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Kurspaket Industriemeister Metall

Fügen durch Schweißen

01. Was ist „Schweißen“? Wie ist die Abgrenzung von „Schweißen“ und „Löten“?

Schweißen definiert die DIN 1910-100 als unlösbares Verbinden von Stoffen unter Anwendung von Wärme (Lichtbogenschweißen), Kraft (Pressschweißen) oder der Kombination beider Verfahren (Punktschweißen). Es erfolgt mit oder ohne Schweißzusatz und kann durch Schweißhilfsstoffe (Schutzgase, Schweißpulver o. ä.) verbessert werden.

  • Beim Schweißen

    wird nicht nur der Zusatzwerkstoff geschmolzen, auch die Grundwerkstoffe werden partiell geschmolzen.

  • Beim Löten

    schmilzt nur der Zusatzwerkstoff, die Grundwerkstoffe werden in festem Zustand durch das flüssige Lot benetzt.

02. Wie ist die Schweißbarkeit von Werkstücken/Bauteilen definiert?

Schweißen ist bei hochbelasteten Werkstücken und Bauteilen das häufigste Fügeverfahren im Maschinen- und Stahlbau. Es gibt über 100 verschiedene Schweißverfahren. Damit der Zusammenhalt der Stoffe gewährleistet ist, muss die Schweißbarkeit der Werkstücke bzw. Bauteile erfüllt sein:

Nach DIN ISO/TR 581 bezeichnet man als Schweißbarkeit die Eigenschaft von Werkstücken/Bauteilen sich zu einer Verbindung fügen zu lassen, die die geforderten Eigenschaften erfüllt. Es wird untergliedert in drei Merkmale:

Schweißbarkeit
Schweißeignung

Werkstoffeigenschaft
Die Schweißeignung betrachtet die Eigenschaften eines Werkstoffs; sie ist abhängig von den Faktoren:
  • chemische Zusammensetzung
  • metallurgische Eigenschaften
  • physikalische Eigenschaften.
Schweißsicherheit

Konstruktive Gestaltung
Die Schweißsicherheit betrachtet die konstruktive Gestaltung eines Bauteils; sie ist abhängig von den Faktoren:
  • Werkstoffeigenschaften, z. B. Reaktion beim Erwärmen und Erkalten
  • Kraftschluss im Bauteil
  • Dicke des Werkstücks
  • Anordnung der Schweißnähte
  • Beanspruchung des Bauteils, z. B. mechanisch, thermisch.
Schweißbarkeit

Fertigungsbedingungen
Die Schweißmöglichkeit ist dann gegeben, wenn die vorgesehenen Schweißverfahren unter den gegebenen Fertigungsbedingungen fachgerecht ausgeführt werden können; sie ist abhängig von den Faktoren:
  • Vorbereiten des Schweißens, z. B. Schweißverfahren, Schweißzusätze
  • Durchführen des Schweißens, z. B. Wärmeeinbringung, -führung, Schweißfolge
  • Nachbereiten des Schweißens, z. B. Richten, Schleifen, Beizen.

03. Wie lassen sich die Schweißverfahren unterteilen?

Schweißverfahren lassen sich nach mehreren Gesichtpunkten einteilen:

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  • Beim Verbindungsschweißen werden zwei oder mehrere Teile verbunden.

  • Beim Auftragsschweißen wird ein flüssiger Werkstoff zur Maßvergrößerung, zum Ausgleich von Verschleißabtragungen oder als Korrosionsschutz hinzugefügt.

  • Ausgewählte Press- und Schmelzschweißverfahren werden nachfolgend ausführlich beschrieben.

04. Welche Metallschweißverfahren gibt es?

Die Metallschweißverfahren nehmen den größten Umfang innerhalb der Schweißverfahren ein. Es sind sehr differenzierte Verfahren. Zum Teil bestehen große Unterschiede nicht nur in den Verfahrenstechnologien, sondern auch in den Investitions- und Betriebskosten.

