Google+ Facebook Twitter XING LinkedIn GoogleCurrents YouTube

Teilereinigung

Organische Rückstände an Schweißnähten durch Mikrophasenreiniger vermeiden

02.03.2007 | Autor / Redakteur: Oliver Manger / Josef-Martin Kraus

Edelstahlrohre bei der Beschickung einer Reinigungsanlage. Nach der Reinigung sind sie sowohl frei von Kohlenwasserstoffrückständen als auch von Kühlschmierstoffen und Salzen. Bild: Zestron
Edelstahlrohre bei der Beschickung einer Reinigungsanlage. Nach der Reinigung sind sie sowohl frei von Kohlenwasserstoffrückständen als auch von Kühlschmierstoffen und Salzen. Bild: Zestron

Firma zum Thema

Mikrophasenreiniger trocknen ohne Rückstände, da sie auf einer feststofffreien Formulierung basieren. Mit ihnen bleiben keine kohlenwasserstoffhaltigen Rückstände auf den Oberflächen beim Vorbereiten von Fügeteilen vor dem Schweißen; die Schweißnähte verspröden daher nicht. Das ist besonders bei feinen Nähten, wie sie beim Plasma- und Elektronenstrahlschweißen entstehen, von großem Vorteil.

Aufgrund der gestiegenen Anforderungen an die Maßhaltigkeit von Bauteilen wird in der Industrie beim Schweißen in zunehmendem Maße auf Sonderverfahren gesetzt, wie Laser- oder Elektronenstrahlschweißen. Diese Fügeverfahren erzeugen infolge der starken Strahlenfokussierung einen Brennfleck von wenigen Zehntel Millimetern, in dem der zu fügende Werkstoff zu schmelzen beginnt.

Aufgrund dieser schmalen Schmelzzonen werden zum einen sehr schmale Schweißnähte erzeugt, zum anderen wird sehr wenig Wärme ins Bauteil eingebracht. Die damit einhergehende Minimierung der Eigenspannungen wirkt sich positiv auf den Verzug der Fügeteile aus.

Keine Toleranz bei feinen Schweißnähten

Allerdings haben solche feinen Schweißnähte einen Nachteil: Sie sind nicht so tolerant gegenüber organischen Verunreinigungen an den Fügestellen wie Nähte konventioneller Schweißverfahren. Bei herkömmlichen Verfahren entsteht durch die große Breite der Schweißnaht eine größere Menge an flüssigem Metall. Verunreinigungen werden somit weitaus stärker verdünnt als bei feinen Laser- oder Elektronenstrahlschweißnähten mit wenig flüssigem Metall.

Die Einlagerung von nur geringen Mengen an Kohlenstoff in diese Schweißnähte führt bereits lokal zur Versprödung. Durch die spätere dynamische Beanspruchung der geschweißten Bauteile werden dann Risse im Übergangsbereich zwischen zähem Werkstoff und spröder Fügestelle induziert.

Daher werden in Bezug auf die Sauberkeit der Nahtstellen beim Laser- oder Elektronenstrahlschweißen erhöhte Anforderungen an die Qualität der Nahtvorbereitung im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren gestellt. So schreibt der DVS – der Deutsche Verband für Schweißen und ver-wandte Verfahren e. V. – in seinem Merkblatt 3201 vor, dass die Oberflächen an den Nahtstellen komplett fettfrei – und damit frei von kohlenstoffhaltigen Verbindungen – sein müssen.

Gecrackte Kohlenwasserstoffe können problematisch sein

Diese kohlenstoffhaltigen Verunreinigungen gelangen unter anderem durch Bearbeitungsschritte wie Drehen, Fräsen oder Bohren auf die Oberfläche der Fügeteile. Durch eine Reinigung sollen die Verschmutzungen vollständig entfernt werden. Jedoch erzeugt oftmals nicht jeder angewandte Reinigungsprozess die Oberflächenreinheit, die für diese Anwendung benötigt wird. Vielfach hinterlassen die Reinigungsmedien selbst derartige Rückstände.

Gerade Kohlenwasserstoffe, die häufig zur Entfettung von mechanischen Bauteilen eingesetzt werden, lassen einen leichten Film auf der Oberfläche des Reinigungsgutes zurück. Die üblicherweise zwischen acht und zehn Kohlenstoffatome enthaltenden Moleküle werden durch die Hitze des Schweißens gecrackt, wobei sehr viel Kohlenstoff frei wird, der in der Schmelze reagieren kann.

