Методическое пособие «Das Schweissen» для специальности 08.02.07 «Монтаж и эксплуатация внутренних сантехнических устройств, кондиционирования воздуха и вентиляции»

Баймышева А.А.

Методическое пособие «Das Schweissen»

для специальности 08.02.07 «Монтаж и эксплуатация внутренних сантехнических устройств, кондиционирования воздуха и вентиляции»

Баймышева А.А. Методическое пособие

«Das Schweissen». –

Омск: БПОУ ОО «ОКОТСиТ», 2019. – 32 с.

Методическое пособие является частью программы подготовки специалистов среднего звена БПОУ ОО «ОКОТСиТ» по специальности 08.02.07 «Монтаж и эксплуатация внутренних сантехнических устройств, кондиционирования воздуха и вентиляции» в соответствии с требованиями ФГОС СПО. Методическое пособие содержит тексты о видах сварки, сварочных работ, сварочных аппаратах и мероприятиях по технике безопасности во время сварочных работ. Методическое пособие служит вспомогательным материалом для изучения лексики, перевода и реферирования текстов по немецкому языку.

© Омский колледж отраслевых технологий строительства и транспорта, 2019

Содержание

Введение. Geschichte des Schweißens	3
Schweißbarkeit eines Bauteils	3
Auswahl eines Schweißverfahrens	4
Schweißverbindungsqualität	4
Feuerschweißen	5
Gasschmelzschweißen	5
Lichtbogenhandschweißen	6
Lichtbogenarten	8
Ausrüstung	17
Elektronenstrahlschweißen	18
Pressschweißverfahren	19
Buckelschweißen	20
Widerstandsstumpfschweißen	21
Kaltpressschweiße	21
Reibschweißen	21
Ultraschallschweißen	25
Elektromagnetisches Pulsschweißen	26
Diffusionsschweißen	27
MBP-Schweißen	28
Schweißsimulation	28
Arbeitsschutz	29
Maßnahmen	29
Roboter beim Schutzgasschweißen	29
Zentrale Schweißrauchabsaugung mit BGIA-Zertifizierung

Введение

Geschichte des Schweißens

Gliederung der Schweißverfahren

Einteilung der Metallschweißverfahren nach DIN 1910-100 mit Ordnungsnummern nach

Die Einteilung der Schweißverfahren wird unter folgenden Gesichtspunkten vorgenommen:

• Art der auf das Werkstück einwirkenden Energie: Es kann thermische und/oder

mechanische Energie zum Schweißen verwendet werden. Beim Pressschweißen kann nur eine Kraft einwirken (Z. B. Kaltpressschweissen) oder eine Kombination von Kraft und thermischer Energie die Schweissverbindung erzeugen. Thermische Energie wird beim Schmelzverbindungsschweißen eingesetzt.

• Art des Grundwerkstoffs: Die Unterscheidung betrifft das Schweißen

von Metallen, Thermoplasten und anderen Werkstoffen und Kombinationen von Werkstoffen, wie beispielsweise Glas.

• Zweck des Schweißens: Man unterscheidet Verbindungs- und Auftragschweißen.

• Verbindungsschweißen ist das Zusammenfügen (DIN 8580) von Werkstücken,

beispielsweise mit einer Rohrlängsnaht.

• Auftragschweißen ist das Beschichten (DIN 8580) eines Werkstückes durch

Schweißen.

• Sind der Grund- und der Auftragwerkstoff unterschiedlich, wird unterschieden

zwischen Auftragschweißen von Panzerungen, Plattierungen und Pufferschichten.

Siehe auch: Cladding (Auftragschweissen)

• Physikalischer Ablauf des Schweißens: Die Unterscheidung zwischen Press- und

Schmelzschweißen wird hier getroffen.

• Schmelzschweißen ist Schweißen bei örtlich begrenztem Schmelzfluss, ohne

Anwendung von Kraft mit oder ohne gleichartigem Schweißzusatz (ISO 857-1). Im Gegensatz zum Löten wird dabei die Liqidstemperatur der Grundwerkstoffe überschritten. Prinzipiell können alle Materialien, die in die schmelzflüssige Phase überführbar sind, durch Schmelzschweißen verbunden werden.

• Beim Pressschweißen werden die zu verbindenden Werkstoffe durch

unterschiedlichste Energieformen auf eine Schweißtemperatur gebracht und unter der Einwirkung einer Kraft fest miteinander verbunden.

• Grad der Mechanisierung: Es werden Unterschiede zwischen Handschweißen, dem

teilmechanisierten Schweißen, dem vollmechanischen Schweißen und dem automatisierten Schweißen gemacht.

Schweißbarkeit eines Bauteils

Um ein Bauteil schweißen zu können, muss es schweißbar sein. Darunter versteht man, dass durch das Zusammenwirken der Eignung des Werkstoffs zum Schweißen (Schweißeignung), einer schweißgeeigneten Konstruktion (Schweißsicherheit) und einer geeigneten Fertigungsorganisation (Schweißmöglichkeit) Einzelteile zu Bauteilen mit gewünschter Qualität zusammengeschweißt werden können.

Schweißeignung eines Werkstoffs

Infolge der thermischen Einwirkung auf die Schweißteile während des Schweißens ändern sich deren metallurgischen Eigenschaften. Je nach Materialzusammensetzung und Art des Temperaturzyklus können Gefüge entstehen, die negative Qualitätseinflüsse haben. Die Schweißeignung beschreibt, inwieweit ein Werkstoff unter jeweils bestimmten Bedingungen qualitativ befriedigend durch Schweißen verbunden werden kann.

Auswahl eines Schweißverfahrens

Für das Fügen von Einzelteilen zum Werkstück stehen unzählige Schweißverfahren zur Verfügung, von denen im konkreten Falle eins gewählt werden muss. Bei der Auswahl sollten folgende Gesichtspunkte in Betracht gezogen werden: Aus verfahrenstechnologischer Sicht spielen der Werkstoff, die Bauteilgeometrie, die Zugänglichkeit zur Schweißstelle und die mögliche Schweißposition eine Rolle, ebenso die Qualitätsanforderungen an das geschweißte Produkt. Aus wirtschaftlicher Sicht sind die Stückzahl der herzustellenden Werkstücke, die Kosten für die erforderlichen Schweißeinrichtungen und diejenigen für die Durchführung der Fertigungsarbeiten bei der Verfahrenswahl zu berücksichtigen.

Schweißverbindungsqualität

Durch Schweißen sollen Bauteile so miteinander verbunden werden, dass diese die an sie gestellten Anforderungen über eine erwartete Lebensdauer erfüllen können. Dazu müssen die Verbindungen anforderungsgerechte Qualitätskriterien oder Gütemerkmale erfüllen. Generelle Festlegungen zu den Gütemerkmalen können nicht getroffen werden, denn diese sind immer eng an die jeweiligen Bauteilanforderungen im Einsatz gebunden.

Ausreichende Qualität ist dann zu erwarten, wenn auftretende Unregelmäßigkeiten der Schweißnaht, die während oder nach dem Schweißen entstehen, für die Nutzung des geschweißten Bauteils toleriert werden können. Sind sie nicht mehr akzeptabel, werden die Unregelmäßigkeiten als Verbindungsfehler bezeichnet.

Vorbereitung - Schweißstoß

Schweißteile werden durch sogenannte Schweißstöße verbunden, die oftmals eine spezielle Fugenvorbereitung benötigen. Der Bereich, in dem Schweißteile miteinander vereinigt werden, wird Schweißstoß genannt. Die Stoßarten unterscheiden sich je nach konstruktiver Anordnung der Teile und der Fugenvorbereitung, die eine fachgerechte Ausführung und Prüfung der Schweißnaht ermöglicht.

Durchführung - Schweißposition

Je nach Anordnung der Schweißteile und der Zugänglichkeit des Brenners und der Schweißelektrode zur Naht ergeben sich beim Schweißen in der Norm DIN EN ISO 6947:2011-08 definierte Schweißpositionen.

Feuerschweißen

Feuerschweißen: Glühendes Blechpaket mit schmelzendem Borax

Beim Feuerschweißen 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 auseinandergeprellt werden. Im Gegensatz zu den meisten anderen Schweißmethoden wird der Stahl hierbei nicht aufgeschmolzen, sondern bei Schweißtemperatur (1200 bis 1300°C) gefugt. Zur Vorbereitung des Schweißvorgangs im Schmiedefeuer muss bei den zu verbindenden Werkstucken auf Luftabschluss geachtet werden, damit die Oberflächen nicht oxidieren. Ursprünglich wurde Luftabschluss durch eine stark reduzierende Flamme und feinkörnigen Flusssand erreicht, wobei es schwierig war, einen solchen Sand mit dem richtigen Schmelzpunkt zu finden. Heutzutage benutzt man meist Borax, welches sich ähnlich wie beim Sand als eine flüssige, glasige Haut über die Stahlteile legt und versiegelt. Diese werden dadurch vor Oxidangriff geschützt.

Gasschmelzschweißen

Autogenschweißung mit Zusatzdraht an einer Automobilkarosserie

Beim Gasschmelzschweißen (G) nach ISO 857-1 (Gasschmelzschweißen mit der Sauerstoff-Acetylen-Flamme, EN ISO 4063: Prozess 311), umgangssprachlich auch Autogenschweißen genannt, wird das Metall durch Verbrennungsgase erhitzt, in der Regel ein Acetylen-Sauerstoff-Gemisch. Die Temperatur der Flamme beträgt dabei etwa 3200°C. In der Regel wird ein Schweißdraht als Zusatzwerkstoff verwendet.

Das Verfahren wurde früher autogen (aus sich selbst heraus) genannt, weil außer der Metallschmelze selbst keine Stoffe mitwirken. Denn die Gasflamme schirmt das Schweißbad gegenüber der umgebenden Atmosphäre ab; bei neutraler Einstellung des Brenners wird in den Bereich der Flamme, der zum Schweißen dient, exakt so viel Sauerstoff zugeführt, wie das Acetylen für die Verbrennung benötigt.

Das Oxidationsmittel Sauerstoff kommt aus einer Gasflasche mit 200 bar (ehemals 150 bar) Betriebsdruck und 2 bis 50 Liter Volumen, das Brenngas Ethin aus einer solchen für geringeren Druck, die mit fest-flüssigem Absorptionsmasse gefüllt deutlich schwerer ist und daher oft nur bis zu einer Größe von 40 Liter gewählt wird, um für zwei Personen mit rund 80kg gut tragbar zu bleiben. Diese darf aufrecht oder schräg, jedoch nicht waagrecht verwendet werden. An jedes der Flaschenventile werden justierbare Druckminderer mit je zwei Manometern angeschlossen und daran jeweils eine Flammenrückschlagsicherung und zuletzt die Eingänge des Schlauchpaars. Am Schweißbrenner wird der Gasdurchsatz der Aufgabe entsprechend mit zwei während der Arbeit erreichbaren Nadelventilen feinreguliert, bevor die Gase gemischt werden und gemischt an der Düse austreten.

