Schweißen

Unter Schweißen versteht man gemäß DIN 1910 das unlösbare Verbinden oder Beschichten von Bauteilen oder Grundwerkstoffen unter Anwendung von Wärme oder Druck - ohne oder mit Schweißzusatzwerkstoff. Besonders häufig sind Schmelzschweißverfahren zweier meist metallischer Materialien. Die Verbindung erfolgt je nach Schweißverfahren in einer Schweißnaht oder einem Schweißpunkt.

Beim Schmelzschweißen müssen beide Teile so weit erhitzt werden, dass sie im flüssigen 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.

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. Diese dürfen anfangs nicht zu stark sein, da sonst die zu verbindenden Teile wieder auseinander "geprellt" werden. Mit Feuerschweißen wurden früher vom Schmied auch Waffen geschmiedet, zum Beispiel Dolche und Schwerter aus Damaszener Stahl.

Gasschmelzschweißen

Siehe Autogenschweißen.

Lichtbogenhandschweißen nach DIN EN ISO 4063:2000-04

Das Metall wird durch einen Lichtbogen, der durch Anlegen eines Gleichstromes oder Wechselstromes zwischen dem Werkstück und der Stabelektrode entsteht, erhitzt und aufgeschmolzen. Dabei schmilzt die Stabelektrode, die einen der beiden Pole des Lichtbogens bildet. Das von der Elektrode abgeschmolzene Metall wird mit zum Bestandteil der Naht. Das Lichtbogenhandschweißen ist die einfachste Art, Stahl zu schweißen. Den notwendigen Strom erhält man aus einem Schweißtrafo, Schweißgleichrichter, Schweißumformer oder einem Schweißinverter.

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. In der Regel erfolgt dies durch einfaches Abschlagen, da die Schlacke viel spröder als das Werkstück ist und im Falle einer guten Schweißnaht fast von selbst abplatzt.

Schutzgasschweißen

Schutzgasschweißen (MIG / MAG)

(Metall Inert Gas ; Reaktionsträge Gase) / (Metall Aktiv Gas; Aktive Gase) 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, Berechnungsgrundlage pro mm Schweißdraht Durchmesser * 10 l = l/min an einzusetzendem Schutzgas) 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)

Gasschutz:
Beim WIG-Schweißen (Wolfram Inert Gasschweißen, 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 10 bis 300 A gearbeitet werden, da sonst die Schweißleistung zu klein wäre. Durch die massive Elektronenwanderung zwischen einer nicht abschmelzenden Wolframelektrode im Brenner und dem Grundwerkstoff entsteht ein 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. Von der Handhabung her ist dieses Verfahren mit dem Autogenschweißen vergleichbar. Die Wolframelektrode sollte das Material nicht berühren, da sonst die Materialeigenschaften des Werkstückes verschlechtert, und die Wolframelektrode stumpf wird.

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

Oberflächengüte:
Die Qualität der manuell erstellten Schweißnähte ist beim WIG-Schweißen (oft im Gegensatz zu anderen Handschweißverfahren) so gut und insbesondere spritzerarm, daß in der Regel eine weitere (mechanische) Bearbeitung der Naht entfallen kann.

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. Das Aufschmelzen des Grundwerkstoffes erfolgt an der Stelle des geringsten elektrischen Widerstands, d.h. in der Regel am Übergang zwischen den Blechen. 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.

Buckelschweißen

Buckelschweißen entspricht im Prinzip dem Punktschweißen, wobei aber in einem der zu verbindenden Bleche eine Vertiefung (Schweißbuckel) eingebracht wurde. Nur dieser Buckel liegt nun auf dem anderen zu verschweißenden Blech auf. Durch die Geometrie des Buckels ist der Bereich des Stromüberganges genau definiert, unabhängig von der Elektrodengeometrie (im Gegensatz zum Punktschweißen). Während des Stromflusses schmilzt der Buckel teilweise auf, drückt das Material des Buckels teilweise in das andere Blech und geht mit diesem eine Verbindung ein.

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 Kaltverformbarkeit 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. Die Vorteile dieses Verfahrens sind, dass die so genannte Wärmeeinflusszone deutlich kleiner ist als bei anderen Schweißverfahren und dass es nicht zur Bildung von Schmelze in der Fügezone kommt.

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.