Schweißen von Metallen – Schweißverfahren
Schmelzverbindungsschweißen
  • Lichtbogenschmelzschweißen
    • Metalllichtbogenschweißen
    • Schutzgasschweißen
    • Unterpulverschweißen
  • Strahlschweißen
    • Laserstrahlschweißen
    • Elektronenstrahlschweißen
  • Gasschmelzschweißen
Pressverbindungsschweißen
  • Lichtbogenbolzenschweißen
  • Sprengschweißen
  • Widerstandspressschweißen
    • Punktschweißen
    • Buckelschweißen
    • Rollnahtschweißen
    • Abbrennstumpfschweißen
  • Reibschweißen
  • Ultraschallschweißen

05. Wie unterscheiden sich Press- und Schmelzschweißverfahren?

  1. Beim Pressschweißen werden die Teile im teigigen Zustand durch Druck und Wärme ohne Schweißzusatz verbunden. Die Wärmezufuhr ist örtlich begrenzt.

    Anwendung, z. B.: Schweißen von Karosserieblechen, Herstellung von Stahlschränken, Verbindung von Drahtgeflechten.

  2. Beim Schmelzschweißen (DIN 1910-100) werden die Teile im flüssigen Zustand durch Wärmezufuhr (mit/ohne Schweißzusatz) ohne Kraftaufwand verbunden. Der Schmelzfluss ist örtlich begrenzt.

Quelle: in Anlehnung an: Awiszus u. a., a. a. O., S. 217
VerfahrenEnergiezufuhrStoffzusammenhalt durch …Prinzipskizze
PressschweißverfahrenWärme + DruckPlastifizierung und örtliches Verformen der Fügeteile
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SchmelzschweißverfahrenWärmeSchmelzfluss
► der Fügeteile
► der Zusatzwerkstoffe
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06. Welche Schweißtechniken gehören zu den Pressschweißverfahren?

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07. Wie ist das Verfahrensprinzip beim Widerstandsschweißen?

Das Widerstandsschweißen (DIN 1910-100) ist ein elektrisches Verfahren und gehört zu den häufigsten Pressschweißverfahren. Die notwendige Wärme wird durch den Stromfluss über den elektrischen Widerstand der Schweißzone hergestellt.

Einsatzgebiete:

Fügen von Dünnblechen und Drähten, z. B. Karosseriebau, Waggonbau, Luftfahrzeugbau, Stahlmatten in der Bauindustrie; Bauteile in der Elektro-, Elektronik- und Haushaltsgeräteindustrie

Vorteile:

Kurze Schweißzeiten, keine Nahtvorbereitung, einfache Handhabung, geringe oder keine Nacharbeit

Nachteile:

Geringe Dauerfestigkeit, schlechte Prüfbarkeit der Verbindung mit zerstörungsfreien Prüfmethoden, Kerbwirkung

Zu den Widerstandsschweißverfahren gehören u. a.:

  • Punktschweißen

    Hier werden übereinanderliegende dünne Bleche oder Drähte mit einzelnen Schweißpunkten verbunden. Zwei gegenüberliegende Kupferelektroden drücken die Bleche zusammen und übertragen kurzzeitig Strom (0,1 … 0,4 s/5-25 kA). Über den Kontaktwiderstand an der Berührungsstelle der Bleche entsteht Schweißwärme und erzeugt linsenförmige Verbindungsstellen. Der Druck auf die Bleche wird so lange ausgeübt, bis die Teile erkaltet sind.

    Prinzipskizze: Punktschweißen

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  • Rollennahtschweißen (RR-Schweißen)

    Statt der Punktschweißelektroden (vgl. oben) werden Rollenelektroden eingesetzt, die Kraft und Strom auf die beiden Werkstücke übertragen. Dadurch können linienförmige dichte Schweißnähte erzeugt werden.

    Prinzipskizze: Rollennahtschweißen

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    Einsatzgebiete:

    Fertigung von Massenbedarfsgütern, z. B. Kraftstofftanks, Radiatoren, Konserven-/Getränkedosen, Fässer, Töpfe, Spülbecken, Schalldämpfer, Behälterfertigung, längsnahtgeschweißte Rohre.

  • Buckelschweißen (RB-Schweißen)

    Dieses Verfahren ermöglicht das Verbinden von Blechen an mehreren Punkten. Vor dem Schweißvorgang wird eines der Bleche durch Ziehen oder Pressen mit Buckeln versehen. Der Schweißstrom und die Erwärmung konzentriert sich auf die Buckel. Während des Schweißvorgangs erfolgt eine weitgehende Zurückverformung der Buckel (Wärme + Kraft).

