Der Marangoni-Effekt beim Schweißen von Metallen / Legierungen beschreibt die Bewegungsmechanismen der flüssigen Schmelze in einem Schweißbad in Abhängigkeit von der Oberflächenspannung der Schmelze und erklärt in diesem Zusammenhang die Phänomene der Schmelzbadaufweitung bzw. der Schmelzbadeintiefung beim Schweißprozess.
Mithilfe des Marangoni-Effekts lässt sich eine zunächst unerklärliche Abweichung des Schweißlichtbogens zwischen Brenner und Schweißbad beim Verschweißen von austenitischen Edelstahllegierungen – im Besonderen, wenn die zu verbindenden Bauteile zwar aus der gleichen Werkstofflegierung aber aus unterschiedlichen Schmelzen (etwa Rohr und Bogen bzw. Ventil aus 1.4404) mittels Wofram-Inert-Gas-Schweißverfahren zu verschweißen sind –, wobei oft eine korrekte Wurzeldurchschweißung (Schweißwurzel) (auch bei kleinen Wanddicken wie s = 2–3 mm) nicht möglich ist, nachvollziehbar erklären. Die genauere Untersuchung des Vorgangs zeigt, dass die Schmelzen (Werkstoffzeugnis) der beiden Werkstoffe zwar absolut im Spektrum nach DIN 10027-1/2 liegen, für das zulässige Schwefelspektrum (z. B. 1.4404 ≤ 0,03 %) aber Partner 1 etwa 0,002 % S und Partner 2 0,012 % S enthält. Dabei ist zu ergänzen, dass in nationalen und internationalen Standards (EN, DIN, ASTM, SEMI etc.) äußerst unterschiedliche S-Gehalt-Grenzbereiche vorgegeben werden, wodurch das Problem der Schwefelgehaltunterschiede deutlich verschärft wird und speziell Gusskomponenten, wie Ventilkörper etc., infolge erhöhter Schwefelgehalte besonders problematisch sein können.
Der Schweißvorgang zeigt nun eine deutliche Lichtbogenabweichung zu dem Ufer mit dem kleineren S-Gehalt hin und verhindert damit eine symmetrische Durchschweißung der Wurzel.
Nach dem Marangoni-Effekt haben oberflächenaktive Elemente, wie S, O etc., einen großen Einfluss auf den thermisch bedingten Massefluss im Schmelzbad beim Schweißen.
Ein niedriger S-Gehalt im Schweißbad zeigt einen negativen Oberflächenspannungsgradienten dγ/dT bezüglich der Temperatur und verursacht also einen divergenten Massefluss. Das bedeutet, dass die Schmelze vom Elektrodenzentrum aus wegströmt und ein breites Schmelzbad mit geringer Eindringtiefe (Penetration) verursacht.
Ein hoher S-Gehalt zeigt dagegen einen positiven dγ/dT, also einen konvergenten Massefluss, sodass ein engeres Bad und eine entsprechende Tiefeneindringung erkennbar werden. Bei der Kombination zweier deutlich unterschiedlicher S-Gehalte der beiden Schweißufer erklärt sich also nach dem Marangoni-Effekt die einseitige Verbreiterung des Bades und die damit verbundene fehlende Eindringtiefe (Penetration), wobei durch diese Asymmetrierung des Schmelzbades eine einwandfreie Schweißnahtwurzelausbildung meist nicht möglich ist.
Abhilfe im praktischen Anwendungsfall ist ein Komponententausch, Erhöhung der Streckenenergie beim Schweißen oder aber die Aufbringung einer mehrlagigen Schweißung unter besonderer Schweißaufsicht mit entsprechender anschließender Naht- / Wurzelkontrolle.
© 2013 – ECV – Lexikon der Pharmatechnologie
