| Unter Schweißen versteht man gemäß DIN 1910-1 (DIN 1910-1
wurde durch DIN ISO 857-1 ersetzt) das unlösbare Verbinden
von Bauteilen unter Anwendung von Wärme oder Druck – mit
oder ohne Schweißzusatzwerkstoffen.
Besonders häufig werden Schmelzschweißverfahren für
meist metallische Materialien angewendet, jedoch auch
für Glas (bei Gebrauchsprodukten oder bei Glasfasern
in der Nachrichtentechnik) sowie für thermoplastische
Kunststoffe. Die Verbindung erfolgt je nach Schweißverfahren
in einer Schweißnaht oder einem Schweißpunkt, beim Reibverschweißen
auch in einer Fläche. Die zum Schweißen notwendige Energie
wird von außen zugeführt.
Schmelzschweißen ist Schweißen bei örtlich begrenztem
Schmelzfluss ohne Anwendung von Kraft mit oder ohne
gleichartigem Schweißzusatz (DIN ISO 857-1). 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.
Beim Schmelzschweißen von Stahl ist zu beachten, dass
nur bei einfachen Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt
bis 0,22 % C (Festigkeit 500 N/mm²) ohne weiteres dauerhafte
Schweißverbindungen zustande kommen. Bei höherfesten
und legierten Stählen sind, um Rissbildung und Brüchen
vorzubeugen, Zusatzmaßnahmen erforderlich, z. B. Vorwärmen,
langsames Abkühlen, Anlassen, Spannungsarmglühen, oder
es müssen spezielle Schweißverfahren angewendet werden.
Der Zweck des Schweißens wird unterschieden nach Verbindungs-
und Auftragsschweißen. Verbindungsschweißen ist Fügen
(DIN 8580) eines Werkstückes, z. B. Rohrlängsnaht. Auftragsschweißen
ist Beschichten (DIN 8580) eines Werkstückes durch Schweißen.
Sind der Grund- und der Auftragswerkstoff artfremd,
wird unterschieden zwischen Auftragsschweißen von Panzerungen,
Plattierungen und von Pufferschichten.
Der Begriff Bahnschweißen wird bei Verwendung von Robotern
fürs automatisierte Schweißen verwendet.
Feuerschweißen
Das Feuerschweißen ist die älteste bekannte Schweißmethode.
Dabei werden die zu verbindenden Metalle im Feuer unter
Luftabschluss 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. Im Gegensatz zu
den meisten anderen Schweißmethoden wird der Stahl hierbei
nicht aufgeschmolzen. Luftabschluss ist nötig, damit
die Oberflächen bei Schweißtemperatur (1200 bis 1300°C)
nicht oxidieren. Ursprünglich wurde Luftabschluss durch
feinkörnigen Flusssand erreicht, wobei es schwierig
war, einen solchen Sand mit dem richtigen Schmelzpunkt
zu finden. Heutzutage benutzt man Borax, welches sich
wie eine flüssige Haut über die Stahlteile legt und
diese dadurch vor Oxidangriff schützt. Mit Feuerschweißen
wurden früher vom Schmied unter anderem Waffen geschmiedet,
zum Beispiel Dolche und Schwerter aus Damaszener Stahl.
Gasschmelzschweißen
Siehe Autogenschweißen.
Lichtbogenhandschweißen nach DIN EN ISO 4063:2000-04
Das Elektrodenhandschweißen, kurz E-Handschweißen genannt,
ist eines der ältesten Schweißverfahren, das heute noch
angewandt wird. Es geht auf die Versuche von Slawjanow
zurück, der 1891 als erster anstelle der bis dahin zum
Lichtbogenschweißen üblichen Kohleelektroden einen Metallstab
verwendete, der gleichzeitig Lichtbogenträger und Schweißzusatz
war. Die ersten Stabelektroden waren nicht umhüllt und
daher schwierig zu verschweißen, da die Schweißstelle
vor einer Oxidation mit der Luft ungeschützt war. Später
wurden die Elektroden mit Stoffen umhüllt, die das Schweißen
erleichterten, das Schweißgut schützten und den Prozess
metallurgisch beeinflussten. Das erste Patent über eine
umhüllte Stabelektrode stammt aus dem Jahr 1908.
Bei diesem Schweißverfahren wird ein elektrischer Lichtbogen,
der zwischen einer Elektrode und dem Werkstück brennt,
als Wärmequelle zum Schweißen genutzt. Durch die hohe
Temperatur des Lichtbogens wird der Werkstoff an der
Schweißstelle aufgeschmolzen. Gleichzeitig schmilzt
die Stabelektrode als Zusatzwerkstoff ab und bildet
eine Schweißraupe. Zur Erzeugung kann Gleichstrom oder
Wechselstrom verwendet werden.
Schweißstromquellen sind: Schweißtrafo, Schweißgleichrichter,
Schweißumformer, Schweißinverter, Schweißaggregat
Stabelelektroden werden als Zusatzwerkstoff beim Lichtbogenschweißen
verwendet. Für jede Schweißarbeit gibt es geeignete
Elektroden, z. B. für Verbindungs- und Auftragsschweißungen.
Aufschluss über die Art, Eigenschaften und Verwendbarkeit
einer Elektrode gibt die Elektroden-Kurzbezeichnung,
die auf jeder Elektrodenpackung aufgedruckt ist. Die
Umhüllung der Elektrode entwickelt beim Abschmelzen
Gase, die außer einer Lichtbogenstabilisierung den flüssigen
Werkstoffübergang im Lichtbogen von den Einflüssen der
umgebenden Luft abschirmen und den Abbrand von Legierungsbestandteilen
mindern. Außerdem bildet die abschmelzende Umhüllung
Schlacke. Diese ist leichter als flüssiger Stahl und
wird auf die Schweißnaht geschwemmt. Dadurch werden
eine langsame Abkühlung und somit geringere Schrumpfspannungen
erreicht.
Durch Elektronenbeschuss heizt sich die Anode (+Pol)
stärker auf. Deshalb betreibt man verzehrende Elektroden
meist als Anoden gegenüber dem Werkstoff als negativen
Pol, während beim WIG-Verfahren die Elektrode negativ
gepolt ist.