Das Gasschmelzverfahren eignet sich sowohl für Schweißarbeiten im Werk als auch mobil auf der Baustelle. Je nach Art der Zusatzdrahtführung unterscheidet man das «Nach-Links-Schweißen», bei dem der Draht in Schweißrichtung vor dem Schmelzbad geführt wird, oder das «Nach-Rechts-Schweißen», bei dem die Flamme vor dem Draht geführt wird. Durch den großen Wärmeeinflussbereich wird ein hoher Verzug am Werkstück hervorgerufen. Das relativ langsame Verfahren eignet sich in erster Linie zum Schweißen dünner Bleche und einiger NE-Metalle sowie für Reparatu - und Auftragsschweißung. Besonders im Heizungs-, Installations - und Rohrleitungsbau kommt dieses Verfahren zur Anwendung, verliert jedoch auch dort zunehmend an Bedeutung.

Lichtbogenhandschweißen

Das Lichtbogenhandschweißen (E-Handschweißen EN ISO 4063: Prozess 111) ist eines der ältesten elektrischen Schweißverfahren für metallische Werkstoffe, welches heute noch angewandt wird. Im Englischen wird das Verfahren 'shielded metal arc welding' (SMAW) oder auch manual metal arc welding (MMA) genannt, und diese Abkürzungen werden teils zur Spezifikation der Geräte benutzt.

Ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer als Zusatzwerkstoff abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück wird als Wärmequelle zum Schweißen genutzt. Durch die hohe Temperatur des Lichtbogens wird der Werkstoff an der Schweißstelle aufgeschmolzen. Als Schweißstromquellen dienen Schweißtransformatoren (Streufeldtransformatoren) mit oder ohne Schweißgleichrichter, Schweißumformer oder Schweißinverter. Je nach Anwendung und Elektrodentyp kann mit Gleichstrom oder Wechselstrom geschweißt werden.

Lichtbogenschweißer bei der Arbeit

Umhüllte Stabelektroden, zum Beispiel für unlegierte Stähle gemäß ISO 2560-A, entwickeln beim Abschmelzen Gase und Schweißschlacken. Die Gase aus der Umhüllung stabilisieren den Lichtbogen und schirmen das Schweißbad vor der Oxidation durch den Luftsauerstoff ab. Die Schweißschlacke hat eine geringere Dichte als die Schmelze, wird auf die Schweißnaht geschwemmt und sorgt für zusätzlichen Schutz der Schweißnaht vor Oxidation. Ein weiterer erwünschter Effekt der Schweißschlacke ist die Verringerung der Schweißschrumpfspannungen durch die langsamere Abkühlung, da dem Bauteil mehr Zeit bleibt, die plastische Verformung rückzuentwickeln.

Durch den Elektronenbeschuss heizt sich die Anode (Pluspol) stärker auf. Bei den meisten Schweißverfahren betreibt man verzehrende Elektroden als Anoden, das Werkstück also als Kathode (Minuspol). Bei umhüllten Stabelektroden hängt die Polarität von der Elektrodenumhüllung ab. Besteht die Umhüllung aus schlecht ionisierbaren Bestandteilen, wie dies bei basischen Elektroden der Fall ist, wird die Elektrode am heißeren Pluspol geschweißt, anderenfalls wegen der geringeren Strombelastung am Minuspol.

Hauptanwendungsbereich des Lichtbogenhandschweißens ist der Stahl- und Rohrleitungsbau. Elektrodenschweißungen werden wegen der deutlich geringeren Schweißgeschwindigkeiten bevorzugt im Montagebereich angewendet, da der maschinelle Aufwand im Vergleich zu anderen Verfahren verhältnismäßig gering ist. Eine Elektrodenschweißung kann auch unter ungünstigen Witterungsverhältnissen, wie beispielsweise Wind und Regen noch fehlerfrei durchgeführt werden, was gerade auch bei Außenarbeiten von Bedeutung ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Schweißung – im Unterschied zu anderen Verfahren – auch dann häufig noch mängelfrei durchgeführt werden kann, wenn die Schweißfuge nicht vollständig metallisch blank ist. Lichtbogenhandschweißen ist auch unter Wasser möglich.

Schutzgasschweißen (SG)

Schutzgasschweißen

Metallschutzgasschweißen

1 Vorschubrichtung

2 Kontakthülse

3 Schweißdraht

4 Schutzgas

5 Schmelzgut

6 Schweißraupe

7 Grundmaterial

Metallschutzgasschweißen (MSG)

Aufbau eines Schweißbrenners zum Schutzgasschweißen (geöffnet)

1 Halterung

2 Isolierung (gelb)

3 Schutzgasdüsen

4 Stromkontaktdüse

5 Düsenausgang

Das teilmechanische Metallschutzgasschweißen (MSG), wahlweise als MIG (Metallschweißen mit inerten Gasen, EN ISO 4063: Prozess 131) oder MAG-Schweißen (Metallschweißen mit aktiven, also reaktionsfähigen Gasen, EN ISO 4063: Prozess 135), ist ein Lichtbogenschweißverfahren, bei dem der abschmelzende Schweißdraht von einem Motor mit veränderbarer Geschwindigkeit kontinuierlich nachgeführt wird. Die gebräuchlichen Schweißdrahtdurchmesser liegen zwischen 0,8 und 1,2 mm (seltener 1,6 mm). Gleichzeitig mit dem Drahtvorschub wird der Schweißstelle über eine Düse das Schutz - oder Mischgas mit ca. 10 l/min (Faustformel: Schutzgas-Volumenstrom 10 l/min pro mm Schweißdrahtdurchmesser) zugeführt. Dieses Gas schützt das flüssige Metall unter dem Lichtbogen vor Oxidation, welche die Schweißnaht schwächen würde. Beim Metallaktivgasschweißen (MAG) wird entweder mit reinem CO₂ oder einem Mischgas aus Argon und geringen Anteilen CO₂ und O₂ (Z. B. «Corgon») gearbeitet. Je nach ihrer Zusammensetzung kann der Schweißprozess (Einbrand, Tropfengröße, Spritzerverluste) aktiv beeinflusst werden; beim Metallinertgasschweißen (MIG) wird als Edelgas Argon, seltener auch das teure Edelgas Helium, verwendet. Das MAG-Verfahren wird in erster Linie bei Stählen eingesetzt, das MIG-Verfahren bevorzugt bei NE-Metallen.

Wahlweise können beim Metallschutzgasschweißen auch Fülldrähte, auch Röhrchendrähte genannt, eingesetzt werden (mit Aktivgasschweißen EN ISO 4063: Prozess 136, mit Inertgas EN ISO 4063: Prozess 137). Diese können im Inneren mit einem Schlackebildner und ggf. Legierungszusätzen versehen sein. Sie dienen dem gleichen Zweck wie die Umhüllungen der Stabelektrode. Einerseits tragen die Inhaltsstoffe zum Schweißvolumen bei, andererseits bilden sie eine Schlacke auf der Schweißraupe und schützen die Naht vor Oxidation. Letzteres ist vor allem bei dem Schweißen von Edelstählen wichtig, da die Oxidation, das «Anlaufen» der Naht auch nach dem Weiterführen des Brenners und damit dem Weiterführen der Schutzgasglocke verhindert werden muss.

Lichtbogenarten

In Abhängigkeit von den zu verschweißenden Werkstoffen sowie deren Blechdicke oder Wandstärke können durch geeignete Parameterwahl unterschiedliche Lichtbogenarten eingestellt werden. Im unteren Leistungsbereich wird der Kurzlichtbogen eingesetzt, bei dem sich Kurzschluss und frei brennender Lichtbogen abwechseln. Im oberen Leistungsbereich wird der Sprühlichtbogeneingesetzt. Der abschmelzende Zusatzwerkstoff wird kurzschlussfrei abgeschmolzen. Durch spezielle Regelung kann ein sehr fokussierter stabiler Lichtbogen mit besonders hohem Lichtbogendruck erzeugt werden. Es gibt einen Zwischenbereich zwischen kurzschlussbehaftetem und kurzschlussfreiem Werkstoffübergang. Man spricht von einem Übergangslichtbogen. Er sollte wegen seines stochastischen Charakters vermieden werden. Beim Impulslichtbogen wird ein Grundstrom mit erhöhten Stromimpulsen überlagert. Der Werkstoffübergang lässt sich steuern. Durch den Wechselstromlichtbogen lässt sich der Wärmeeintrag in das Werkstück und die Elektrode beeinflussen und Oxide auf der Oberfläche von Aluminium und seinen Legierungen werden aufgebrochen.

Metallschutzgasschweißen mit erhöhter Abschmelzleistung

Die Geschwindigkeit beim Schweißen und damit die Produktivität kann erhöht werden, wenn die sogenannte Abschmelzleistung, d. h. die Menge abgeschmolzenen Materials je Zeiteinheit, gesteigert wird. Dafür haben sich zwei Verfahrensweisen als wirksam erwiesen:

• paralleler Einsatz mehrerer Schweißdrähte (Mehrdrahtschweißen)

• Einsatz spezieller Schutzgaskombinationen, Fülldrähte und Schweißparameter

(Varianten des T.I.M.E.-Schweißens)

Mehrdrahtschweißen

Es sind zwei Verfahrensarten zu unterscheiden:

Beim Doppeldrahtverfahren werden zwei Drahtelektroden durch ein gemeinsames Kontaktrohr geführt. Es entstehen zwei Lichtbögen, die durch eine Stromquelle erzeugt werden. Deswegen können sie nicht unabhängig voneinander gesteuert werden. Mehrdrahtverfahren werden oft auch als Unterpulverschweißen eingesetzt.

Das Tandemverfahren ist die Weiterentwicklung des Doppeldrahtverfahrens. Beim Tandemverfahren brennen zwei elektrisch unabhängige Lichtbögen in einem gemeinsamen Schmelzbad. Die hohe Abschmelzleistung zweier Drähte kann in Schweißgeschwindigkeit oder Volumenfüllung umgesetzt werden. Die elektrische Trennung der Drahtelektroden erlaubt unterschiedliche Prozesskombinationen. Zum einen können die elektrischen Parameter unabhängig voneinander gewählt werden, zum anderen können unterschiedliche Drahtdurchmesser und -werkstoffe eingesetzt werden. Dadurch eröffnen sich neue Kombinationsmöglichkeiten und Abschmelzleistungen bis zu 25kg/h.