Wässrige Tenside ebenfalls mit Nachteilen

Aber nicht nur Rückstände der augenscheinlichen Kohlenwasserstoff-Reiniger können kohlenstoffhaltige Rückstände auf den Oberflächen hinterlassen. Auch bei der Verwendung wässriger Tensidsysteme bleibt diese Art von Verunreinigung auf den Oberflächen zurück. Tenside – also waschaktive organische Substanzen – haben je nach Typ einen ionischen oder nichtionischen hydrophilen und einen hydrophoben Teil.

Speziell dieser hydrophobe Teil enthält sehr viele Kohlenstoffatome. Verbleiben diese Tenside durch einen ungenügenden Spülprozess auf der Oberfläche, führen sie zu denselben Problemen wie Kohlenwasserstoffe.

Aufgrund der hohen Temperaturen beim Aufschmelzen der Fügeteile werden die Kohlenstoffverbindungen gecrackt. Dieser freie Kohlenstoff reagiert dann mit dem flüssigen Eisen unter Bildung von Eisencarbid (Fe3C). Dieses Eisencarbid – auch unter dem Namen Zementit bekannt – führt nach dem Erstarren der Schmelze zu einer sehr spröden Verbindung zwischen den beiden zähen Fügeteilen. Wird dieses Werkstück im Anschluss an das Fügen dynamisch beansprucht, kommt es aufgrund der unterschiedlichen E-Module zu einer Rissbildung im Übergangsbereich zwischen Fügeteil und Schweißnaht (Bild 1).

Aber nicht nur kohlenstoffhaltige Rückstände führen zu Versprödungen. Auch die in Tensidsystemen enthaltenen organischen und anorganischen Gerüststoffe (Builder), wie Phosphate und Amine, beeinflussen das Gefüge in der Schweißnaht negativ. Die in den Aminen enthaltenen Stickstoffatome reagieren während des Schweißens mit den Eisenatomen und bilden Eisennitrid (Fe4N). Das Eisennitrid ist vergleichbar mit Zementit und führt auch zum Verspröden der Schweißnaht.

Schwefel und Phosphor in Reinigungsmitteln senken Kerbschlagzähligkeit

Des Weiteren bewirken Phosphor und Schwefel aus dem Tensidsystem durch ihre Einlagerung eine unedle Schweißnaht. Der maximale Gehalt an Schwefel und Phosphor kann über 0,025% steigen, womit ein Kriterium für die Definition von Edelstählen nicht eingehalten wird. Darunter kann besonders die Kerbschlagzähigkeit leiden.

Doch nicht nur die Versprödung der Verbindung wird durch kohlenstoffhaltige Rückstände ausgelöst. Auch die Korrosionsempfindlichkeit von rostfreien Stählen kann negativ beeinflusst werden. Der nach dem Cracken freie Kohlenstoff reagiert in diesem Fall mit dem zum Stahl hinzulegierten Chrom unter Bildung von Chromcarbid (Cr3C).

Fällt dadurch der Chromanteil in der Legierung der Schweißnaht unter die kritische Marke von 12%, so wird aus dem vormals rostfreien Stahl ein korrosionsempfindlicher Stahl. Ist das Fügeteil einer korrosiven Umgebung ausgesetzt, so rostet innerhalb kürzester Zeit die Schweißnaht, was im Allgemeinen zu Undichtigkeiten und Brüchen führt. Diesbezüglich sind X20Cr13-Stähle gefährdet, weil der Chromanteil in der Legierung mit 13% gerade ausreicht, um den Stahl unempfindlich gegen Korrosion zu machen.

Feststofffreie Formulierung führt zu Anwendungsvorteilen

Aufgrund der möglichen beschriebenen Probleme mit den konventionellen Reinigungssystemen im Hinblick auf die Vorbereitung von Fügestellen ist es vielfach sinnvoll, über eine mögliche Alternative nachzudenken. Eine neue, patentierte Reinigungstechnik von Zestron vereint die Vorteile der Tensid- und Lösemittelreiniger, ohne deren Nachteile in Kauf zu nehmen. Dabei handelt es sich um so genannte wässrige, tensidfreie Mikrophasenreiniger, die von Zestron als MPC-Reiniger am Markt eingeführt wurden (Bild 2).