Lichtbogenschweißen wird im Hochbau (Brückenträger),
aber auch in der Feinmechanik angewandt. Dabei gilt:
Je dünner das Material, desto aufwändiger die Ausrüstung,
da die niedrigen Stromstärken (um Materialien unter
1 mm Wandstärke nicht durchzubrennen) eine deutlich
aufwändigere Regelung erfordern.
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
Schutzgasschweißen (SG) nach DIN ISO 857-1:2002-11
Metallschutzgasschweißen (MSG) / (MIG / MAG)
Schutzgasschweißen
Metallschutzgasschweißen
1. Vorschubrichtung
2. Kontakthülse
3. Schweißdraht
4. Schutzgas
5. Schmelzgut
6. Schweißraupe
7. GrundmaterialDas MIG/MAG-Schweißen ist eines der
jüngeren Lichtbogenschweißverfahren. Es stammt aus
den USA, wo es 1948 zuerst angewandt wurde. Kurze Zeit
später kam es nach Europa. Es wurde zuerst nur mit inerten
Gasen oder mit Argon, das nur geringe Mengen an aktiven
Bestandteilen (z. B. Sauerstoff) enthielt, angewandt
und hieß deshalb abgekürzt SIGMA-Schweißen („shielded
inert gas metal arc“). Die Sowjetunion verwendete dann
ab 1953 anstelle der teuren Inertgase wie Argon oder
Helium ein aktives Gas zum Schweißen, nämlich Kohlendioxid
(CO2). Dies war nur möglich, weil inzwischen auch Drahtelektroden
entwickelt wurden, die dem beim Aktivgasschweißen höheren
Abbrand von Legierungselementen Rechnung trugen.
MIG/MAG (Metall-Inert-Gas; reaktionsträge Gase)/(Metall-Aktiv-Gas;
aktive Gase) ist ebenfalls ein Lichtbogenschweißverfahren,
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 Schweißgutes mit Kohlenstoff.
MIG bedeutet Metall-Inertgasschweißen. Hierbei wird
kein Aktivgas, sondern nur ein Inertgas (in der Regel
Argon, aber auch Helium) zugeführt, um den Luftsauerstoff
von der Schweißnaht fernzuhalten. Diese Schutzgase werden
benötigt, um hochlegierte Stähle, NE-Metalle und Al-Legierungen
zu schweißen.
Beim Metall-Aktivgasschweißen (MAG) wird entweder mit
reinem CO2 oder einem Mischgas aus CO2, Argon und O2
gearbeitet, um die Schweißverbindung entsprechend den
besonderen technologischen Erfordernissen zu beeinflussen.
Das MAG-Schweißverfahren wird bei un- und höher legierten
Stählen eingesetzt.
Wolfram-Inertgasschweißen (WIG, engl. TIG)
Das Wolfram-Inertgasschweißen (WIG-Schweißverfahren)
stammt aus den USA und wurde dort 1936 unter dem Namen
Argonarc-Schweißen bekannt. Erst nach dem 2. Weltkrieg
wurde es in Deutschland eingeführt. In englischsprachigen
Ländern heißt das Verfahren TIG nach dem englischen
„Tungsten“ für Wolfram. Das Verfahren zeichnet sich
gegenüber anderen Schmelzschweißverfahren durch eine
Reihe von interessanten Vorteilen aus. Es ist z. B.
universell anwendbar. Wenn ein metallischer Werkstoff
überhaupt schmelzschweißgeeignet ist, dann lässt er
sich mit diesem Verfahren fügen. Zum anderen ist es
ein sehr „sauberes“ Verfahren, das kaum Spritzer und
nur wenig Schadstoffe erzeugt und bei richtiger Anwendung
eine qualitativ hochwertige Schweißverbindung gewährleistet.
Ein besonderer Vorteil des WIG-Schweißens ist auch,
dass hier gegenüber anderen Verfahren, die mit abschmelzender
Elektrode arbeiten, die Zugabe von Schweißzusatz und
die Stromstärke entkoppelt sind. Der Schweißer kann
deshalb seinen Strom optimal auf die Schweißaufgabe
abstimmen und nur so viel Schweißzusatz zugeben, wie
gerade erforderlich ist. Dies macht das Verfahren besonders
geeignet zum Schweißen von Wurzellagen und zum Schweißen
in Zwangslagen. Die genannten Vorteile haben dazu geführt,
dass das Verfahren sich besonders gut eignet für Schweißungen
von Luft- und Raumfahrtgeräten, Bauteile der Kerntechnik
sowie für den chemischen Anlagen- und Apparatebau.
WIG-SchweißenDie WIG-Schweißanlage besteht aus einer
Stromquelle, die in den meisten Fällen auf Gleich- oder
Wechselstromschweißen geschaltet werden kann, und einem
Schweißbrenner, der mit der Stromquelle durch ein Schlauchpaket
verbunden ist. Im Schlauchpaket befinden sich die Schweißstromleitung,
die Schutzgaszuführung, die Steuerleitung und bei größeren
Brennern der Zu- und Rücklauf des Kühlwassers.
Es gibt zwei Arten, den Lichtbogen zu zünden, die Kontakt-
und die Hochfrequenzzündung.
Bei der Kontaktzündung (Streich- oder Anreißzündung)
wird ähnlich dem Elektrodenschweißen die Wolframelektrode
kurz auf das Werkstück getippt und somit ein Kurzschluss
erzeugt. Nach dem Abheben der Elektrode vom Werkstück
brennt der Lichtbogen zwischen Wolframelektrode und
Werkstück. Ein großer Nachteil dieses Verfahrens ist,
dass bei jedem Zünden etwas Material vom Werkstück an
der Wolframelektrode hängenbleibt. Durch die hohen Temperaturen
an der Spitze der Elektrode bildet sich eine „Wolfram-Werkstück-Legierung“
die bei diesen Temperaturen flüssig ist, wodurch die
nadelscharfe Spitze anschmilzt. Dadurch sind feine Schweißnähte
mit diesem Verfahren nur schwierig durchführbar.
Bei der Hochfrequenzzündung wird mit Hilfe eines Hochfrequenzzünders,
der eine extrem hohe Spannung auf die Wolframelektrode
gibt, das Gas zwischen Elektrode und Werkstück ionisiert,
wodurch der Lichtbogen gezündet wird. Der Hochfrequenzzünder
hat eine ungefährliche Stromstärke.