Varianten des T.I.M.E.-Schweißens

Durch die Wahl geeigneter Schutzgaskombinationen, Fülldrähte und Schweißparameter kann die Abschmelzleistung deutlich erhöht werden, ohne die Schweißnahtqualität negativ zu beeinflussen. Das MAG-Verfahren kann auf der Grundlage einer 4-Komponentengasmischung (Ar, He, CO₂, O₂) und hoher Drahtvorschubgeschwindigkeit (bis zu 50m/min) bei Anwendung eines längeren freien Drahtendes (bis zu 35mm) auf eine Abschmelzleistung bis zu 27kg/h gebracht werden. Auf dieser Basis sind mehrere Verfahrensvarianten mit den Bezeichnungen T.I.M.E. (Transferred Ionized Molten Energy), RapidProcessing, RapidArc, RapidMelt, LINFAST auf dem Markt, zu deren Durchführung entsprechende Stromquellen und Drahtvorschubgeräte entwickelt worden sind. Weitere Untersuchungen zum Einfluss von Gaskombinationen auf die Abschmelzleistung führten zu abweichenden Varianten für Gaszusammensetzung.

Der T.I.M.E.-Prozess kann auch mit der Mehrdrahtschweißung kombiniert werden (TimeTwin-Schweißprozess) mit zwei Stromquellen und getrenntem Schweißpotential für jeweils einen der beiden Schweißdrähte.

ColdArc-Verfahren

Werkstoffübergang (schematisch) und Strom- und Spannungsverlauf beim coldArc-Prozess nach

Das ColdArc-Verfahren ist eine Variante des MIG/MAG-Prozesses mit dem Kurzlichtbogen, bei dem durch Steuerung des Schweißstroms der Werkstoffübergang bei geringerem Wärmeeintrag in das Grundmaterial erreicht wird. Die Grundidee besteht darin, beim Schweißen mit dem Kurzlichtbogen die Stromspitze während des Tropfenkurzschlusses zu reduzieren und das erneute Aufschmelzen des Drahtes durch einen Aufschmelzstromimpuls zu unterstützen. Danach wird der Strom auf ein sehr niedriges Niveau abgesenkt und damit der Energieeintrag minimiert. Der Aufschmelzimpuls erzeugt eine gleichbleibend große schmelzflüssige Kuppe auf den zugeführten Draht und ermöglicht, in den Phasen zwischen den Kurzschlüssen mit extrem niedrigen Stromstärken zu arbeiten.

Wolfram-Inertgasschweißen (WIG)

WIG-Schweißen

Das Wolfram-Inertgasschweißen (Bez. USA: TIG -Tungsten Inert-Gaswelding oder GTAW - Gas Tungsten Arc Welding, EN ISO 4063: Prozess 141) zeichnet sich gegenüber anderen Schmelzschweißverfahren durch eine Reihe von Vorteilen aus. In Verbindung mit dem WIG-Pulsschweißen und WIG-Wechselstromschweißen lässt sich jeder schmelzschweißgeeignete Werkstoff fügen. Beim WIG-Schweißen entstehen praktisch keine Schweißspritzer; die gesundheitliche Belastung durch Schweißrauche ist verhältnismäßig gering. Ein besonderer Vorteil des WIG-Schweißens ist, dass nicht mit einer abschmelzenden Elektrode gearbeitet wird. Die Zugabe von Schweißzusatz und die Stromstärke sind deshalb entkoppelt. Der Schweißer kann seinen Schweißstrom optimal auf die Schweißaufgabe abstimmen und muss nur so viel Schweißzusatz zugeben, wie gerade erforderlich ist. Dies macht das Verfahren besonders geeignet zum Schweißen von Wurzellagen und zum Schweißen in Zwangslagen. Durch den verhältnismäßig geringen und kleinräumigen Wärmeeintrag ist der Schweißverzug der Werkstücke geringer als bei anderen Verfahren. Wegen der hohen Schweißnahtgüten wird das WIG-Verfahren bevorzugt dort eingesetzt, wo die Schweißgeschwindigkeiten gegenüber den Qualitätsanforderungen zurücktreten. Dies sind beispielsweise Anwendungen im Rohrleitungs- und Apparatebau im Kraftwerksbau oder der chemischen Industrie.

Rohrwurzellage im WIG-Schweißverfahren

Die 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 historischen Kontaktzündung (Streich- oder Anreißzündung) wird ähnlich

dem Elektrodenschweißen die Wolframelektrode kurz – gleich einem Streichholz – am Werkstück angestrichen 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 von der Wolframelektrode hängenbleibt, das wegen der höheren Schmelztemperaturen des Wolframs als Fremdkörper im Schmelzbad zurückbleibt. Deshalb wurde häufig eine separate Kupferplatte, auf dem Werkstück liegend, zum Zünden verwendet.

• Die Hochfrequenzzündung hat die Streichzündung praktisch vollständig ersetzt. Bei

der Hochfrequenzzündung wird mit Hilfe einesHochspannungsimpulsgenerators, der eine hohe Spannung auf die Wolframelektrode gibt, das Gas zwischen Elektrode und Werkstück ionisiert, wodurch der Lichtbogen gezündet wird. Durch den hohen Innenwiderstand des Hochspannungsimpulsgenerators können keine gefährlichen Stromstärken erzeugt werden.

• Eine Variante der Kontaktzündung ist die Lift-Arc-Zündung. Die Elektrode wird

direkt an der Schweißstelle auf dem Werkstück aufgesetzt. Es fließt ein geringer Strom, der nicht ausreicht, die Elektrode zu beschädigen. Beim Abheben des Brenners zündet der Plasmalichtbogen und die Elektronik der Schweißmaschine erhöht den Strom auf Schweißstromstärke. Vorteil dieser Methode ist das Vermeiden elektromagnetischer Störungen, die bei der Hochfrequenzzündung auftreten können.

Meist wird zum Schweißen das Edelgas Argon eingesetzt, seltener Helium oder ein Gemisch aus beiden Gasen. Dabei wird das verhältnismäßig teure Helium aufgrund seiner besseren Wärmeleitfähigkeit verwendet, um die Wärmeeinbringung zu erhöhen. Bei austenitischen nichtrostenden Stählen können geringe Mengen an Wasserstoff im Schutzgas die Viskosität der Schmelze herabsetzen und die Schweißgeschwindigkeit steigern (es handelt sich dabei nicht mehr um ein inertes, sondern um reduzierendes Gas, siehe geplante Änderung der EN ISO 4063).

Das Schutzgas wird durch die Gasdüse zur Schweißstelle geleitet. Als Faustregel gilt: Gasdüseninnendurchmesser = 1,5 × Schmelzbadbreite. Die Schutzgasmenge ist unter anderem von Nahtform, Werkstoff, Schweißposition, Schutzgas und Düsendurchmesser abhängig; Informationen dazu lassen sich den Datenblättern der Hersteller entnehmen. Das Heften von Stumpfnähten kann problematisch sein, wenn ein Spalt vorhanden ist und so wurzelseitig Sauerstoff Zutritt hat.

Beim WIG-Schweißen kann sowohl mit als auch ohne Zusatzwerkstoff gearbeitet werden. Zum manuellen Schweißen werden wie beim Gasschmelzschweißen meist stabförmige Zusätze verwendet. Verwechselungen mit den Gasschweißstäben müssen allerdings unbedingt vermieden werden, da die chemischen Zusammensetzungen voneinander abweichen.

WIG-Schweißen mit Zusatzdraht

Bei der WIG-Schweißung unterscheidet man Gleich- und Wechselstromschweißen. Das Gleichstromschweißen mit negativ gepolter Elektrode wird zum Schweißen von Stählen aller Art, NE-Metallen und deren Legierungen eingesetzt. Demgegenüber wird das Wechselstromschweißenvorwiegend zum Schweißen der Leichtmetalle Aluminium und Magnesium eingesetzt. In Sonderfällen werden Leichtmetalle auch mit Gleichstrom und mit einer positiven Elektrode geschweißt. Dabei werden Spezialschweißbrenner mit einer sehr dicken Wolframelektrode und Helium als Schutzgas verwendet. Nötig ist die Pluspolung der Wolframelektrode bei Leichtmetallen, da diese zumeist eine harte Oxidschicht mit sehr hohem Schmelzpunkt (wie bei Aluminiumoxid, Magnesiumoxid) auf ihrer Oberfläche bilden. Diese Oxidschicht wird bei einer Minuspolung des Werkstücks aufgebrochen, da das Werkstück nun als Elektronen emittierender Pol fungiert und negative Sauerstoffionen abgeführt werden.

Die BGI 746 (Umgang mit thoriumoxidhaltigen Wolframelektroden beim Wolfram-Inertgasschweißen (WIG)) enthält Hinweise zum sicheren Umgang mit thoriumoxidhaltigen Wolframelektroden für das Wolfram-Inertgasschweißen und beschreibt die notwendigen Schutzmaßnahmen, die ergriffen werden müssen, um mögliche Gefährdungen durch Umgang mit diesen Elektroden auszuschließen oder auf ein vertretbares Maß zu minimieren. Nötig ist dies wegen einer geringen Radioaktivität des Thoriums und der gesundheitschädigenden Stäube des Schwermetalls. Aufgrund der Verfügbarkeit von mit Lanthan oder seltenen Erden legierten Wolframelektroden kann heute auf den Einsatz von thoriumlegierten Wolframelektroden verzichtet werden.

Eine Weiterentwicklung des WIG-Schweißens ist das Schweißen mit pulsierendem Strom. Beim WIG-Impulsschweißen 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 (Schweißinverter) 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, wie beim Rohrschweißen, werden vermieden.

Beim Impulsschweißen von Leichtmetallen kann man erreichen, dass nur die Oberfläche anschmilzt und somit bei dünnen Blechen

Orbitalschweißen

Orbitalschweißenist ein vollmechanisches Schutzgasschweißverfahren WIG oder MSG, bei dem der Lichtbogen maschinell ohne Unterbrechung 360 Grad um Rohre oder andere Rundkörper herumgeführt wird. Das Orbitalschweißverfahren kommt vorzugsweise im Rohrleitungsbau zur Anwendung, wo unter kontrollierbaren Bedingungen gleichbleibend hohe Nahtqualitäten erzielt werden müssen. Hauptanwendungsgebiete sind der Pipelinebau sowie der Rohrleitungs- und Apparatebau in der Nahrungsmittel-, chemischen-, und pharmazeutischen Industrie. Schweißbar sind alle Werkstoffe, die auch mit den entsprechenden Verfahren WIG oder MSG fügbar sind.

