Schweißen

Unter Schweißen versteht man eine Verschmelzung zweier meist metallischer Materialien zu einer nicht lösbaren stoffschlüssigen Verbindung. Die Verbindung erfolgt je nach Schweißverfahren in einer Schweißnaht oder einem Schweißpunkt.

Dabei müssen beide Teile so weit erhitzt werden, dass sie im flüssigen oder teigigen Zustand sind. Wichtig dabei ist, dass das Material nach seiner Abkühlung nicht andere Eigenschaften hat als vor dem Erhitzen. So kann man unter anderem Metalle, Thermoplaste oder Glas verschweißen.

Die bekanntesten Arten von Metallschweißen sind:

Feuerschweißen

Dies ist die älteste Form des Schweißens. Dabei werden die zu verbindenden Metalle in der Esse nahezu zum Schmelzen in einen teigigen Zustand gebracht und anschließend durch großen Druck, zum Beispiel durch Hammerschläge, miteinander verbunden. Mit Feuerschweißen wurden früher vom Schmied auch Waffen geschmiedet, zum Beispiel Dolche und Schwerter aus Damaszener Stahl.

Gasschmelzschweißen

siehe Autogenschweißen

Lichtbogenschmelzschweißen mit Stabelektroden

Das Metall wird durch einen Lichtbogen, der durch Anlegen eines Gleichstromes oder Wechselstromes entsteht, erhitzt und aufgeschmolzen. Gleichzeitig schmilzt auch die Schweißelektrode, die einen der beiden Pole des Lichtbogens bildet. Das von der Elektrode abgeschmolzene Metall wird mit zum Bestandteil der Naht. Das Elektrodenschweißen ist die einfachste Art, Eisen oder Stahl zu schweißen. Den notwendigen Strom erhält man aus einem Schweißtrafo oder Schweißgenerator.

Um zu verhindern, dass das Eisen bei der Hitze oxidiert, sind die Elektroden mit einem Mantel umgeben, der den Sauerstoff von der Schweißstelle fernhält. Dabei werden Stoffe aus der Elektrode rauchförmig frei. Gefährlich sind dabei die Chromate ( = Chrom(VI)-Verbindungen = sechswertige Chromverbindungen). Im Geringeren werden Nickelverbindungen und Manganoxide freigesetzt.

Für die Gefährdungsbeurteilung ist der Gesamtschweißrauch zu beachten, u. a. mit den Inhaltsstoffen Titandioxid, Fluoriden, Magnesiumoxid, Calciumoxid und Eisenoxiden. Wenn möglich ist auf Schutzgasschweißen (s. u.) auszuweichen, denn durch die fehlende Ummantelung der Elektrode werden weniger Chromate freigesetzt.

Für Deutschland gilt: TRK-Werte (Chromate, Nickelverbindungen, Mangan und Fluoride (giftig)) beachten. Die anderen Bestandteile sind belastend und entsprechend (TRGS403, MAK-Werte) zu beurteilen. Untersuchungsgrundsatz G39

Nach dem Abkühlen ist die Naht durch eine aus dem Material des Mantels entstandene Schlacke bedeckt, die entfernt werden muß.

Schutzgasschweißen

Schutzgasschweißen (MIG / MAG)

ist ebenfalls ein Lichtbogenschmelzschweißen, bei dem der abschmelzende Schweißdraht von einem Motor in veränderbarer Geschwindigkeit kontinuierlich nachgeführt wird. Gleichzeitig wird die Schweißstelle über eine Düse mit Kohlendioxid oder einem Edelgas (häufig Argon mit ca. 10 l/min) begast. Dieses Gas schützt das flüssige Metall unter dem Lichtbogen vor Oxidation, die die Schweißnaht schwächen würde. Der Aktivgasanteil (i. a. CO₂) sorgt zum einen für eine bessere Wärmeabfuhr, zum anderen bewirkt er eine leichte Anreicherung des Schweißguts mit Kohlenstoff.

MIG bedeutet Metall-Inertgas-Schweißen. Hierbei wird kein Aktivgas, sondern nur ein Inertgas (in der Regel Argon) zugeführt, um den Luftsauerstoff von der Schweißnaht fern zu halten.