Als Schutzgas werden die inerten Gase Argon, Stickstoff,
Helium oder ein Gemisch daraus verwendet. Weitere Gase
wie Wasserstoff oder Stickstoff können ebenfalls zugesetzt
sein. (Argon 4.6 = 99,996 % Argon), (Argon 4.8 = 99,998
% Argon), (Helargon = 10 % Helium, 40 % Argon, 50 %
Stickstoff) (Arcal10 = 10 % Wasserstoff, 40 % Argon,
50 % Stickstoff).
Bei der WIG-Schweißung unterscheidet man das Gleichstrom-
und Wechselstromschweißen. Das Gleichstromschweißen
wird vorwiegend zum Schweißen von legierten Stählen
und NE-Metallen und deren Legierungen eingesetzt, wobei
die Wolframelektrode auf dem Minuspol liegt. Das Wechselstromschweißen
wird meist zum Schweißen von Leichtmetallen eingesetzt.
In Sonderfällen werden Leichtmetalle auch mit Gleichstrom
und mit einer positiven Elektrode geschweißt. Dabei
werden Spezialschweißbrenner mit einer sehr dicken Wolframelektrode
und als Schutzgas Helium verwendet. Nötig ist die Pluspolung
der Wolframelektrode bei Leichtmetallen, da diese zumeist
eine harte Passivschicht mit sehr hohem Schmelzpunkt
auf ihrer Oberfläche gebildet haben. Diese Passivschicht
wird durch die Minuspolung des Werkstücks zerstört,
da das Werkstück nun als Elektronen emittierender Pol
fungiert.
WIG-Impulsschweißen
Eine Weiterentwicklung des WIG-Schweißens ist das Schweißen
mit pulsierendem Strom. Dabei pulsiert der Schweißstrom
zwischen einem Grund- und Impulsstrom mit variablen
Frequenzen, Grund- und Impulsstromhöhen und -breiten.
Die Pulsfrequenz, die Impulsbreite und die Impulshöhe
sind getrennt voneinander einstellbar. Das WIG-Pulsen
mit variablem Stromverlauf kann nur mit einer besonderen
Schweißanlage durchgeführt werden. Die fein dosierbare
Wärmeeinbringung beim WIG-Impulsschweißen ermöglicht
eine gute Spaltüberbrückung, eine gute Wurzelschweißung
und ein gutes Schweißen in Zwangslagen. Schweißnahtfehler
am Nahtanfang und Nahtende, z. B. beim Rohrschweißen,
werden vermieden.
Bei allen Beschreibungen handelt es sich um manuelles
oder teilmechanisiertes WIG-Schweißen mit Zusatzwerkstoff
vorwiegend ø1.6 mm. Beim Impulsschweißen von Leichtmetallen
(namentlich: AA6061) kann ein Anschmelzen an der Oberfläche
erzielt werden und somit bei dünnen Blechen <1.0
mm Durchschmelzungen verhindert werden. Vor allem bei
Kehlnähten wird die Ecke eher erfasst als beim Standardschweißen
mit konstantem Strom. Es wurden auch Bleche mit einer
Dicke von 0,6 mm einwandfrei stumpfgeschweißt, da die
Stabilität des Lichtbogens sowie die konzentrierte Wärmeeinbringung
ein kleines definiertes Schmelzbad erlauben. Vor allem
stellt immer wieder das Heften das Hauptproblem dar,
wenn sogar Spalt vorhanden ist und wurzelseitig Sauerstoff
Zutritt hat. Der Einfluss der Wolframelektrodenlegierung
und die Zusammensetzung des Schutzgases ist nicht außer
Acht zu lassen; diese Parameter beeinflussen den Prozess
nicht unwesentlich.
BGI 746 Umgang mit thoriumoxidhaltigen Wolframelektroden
beim Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) Sie enthält Hinweise
zum sicheren Umgang mit thoriumoxidhaltigen Wolframelektroden
für das Wolfram-Inertgasschweißen und beschreibt die
notwendigen Schutzmaßnahmen, die ergriffen werden müssen,
um mögliche Gefährdungen beim Umgang mit diesen Elektroden
auszuschließen oder auf ein vertretbares Maß zu minimieren.
Plasmaschweißen (Wolfram-Plasmaschweißen)
Beim Plasmaschweißen dient ein Plasmastrahl als Wärmequelle.
Plasma ist ein durch einen Lichtbogen hocherhitzes elektrisch
leitendes Gas. Im Plasmabrenner wird durch Hochfrequenzimpulse
das durchströmende Plasmagas (Argon) ionisiert und ein
Hilfslichtbogen (Pilotlichtbogen) gezündet. Dieser brennt
zwischen der negativ gepolten Wolframelektrode und der
als Düse ausgebildeten Anode und ionisiert die Gassäule
zwischen Düse und plusgepoltem Werkstück. Ein berührungsloses
Zünden des Lichtbogens ist dadurch möglich. Der für
das Schweißen verwendete, übertragene Lichtbogen (Plasmastrahl)
wird von einem Schutzgasmantel z. B. aus einem Gasgemisch
von Argon mit 5 bis zu 7 % Wasserstoff umgeben, der
die Schmelze vor Oxidation schützt und den Lichtbogen
stabilisiert. Die Einengung des Plasmalichtbogens durch
die wassergekühlte Kupferdüse zu einer fast zylindrischen
Gassäule ergibt eine höhere Energiekonzentration als
beim WIG-Schweißen, wodurch höhere Schweißgeschwindigkeiten
möglich sind. Der Verzug und die Spannungen sind daher
geringer als beim WIG-Schweißen. Durch den noch bei
geringsten Stromstärken (weniger als 1 A) stabil brennenden
Plasmalichtbogen und die Unempfindlichkeit bei Lichtbogenlängenänderungen
(Abstand der Düse zum Werkstück) wird das Verfahren
auch in der Mikroschweißtechnik eingesetzt. Mit dem
Mikroplasmaschweißverfahren (Schweißstrombereich 0,5-15
A) können Bleche mit 0,1 mm noch geschweißt werden.