Plasmaschweißen

Plasmaschneidbrenner

Beim Plasmaschweißen (Plasma-Metall-Inertgasschweißen, EN ISO 4063: Prozess 151) 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. Als Plasmagas sind Gasgemische aus Argon und Wasserstoff bzw. Argon und Helium gebräuchlich, welche die Schmelze vor Oxidation schützen und den Lichtbogen stabilisieren. Die geringfügigen Beimischungen von Helium oder Wasserstoff verstärken den Einbrand und erhöhen dadurch die Schweißgeschwindigkeit. Die Einengung des Plasmas 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 1A) stabil brennenden Plasmalichtbogen und die Unempfindlichkeit bei Abstandänderungen der Düse zum Werkstück wird das Verfahren auch in der Mikroschweißtechnik eingesetzt. Mit dem Mikroplasmaschweißverfahren (Schweißstrombereich 0,5–15 A) können Bleche mit 0,1mm noch geschweißt werden. Das Plasma-Stichloch - oder -Schlüsselloch-Schweißen wird ab einer Blechdicke von 3mm eingesetzt und kann in Abhängigkeit vom zu verschweißenden Werkstoff bis zu einer Dicke von 10mm für das einlagige Schweißen ohne Nahtvorbereitung angewendet werden. Hauptanwendungsgebiete sind der Behälter- und Apparatebau, der Rohrleitungsbau und die Raumfahrt.

Arcatom-Schweißen

Arcatom-Schweißen (Metall-Lichtbogenschweißen, EN ISO 4063: Prozess 101) 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 einen Lichtbogen zwischen zwei unterschiedlich gepolten 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 nicht oxidieren. Das Verfahren kann nur bei Werkstoffen angewendet werden, die nicht zur Wasserstoffversprödung neigen. Das Verfahren gilt als veraltet und wird kaum noch genutzt.

Unterpulverschweißen

Unterpulverschweißen einer Rohr-Längsnaht im 3-Draht-Prozess

Erstarrte Schlackestücke einer UP-Schweißraupe

Das Unterpulverschweißen (UP-Schweißen, EN ISO 4063: Prozess 12) ist ein Lichtbogenschweißverfahren mit abschmelzender Draht- (Prozess 121) oder Bandelektrode (Prozess 122), bei dem hohe Abschmelzleistungen erzielt werden können. Es wird industriell vor allem zum Schweißen langer Nähte eingesetzt und eignet sich nicht zur manuellen Ausführung.

Beim Unterpulverschweißen wird das Schweißbad 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. Gleichzeitig ist hierdurch keine unmittelbare Sichtkontrolle des Prozesses möglich. Jedoch werden im Allgemeinen spritzerfreie Nähte sehr hoher Qualität erzielt, sofern geeignete Schweißparameter verwendet werden.

Durch die Auswahl einer bestimmten Kombination aus Draht und Pulver kann die chemische Zusammensetzung des Schweißgutes beeinflusst werden, da durch die Reaktionen von metallischer Schmelze und Schlacke in der Kaverne ein Abbrand oder Zubrand von Legierungselementen erfolgen kann.

Wegen der großen Schmelzbäder kann das UP-Verfahren nur in Wannenlage oder mit Pulverabstützung auch in Querposition angewandt werden.

Laserschweißen

Das Laserschweißen (EN ISO 4063: Prozess 52) wird vor allem zum Verschweißen von Bauteilen eingesetzt, die mit hoher Schweißgeschwindigkeit, schmaler und schlanker Schweißnahtform und mit geringem thermischem Verzug gefügt werden müssen. Das Laserschweißen oder Laserstrahlschweißen wird in der Regel ohne Zuführung eines Zusatzwerkstoffes ausgeführt. Die Laserstrahlung wird mittels einer Optik fokussiert. Die Werkstückoberfläche der Stoßkante, also 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 auch die Einschweißtiefe 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 Laserleistung 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 Schweißnaht wird diese je nach Werkstoff sehr hart und verliert in der Regel an Zähigkeit.

Laserschweißen von Metallen

Beim Laserschweißen von Metallen wird zwischen Lasertiefschweißen und Wärmeleitungsschweißen unterschieden. Beide Verfahren unterscheiden sich hauptsächlich durch die verwendeten Strahlintensitäten.

Lasertiefschweißen

Lasertiefschweißprozess

Bei hohen Strahlintensitäten im Fokus (wie bei Stahlwerkstoffen ca. 4 MW/cm² abhängig von der Verfahrgeschwindigkeit; bei einer Geschwindigkeit von 1m/min reichen unter Umständen auch etwa 2MW/cm²) bildet sich in der Schmelze in Strahlrichtung eine Dampfkapillare (mit Metalldampf oder teilionisiertem Metalldampf gefüllter, schlauchförmiger Hohlraum, auch keyhole genannt) in der Tiefe des Werkstückes aus. Der Werkstoff wird dadurch auch in der Tiefe aufgeschmolzen, die Schmelzzone kann tiefer als breit sein. Die Dampfkapillare erhöht aufgrund von Mehrfachreflexionen an den Wandungen die Absorption der Laserstrahlung im Material, wodurch ein gegenüber dem Wärmeleitungsschweißen vergrößertes Schmelzvolumen erzeugt werden kann. Über entsprechende Optiken kann die Qualität der Schweißung online durch Begutachtung des Keyholes bestimmt werden.

Wärmeleitungsschweißen

Werden Strahlintensitäten bis 100kW/cm² verwendet, liegt in der Regel Wärmeleitschweißen vor. Da Metalle für Laserstrahlen, abhängig von der eingestrahlten Wellenlänge, eine Reflektivität von bis zu 95% besitzen können, reicht die Intensität nicht aus, um eine Dampfkapillare (keyhole) zu erzeugen. Die Strahlung dringt nicht ein, die Wärme und somit das Schmelzbad dringen weniger tief ein, daher werden hiermit hauptsächlich geringe Materialdicken geschweißt.

Ersatz für das Widerstandspunktschweißen

Eine neue Methode des Laserschweißens kann das Widerstandspunktschweißen teilweise ersetzten. Dabei wird keine durchgängige Bahn geschweißt, sondern nur einzelne klammerförmige Schweißlinien. Diese können der Belastung des Bauteils angepasst werden und sind stabiler als herkömmliche widerstandgeschweißte Punkte.

Laserstrahl-MSG-Hybrid-Schweißen

Der Laserstrahl-MSG-Hybrid-Prozess ist die Kombination eines Laserstrahls mit einem MSG-Schweißprozess in einer gemeinsamen Prozesszone. Dabei werden die Vorteile beider Verfahren genutzt. Es werden enorm tiefe Einbrände mit einer guten Flankenbindung erzielt. Dabei bildet sich eine sehr schmale Wärmeeinflusszone mit weniger Verzug und das ausströmende Metallplasma stabilisiert den MSG-Lichtbogen zusätzlich. Der Prozess erlaubt sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten, was zu geringerer Streckenenergie führt. Der Hauptgrund für hohe Wirtschaftlichkeit liegt in der Reduzierung in der Schweißnahtvorbereitung. Es können ganze Arbeitsschritte entfallen. Auch die Anzahl der Schweißraupen kann reduziert werden. Durch die Kombination der beiden Prozesse sind eine Vielzahl zusätzlicher Parameter einstellbar und so der Prozess ideal an die Aufgabe anpassbar.

Laserdurchstrahlschweißen

Das Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen findet meist im Überlappverfahren statt. Dabei werden zwei unterschiedliche Schweißpartner verwendet. Der obere ist für die verwendete Laserwellenlänge transparent. Durch diesen strahlt der Laser nahezu ungehindert hindurch. Aufgrund der Transparenz erhitzt er sich kaum. Der untere Schweißpartner muss die Strahlung absorbieren. Dazu kann zum Beispiel eine Beigabe von absorbierenden Partikeln (ca. 0,3 Gew.-% Ruß) beitragen. Dieser Stoff nimmt die Energie auf, beginnt zu schmelzen und gibt dabei die entstandene Wärme durch Wärmeleitung auch an den oberen Partner weiter. Damit der Energieübergang und ein Materialkontakt stattfindet, müssen beide Partner oft zusammengepresst werden, zumindest jedoch passgenau zueinander sein. Durch das Zusammenfließen der beiden Stoffe kann so eine Schweißnaht hergestellt werden.

Häufig werden hierfür effiziente Diodenlaser eingesetzt, diese weisen bei den erforderlichen kleinen Leistungen (5 bis 150Watt) eine für dieses Schweißverfahren ausreichende Strahlqualität auf.

Laserschweißen von Kunststoffen

Laserkunststoffschweißprozeß

Beim Laserschweißen von Kunststoffen können ausschließlich Thermoplaste verwendet werden – nur diese können eine Schmelze bilden.

Vor- und Nachteile

Ein großer Vorteil lasergeschweißter Bauteile ist der durch den im Vergleich zu anderen Schweißverfahren geringere, konzentrierte Energieeintrag in das Werkstück. Die Folge ist unter anderem ein geringerer thermisch bedingter Verzug. Daher wird dieses Schweißverfahren oftmals zum Fügen von Komponenten zu Fertigbauteilen eingesetzt (Z.B. Gangrad und Synchronkörper → Getrieberad).

Damit wird oft auch der Nachteil der geringen Strahlungs-Absorption beim Wärmeleitschweißen von Metallen aufgewogen.

Ein weiterer Vorteil ist die große Arbeitsentfernung (Schweißen bis etwa 500 mm Abstand oder an schwer zugänglichen Stellen) und die freie Wahl der Umgebungsatmosphäre.

Besonderheit des Laserschweißens ist, dass sämtliche Nahtgeometrien hergestellt werden können (Stumpfnähte, Überlappnähte oder Kehlnähte). Große Spaltbreiten können jedoch nicht überbrückt werden, dann kommen eventuell Zusatzwerkstoffe zum Einsatz. Nachteil sind die hohen Anlagenkosten.

Ausrüstung

Ein Industrieroboter für das Laserstrahlschweißen in Aktion

Eine Laserschweißanlage besteht in der Regel aus dem Laser, einer Bewegungseinheit und einem optischen System zur Führung des Laserstrahles, an dessen Ende die Bearbeitungs- und Fokussier-Optik sitzt. Das Bewegungssystem bewegt entweder den Laserstrahl über das Werkstück oder das Werkstück unter dem Laserstrahl. Seltener sind Bauformen, wo sowohl das Werkstück als auch der Laserstrahl bewegt werden. Der Laserstrahl kann auch nach der Fokussierung mit einem Spiegelscanner über das Werkstück bewegt werden. Scannersysteme bestehen aus einer Kombination von rotierenden Facettenspiegeln oder verkippbaren Ablenkspiegeln (sieheGalvanometer), 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 (Faserlaser, Scheibenlaser, CO₂-Slab-Laser o. ä.). Diese Art des Laserschweißens wird auch als Remote-Schweißen bezeichnet.