Ultraschallschweißen

Das Ultraschallschweißen ist ein Verfahren zum Fügen von Kunststoffen. Grundsätzlich können nur thermoplastische Kunststoffe geschweißt werden. Prinzipiell können aber auch Metalle geschweißt werden, was auch z.B. in der Elektrotechnik bei der Verdrahtung von Mikrochips angewendet wird. Wie bei allen anderen Schweißverfahren, muss an der Schweißstelle das Material durch zuführen von Wärme aufgeschmolzen werden. Beim Ultraschallschweißen wird sie durch eine hochfrequente mechanische Schwingung erzeugt. Das Hauptmerkmal dieses Verfahrens ist, dass die zum Schweißen notwendige Wärme zwischen den Bauteilen durch molekular- und Grenzflächenreibung in den Bauteilen entsteht. Somit gehört das Ultraschallschweißen zur Gruppe des Reibschweißens.

Das Ultraschallschweißgerät besteht im wesentlichen aus den Baugruppen:

Generator
Schwinggebilde (Konverter, Amplitudentransformationsstück, Sonotrode)
Amboss

Erzeugt wird die Ultraschallfrequenz mit Hilfe des Generators. Dieser wandelt die Netzspannung in eine Hochspannung und Hochfrequenz um. Durch ein geschirmtes Kabel wird die elektrische Energie zu einem Ultraschall – Wandler, dem sog. Konverter übertragen. Der Konverter arbeitet nach dem piezoelektrischen Effekt, bei dem die Eigenschaft bestimmter Kristalle, die sich bei angelegtem elektrischen Wechselfeld ausdehnen und zusammenziehen genutzt wird. Hierdurch entstehen mechanische Schwingungen, die über ein Amplitudentransformationsstück auf die Sonotrode übertragen werden. Die Amplitude der Schwingung kann durch das Amplitudentransformationsstück in ihrer Größe beeinflusst werden. Die Schwingungen werden unter Druck auf das Werkstück übertragen, wobei durch Molekular- und Grenzflächenreibung die zum plastifizieren notwendige Wärme erzeugt wird. Durch die örtliche Temperatur beginnt der Kunststoff zu erweichen und der Dämpfungskoeffizient steigt. Die Zunahme des Dämpfungsfaktors führt zu weiterer Wärmeerzeugung, was den Effekt einer sich selbst beschleunigenden Reaktion gewährleistet. Dieses Verfahren ist gekennzeichnet durch sehr geringe Schweißzeiten und dadurch oft hohe Wirtschaftlichkeit.

Rührreibschweißen

Unterpulverschweißen

Beim Unterpulverschweißen wird der Schweißprozess von einer Schicht aus körnigem Pulver bedeckt, das beim Aufschmelzen eine Schlacke bildet. Der Lichtbogen brennt dabei in einer gasgefüllten Kaverne unter Schlacke und Pulver. Nach dem Schweißvorgang löst sich die Schlackeschicht oft von selbst ab, das nicht aufgeschmolzene Pulver kann wiederverwendet werden. Besonders vorzuheben ist die weitgehende Emissionsfreiheit dieses Verfahrens, da der Lichtbogen innerhalb der Pulverschicht brennt und nur geringe Mengen Gas freigesetzt werden. Es ist kein Sichtschutz notwendig. Wegen der Abdeckung des Prozesses hat das Verfahren einen hohen thermischen Wirkungsgrad.

Laserstrahlschweißen

Datei:TRUMPF 08 Laserschweissen-Welding.jpg

Laserschweiß-Automat in Betrieb

Laserstrahlschweißen wird vor allem zum Verschweißen von Blechen eingesetzt. Das Laserstrahlschweißen oder Laserschweißen 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).

Häufig verwendete Strahlquellen beim Laserschweißen von Metallen sind der Nd:YAG-Laser (Wellenlänge ca. 1,06 µm) und der CO2-Laser (Wellenlänge ca. 10,6 µm). Dabei ist der Strahl des Nd:YAG-Lasers fasergängig, d.h. er wird über einen LWL bzw. Glasfaserkabel in das Laserschweißwerkzeug geführt. Der CO2-Strahl hingegen wird durch die Luft geführt und über Spiegel an die Schweißstelle gelenkt. Die stetige Weiterentwicklung der Strahlquellen (z.B. Faserlaser u. Scheibenlaser) erlaubt die Verwendung von immer größeren Brennweiten/Arbeitsabständen. Diese Art des Laserschweißens wird dann als Remote-Schweißen bezeichnet.