Beim Metall- Aktivgas- Schweißen (MAG) werden dem Inertgas zusätzliche aktive Gasbestandteile beigemischt, um die Schweißverbindung entsprechend den besonderen technologischen Erfordernissen zu beeinflussen.

Schutzgasschweißen (WIG / TIG)

Gasschutz: Beim WIG-Schweißen (Wolframinertgasschweißen auch TIG nach dem englischen ´´Tungsten´´) wird das Schutzgas, meist hochreines Argon, wie beim MIG oder MAG Schweißen über ein Schlauchpaket zum Brenner geführt. Dort wird es durch eine Keramikdüse auf das Metall geblasen.

Zündung: Mit Hilfe eines Hochfrequenz-Zünders, der eine extrem hohe Spannung auf die Wolframelektrode zuführt, und des Argon-Gases das Strom besser als Luft leitet, wird ein Lichtbogen gezündet. Der Hochfrequenzzünder hat eine ungefährliche Stromstärke.

Energiezufuhr: Um einen tödlichen Stromschlag beim eigentlichen Schweißen zu vermeiden wird mit einer niedrigen Spannung bis ca. 24 V geschweißt. Weil die Spannung so niedrig ist, muss mit extrem hohen Stromstärken, im normalen Alltag 60 bis 300 A gearbeitet werden, da sonst die Schweißleistung zu klein wäre. Durch die massive Elektronenwanderung zwischen einer nicht abschmelzenden Wolframnadel im Brenner und dem Metall entsteht einen Lichtbogen. Die Temperatur reicht aus, um die Oberflächen des Metalls zu Schmelzen und zu fügen.

Schweißzusatz: Falls die Schweißnaht belastbar sein soll, muss dem Schmelzbad von außen ein Zusatzwerkstoff zugeführt werden. Dies gilt vor allem bei einer Eckstoßnaht. Die Wolframnadel sollte das Material nicht berühren, da sonst die Materialeigenschaften des Werkstückes verschlechtert, und die Wolframelektrode stumpf wird.

Metallsorten: Normalstahl, Rostfreie Stähle, Aluminium ... Praktisch alle Metalle können mit WIG verschweißt werden.

Widerstandspressschweißen

Punktschweißen

Das ist ein Verfahren zum Verschweißen von Blechen. Die Bleche (meist zwei, es sind aber auch Dreiblechschweißungen möglich) werden dabei durch zwei gegenüberliegende Elektroden an einem Punkt zusammengepresst. Durch die Elektroden wird ein Schweißstrom in das Blech eingeleitet. Zusammen mit dem aufgebrachten mechanischen Druck und dem elektrischen Widerstand der Bleche führt dies zwischen den Elektroden zum Schmelzen der Bleche. Die Elektroden sitzen meistens am Ende einer Punktschweißzange oder an Zylindern. Um ein Überhitzen der Elektroden zu vermeiden, wird häufig auf der Innenseite Kühlwasser hindurchgeleitet. Punktschweißen ist ein wichtiges Verfahren zur Verbindung der Karosserieteile im Automobilbau. In letzter Zeit wird alternativ auch das Druckfügen angewandt.

Rollnahtschweißen

Ein Rollnahtschweißgerät funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie Punktschweißen, kann durch die Rollen aber auch kontinuierliche Nähte erzeugen.

Kaltpressschweißen

Kaltpressschweißverbindungen erfolgen unter hohem Druck und unterhalb der Rekristallisationstemperatur der Einzelteile. Hierbei bleiben die Partner im festen Zustand, allerdings ist eine plastische Verformung mit einer starken Annäherung der Kontaktflächen notwendig. Durch die extreme Berührung der beiden Kontaktflächen erfolgt auf Grund von zwischenatomaren Bindekräften eine stabile Verbindung der beiden Werkstücke. Um eine gute Verbindung zu erhalten sind Mindestverformungen von Materialien mit ausreichender Kaltverfombarkeit notwendig. (Beispiel: Kupfer sowie Aluminium miteinander und untereinander)

In Einzelfällen ist eine Verbindung auch für die dauerhafte Stromleitung geeignet. Hierzu ist eine vorherige Entfettung und ein Aufreißen der oberflächlichen Oxidschicht hilfreich. (Beispiel: Kontaktfahnen bei Becher-Kondensatoren, Alu)

Unter speziellen Randbedingungen wie z.B. im Hochvakuum wurden auch schon Metalle mit Keramiken kaltpressverschweißt.