Beim Remote-Schweißen können grundsätzlich zwei unterschiedliche Lösungsansätze unterschieden werden: Die Remote-Köpfe (auch Scan-Köpfe genannt) und die Großraum-Remote-Anlagen. Während die Großraum-Anlagen ortsfest montiert werden und sehr große Arbeitsräume ( 4m²) bearbeiten können, werden die Scanner-Köpfe i.d.R. an einer beweglichen Mechanik (Linearachse oder Roboter) montiert. Scan-Köpfe weisen nur einen kleinen Arbeitsraum (i.d.R.

Häufig verwendete Strahlquellen beim Laserschweißen von Metallen sind der Nd:YAG-Laser (Wellenlänge 1,06 µm) und der CO₂-Laser (Wellenlänge ca. 10,6µm). Neuerdings werden immer häufiger auch Diodenlaser eingesetzt, da inzwischen Halbleiterlaser im Hochleistungsbereich (einige 1000Watt) hergestellt werden können. Vorteilhaft ist deren gegenüber Nd:YAG und CO₂-Lasern wesentlich höherer Wirkungsgrad. Der Strahl des Nd:YAG-Lasers und des Diodenlasers ist fasergängig, d.h. er kann über einen Lichtwellenleiter oder ein Glasfaserkabel in die Laserschweißoptik geführt werden. Diese besteht aus Glaslinsen. Der CO₂-Strahl hingegen kann nur durch Luft geführt werden und muss über Spiegel zur Bearbeitungsoptik geleitet werden. Diese besteht bei CO₂-Lasern aus Linsen aus einkristallinem Zinkselenid oder oft auch aus einem Fokussierspiegel (meist aus Kupfer).

Elektronenstrahlschweißen

Beim Elektronenstrahlschweißen (EN ISO 4063: Prozess 51) wird die benötigte Energie von durch Hochspannung (60–150 kV) beschleunigten Elektronen in die Prozesszone eingebracht. Die Strahlbildung erfolgt im Hochvakuum (⁻⁴ mbar) durch ein Triodensystem, bestehend aus Kathode, Steuerelektrode (Wehneltzylinder) und Anode. Der Schweißvorgang erfolgt meistens im Vakuum, kann aber beim sogenannten NV-EBW (Non-Vacuum Electron Beam Welding, Elektronenstrahlschweißen bei Atmosphärendruck) auch unter Normaldruck durchgeführt werden. Hier wird dann mit einer Strahlleistung von bis zu 30kW gearbeitet, wobei der Arbeitsabstand zwischen Strahlaustritt und Werkstück zwischen 6 und 30mm liegen sollte. Der Übergang vom Hochvakuum zum Atmosphärendruck erfolgt über mehrere Druckstufen.

Beim Aufprall der Elektronen auf das Werkstück setzen diese einen Großteil ihrer kinetischen Energie in Wärme um. Nachteilig ist die Emission von Röntgenstrahlung, weshalb die Arbeitskammer abgeschirmt sein muss. Bei Hochspannungen bis zu 80kV genügt die Vakuumkammer selbst als Abschirmung. Bei höheren Hochspannungen wird sie zusätzlich mit einem Bleimantel (5 bis 10mm Dicke) versehen.

Das Elektronenstrahlschweißen bietet eine etwa gleich große Leistungsflussdichte wie das Laserstrahlschweißen bei höherem Wirkungsgrad der Strahlerzeugung (Laser: 3 bis 40%, Elektronenstrahl: etwa 70%). Darüber hinaus entfällt beim Elektronenstrahlschweißen (außer NV-EBW) die Verwendung von Schutzgasen. Beides wirkt sich direkt auf die Betriebskosten aus, sodass eine Elektronenstrahlanlage in der Summe und über die Lebensdauer preiswerter sein kann als ein vergleichbares Lasersystem.

Das Elektronenstrahlschweißen erlaubt hohe Schweißgeschwindigkeiten mit extrem tiefen, schmalen und parallelen Nähten. Durch die geringen Nahtbreiten und die hohe Parallelität kann der Verzug extrem klein gehalten werden. Daher kann dieses Verfahren auch am Ende der Fertigungskette eingesetzt werden. Das Verfahren eignet sich auch für kleine, kompliziert geformte Schweißnähte, da der Elektronenstrahl durch elektrische oder magnetische Felder exakt und schnell abgelenkt werden kann. Damit kann auf die Bewegung des Bauteils verzichtet werden, der Elektronenstrahl führt die Bewegung selbst aus (auch bei Axialnähten). Aufgrund der schnellen Ablenkbarkeit können auch mehrere Stellen gleichzeitig geschweißt werden; der Elektronenstrahl springt zwischen den einzelnen Schweißschmelze-Bädern hin und her, ohne dass die Schmelze inzwischen erstarrt. Dadurch lässt sich zum Beispiel bei Axialnähten der Verzug minimieren. Überdies ergibt sich ein Zeitvorteil. Das Spektrum möglicher Nahttiefen liegt zwischen 0,1mm und 300mm (Aluminium), (Stahl) 150mm, (Kupfer) 100mm, (Titan): 100mm.

Der Arbeitsabstand zum Bauteil ist von der Güte des Vakuums abhängig (Streuwirkung der Luft) und liegt i.d.R. bei 200 bis 700mm, es sind jedoch auch bis zu 2m möglich.

Die hohe Energiedichte erlaubt das Verschweißen aller – auch höchstschmelzender – Metalle sowie die Herstellung von Mischverbindungen durch das Verschweißen verschiedener Materialien, beispielsweise Stahl und Bronze oder auch unterschiedlicher Stahllegierungen, zum Beispiel Vergütungsstahl.

Aufgrund der Weiterentwicklung auf dem Gebiet der Vakuumtechnik und des Einsatzes ausgeklügelter Anlagensysteme sind Wartezeiten bis zur Herstellung des notwendigen Drucks (etwa 0,1Pa) kaum mehr relevant (Prozessparallelisierung). Vielmehr ist es durch die Abwesenheit schädigender Prozessgase möglich, auch hochreaktive Werkstoffe zu verschweißen. Beispielsweise ist Elektronenstrahlschweißen im Raumfahrt-Segment das einzig zugelassene Verfahren zum (Tief-)Schweißen von Titan. Nachteilig auf die Auswahl des Verfahrens wirken sich neben dem reinen Anlagenvolumen der hohe Preis sowie die Verfügbarkeit von Elektronenstrahlschweißanlagen aus, da derzeit nur wenige Hersteller existieren. Daher ist eine genaue Bedarfsanalyse notwendig, die vor allem bei hochtechnologischen Bauteilen und mittleren Stückzahlen positiv ausfällt.

Elektronenstrahlschweißanlagen werden häufig in der Massenfertigung von Getriebebauteilen in der Automobilindustrie eingesetzt (vor allem Japan und Deutschland). Neben einfachen und preisgünstigen Lohnaufträgen werden auch Bauteile für die Luft- und Raumfahrt, den Schienenverkehr, die Medizintechnik und die Nahrungsmittelindustrie elektronenstrahlgeschweißt.

Aluminothermisches Schweißen

Aluminothermisches Schweißen von Eisenbahnschienen

Aluminothermisches Schweißen ist auch unter dem Namen Thermit-Schweißen bekannt und wird vor allem beim Verschweißen vonBahnschienen angewendet. In einem Tiegel mit einem Loch an der Unterseite, der auf der Verbindungsstelle steht, wird (mit Hilfe eines Magnesiumspanes) eine Mischung aus Eisenoxidpulver und Aluminiumpulver entzündet, woraus sich bei einer Temperatur von circa 2450°C flüssiges Eisen und darauf schwimmende Aluminiumoxid-Schlacke bilden.

Pressschweißverfahren

Widerstandsschweißen

Widerstandspunktschweißen

Widerstandspunktschweißungen am Wasserkanal der Heckklappe des Audi A3

Widerstandspunktschweißen (Kurzform: Punktschweißen, RP, EN ISO 4063. Prozess 21) ist ein Widerstandsschweißverfahren zum Verschweißen von Blechen. Die Bleche 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, in der Regel am Übergang zwischen den Blechen. Dieser Übergangswiderstand ist etwa 30-mal 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, wie zum Beispiel Glidcop. Dies geschieht zum Einen wegen der sehr guten Leitfähigkeit für Strom und Wärme, zum Anderen aber auch wegen des Übergangswiderstands der Elektroden zum Werkstückmaterial, der nur etwa fünfmal höher ist als der Widerstand im Werkstück selbst.

Ein beim Widerstandspunktschweißen häufig vorkommender Fehler ist der Nebenschluss. Ursachen für den Nebenschluss können recht zahlreich sein, so kann ein Teil des Schweißstroms über einen bereits geschweißten Punkt, die Vorrichtung oder ungünstige Konstruktion des Bauteils «verloren gehen», d. h. es steht weniger Wärmemenge zur Bildung der Schweißlinse zur Verfügung – der Punktdurchmesser wird kleiner. Punktschweißen ist ein wichtiges Verfahren zur Verbindung der Karosserieteile im Automobilbau und bei der Fertigung elektrotechnischer Artikel, wie zum Beispiel Elektronenröhren. In letzter Zeit wird alternativ zum Punktschweißen auch das Durchsetzfügen – ein formschlüssiges Umform-Fügeverfahren – angewandt.

Rollennahtschweißen

Beim Rollennahtschweißen (EN ISO 4063: Prozess 22) sind die Elektroden im Vergleich zum Punktschweißgerät scheibenförmig ausgeführt und rollen auf den zwischen den Scheiben hindurchgeförderten Fügepartnern ab. Somit lassen sich – anders als beim Punktschweißen – quasi-kontinuierliche Nähte erzeugen, die aus der Überlagerung einzelner Schweißpunkte bestehen. Ein Rollennahtschweißgerät funktioniert nach dem gleichen Schweißprinzip wie das Punktschweißen. Ein Anwendungsbeispiel des Verfahrens ist die Herstellung des zylindrischen Teiles von Weißblech-Konservendosen.