Das Plasma-Stichloch- oder -Schlüsselloch-Schweißen
wird ab einer Blechdicke von 3 mm eingesetzt und kann
in Abhängigkeit vom zu verschweißenden Werkstoff bis
zu einer Dicke von 10 mm für das einlagige Schweißen
ohne Nahtvorbereitung angewendet werden. Hauptanwendungsgebiete
sind der Behälter- und Apparatebau, der Rohrleitungsbau
und die Raumfahrt.
Arcatom-Schweißen
Arcatom-Schweißen (auch Lichtbogenschweißen genannt)
ist ein von Irving Langmuir im Jahre 1924 erfundenes
Verfahren, das die Rekombinationsenergie von atomarem
Wasserstoff zum Schweißen benutzt.
Dafür wird normales (molekulares) Wasserstoffgas durch
einem Lichtbogen zwischen zwei Wolframelektroden (Langmuir-Fackel)
in die Richtung der Schweißstelle geblasen, wobei atomarer
Wasserstoff entsteht. An dem zusammenzuschweißenden
Metall bildet sich wieder molekularer Wasserstoff unter
Abgabe großer Energien auf eine kleine Fläche:
Zwei H-Atome reagieren zu einem H2-Molekül und setzen
dabei Energie frei.
Dabei können Temperaturen bis zu 4000 °C entstehen.
Das bearbeitete Metall ist dabei von Wasserstoff umgeben
und kann in diesem als Schutzgas wirkenden Medium auch
nicht oxidieren.
WIG-Orbitalschweißen
Der Begriff Orbitalschweißen ist eine Abwandlung aus
dem lateinischen Wort orbis = der Kreis. Die Wortverbindung
Orbital und Schweißen soll damit einen Prozess bezeichnen,
bei dem der Lichtbogen um einen feststehenden Rundkörper
(meist Rohr) geführt wird. Der Ausdruck Orbitalschweißen
ist grundsätzlich kein exakt definierter Begriff, wird
aber allgemein nur für solche Abläufe benutzt, bei denen
sich der Lichtbogen mindestens 360° ohne Unterbrechung
um das zu verschweißende Werkstück bewegt. Rein schweißtechnisch
gehört das Orbitalschweißen in die Rubrik teilmechanisiertes
(WIG-)Schweißen. Da wegen der guten Kontrollierbarkeit
des Schmelzbades dieser Prozess praktisch nur mit dem
WIG-Verfahren ausgeführt werden kann, gelten natürlich
auch nahezu alle für das WIG-Schweißen relevanten Regeln
wie z. B. Auswahl der Gase, Sauberkeit, Verschweißbarkeit
bestimmter Werkstoffe oder aber auch Erzielbarkeit mechanischer
Gütewerte. Orbitalschweißen wird heute überall dort
eingesetzt, wo sehr hohe Qualitätsansprüche an die Schweißnaht
gestellt werden. Diese Ansprüche beschränken sich aber
nicht nur auf Festigkeit bzw. Röntgensicherheit, sondern
vor allem auch auf die Ausbildungsform der Naht. So
ist die flache, gleichmäßige und mit geringer Rauhigkeit
erzielbare Wurzel für viele Anwender primäres Kriterium
zum Einsatz des Verfahrens. Es wird deshalb heute bevorzugt
in folgenden Bereichen eingesetzt:
Chemie
Pharmazie
Lebensmitteltechnik
Biotechnik
Reinstwasseranlagen
Halbleiterindustrie
Luft- und Raumfahrt
Automobiltechnik
Pipelinebau
Widerstandsschweißen
Siehe auch ausführlichen, eigenständigen Artikel Widerstandsschweißen
Punktschweißen
Punktschweißen 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 größten elektrischen Widerstandes, d. h. in der
Regel am Übergang zwischen den Blechen. Dieser Übergangswiderstand
ist etwa 30mal höher als der Widerstand des Materials
selbst. 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. Die Elektroden bestehen
in fast allen Fällen aus Kupfer und Legierungen daraus,
zum einen wegen der sehr guten Leitfähigkeit für Strom
und Wärme, zum anderen aber auch, da der Übergangswiderstand
der Elektroden zum Werkstückmaterial nur etwa fünfmal
höher ist als der Widerstand im Werkstück selbst. Beim
Punktschweißen gilt es auch zu beachten, dass über bereits
geschweißte Punkte Strom fließen kann, der sog. Nebenschluss,
und damit weniger Wärme an der zu verschweißenden Stelle
eingebracht wird. Punktschweißen ist ein wichtiges Verfahren
zur Verbindung der Karosserieteile im Automobilbau.
In letzter Zeit wird alternativ auch das Druckfügen
angewandt.
Rollennahtschweißen
Ein Rollennahtschweißgerät 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 Bauteile eine
Erhöhung (Schweißbuckel) eingebracht wurde. Nur dieser
Buckel liegt nun auf dem anderen zu verschweißenden
Bauteil 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 Bauteil 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. Hochvakuum) können Metalle auch mit Keramiken
kaltpressverschweißt werden.
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 Pressschweißverfahren.
Dabei muss mindesten eines der Fügeteile in der Fügezone
eine rotationssymmetrische Gestalt aufweisen. Die Energiezufuhr
wird ausschließlich durch eine Relativbewegung der Fügeteile
zueinander unter Druck eingebracht. Dabei steht ein
Fügeteil still und das zweite Teil wird in Rotation
versetzt. Weit verbreitet ist die Anwendung, um an Rohre
(Bohrgestängen) Verbinder unterschiedlicher Materialgüte
anzuschweißen. Das Verfahren wird in Deutschland seit
ca. 40 Jahren eingesetzt. Anfänglich wie auch heute
waren die unterschiedlichsten Materialkombinationen
der große Vorteil dieses Verfahrens. So werden millionenfach
im Jahr Auslassventile für Verbrennungsmotoren geschweißt
(hochwarmfester Stahl an härtbaren Stahl) und das mit
Taktzeiten von weniger als 10s. Mit diesen Schweißverfahren
können unterschiedliche Werkstoffe, wie z. B. Stahl
und Aluminium stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Maschinen sehen wie Drehmaschinen aus, eine rotierende
Spindel und ein nichtrotierendes Gegenstück (das auf
einem axial zustellbaren Schlitten gespannt, auf das
rotierende Teil gedrückt wird. Die Axialkräfte können
je nach Abmessung von wenigen 100 N bis über 10.000
kN (entsprechend 1000 t) reichen. Die jeweiligen Maschinen
sind dann so groß wie ein Schreibtisch oder aber auch
wie eine Lokomotive.