Reibschweißen

Beim Reibschweißen werden zwei Teile relativ zueinander bewegt, wobei sich die Teile an den Kontaktflächen berühren. Durch die entstehende Reibung kommt es zur Erwärmung. Am Ende des Reibvorganges ist es von entscheidender Bedeutung die Teile richtig zueinander zu positionieren, und einen hohen Druck auszuüben. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die so genannte Wärmeeinflusszone deutlich kleiner ist als bei anderen Schweißverfahren.

Rotationsreibschweißen

Das Rotationsreibschweißen ist ein Sonderfall. Dabei werden rotationssymmetrische Bauteile miteinander verschweißt, wobei ein Teil still steht und die Reibungswärme durch Rotation des zweiten Teils erzeugt wird.

http://www.kuka.de/kuka_sa/index.php?lang=deutsch&id=75&pid=1 http://www.kuka.de/kuka_sa/video/415_hs_reibschweissen.mpg

Ultraschallschweißen

Das Ultraschallschweißgerät erzeugt die notwendige Wärme durch sehr kleine Bewegungen der Werkstücke im Ultraschallbereich und stellt somit ebenfalls einen Sonderfall des Reibschweißens dar.

Laserschweißen

Laserschweißen wird vor allem zum Verschweißen von Blechen eingesetzt. Das Laserschweißen oder Laserstrahlschweißen wird i.d.R. ohne Zuführung eines Zusatzwerkstoffes ausgeführt. Die in den Werkstoff eingekoppelte Energie erzeugt eine Schmelze. Bei hohen Strahlintensitäten [z. B. bei Stahlwerkstoffen ca. 2.000.000 W/cm2] bildet sich im Werkstoff in Strahlrichtung eine Dampfkapillare (Metalldampf, ionisierter Werkstoff) aus, die den Werkstoff in extrem kurzen Zeiten aufschmilzt, wenn der auf die Werkstückoberfläche fokussierte Laserstrahl entlang der Stoßfugen geführt wird. Durch die konzentrierte Energieeinkopplung in den Werkstoff wird der thermisch bedingte Verzug von lasergeschweißten Bauteile gering gehalten. Daher wird dieses Schweißverfahren oftmals zum Fügen von Komponenten zu Fertigungbauteilen eingesetzt (z. B. Gangrad und Synchronring -> Getrieberad).

Aluminothermisches Schweißen

Ein Schweißverfahren - auch unter dem Namen Thermit-Schweißen bekannt - das vor allem beim Verschweißen von Bahnschienen angewandt wird. In einem Tiegel wird eine Mischung aus Eisenoxid und fein verteiltem Aluminium zur Entzündung gebracht, woraus sich durch eine chemische Reaktion bei einer Temperatur von ca. 2450 °C flüssiges Eisen und flüssige Aluminium-Schlacke bildet.

Arbeitsschutz

Beim Autogenschweißen braucht man nur Schutzgläser, damit keine glühenden Teile oder Funken in die Augen gelangen. Allerdings sind auch die Gläser verdunkelt, damit man die Schweißumgebung besser sieht.

Beim Lichtbogenschweißen entsteht eine gefährliche Ultraviolettstrahlung, die ungeschützte Augen schwer schädigen kann. Deshalb müssen Schutzgläser, die diese Strahlung abschirmen, verwendet werden. Da die UV-Strahlung auch die normale Haut schädigt, wird ein Schirm verwendet, der das ganze Gesicht abdeckt. Vor dem eigentlichen schwarzen Glas ist meist ein normales Glas, das die Funken abhält und billiger auszutauschen ist. Um beide Hände frei zu haben, kann der Schirm an einem Schutzhelm oder einer auf dem Kopf getragenen Vorrichtung klappbar angebracht werden.

Literatur

Fügetechnik Schweißtechnik, DVS Verlag, Von der Fachgruppe für die schweißtechnische Ingenieurausbildung, 6. überarb. Auflage 2004, ISBN 3-87155-786-2, 392 Seiten

Siehe auch: Löten