Buckelschweißen

Buckelschweißen (EN ISO 4063: Prozess 23) entspricht im Prinzip dem Punktschweißen, wobei aber in einem der zu verbindenden Bauteile eine oder mehrere Erhöhungen (Schweißbuckel) eingebracht werden. Nur diese Buckel liegen nun auf dem anderen zu verschweißenden Bauteil auf. Durch die Geometrie des Buckels ist der Bereich des Stromüberganges genau definiert, als Elektroden werden (im Unterschied zum Punktschweißen) flächenhafte Kupferelektroden verwendet. 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. Eine weitere Variante des Buckelschweißens ist das Ausnutzen natürlicher Buckel, beispielsweise beim Schweißen von Gittern (sogenanntes Kreuzdrahtschweißen). Dabei fließt Strom über die Kontaktstellen der einander kreuzenden Metallstäbe, wodurch es an diesen Stellen zur Erwärmung und Verschweißung kommt. Die Vorteile des Buckelschweißens liegen in dem geringen Elektrodenverschleiß und in der gleichzeitigen Verschweißbarkeit mehrerer Buckel. Wegen der Aufteilung des Schweißstromes auf mehrere Buckel muss die Schweißstromquelle einen entsprechend der Buckelzahl höheren Strom liefern können.

Widerstandsstumpfschweißen

Abbrennstumpfschweißen von Pipeline-Rohren mit 1420mm Durchmesser in der russischen Fabrik TESO

Die Widerstandstumpfschweißverfahren Pressstumpfschweißen und Abbrennstumpfschweißen lassen sich leicht automatisieren und werden verwendet, um tubulare Strukturen, Rollen, Ringe, Kettenglieder, Schienen -, Beton-Armierungsstähle, Fensterrahmen, Folien und Schläuche zu verbinden. Die Bauteile werden mit zwei Spannbacken gegeneinandergepresst, die mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden. Dabei fließt ein hoher Strom durch die Bauteile, so dass die Fügestelle kurzzeitig aufschmilzt. Beim Pressstumpfschweißen wird die Spannung vor dem Zusammenpressen der gut gereinigten Bauteile abgeschaltet, so dass ein gratfreier dicker Wulst entsteht. Beim Abbrennstumpfschweißen werden die unter Spannung stehenden Bauteile langsam aufeinander zu bewegt. Beim ersten Kontakt an einem oder mehreren Punkten kommt es im Berührungsbereich unter Spritzerbildung zum Aufschmelzen und Verdampfen der Werkstoffe. Der dabei entstehende Metalldampf bildet eine schützende Atmosphäre und verhindert die Oxidation des geschmolzenen Metalls. Es muss bei kontinuierlichem Stromfluss vor dem Entstehen eines Kurzschlusses genügend Material aufgeschmolzen werden, um die Oxidhäute aus der Fügezone zu entfernen. Schließlich werden die Bauteile mit erhöhter Geschwindigkeit unter großem Druck aufeinandergepresst, wobei alles geschmolzene Material aus der Fügezone gepresst wird. Dabei bildet sich an der Fügestelle meistens ein Grat, der anschließend entfernt werden muss.

Kaltpressschweißen

Verbindungen mittels Kaltpressschweißen (EN ISO 4063: Prozess 48) 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 extrem enge Berührung der beiden Kontaktflächen erfolgt die Zerstörung störender Oberflächenschichten und auf Grund von nun wirkenden zwischenatomaren Bindekräften eine stabile Verbindung der Werkstücke. Um eine gute Verbindung zu erhalten, sind Mindestverformungen von Materialien mit ausreichender Kaltverformbarkeit notwendig (Beispiel: Kupfer sowie Aluminium miteinander und untereinander). Kaltpressschweißen ist wie andere Schweißverfahren auch für stromleitende Verbindungen geeignet. Bei Aluminium ist eine vorherige Entfettung und ein Aufreißen der oberflächlichen Oxidschicht hilfreich (Beispiel: Aluminium-Kontaktfahnen in Elektrolytkondensatoren). Unter Hochvakuum können Metalle unter anderem auch mit Keramik kaltpressverschweißt werden.

Reibschweißen

Beim Reibschweißen (EN ISO 4063: Prozess 42) werden zwei Teile unter Druck relativ zueinander bewegt, wobei sich die Teile an den Kontaktflächen berühren. Durch die entstehende Reibung kommt es zur Erwärmung und Plastifizierung des Materials. 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 sogenannte Wärmeeinflusszone deutlich kleiner ist als bei anderen Schweißverfahren und dass es nicht zur Bildung von Schmelze in der Fügezone kommt. Es können eine Vielzahl von Werkstoffen, wie beispielsweise Aluminium mit Stahl, miteinander verschweißt werden. Auch die Verbindung von metallischen Werkstoffen, die keine Legierungen miteinander eingehen, ist vielfach möglich.

Rotationsreibschweißen

Schwungradreibschweißen

Das Rotationsreibschweißen ist ein Pressschweißverfahren. Dabei muss mindestens ein Fügeteil 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 den 1970er-Jahren eingesetzt. Die unterschiedlichsten Materialkombinationen sind der große Vorteil dieses Verfahrens. So werden millionenfach Auslassventile für Verbrennungsmotoren geschweißt (hochwarmfester Stahl an härtbaren Stahl) und das mit Taktzeiten von weniger als zehn Sekunden.

Die verwendeten Maschinen ähneln Drehmaschinen. Sie enthalten eine rotierende Spindel und ein nicht rotierendes Gegenstück, das auf einen axial zustellbaren Schlitten gespannt und auf das rotierende Teil gedrückt wird. Die Axialkräfte können je nach Abmessung von wenigen 100 N bis über 10.000 kN (entsprechend etwa der Gewichtskraft von 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 einen Spezialantriebsmotor. Anwendungsfälle hierfür sind Gelenkwellen, Trailerachsen und Achsstabilisatoren.

Orbitalreibschweißen

Orbitalreibschweißen gemäß ISO 15620 ist ein Reibschweißverfahren. Im Unterschied zum verwandten Rotationsreibschweißen müssen die Teile hier nicht rotationssymmetrisch sein. Die Energiezufuhr wird mittels einer zirkularen Kreisschwingbewegung der Fügeteile – ähnlich wie bei einem Schwingschleifer – unter Druck eingebracht. Hierbei bleibt die Ausrichtung der Achsen gleich. Beim Multiorbitalreibschweißen schwingen beide Bauteile, im Unterschied zum Orbitalreibschweißen, welches deshalb «Single Orbitalreibschweißen» genannt wird.

Rührreibschweißen

Prinzip des Rührreibschweißens:

1. Eintauchen des rotierenden Werkzeugs

2. Verweilen, um Hitze zu generieren

3. Verfahren

4. Verfahrbewegung stoppen

5. Werkzeug herausziehen

6. Fertige Schweißnaht inspizieren

Das Rührreibschweißen (englisch: friction stir welding, FSW, EN ISO 4063: Prozess 43), vielfach auch Reibrührschweißen genannt, wurde 1991 von Wayne Thomas erfunden und vom TWI (The Welding Institute) in Großbritannien patentrechtlich geschützt. Beim Rührreibschweißen wird die Reibenergie nicht durch die Relativbewegung der beiden Fügepartner erzeugt, sondern durch ein verschleißfestes rotierendes Werkzeug.

Der Prozessablauf gliedert sich im Wesentlichen in sechs Schritte. Im ersten Schritt wird ein rotierendes Werkzeug mit hoher Kraft solange in den Fügespalt gedrückt, bis die Werkzeugschulter auf der Bauteiloberfläche zur Anlage kommt. Während des zweiten Schritts verweilt das sich drehende Werkzeug für einige Sekunden an der Eintauchstelle. Durch die Reibung zwischen Werkzeugschulter und Fügepartnern erwärmt sich der Werkstoff unter der Schulter bis kurz unter den Schmelzpunkt. Dieser Temperaturanstieg hat einen Festigkeitsabfall zur Folge, wodurch der Werkstoff plastifiziert wird und eine Vermischung der Fügezone möglich wird. Mit dem Einsetzen der Vorschubbewegung beginnt der dritte Schritt, bei dem das rotierende Werkzeug mit hoher Anpresskraft entlang der Fügelinie bewegt wird. Der durch die Vorschubbewegung entstehende Druckgradient zwischen Vorder- und Rückseite des Werkzeugs und dessen Rotationsbewegung bewirken den Transport von plastifiziertem Werkstoff um das Werkzeug herum, der sich dort vermischt und die Naht bildet. Im vierten Schritt wird die Verfahrbewegung am Ende der Naht gestoppt. Im fünften Schritt wird das sich drehende Werkzeug wieder aus der Fügezone herausgezogen. Im sechsten Schritt wird die fertige Schweißnaht visuell begutachtet bzw. mitzerstörungsfreien Prüfmethoden untersucht.

Aufgrund des charakteristischen Prozessablaufs des Rührreibschweißens ist das Verfahren besonders für Aluminiumlegierungen geeignet. Probleme, die beim Schmelzschweißen von Aluminiumlegierungen durch den Phasenübergang verursacht werden, wie die Heißrissproblematik und die Porenbildung, treten beim Rührreibschweißen infolge der Absenz einer flüssigen oder dampfförmigen Phase nicht auf.

Ein sich drehendes, verschleißfestes, leicht stechend geneigtes Reibrührschweiß-Werkzeug wird in den Fügespalt gepresst und von rechts nach links verfahren

Rührreibschweißwerkzeug beim Heften eines Tanks für das Space Shuttle

Verfahrenstechnisch besteht ein Zusammenhang mit 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.

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 bis 3 in stechender Anordnung. Das Werkzeug selbst hat einen geringen Verschleiß, es muss zur Aufrechterhaltung der Qualität nach etwa 3km Schweißnaht ausgetauscht werden.

Vorteile des Verfahrens:

• Zusatzwerkstoffe nicht nötig

• hohe erzielbare Nahtfestigkeiten

• kein Schutzgas nötig

• relativ einfacher Prozessablauf

• breites Spektrum von Mischverbindungen möglich

• relativ niedrige Temperaturen (in Aluminium ca. 550°C auf der Schweißnahtoberfläche) und damit wenig Verzug

Das Verfahren wird auch zur lokalen Eigenschaftsverbesserung und zum Schließen von Poren in Gussgefüge verwendet. Es wird dann oft von FSP (englisch: friction stir processing) anstelle von FSW (englisch: friction stir welding) gesprochen.

Herausforderung beim Einsatz des Verfahrens:

• relativ hohe Prozesskräfte, je nach Legierung und Bauteildicke von 1kN bis weit über

20kN

• eingeschränkte 3D-Fähigkeit durch notwendigen Kontakt von Schulter zu Bauteil

• Endkrater am Ende der Schweißnaht durch Austritt des Werkzeugs. Hierfür wurde

eine Lösung durch einen automatisch zurückziehbaren Pin gefunden (englisch: retractable pin tool, RPT, RPT-Technologie).