Ein neuartiges Wirkungsprinzip führt zu folgenden Vorteilen für den Anwender einer Teilereinigung:

  • Die Trocknung ist rückstandsfrei. MPC-Reiniger haben keine feststoffhaltigen Komponenten, die auf der Oberfläche des Substrats Rückstände hinterlassen. So kommt es während des Schweißens zu keinen ungewünschten Reaktionen mit dem Fügematerial.
  • Es werden höchste Oberflächenspannungen erzielt. Die Oberflächenspannung ist ein Maß für die Sauberkeit einer Oberfläche. Durch Mikrophasenreinigung können Oberflächenspannungen bis zu 64 mN/m stabil erreicht werden.
  • Mischverunreinigungen werden entfernt. Die neuen Reiniger bestehen aus polaren und unpolaren Bestandteilen und können somit breitbandig eingesetzt werden. Gemäß dem Leitsatz in der Teilereinigung „Gleiches löst sich in Gleichem“ können Öle, Fette (unpolar), aber auch Kühlschmierstoffe und Salze (polar) in einem Reinigungsschritt entfernt werden. Somit werden alle Verunreinigungen von den Fügestellen entfernt und zuverlässige Schweißverbindungen erzielt.

Außerdem führen die Reiniger zu Vorteilen bei der Aufbereitung und Entsorgung. Bei der Aufbereitung durch Membranfiltration oder Destillation werden die reinigungsaktiven Bestandteile fast komplett aus dem Reinigungsbad herausgefiltert und stehen erneut für die Reinigung zur Verfügung. Dies ergibt sehr lange Badstandzeiten, die zu einer hohen Wirtschaftlichkeit führen. Bei den Reinigern handelt es sich weder um Gefahrstoffe noch um Gefahrgut. Lediglich die Vorgaben der Wassergefährdungsklasse 1 müssen bei Anwendung und Entsorgung beachtet werden.

Rückstandsfreie Trocknung lässt auch Spülprozesse zu

Die Mikrophasenreiniger sind in Reinigungsanlagen einsetzbar, die sowohl im Ultraschalltauch- als auch in Spritzverfahren mit einer vollständigen Kreislaufführung arbeiten (Bild 3). Aufgrund der speziellen Formulierung trocknen die Reiniger rückstandsfrei und eignen sich folglicherweise auch sehr gut als Spülmedium. Spülwasser wird nicht benö-tigt, somit entfällt der Abwasseranschluss. Eine Spülung ist selbstverständlich analog zu den Tensidreinigern möglich, erscheint jedoch wegen des dabei anfallenden Zusatzaufwands als wenig sinnvoll. Auch ohne Wasserspülung wird eine hohe Oberflächenreinheit erreicht.

Aufgrund des wässrigen Charakters haben die Mikrophasenreiniger keinen Flammpunkt, keine Zündtemperatur und somit keine obere und untere Explosionsgrenze. Dadurch wird eine hohe Betriebs- und Arbeitssicherheit für den Anwender gewährleistet. Insgesamt führt dies zu einem sehr kompakten, leicht zu überwachenden Prozess. MM

Oliver Manger ist Prozessingenieur bei Zestron Europe

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Anonym mitdiskutieren oder einloggen Anmelden

Avatar
  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 198276 / Oberflächentechnik)

Themen-Newsletter Produktion abonnieren.
* Ich bin mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung und AGB einverstanden.
Spamschutz:
Bitte geben Sie das Ergebnis der Rechenaufgabe (Addition) ein.

Meistgelesene Artikel

Werkzeugmaschinenbauer SHW meldet Insolvenz an

SHW Werkzeugmaschinen

Werkzeugmaschinenbauer SHW meldet Insolvenz an

17.05.18 - Die SHW Werkzeugmaschinen GmbH hat vorgestern einen Antrag auf Eröffnung des Insolvenzverfahrens gestellt, heißt es. Dieser Schritt sei unausweichlich geworden, nachdem der Versuch, das Unternehmen zu restrukturieren, trotz voller Auftragsbücher gescheitert sei. lesen

Antriebssystem für die nächste Generation

Elektromechanischer Antrieb

Antriebssystem für die nächste Generation

14.05.18 - Durch die Digitalisierung, Flexibilisierung und Individualisierung der Industrie werden sich die heutigen Produktionsprozesse grundlegend verändern. Die Smart Factory von morgen ist flexibel, modular und mobil. Ein omnidirektionales Antriebssystem macht Roboter fit für diese Herausforderungen. lesen

Feinschneiden bietet im Vergleich zum Stanzen wesentliche Vorteile

Grundlagenwissen

Feinschneiden bietet im Vergleich zum Stanzen wesentliche Vorteile

17.05.18 - Das Stanzen hat seit vielen Jahren seine Tauglichkeit als formgebendes Trennverfahren zur Herstellung von Serienteilen bewiesen. Immer leistungsfähigere Maschinen und Automaten sind hoch produktiv. Dennoch wird immer öfter das Feinschneiden gewählt, weil durch den Glattschnitt eine Nachbearbeitung entfällt. lesen