    Prinzipskizze: Buckelschweißen

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    Einsatzgebiete:

    Wirtschaftliches Verfahren für viele Massenartikel (vgl. Rollennahtschweißen) sowie für Pkw- und Lkw-Felgen, elektronische Bauelemente, Gehäuse von Sensoren, Metallbrillengestelle, Kontaktträger, Stecker u. Ä.

  • Abbrennstumpfschweißen (RA-Schweißen)

    Prinzipskizze: Abbrennstumpfschweißen

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    Die zu schweißenden Bauteile werden jeweils in eine Kupferspannbacke eingespannt. Eine Spannbacke ist fest, die andere beweglich. Beide Spannbacken sind als Elektroden mit Wechselstrom verbunden. Der bei Berühren und Trennen entstehende Lichtbogen erzeugt die Schweißtemperatur. Ist diese ausreichend, werden beide Bauteile durch schlagartiges Stauchen geschweißt. Wichtig ist bei diesem Verfahren, dass die Querschnitte der zu fügenden Teile gleich sind. Die Schweißstelle weist einen Grat auf, der spanend entfernt werden muss.

    Einsatzgebiete:

    Felgen, Karosserieteile, Fenster, Drähte, Litzen, Ketten, Rahmenkonstruktionen, Werkzeuge (Bohrer, Fräser, Meißel, Sägebänder)

    Vorteile:

    Schweißverbindung enthält keine Verunreinigungen und hat hohe Festigkeitswerte.

    Nachteile:

    Starke Spritzerbildung beim Schweißvorgang, Längenzugabe vor dem Schweißen.

08. Wie ist das Verfahrensprinzip beim Schweißen durch Bewegungsenergie?

Die für das Schweißen erforderliche Wärme wird durch mechanische Reibung (rotatorisch oder translatorisch) unter Druck erzeugt.

Prinzipskizze: Reibschweißen

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Vorteile:

Zeitersparnis gegenüber dem Schmelzschweißen (Schweißnahtvorbereitung, Handling), keine Schweißzusatzstoffe.

Nachteile:

Für die Realisierung bestimmter Eigenschaften der Schweißverbindung muss das Druck-Zeit-Programm in Abhängigkeit von der Reibbewegung reproduzierbar sein (Steuerungstechnik).

Zu den Schweißverfahren durch Bewegungsenergie gehören u. a.:

  • Reibschweißen:

    Verfahrenstechnik: vgl. oben; Verfahrensvarianten, z. B.: Rührreibschweißen, Radialreibschweißen, Reibschweißen bei gegenläufiger Rotationsbewegung.

    Einsatzgebiete:

    Verbindung von Getriebeteilen, Rohr-Zapfen-Verbindungen, Fertigung von Kolbenstangen.

  • Ultraschall-Schweißen:

    Beim Ultraschall-Schweißen erzeugen hochfrequente mechanische Schwingungen die örtlich notwendige Reibung zwischen den zu schweißenden Bauteilen.

    Einsatzgebiete:

    Schweißen thermoplastischer Kunststoffe sowie dünner Bleche, Drähte und Metallfolien.

09. Welche Schweißtechniken gehören zu den Schmelzschweißverfahren und wie lassen sie sich unterteilen:

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10. Wie ist das Verfahrensprinzip bei nicht-elektrischen Schmelzschweißverfahren?

  • Beim Gasschmelzverfahren (G; autogenes Schweißen) wird die erforderliche Wärme durch die Flamme eines Schweißbrenners (Acetylen) erzeugt. Der Sauerstoff dient zur Erhöhung der Flammtemperatur.

    Brenngas + Sauerstoff + Zusatzstoff → Wärme(Schmelzen der Stoßkanten und des Zusatzstoffes)

    Einsatzgebiete:

    Schweißen von Rohren und Dünnblechen, Erwärmen (zum Löten, Richten, Biegen), Brennschneiden.

  • Gießschmelzschweißen:

    Ein Gemisch aus Eisenoxid-Aluminium-Pulver (Thermit) wird in einem Tiegel gezündet. Bei der exothermen Reaktion oxidiert das Aluminium und das Eisenoxid wird zu Eisen reduziert. Die Eisenschmelze wird in eine Form gefüllt (vgl. Gießen, 2.1.3.1).

