkonstruktionen im Brücken- und Stahlbau eingesetzt. Im Vergleich zu den unlegierten Baustählen überzeugen Feinkornbaustähle durch höhere Zähigkeit und bessere Verarbeitungseigenschaften.

Feinkornbaustähle lassen sich mit allen gängigen Schweißverfahren manuell als auch automatisiert einwandfrei schweißen. Nur das Autogenschweißen scheidet aus. Für das Handschweißen empfehlen sich Elektroden mit kalkbasischer Umhüllung. Ein Vorwärmen vor dem Schweißen ist normalerweise nicht notwendig, bei kühlen Temperaturen allerdings schon.

Die niedriglegierten, wetterfesten Baustähle erkennt man anhand ihres "rostigen" Charakters bei Fassaden und Stahlbrücken. Diese schützende Deckschicht (die durch Legieren mit Kupfer entsteht) erspart den zusätzlichen Korrosionsschutz bei Stahlkonstruktionen, die der Witterung ausgesetzt sind. Daher steht neben dem oftmals "architektonischen" ebenso der wirtschaftliche Aspekt im Vordergrund. Trotz der höheren Materialkosten braucht man eben keinen Korrosionsschutz, was letztendlich weniger Folgekosten bedeutet. Die wetterfesten Baustähle lassen sich mit allen bekannten Schweißverfahren sowohl von Hand als auch automatisiert schweißen. Vorwärmen vor dem Schweißen wird dabei nur bei sehr frostigen Temperaturen notwendig. Auch mit nicht wetterfesten Baustählen lassen sie sich problemlos verschweißen.

Die typischen Baustähle "akzeptieren" praktisch alle gängigen Schweißverfahren. Da die Verfahren ihre Stärken und Schwächen haben, gilt es natürlich zu beachten, welche Stahlsorte mit welchem Verfahren am besten geschweißt wird. Die Qualität der Schweißverbindung hängt ebenso von den individuellen Anforderungen ab. Grundsätzlich sollte das Schweißen von Baustahl möglichst einfach, robust und kostenoptimiert sein, um damit bei dem heute herrschenden Kostendruck optimale Schweißnähte zu erzielen.

Das Lichtbogenhandschweißen, auch E-Hand-Schweißen genannt, ist als rein manuelles Verfahren immer dann sinnvoll, wenn Baustahl im Freien geschweißt werden soll. Die geringe Windempfindlichkeit sowie die preiswerten Geräte machen es zu einem gerne eingesetzten Verfahren auf Baustellen. E-Hand-Schweißen ist ein robuster, einfacher und sicherer Schweißprozess, der kein Gas benötigt und sogar unter Wasser funktioniert. Im Vergleich zu den Schutzgasverfahren ist die Produktivität freilich niedriger. Doch bei Baustahlkonstruktionen, bei denen sich das Schutzgasschweißen nicht rechnet, packen kleinere Schlossereien ihre Stabelektroden zum E-Hand-Schweißen aus und erledigen Reparatur- und Instandsetzungsarbeiten sowie Schweißarbeiten für Gitter, Balkone oder Geländer, die in der Werkstatt vorgefertigt und auf Baustellen eingebaut werden.

Hoch im Kurs stehen bei Baustählen die aktuellen digital geregelten MIG/MAG-Schweißgeräte mit ihren vielfältigen Prozessvarianten und hinterlegten optimierten Schweißkennlinien. Damit sind schnell saubere, sehr feste Schweißnähte zu erreichen, die kaum Nacharbeit erfordern. MIG/MAG-Schweißen kann manuell oder genauso gut automatisiert erfolgen.

Mit "hochwertig, aber zu langsam" kann man das WIG-Schweißverfahren charakterisieren. Es entstehen sehr saubere, nahezu spritzerfreie Schweißverbindungen. Doch ein Schweißverfahren muss zumeist vielmehr wirtschaftlich sein, als äußerst perfekte Nähte zu produzieren. Somit ist das WIG-Verfahren wegen seiner geringen Leistung bei den Baustählen unterrepräsentiert, trumpft aber dort auf, wo es bei großen Wanddicken um das Schweißen der Wurzellagen geht. Die Füll- und Decklagen übernehmen dann eben andere, leistungsfähigere Verfahren. WIG-Schweißen kann manuell und automatisiert erfolgen und wird auch häufig bei Zwangslagen eingesetzt.
Beim Unterpulverschweißen (UP-Schweißen) brennt der Lichtbogen ohne Schutzgas unter einer Schicht aus Pulver und Schlacke, die das Schweißbad vor der Atmosphäre abschirmt. Damit erzielt man eine hohe Wärmeeinbringung sowie eine große Abschmelzleistung. Es wird vor allem zum Schweißen langer Nähte und bei dicken Stahlblechen in der Werkstatt oder auf der Baustelle eingesetzt. Die Qualität der Schweißnaht ist hoch, sowohl innen als auch an der Nahtoberfläche. Bei schweißgeeigneten Baustählen arbeitet das automatisierte UP-Verfahren sehr produktiv. Bei hochfesten Feinkornbaustählen zeigte sich das Verfahren aber bisher nur wenig wirtschaftlich.

Der scharfe Laserstrahl dringt zwar tief in den Werkstoff ein, schmilzt im Vergleich zum Lichtbogenschweißen aber nur wenig Material auf und fokussiert seine enorme Wärme genau auf die Nahtstelle. Dadurch kühlt die schmale Schweißnaht schnell ab, der thermische Verzug bleibt gering. Das automatisierte Laserschweißen "verarbeitet" Baustähle schnell und präzise. Wirtschaftlich sinnvoll ist das Verfahren wegen der hohen Investitionskosten erst bei höheren Stückzahlen oder besonders hohen Anforderungen an die Verzugsarmut.

Interessant ist auch das sogenannte Hybridschweißen, eine Kombination von Laserstrahl mit einem MIG/MAG-Prozess. Dabei arbeiten zwei Prozesse in einem gemeinsamen Schmelzbad. Es entsteht ein sehr stabiler Schweißprozess mit hoher Abschmelzleistung und einem hohen thermischen Wirkungsgrad. Diese Synergie "aus den beiden Schweißwelten" ist aber, ähnlich dem "normalen" Laserstrahlschweißen, nur bei großen Serien oder hohen Ansprüchen an die Verzugsarmut wirtschaftlich.

Dem Laserschweißen ähnlich ist das Elektronenstrahlschweißen. Ein hochenergetischer Elektronenstrahl schmilzt nur einen kleinen Teil des Werkstücks auf. Der Schweißvorgang erfolgt im Vakuum ohne Schutzgas. Mit hoher Geschwindigkeit entstehen tiefe, schmale und fast porenfreie Schweißnähte. Das Verfahren schafft große Wanddicken genauso wie kleine, kompliziert geformte Schweißnähte. Trotz der hohen Anlagenkosten kann das Fügen mit dem Elektronenstrahl wirtschaftlich sinnvoll sein, wenn die Berechnung über die "Lebensdauer-Kosten" erfolgt.

[Quelle: METALL 5/2019]