Positioniertes Reibschweißen stellt eine (optionale)
Sonderanwendung dar und bedingt eine Sondersteuerung
und Spezialantriebsmotor. Anwendungsfälle hierfür sind
z. B. Gelenkwellen, Trailerachsen und Achsstabilisatoren.
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 (s.
Drahtbonden) 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 Ultraschallwandler,
dem sogenannten Konverter, übertragen. Der Konverter
arbeitet nach dem piezoelektrischen Effekt, bei dem
die Eigenschaft bestimmter Kristalle, die sich bei angelegtem
elektrischem 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.
Reibrührschweißen - FSW (Friction Stir Welding)
Das Reibrührschweißen auch FSW-Schweißen genannt, wurde
1991 von Wayne Thomas erfunden und von TWI (The Welding
Institute) in Großbritannien patentrechtlich geschützt.
Reibrührschweißen ist ein Prozess, der dem Rotationsreibschweißen
sehr ähnelt, allerdings wurde dieses Verfahren für das
Verschweißen von Blechen entwickelt. Verfahrenstechnisch
besteht ein Zusammenhang zwischen Schmieden und Extrudieren,
einerseits wird der Werkstoff durch eine vertikal zur
Werkstückoberfläche gerichteten Kraft unter Wärmeeinbringung
gestaucht und andererseits durch die Geometrie des rotierenden
Werkzeugs der teilplastische Werkstoff durch Verwirbelung
nach unten gedrückt. Es entsteht ein Extrusionskanal,
der bis an die Nahtwurzel reicht (auch Schweißnugget
genannt). Die zu fügenden Werkstücke stehen still. Eine
besondere Ausformung der Naht vor der Verschweißung
ist nicht notwendig. Ein rotierender Bolzen (Pin), reibt
so lange an dem zu verbindenden Stoff, bis der Werkstoff
(in der Regel Aluminium) zähflüssig wird. Der Pin ist
meist mit einem Gewinde versehen, um den Materialfluss
gezielt zur Werkstückunterseite zu bewegen. Jetzt fährt
der rotierende Bolzen zwischen den beiden Werkstücken
hindurch und „verrührt“ das plastifizierte Material
(zwischen Liquidus- und Solidustemperatur des Werkstoffs)
der beiden Bleche. Das Werkzeug besteht aus einer senkrecht
zum Pin angeordneten Schulter, mit einem größeren Durchmesser
als der Pin selbst. Die Schulter kann man sich als eine
Halbschale vorstellen, welche die Umgebungsluft von
der Schweißnaht isolieren soll, der Pin ist für die
Verwirbelung des Werkstoffs zuständig. Die Neigung des
Werkzeugs zur Werkstückoberfläche beträgt etwa 2-3°
in stechender Anordnung.
Vorteile dieses Verfahrens sind die entfallende Gefügeveränderung
sowie der Entfall eines Schweißzusatzwerkstoffs und
die erzielbaren Nahtfestigkeiten.
Dieses Verfahren wird bereits in der Industrie zur
Serienherstellung von verschweißten Strangpressprofilen
eingesetzt. Es bietet sehr viele Vorteile, es entsteht
kein Schweißrauch, die geringe Temperatur in der Wärmeeinflusszone
von etwa 550 °C bewirkt keine nachteilige Beeinflussung
des Gefüges und eine Porenbildung ist verfahrenstechnisch
nicht möglich, da Wasserstoff bei dieser Temperatur
nicht in Lösung gehen kann. Nachteilig war bisher, dass
am Ende einer Schweißnaht ein Krater entsteht, der durch
die Geometrie des Werkzeugs verursacht wird. Auch hier
wurde bereits eine Lösung durch einen automatisch zurückziehbaren
Pin gefunden. Gleichzeitig kann durch dieses Verfahren
bei Gussstücken ein Werkstoffdefekt aufgehoben bzw.
ausgeglichen werden, eine schlechte Gussoberfläche mit
Poren kann zu einem hervorragenden Gefüge umgewandelt
werden. Diese neue Technologie des Schweißens lässt
es zu, Bleche verschiedener Materialien bis 35 mm Dicke
zu fügen, des Weiteren ist auch ein Fügen von Metallschäumen
möglich. Eine dreidimensionale Schweißung bereitet noch
Probleme, die ersten Anwendungen wurden an einem Flugzeugbauteil
durchgeführt. Das Werkzeug selbst hat einen geringen
Verschleiß, sollte jedoch aus Qualitätsgründen nach
etwa 3 km Schweißnaht ausgetauscht werden. Eine bekannte
Blech-Anwendung sind z. B. die Deckel beim Mazda MX-5
oder die Hintertüren vom Mazda RX-8. Hier wurde keine
Naht gefügt, sondern nur Punkte geschweißt, was man
auch Reibpunktschweißen oder FSSW-Schweißen (Friction
Stir Spot Welding) nennt. Das Werkzeug führt hier nur
eine Vertikalbewegung durch.
Eine Hybridvariante des Reibrührschweißens ist das
LAFSW-Schweißen (Laser Assisted Friction Stir Welding).
Bei dieser Variante wird zusätzlich Wärmeenergie durch
einen Laserstrahl eingebracht, der unmittelbar vor dem
rotierenden Werkzeug vorauseilt. Dadurch soll unter
anderem eine Verringerung der vertikalen Kraft beim
Einführen des FSW-Werkzeugs in das Werkstück und ein
Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit erreicht werden,
jedoch ist dies wiederum mit einem erhöhten Kostenaufwand
bezüglich der Laserinvestition verbunden.
Ebenso wird aus einer Abart dieser Technologie welches
mit Laserspektroskopischen Lichtleiterelementen bedient
wird, eine Oberfläche hergestellt die nur Abrand- und
Plasmatechnologie in ähnlicherweise in einer derart
hoher Qualität hergestellt werden kann.