Rührreibschweißen von zwei USIBOR-1500-Stahlblechen

Mit dem Rührreibschweißen können Bleche verschiedener Materialien mit einer Tiefe von mehr als 30mm gefügt werden. Die erzielbaren Einschweißtiefen und Schweißgeschwindigkeiten hängen dabei stark vom zu fügenden Material ab und verringern sich in der Regel mit steigender Festigkeit und Härte. Die Prozesskräfte steigen mit steigender Festigkeit und Härte des Materials stark an. Verwendet wird das Verfahren deshalb hauptsächlich für Aluminium. Des Weiteren ist auch ein Fügen von Metallschäumen sowie Aluminium-Stahl-Mischverbindungen möglich.

Verwendung findet das FSW hauptsächlich beim Verschweißen großflächiger Bauteile. Anwendungsbeispiele sind hier die Flugzeugindustrie, Raumfahrt, Schiffba, Schienenfahrzeugbau sowie der Automobilbau, aber mittlerweile auch verstärkt kleinere Losgrößen im Behälterbau oder der Medizintechnik.

Ein weiteres Beispiel sind die Hintertüren des Mazda RX-8. Hier wird keine Naht, sondern nur Punkte geschweißt. Dies nennt man auch Reibpunkt - oder FSSW-Schweißen (englisch: friction stir spot welding). Das Werkzeug führt hier nur eine Vertikalbewegung durch.

Herkömmlicherweise werden für das FSW Spezialmaschinen verwendet, die speziell konstruiert oder umgerüstet wurden, um den Anforderungen dieses Verfahrens zu genügen. Vereinzelt kommen auch Tricept-Robotersysteme zum Einsatz. Mittlerweile werden auch herkömmliche Produktionswerkzeuge für das FSW eingesetzt, um Kosten zu reduzieren und die Flexibilität zu erhöhen. Beispielsweise wurde der FSW-Prozess mittlerweile auf Werkzeugmaschinen oder Standard-Industrierobotern umgesetzt.

Eine Hybridvariante des Rührreibschweißens ist das LAFSW-Schweißen (englisch: laser assisted friction stir welding). Bei dieser Variante wird zusätzlich Wärmeenergie durch einen Laserstrahl eingebracht, der dem rotierenden Werkzeug unmittelbar vorauseilt. Dadurch soll unter anderem eine Verringerung der vertikalen Kraft beim Einführen des FSW-Werkzeugs in das Werkstück und eine Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit erreicht werden. Diese Verfahrensvariante ist wegen des Lasers mit erhöhten Kosten verbunden.

Ultraschallschweißen

Sonotrodemit Katenoiden-Form zum Ultraschall-Schweißen

Das Ultraschallschweißen (EN ISO 4063: Prozess 41) ist ein Verfahren zum Fügen von thermoplastischen Kunststoffen und metallischen Werkstoffen. Das Verfahren findet in vielen Bereichen der Industrie Verwendung. So werden z. B. in der Verpackungsindustrie Kunststoffverpackungen oder in der Automobilindustrie Kabelbäume mittels Ultraschall geschweißt. Bei den metallischen Werkstoffen kommt es vor allem bei Aluminium, Kupfer und deren Legierungen zum Einsatz. Die Verschweißung wird durch eine hochfrequente mechanische Schwingung im Bereich von i. d. R. 20 bis 35 kHz erreicht, welche zwischen den Bauteilen zu Erwärmung durch Molekular- und Grenzflächenreibung, bei Metallen auch zur Verzahnung und Verhakung der Fügepartner führt. Somit gehört das Ultraschallschweißen zur Gruppe der Reibschweißungen.

Mit Hilfe eines Generators wird hochfrequenter Wechselstrom erzeugt und über ein Koaxialkabel zu einem Ultraschallwandler, dem sogenannten Konverter, übertragen, der daraus mit Hilfe des piezoelektrischen oder des magnetostriktiven Effekts eine mechanische Ultraschallschwingung erzeugt. Diese Schwingungen werden über ein Amplitudentransformationsstück auf die Sonotrode übertragen. Unterschiedliche Anwendungen erfordern unterschiedliche Bauformen von Sonotroden, die meist aus Stahl, Aluminium oder Titan hergestellt werden. Die Amplitude der Schwingung und die Impedanzanpassung wird durch die Form und Masse des Amplitudentransformationsstückes beeinflusst. Die Schwingungen werden unter Druck über die strukturierte, oft geriffelte Arbeitsfläche der Sonotrode auf die zu verbindenden Werkstücke übertragen.

Beim Schweißen von Kunststoff wird die Schwingung meist vertikal zu den Fügepartnern eingeleitet. Dieser erhitzen sich und beginnen zu erweichen, wodurch der Dämpfungskoeffizient ansteigt. Die Zunahme des Dämpfungskoeffizienten führt zu höherer innerer Reibung, was die Temperaturerhöhung weiter beschleunigt. Die aufgeschmolzenen Werkstoffe verbinden sich und sind nach dem Abkühlen und Erstarren miteinander verschweißt.

Beim Ultraschallschweißen von Metallen wird die Schwingung horizontal zu den Fügepartnern eingeleitet, so dass diese aneinanderreiben. Die Verbindung entsteht nach dem Abscheren von Rauhigkeitsspitzen und dem Aufbrechen der Oxidschicht im Wesentlichen durch ein Ineinanderverzahnen und -verhaken der Fügepartner. Dies geschieht durch plastisches Fließen, ohne dass die Materialien schmelzen, was insbesondere bei Folien, dünnen Blechen oder Drähten, wie zum Beispiel beim Drahtbonden in Chips, vorteilhaft ist.

Neben punktförmigen Schweißungen sind mit abrollenden Sonotroden auch Nahtschweißungen möglich, so z. B. bei der Fertigung von Solarkollektoren.

Das Verfahren ist weiterhin durch sehr geringe Schweißzeiten und hohe Wirtschaftlichkeit gekennzeichnet. Es lassen sich unterschiedliche Materialien miteinander verbinden, die Werkstücke werden nur im Schweißbereich geringfügig erwärmt, das umliegende Material somit nicht geschädigt.

Sprengschweißen

Verbindungsfläche einer Sprengschweißung (EN ISO 4063: Prozess 441) mit den typischen Wellen-Strukturen

Mit Hilfe des Sprengschweißverfahrens ist es möglich, zwei nicht schmelzschweißbare Materialien dauerhaft und fest miteinander zu verbinden. Dabei prallen die beiden Schweißflächen unter Zuhilfenahme von Sprengstoff mit mindestens 100 m/s unter einem Winkel von 2 bis 30 aufeinander. 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 intermetallische Phasen bilden. In der industriellen Anwendung werden auf diese Art meist zwei auf konventionelle Weise nicht schweißbare Metallpartner miteinander verbunden, beispielsweise Titan und Kupfer. Als Sprengstoffe kommen vorwiegend hochbrisante plastische PETN-, RDX- und HMX-Sprengstoffe, wie Semtex mit Detonationsgeschwindigkeitenvon mehr als 5000m/s zum Einsatz. Durch den Aufprall der Schweißpartner entstehen an den Grenzflächen wellenartige Verwerfungen, die einestoffschlüssige Verbindung herstellen.

Elektromagnetisches Pulsschweißen

Das elektromagnetische Pulsschweißen, kurz EMP-Schweißen oder EMPW kann ohne Wärme mithilfe des Verfahrens des Magnetumformens(auch Elektromagnetische Pulstechnologie, kurz EMPT) Werkstoffmischverbindungen, aber auch artgleiche Werkstoffe, binnen etwa 25μs miteinander verbinden, indem einer der Fügepartner mittels eines Magnetfeldes berührungslos einen Impuls erfährt und gegen den anderen Partner prallt. Das Verfahren ist daher mit dem Sprengschweißen und -plattieren verwandt. Es können Rohre, Bleche und Zylinder verschweißt werden. Bei dem Verfahren befinden sich die Bauteile in der Nähe einer Magnetspule, durch die ein sehr hoher Stromimpuls fließt. Es können zumindest als einer der Fügepartner nur gut leitfähige Materialien wie Aluminium verarbeitet werden. Durch die hohe Geschwindigkeit des Zusammenpralls der Fügepartner kommt es wie beim Sprengschweißen zu einer stoffschlüssigen Verbindung in der festen Phase.

Schweißen von Aluminum auf Stahl mit der elektromagnetischen Pulstechnologie

Beim Verbinden von Blechen (Plattieren) beschleunigt der Magnetimpuls eines der beiden zu fügenden Bleche über eine Distanz von 0,3–2mm auf Geschwindigkeiten über 200m/s. Beim Aufprall dieses Blechs auf ein stationäres Gegenblech werden im Aufschlagbereich die auf beiden Oberflächen haftenden Oxidschichten gelöst und die sich zwischen den Blechen befindliche Luft ausgeblasen. Die so erzeugten reinen Oberflächen sind nun hoch reaktiv und werden mit hohem Druck aufeinandergepresst. Dies bewirkt eine ggf. heliumdichte metallische Bindung durch Elektronenaustausch.

Die Methode bringt kaum Wärme in die Bauteile ein. Daher ist es möglich, metallische Werkstoffe mit stark unterschiedlichen Schmelzpunkten zu verschweißen. Zudem tritt keine Gefügebeeinflussung durch Wärme auf. Daher können beispielsweise auch Verbindungen zwischen Blechen aus Aluminiumlegierungen und hochfesten Stählen hergestellt werden, ohne deren festigkeitsbestimmendes Gefüge zu ändern.

Diffusionsschweißen

Das Diffusionsschweißen (EN ISO 4063: Prozess 45) 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 erfolgt 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.

MBP-Schweißen

Einordnung des Lichtbogenpressschweißens nach DIN 1910-100

Das MBP-Schweißen (Pressschweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen) ist ein Lichtbogenpressschweißverfahren nach DIN 1910-100:2008-02 und hat die Ordnungsnummer 185 nach EN ISO 4063. Das Verfahren wird auch als MBL- oder Magnetarc-Schweißen bezeichnet. In der englischsprachigen Literatur ist es bekannt als MIAB Welding – magnetically impelled arc butt welding. Mit dem Verfahren werden Profile mit geschlossenem Querschnitt stumpf miteinander verbunden.