Auch das Schweißen von Thermoplasten ist möglich. Hierzu benötigt man als Schweißpartner einen lasertransparenten Thermoplasten und einen laserabsorbierenden Partner. Ein lasertransparenter Thermoplast kann durch Dotierung mit Additiven (z. B. Rußpartikeln (ca. 0,3 Gew.-%)) zum absorbierenden Medium werden.

Elektronenstrahlschweißen

Ein Schweißverfahren das Schweißungen an Metallen mit sehr verschiedenen Fließpunkten zulässt. Beim Elektronenstrahlschweißen wird ein gerichteter Elektronenstrahl in einem Vakuumbehälter auf die zu schweißenden Teile gerichtet. Dabei ermöglicht das Verfahren das Schweißen von sehr kleinen Teilen mit sehr dünnen Schweißnähten aber auch Nähte mit sehr großer Nahttiefe.

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.

== Sprengschweißen ==

Datei:Exploweld.jpg

Schema Sprengscheißen

Mit Hilfe des Sprengschweißverfahrens ist es möglich, zwei nichtschweißbare Materialien dauerhaft und fest miteinander zu verbinden. Dabei werden die beiden Schweißflächen, unter Zuhilfenahme von Sprengstoff, mit mindestens 100 m/s unter einem Winkel von 2° bis 30° aufeinanderzu beschleunigt. Die Kollisionsenergie bringt die Schweißpartner bis zur atomaren Ebene zusammen, so dass auch die Gitterkräfte (bei Metallen) wirken. Da die Schmelztemperatur nicht erreicht wird, können sich keine intermateriellen Phasen bilden. In der industriellen Anwendung werden meist zwei, auf konventionelle Weise nichtschweißbare Metalpartner so miteinander verbunden, z. B. Titan und Kupfer. Als Sprengstoffe kommen vorwiegend hochbrisante, plastische PETN-, RDX- und HDX-Sprengstoffe, wie z. B. Semtex (Fa. Explosia) oder Seismoplast (Fa. DynaEnergetic), mit Detonationsgeschwindigkeiten von >5000 m/s zum Einsatz. Durch den Aufprall der Schweißpartner entstehen an den Grenzflächen wellenartige Verwerfungen, die eine formschlüssige Verbindung herstellen.

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. Die Schutzklassen für derartige Gläser sind in der Europäischen Norm EN 169 festgelegt. So sind zum Autogenschweissen die Schutzklassen 2 bis 8, für offenes Lichtbogenschweissen dagegen die Klassen 9 bis 16 vorgesehen. Die Schutzgläser tragen eine Beschriftung, die die Eigenschaften des Glases charakterisiert. Die Angabe ist wie folgt: Schutzklasse Herstellerkürzel[[opt. Klasse]98[DIN Norm]].

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.

Beim Schweißen entstehen auch giftige Gase und Dämpfe die abgesaugt werden müssen, damit diese nicht in die Lunge des Schweißers gelangen können.

Beim Schweißen müssen auch die sich in der Umgebung befindlichen Personen vor der Strahlung und dem Lärm geschützt werden. Dazu gibt es extra Schweißlamellen- und Schweißervorhänge bzw. Schallschutz-Trennwandsysteme.

Siehe auch: Löten

Literatur

Fügetechnik Schweißtechnik, DVS Verlag, Von der Fachgruppe für die schweißtechnische Ingenieurausbildung, 6. überarb. Auflage 2004, ISBN 3-87155-786-2, 392 Seiten
Dilthey, U. und A. Brandenburg: Schweißtechnische Fertigungsverfahren. Band 3: Gestaltung und Festigkeit von Schweißkonstruktionen. Springer Verlag, 2. Auflage, 2001, ISBN 3-540-62661-1
Hügel, H.: Strahlwerkzeug Laser. Teubner Studienbücher Maschinenbau, Stuttgart 1992, ISBN 3-519-06134-1
Dilthey, U. (Hrsg.): Laserstrahlschweißen - Prozesse, Werkstoffe, Fertigung, Prüfung. DVS-Verlag, Düsseldorf 2000, ISBN 3-87155-906-7

Weblink

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