Unterpulverschweißen (UP-Schweißen)
Das Unterpulverschweißen ist ein voll mechanisiertes
Lichtbogenschweißverfahren, mit dem hohe Abschmelzleistungen
erzielt werden können. Es wird industriell vor allem
zum Schweißen langer Nähte häufig eingesetzt und eignet
sich nicht zur manuellen Ausführung.
Beim Unterpulverschweißen wird der Schweißprozess von
einer Schicht aus grobkörnigem, mineralischen Schweißpulver
bedeckt. Dieses schmilzt durch die vom Lichtbogen emittierte
Wärme und bildet eine flüssige Schlacke, die aufgrund
ihrer geringeren Dichte auf dem metallischen Schmelzbad
schwimmt. Durch die Schlackeschicht wird das flüssige
Metall vor Zutritt der Atmosphäre geschützt. Der Lichtbogen
brennt 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 hervorzuheben
ist die weitgehende Emissionsfreiheit dieses Verfahrens,
da der Lichtbogen unter der Pulverschicht brennt und
nur geringe Mengen Rauch freigesetzt werden. Es ist
kein Sichtschutz notwendig. Wegen der Abdeckung des
Prozesses hat das Verfahren einen hohen thermischen
Wirkungsgrad, was jedoch den Einsatz auf große Blechdicken
beschränkt. Bei diesem Schweißverfahren ist wegen der
Abdeckung mit Schweißpulver keine unmittelbare Sichtkontrolle
des Prozesses möglich. Jedoch werden im allgemeinen
Nähte sehr hoher Qualität erzielt, sofern geeignete
Schweißparameter verwendet werden.
Laserstrahlschweißen
Rohrlängsnahtschweißen mittels LaserLaserstrahlschweißen
wird vor allem zum Verschweißen von Bauteilen eingesetzt,
die mit hoher Schweißgeschwindigkeit, schmaler und schlanker
Schweißnahtform und bei geringen thermischen Verzügen
gefügt werden müssen. Das Laserstrahlschweißen oder
Laserschweißen wird in der Regel ohne Zuführung eines
Zusatzwerkstoffes ausgeführt.
Das Laserlicht wird mittels einer Optik fokussiert.
Die Werkstückoberfläche der Stoßkante, bzw. der Fügestoß
der zu verschweißenden Bauteile befindet sich in der
unmittelbaren Nähe des Fokus der Optik (Im Brennfleck);
die Lage des Fokus relativ zur Werkstückoberfläche (oberhalb
oder unterhalb) ist ein wichtiger Schweißparameter und
legt z. B. die Einschweißtiefe mit fest. Der Brennfleck
besitzt typische Durchmesser von einigen Zehntel Millimetern,
wodurch sehr hohe Energiekonzentrationen entstehen,
wenn der eingesetzte Laser die typischen Leistungen
von einigen Kilowatt Laserleistung besitzt. Durch Absorption
der Laserlichtenergie erfolgt auf der Werkstückoberfläche
ein extrem schneller Anstieg der Temperatur über die
Schmelztemperatur von Metall hinaus, so dass sich eine
Schmelze bildet. Durch die hohe Abkühlgeschwindigkeit
der Schweißnahnt, wird diese extrem hart und verliert
in der Regel an Zähigkeit.
Beim Laserschweißen kann in Lasertiefschweißen und
das Wärmeleitungsschweißen unterteilt werden. Dabei
unterscheiden die beiden Gebiete hauptsächlich in den
verwendeten Strahlintensitäten.
Das Tiefschweißen
LasertiefschweißprozeßBei hohen Strahlintensitäten im
Fokus (z. B. bei Stahlwerkstoffen ca. 4 MW/cm² abhängig
u. a. von der Verfahrgeschwindigkeit; bei einer Geschwindigkeit
von 1 m/min reichen unter Umständen auch etwa 2 MW/cm²)
bildet sich in der Schmelze in Strahlrichtung eine Dampfkapillare
(mit Metalldampf bzw. teilionisiertem Metalldampf gefüllter,
schlauchförmiger Hohlraum), auch keyhole genannt , in
der Tiefe des Werkstückes aus. Der Werkstoff wird dadurch
auch in der Tiefe in extrem kurzen Zeiten aufgeschmolzen,
wenn der auf die Werkstückoberfläche fokussierte Laserstrahl
entlang der Stoßfugen zum Verschweißen geführt wird.
Das keyhole erhöht hierbei die Absorption der Laserstrahlung
in das Material wodurch ein vergrößertes Schmelzvolumen
erzeugt werden kann.
Das Wärmeleitungsschweißen
Werden Strahlintensitäten bis 100 kW/cm² verwendet,
so fällt das verwendete System unter den Begriff Wärmeleitschweißen.
Da Metalle für Laserstrahlen, abhängig von der eingestrahlten
Wellenlänge, eine Reflektivität von bis zu 95 % besitzen
können, wird beim Wärmeleitungsschweißen kein Keyhole
erzeugt. Damit einhergehend ist eine geringere Eindringtiefe
der Strahlung, so erklärt sich auch, dass hiermit hauptsächlich
geringe Materialdicken geschweißt werden.
Ein großer Vorteil lasergeschweißter Bauteile ist der
durch die konzentrierte Energieeinkopplung vergleichsweise
geringer Energiemengen (im Vergleich zu anderen Schweißverfahren)
in das Werkstück geringe thermisch bedingte Verzug.
Daher wird dieses Schweißverfahren oftmals zum Fügen
von Komponenten zu Fertigbauteilen eingesetzt (z. B.
Gangrad und Synchronkörper -> Getrieberad).
Eine Laserschweißanlage besteht in der Regel aus dem
Laser, einer CNC-gesteuerten mehrachsigen Bewegungseinheit,
einem optischen System zur Führung des Laserstrahles
innerhalb des Bewegungssystemes, einer Bearbeitungs-
und Fokussier-Optik und einer Werkstückaufnahmevorrichtung.
Das Bewegungssystem bewegt entweder den Laserstrahl
über das Werkstück oder das Werkstück unter dem Laserstrahl
hindurch. Seltener sind Bauformen, wo sowohl das Werkstück
als auch der Laserstrahl bewegt werden. Eine relativ
neue Entwicklung macht von Scannersystemen zur Bewegung
des gebündelten Laserstrahles über das Werkstück Gebrauch.