Lichtbogenbolzenschweißen

Lichtbogenbolzenschweißen (Kurzform: Bolzenschweißen, engl.: stud welding, Ordnungsnummer 78 EN ISO 4063) gehört zu den Lichtbogenpressschweißverfahren. Mit dem Verfahren werden bolzenförmigen Elemente (z. B. Gewindebolzen, Stifte, Buchsen, Haken, Ösen) mit größeren Bauteilen (z. B. Karosseriebleche, Gehäuse, Heizkörper) dauerhaft verbunden.

Schweißsimulation

Die Schweißsimulation ist ein Werkzeug zur Klärung schweißtechnischer Fragestellungen, die auf der numerischen Lösung eines mathematischen Modells beruht. Ziel ist es, einerseits durch das Ersetzen zahlreicher praktischer Versuche Kosten in den Unternehmen zu senken und andererseits Informationen zu gewinnen, die über Messungen nicht oder nur mit einem sehr hohen Aufwand zu erreichen wären.

Ein Simulationsgerät zum Trainieren des WIG-Schweißens wird seit 2010 von der österreichischen Firma Fronius angeboten. Mit dem Gerät in der Größe eines Darts-Automaten können in Echtzeit unter Realbedingungen verschiedene Schweiß-Aufgaben trainiert werden. Je nach Brennerhaltung und -Führung werden die Schweißnähte nach der Durchführung von einem Programm qualitativ bewertet. Dieses Gerät kann auch als Schweißsimulator bezeichnet werden.

Lebensdauerverlängerung durch Nachbehandlungsmethoden

Beispiel einer mittels hochfrequenten Hämmerns nachbehandelten Schweißkonstruktion

Die Betriebsfestigkeit und Lebensdauer dynamisch belasteter geschweißter Metallkonstruktionen wird in vielen Fällen durch die Schweißnähte – insbesondere die Schweißnahtübergänge – bestimmt. Durch gezielte Nachbehandlung der Übergänge durch Schleifen,Strahlen, Kugelstrahlen, hochfrequentes Hämmern, etc. kann die Lebensdauer mit einfachen Mitteln bei vielen Konstruktionen erheblich gesteigert werden. Beim hochfrequenten Hämmern basiert die Steigerung der Lebensdauer im Wesentlichen auf einer Reduzierung derKerbwirkung, Verfestigung der Randschicht und dem Einbringen von Druckeigenspannungen zur Erhöhung des Widerstandes gegen Rissbildung und Rissausbreitung durch Überlagerung der Kerbspannungen mit Druckeigenspannungen. Nach der Behandlung sind die Schweißnähte durch geeignete Maßnahmen wie beispielsweise durch Beschichtung mit einem korrosionsbeständigen langlebigen Material (passiver Korrosionsschutz) zu schützen.

Arbeitsschutz

Gefahren

Grundsätzlich gilt, dass Schweißen so gut wie immer mit starken Strömen oder explosiven Gasen, giftigen Abgasen, gefährlichem Licht und Wärmeentwicklung sowie Spritzern flüssigen Metalls verbunden ist. Die Gefährdungen sind davon abhängig, welches Schweißverfahren angewendet wird. Häufig enthalten die Schweißrauche krebserregende Stoffe. Dies ist insbesondere bei der Schweißung hochlegierter Stoffe immer der Fall. Auch der Einsatz von chrom - und/oder nickelhaltiger Schweißzusatzwerkstoffen in Form von Chromaten und/oder Nickelverbindungen erzeugt krebserregende Rauche. Eine akute Vergiftung durch Einatmen von Stäuben mit einem sehr hohen Mangangehalt kann zu entzündlichen Reaktionen in der Lunge führen. Diese Toxizität manifestiert sich als Bronchitis und kann sich zu einer fibrösen Lungenerkrankung entwickeln. Bei ordnungsgemäßem Einsatz der Absaugung wird der Grenzwert für Mangan und seine Verbindungen nicht überschritten. Dennoch ist für Schweißpersonal – gemäß G39 – eine besondere Gesundheitsuntersuchung der Lunge im regelmäßigen Turnus vorgeschrieben.

In Deutschland müssen die TRK-Grenzwerte für Schwermetalle beachtet werden. Viele andere Bestandteile sind ebenfalls belastend und entsprechend (TRGS403, MAK-Werte) zu beurteilen. In der TRGS 528, welche die BGR 220 (Schweißrauche) ersetzt hat, sind unter anderem die Anforderungen an den Schweißarbeitsplatz geregelt.

Maßnahmen

Es ist für Schweißarbeitsplätze eine Gefährdungsbeurteilung zu erstellen. Hier sind alle Inhaltsstoffe des Schweißrauches zu berücksichtigen, unter anderem Titandioxid,Fluoride, Magnesiumoxid, Calciumoxid, Eisenoxide und dessen Legierungsbestandteile wie Nickel, Cobalt, Chrom und Mangan. Bei hochlegierten Stählen ist, wenn möglich, auf Elektrodenschweißungen zu verzichten und auf Schutzgasschweißen oder automatisierte Verfahren auszuweichen, denn durch die fehlende Ummantelung der Elektrode werden weniger Chromate freigesetzt.

Eine entsprechend fachkundige Einweisung ist für alle abhängig Beschäftigte nach dem Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG) zwingend erforderlich; weiterhin ist ein Ausbildungsnachweis (Facharbeiterbrief oder Lehrgangsprüfung einer Handwerkskammer) üblich. In vielen Industriebereichen, bei Bahnanwendungen, ist eine Schweißaufsichterforderlich.

Roboter beim Schutzgasschweißen

Beim Autogenschweißen benötigt man Schutzgläser, damit keine glühenden Teile oder Funken in die Augen gelangen. Die Gläser sind eingefärbt, damit man blendfrei die Schweißumgebung beobachten kann.

Beim Lichtbogenschweißen entsteht Ultraviolettstrahlung, welche die Haut, insbesondere jedoch die Augen schädigt. Weiterhin entstehtInfrarotstrahlung (Wärmestrahlung), die nicht nur auf ungeschützten Körperteilen Verbrennungen erzeugen, sondern auch die Netzhaut schädigen kann. Deshalb müssen Schutzgläser verwendet werden, die diese beiden Strahlungsarten abschirmen. 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, welche die Eigenschaften des Glases charakterisiert. Die Angabe ist wie folgt: Schutzklasse, Herstellerkürzel, optische Klasse 98, DIN-Norm. Der moderne Ersatz für Schutzgläser sind automatische Schweißerschutzfilter.

Da die UV-Strahlung auch die 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.

Zentrale Schweißrauchabsaugung mit BGIA-Zertifizierung

Beim Schweißen entstehen auch feinste Staubpartikel, die abgesaugt werden müssen, damit sie 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 diesen Feinstaub absaugen und filtern. Stand der heutigen Technik sind so genannte ePTFE-Filter (Oberflächenfiltration). Wenn keine effektive Absaugung des Schweißrauchs sichergestellt werden kann, muss der Schweißer durch eine persönliche Schutzausrüstung in Form eines Gebläsefiltergerätes (PAPR) geschützt werden. Vor Sauerstoffmangel oder schädlichen Gasen in Schächten und Behältern schützen diese Geräte nicht. Wenn keine ausreichende Belüftung möglich ist, müssen umluftunabhängige Atemschutzgeräte getragen werden. Besondere Vorsicht ist beim Flammrichten und Vorwärmen mit Gasbrennern, in unzureichend belüfteten engen Räumen geboten, da die Flamme einen Teil des Atemsauerstoffs verbraucht.

Beim Schweißen müssen auch die Personen in der Umgebung vor der Strahlung und Lärm geschützt werden. Dazu gibt es Schweißlamellen- und Schweißervorhänge sowie Schallschutztrennwandsysteme. Bei Lichtbogenhandschweißungen ist die elektrische Gefährdung des Schweißers besonders zu beachten. Die Lichtbogenspannung liegt zwar unter dem – im Allgemeinen – gefährdenden Bereich, jedoch ist vor allem bei Arbeiten unter besonderer elektrischer Gefährdung, also beispielsweise bei Arbeiten in engen elektrisch leitenden Räumen (Kessel, Röhren etc.) eine Reihe von Vorsichtsmaßnahmen zu beachten, die unter anderem im Merkblatt BGI 553 der Metallberufsgenossenschaft vorgeschlagen werden.

Beim Laserschweißen ist der Laserstrahl selbst eine zusätzliche Gefahrenquelle. Er ist in der Regel unsichtbar. Während Strahlung im Nahen Infrarotbereich (Festkörperlaser, Faserlaser, Diodenlaser) in die Haut und das Auge eindringt und auch bei geringen Intensitäten (Streustrahlung) Netzhautschäden verursacht, wird die Strahlung des CO₂-Lasers (Mittleres Infrarot) auf der Oberfläche (Haut und Hornhaut des Auges) absorbiert und verursacht oberflächliche Verbrennungen. Hautverbrennungen durch Laser im Nahen Infrarot sind unter anderem auch deshalb gefährlich, da die Strahlung in tiefen Gebieten unter der Haut absorbiert wird, wo sich keine temperaturempfindlichen Nerven befinden. Laser-Schweißgeräte sind in der Regel sicher gehaust (verriegelte Schutztüren, Laserschutzfenster), sie fallen dann unter die Laserklasse I und können gefahrlos ohne Laserschutzbrille bedient werden.

Verbände

Die nationale und internationale Zusammenarbeit bei der Ausbildung, Zertifizierung, Normung und technisch-wissenschaftliche Weiterentwicklung im Bereich Schweiß- und Fügetechnik wird in Deutschland durch den DVS, in Europa durch die EWF und weltweit durch das IIW koordiniert.

Literatur

1. Fachgruppe für die schweißtechnische Ingenieurausbildung: Fügetechnik Schweißtechnik 6. überarb. Auflage. DVS Verlag, 2004, ISBN 3-87155-786-2.

2. U. Dilthey, A. Brandenburg: Schweißtechnische Fertigungsverfahren. Band 3: Gestaltung und Festigkeit von Schweißkonstruktionen. 2. Auflage. Springer Verlag, 2001, ISBN 3-540-62661-1.

3. H. Hügel: Strahlwerkzeug Laser. Teubner Studienbücher Maschinenbau, Stuttgart 1992, ISBN 3-519-06134-1.

4. U. Dilthey (Hrsg.): Laserstrahlschweißen – Prozesse, Werkstoffe, Fertigung, Prüfung. DVS-Verlag, Düsseldorf 2000, ISBN 3-87155-906-7.

5. H. Schultz: Elektronenstrahlschweißen. Fachbuchreihe Schweißtechnik, Band 93. DVS-Verlag, Düsseldorf 2000, ISBN 3-87155-192-9.

6. K.-J. Matthes, E. Richter: Schweißtechnik. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 2002, ISBN 3-446-40568-2.

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