Scannersysteme bestehen aus einer Kombination von rotierenden
Facettenspiegeln oder verkippbaren Ablenkspiegeln, die
den Laserstrahl über die einstellbaren Winkel der Spiegel
an unterschiedliche Orte reflektieren können. Der Vorteil
liegt hauptsächlich in der sehr hohen möglichen Geschwindigkeit
der Positionierung des Laserstrahles. Diese Technik
setzt voraus, dass der Laser einen Laserstrahl sehr
hoher Strahlqualität bei vergleichsweise hoher Laserleistung
liefert (z. B. Faserlaser, Scheibenlaser, CO2Slab-Laser
o. ä.). Diese Art des Laserschweißens wird dann als
Remote-Schweißen bezeichnet.
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).
Neuerdings werden immer häufiger auch Diodenlaser eingesetzt,
da inzwischen Halbleiterlaser im Hochleistungsbereich
(einige 100 Watt) hergestellt werden können. Vorteilhaft
ist hierbei eine wesentliche höhere Konversionseffizienz
im Vergleich zu Nd:YAG und CO2-Laser. Dabei ist der
Strahl des Nd:YAG-Lasers und des Diodenlasers fasergängig,
d. h. er wird über einen Lichtwellenleiter bzw. Glasfaserkabel
in die Laserschweißoptik geführt, die in der Regel aus
einem Linsensatz besteht. Der CO2-Strahl hingegen wird
durch die Luft geführt und über Spiegel an die Schweißstelle
gelenkt und dort entweder mittels Linsen, oder verbreiteter,
mittels Fokussierspiegel fokussiert.
Besonderheit des Laserschweißens ist, dass sämtliche
Nahtgeometrien hergestellt werden können. Stumpfnähte,
Überlappnähte oder Kehlnähte stellen für Laser keine
Probleme dar. Wichtig hierbei ist allerdings, dass die
zu überbrückenden Spaltmaße nicht überreizt werden dürfen,
da sonst Zusatzwerkstoffe zur Überbrückung verwendet
werden müssen.
Laserschweißen von Kunststoffen
LaserkunststoffschweißprozeßBeim Laserschweißen von
Kunststoffen können ausschließlich Thermoplaste verwendet
werden. Grund hierfür liegt darin, dass ausschließlich
diese Kunststoffe thermisch plastisch verformbar sind.
Das Laserschweißen von Kunststoffen findet meist im
Überlappverfahren statt. Dazu werden zwei Schweißpartner
verwendet. Dabei ist der obere ein lasertransparenter
(abhängig von der Laserwellenlänge) Thermoplast. Durch
diesen oberen Thermoplasten strahlt der Laser hindurch.
Da dieser Stoff für den Laser transparent ist, erhitzt
sich dieser kaum. Somit kann dieser Kunststoff nicht
erwärmt bzw. ohne Partner verschweißt werden. Um nun
eine Schweißnaht herzustellen muss der zweite Partner
die Strahlung absorbieren. Dazu kann zum Beispiel ein
lasertransparenter Thermoplast durch Dotierung mit additiven
Partikeln (z. B. Rußpartikeln (ca. 0,3 Gew.-%)) zum
absorbierenden Medium werden oder es werden dunkle Thermoplaste
verwendet. Nimmt dieser Stoff nun die Energie auf, so
beginnt dieser zu schmelzen und gibt dabei seine Temperatur
auch an den oberen Partner weiter. Damit die Energie
tatsächlich an den Partner weitergegeben werden kann
müssen beide Partner zusammengepresst werden, da sonst
die Energie verloren geht. Somit ist es möglich, dass
beide Partner in eine flüssige Phase überführt werden
und sie sich so gegenseitig austauschen können. Durch
das Zusammenfließen der beiden Stoffe kann so eine Schweißnaht
hergestellt werden.
Häufig verwendete Laser sind Diodenlaser, da die Strahlqualität
für dieses Schweißverfahren meist nicht so hochwertig
gewählt werden muss.
Elektronenstrahlschweißen
Beim Elektronenstrahlschweißen wird die benötigte Energie
von durch Hochspannung (60–150 kV) beschleunigten Elektronen
in die Prozesszone eingebracht. Die Strahlbildung erfolgt
immer im Vakuum. Der Schweißvorgang wird meist im Vakuum
ausgeführt, bei manchen Anlagen an der Atmosphäre. Beim
Aufprall der Elektronen auf das Werkstück setzen diese
einen Großteil ihrer kinetischen Energie in Wärme um.
Das Elektronenstrahlschweißen bietet eine etwa gleich
große Leistungsflussdichte wie das Laserstrahlschweißen
bei deutlich höherem Wirkungsgrad (Laser: 3–14 %, Elektronenstrahl:
ca. 70 %).
Es sind hohe Schweißgeschwindigkeiten mit extrem tiefen
und schmalen Nähten möglich. Durch die geringen Nahtbreiten
kann der Verzug sehr klein gehalten werden. Beim Schweißen
kleiner Schweißnähte kommt das Verfahren zum Einsatz,
da der Elektronenstrahl durch angelegte elektrische
Felder exakt abgelenkt werden kann. Das Spektrum möglicher
Nahttiefen liegt zwischen 0,3 mm und 300 mm (Aluminium),
bei Stahl 150 mm.
Die hohe Energiedichte erlaubt das Verschweißen aller,
auch höchstschmelzender, Metalle sowie die Herstellung
von Mischverbindungen durch das Verschweißen verschiedener
Materialien, z. B. von Stahl und Bronze. Aufgrund der
Weiterentwicklung auf dem Gebiet der Vakuumtechnik und
des Einsatzes ausgeklügelter Anlagensysteme sind Wartezeiten
bis zur Herstellung des notwendigen Drucks (ca. 0,1
Pa) kaum mehr relevant. Vielmehr ist es durch die Abwesenheit
schädigender Prozessgase möglich, auch hochreaktive
Werkstoffe zu verschweißen. Beispielsweise ist Elektronenstrahlschweißen
das einzige Verfahren zum (Tief-)Schweißen von Titan.
Elektronenstrahlschweißanlagen werden häufig in der
Massenfertigung von Getriebebauteilen in der Automobilindustrie
eingesetzt (vor allem Japan und Deutschland). Neben
simplen, preisgünstigen Lohnaufträgen werden auch Bauteile
für die Luft- und Raumfahrt, den Schienenverkehr und
die Nahrungsmittelindustrie elektronenstrahlgeschweißt.
Aluminothermisches Schweißen
Dieses Verfahren ist auch unter dem Namen Thermit-Schweißen
bekannt und wird vor allem beim Verschweißen von Bahnschienen
angewendet. In einem Tiegel, der unten ein Loch hat
und auf der Verbindungsstelle steht, wird (z. B. mit
Hilfe eines Magnesiumspanes) eine Mischung aus Eisenoxidpulver
und Aluminiumpulver entzündet, woraus sich bei einer
Temperatur von ca. 2450 °C flüssiges Eisen und darauf
schwimmende Aluminiumoxid-Schlacke bilden (Fe2O3 + 2
Al = 2 Fe + Al2O3).
Sprengschweißen
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/s² 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 Metallpartner
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. DYNAenergetics) mit
Detonationsgeschwindigkeiten von >5000 m/s zum Einsatz.
Durch den Aufprall der Schweißpartner entstehen an den
Grenzflächen wellenartige Verwerfungen, die eine formschlüssige
Verbindung herstellen.
Diffusionsschweißen
Das Diffusionsschweißen ist eine etwa 50 Jahre alte
Schweißtechnik, um vorwiegend metallische Werkstücke
miteinander zu verbinden. Die Qualität der Schweißverbindungen
ist außerordentlich hoch und kann im Bereich des verwendeten
Materials liegen.
Diffusionsschweißen geschieht bei hohem Druck (typische
Größenordnung: Fließgrenze) und etwas unterhalb der
Solidustemperatur. Aber auch unter Raumtemperatur können
Metalle zu Diffusionsverschweißen neigen, sofern ihre
Flächen außerordentlich eben und glatt ausgebildet sind.
Endmaße beispielsweise können schon nach kurzer Zeit
miteinander Kaltverschweißen, wenn sie angesprengt sind,
also sehr nah beieinander liegen.
Bei dem vorwiegend in der Pulvermetallurgie eingesetzten
Verfahren Heißisostatisches Pressen (HIP) werden die
Werkstücke in einem Stahlblechkanister eingeschweißt
und anschließend evakuiert oder offen in eine Druckkammer
gelegt. Ein Schutzgas mit entsprechendem Druck und Temperatur
presst die Bauteile zusammen. Die Kraft wirkt so von
allen Seiten, also isostatisch.
Die zweite Variante wird auch als Uniaxial Diffusion
Weld (UDW) bezeichnet. Hierbei wird eine einachsige
Kraft meist mittels einer hydraulischen Presse senkrecht
zur verbindenden Fläche ausgeübt. Die Presse verfügt
entweder über einen Vakuumbehälter oder es wird ein
zum HIP-Verfahren analoger Kanister benutzt.
Arbeitsschutz
Grundsätzlich gilt: Metallschweißen ist mit starken
Strömen bzw. explosiven Gasen, giftigen Abgasen, gefährlichem
Licht und Wärmeentwicklung sowie Spritzern flüssigen
Metalls verbunden. Eine entsprechend fachkundige Einweisung
sollte daher selbstverständlich sein; im gewerblichen
Bereich ist ein Ausbildungsnachweis (z. B. Facharbeiterbrief
oder Lehrgangsprüfung einer Handwerkskammer) erforderlich.
Roboter beim SchutzgasschweißenBeim 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 einerseits gefährliche
Ultraviolettstrahlung die insbesondere die Augen schwer
schädigen kann. Andererseits Infrarotstrahlung, die
auf ungeschützten Körperteilen schwere Verbrennungen
erzeugt. 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. Der moderne
Ersatz für Schutzgläser sind automatische Schweißerschutzfilter.
Da die UV-Strahlung auch die normale Haut schädigt,
wird ein Schirm verwendet, der das ganze Gesicht abdeckt.
Vor dem eigentlichen fast 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. Zusätzlich ist
spezielle schwer entflammbare Schweißerkleidung zu tragen,
die alle Hautflächen sicher abdeckt. Viele Schweißverfahren
sind sehr laut, ein angemessener Gehörschutz ist daher
vonnöten.
selbstreinigender Schweißrauchfilter mit ePTFE-FilterBeim
Schweißen entstehen auch feinste Staubpartikel, die
abgesaugt werden müssen, damit diese nicht in die Lunge
des Schweißers gelangen und von dort in die Blutbahn
diffundieren können. Zu diesem Zweck werden mobile oder
stationäre Schweißrauchfilter eingesetzt, die diese
ultrafeinsten Partikel absaugen und filtern. Stand der
heutigen Technik sind so genannte ePTFE-Filter mit einer
hervorragenden Oberflächenfiltration. Wenn keine effektive
Absaugung des Schweißrauchs sichergestellt werden kann,
muss der Schweißer durch eine persönliche Schutzausrüstung
in Form eines Gebläsefiltergerätes (PAPR) geschützt
werden.
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. Schallschutztrennwandsysteme.
Einzelnachweise
^ technolix.net (8.7.2007)
Literatur
Fachgruppe für die schweißtechnische Ingenieurausbildung:
Fügetechnik Schweißtechnik. DVS Verlag, 6. überarb.
Auflage 2004, ISBN 3-87155-786-2
U. Dilthey, A. Brandenburg: Schweißtechnische Fertigungsverfahren.
Band 3: Gestaltung und Festigkeit von Schweißkonstruktionen.
Springer Verlag, 2. Auflage, 2001, ISBN 3-540-62661-1
H. Hügel: Strahlwerkzeug Laser. Teubner Studienbücher
Maschinenbau, Stuttgart 1992, ISBN 3-519-06134-1
U. Dilthey (Hrsg.): Laserstrahlschweißen - Prozesse,
Werkstoffe, Fertigung, Prüfung. DVS-Verlag, Düsseldorf
2000, ISBN 3-87155-906-7
H. Schultz: Elektronenstrahlschweißen. Fachbuchreihe
Schweißtechnik Band 93. DVS-Verlag, Düsseldorf 2000,
ISBN 3-87155-192-9
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