    Eisenoxid + Aluminiumpulver + Zündwärme → Eisenschmelze

11. Wie ist das Verfahrensprinzip beim Lichtbogenschweißen?

Beim Lichtbogenschweißen erzeugt ein Lichtbogen die Wärme zum Schmelzen des Grund- und Zusatzstoffes. Der Lichtbogen brennt zwischen der abschmelzenden Metallelektrode (Ausnahme: WIG-Verfahren) und dem Werkstück. Schweißstromaggregate erzeugen Stromstärke und Spannung entsprechend den Anforderungen. Ein wesentlicher Unterschied besteht in der Technik, die Schweißschmelze vor Luftzufuhr zu schützen:

Schutz vor Luftzufuhr

  • beim Metall-Lichtbogenschweißen→ Einsatz ummantelter Zusatzschweißstäbe

  • beim Schutzgasschweißen → Einsatz verschiedener Schutzgase.

Prinzipskizze: Lichtbogenhandschweißen

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Lichtbogenhandschweißen
Vorteile, z. B.Nachteile, z. B.
  • flexibel einsetzbar
  • gute Handhabung
  • einfacher Aufbau des Gerätes
  • Schweißgut und Schweißparameter sind leicht an das Werkstück anpassbar
  • gute Festigkeit der Schweißnaht.
  • Gesundheitsgefährdung (Dämpfe)
  • Elektroden sind hochpreisig
  • Qualität des Schweißergebnisses ist unterschiedlich je nach Qualifikation des ausführenden Mitarbeiters
  • Gefahr von Verzug und Schrumpfung
  • Schlacke muss entfernt werden.

12. Welche Schweißtechniken gibt es?

Verbreitet sind folgende Schweißtechniken:

Schweißtechniken
SchweißtechnikKurzbeschreibungEinsatzgebiete
Metall-LichtbogenschweißenElektrische Energie wird in einem Lichtbogen in Wärme umgewandelt; der Lichtbogen brennt zwischen einer abschmelzenden Metallelektrode und dem Werkstück.Schweißen niedrig legierter Stähle
Schutzgasschweißen:
 Wolfram-Inertgasschweißen (WIG)Der Lichtbogen brennt zwischen einer nicht abschmelzenden Wolframelektrode und dem Werkstück in einer Edelgasatmosphäre. Das Gas wird über einen Brenner, der Schweißstab (ohne Strom) seitlich zugeführt.Schweißen hochlegierter Stähle, NE- und Leichtmetalle; weit verbreitet, manuell/vollautomatisch
Metall-Schutzgasschweißen (MSG)Der Lichtbogen brennt zwischen abschmelzender Elektrode und Werkstück.Stahl- und Fahrzeugbau
 MIG
(Metall-Inert-Gas)
Einsatz reaktionsträger (inerter) Schutzgase, z. B. Argon, Helium oder Gemische; dadurch keine Reaktion mit dem Schmelzbad.Schweißen von Edelstählen, NE- und Leichtmetallen
MAG
(Metall-Aktiv-Gas)
Einsatz reaktionsfähiger (aktiver) und preiswerter Schutzgase wie z. B. CO2, O2 oder Gemische.Schweißen unlegierter Stähle und NE-Metalle (Karosseriebau)
PlasmaschweißenDas eingesetzte Gas wird durch hohe Energiezufuhr in einen leitenden Zustand versetzt. Es wird ebenfalls eine Wolframelektrode eingesetzt. Der Plasmalichtbogen brennt zwischen Elektrode und Düse im Schweißbrenner und wird dadurch gebündelt.Schweißen hochlegierter Stähle und Sonderwerkstoffe; Uhren- und Dentaltechnik; Apparate- und Behälterbau
UnterpulverschweißenIst ein vollmechanisiertes Schweißverfahren: Eine blank zugeführte Bandelektrode wird kontinuierlich unter dem Schweißpulver abgeschmolzen. Der Lichtbogen ist nicht sichtbar und brennt zwischen der Elektrode und dem Werkstück.Wegen der höheren Investitionskosten nur bei größeren Stückzahlen wirtschaftlich.
Gasschmelzschweißen:
AutogenschweißenDie zu fügenden Teile werden an der Schweißstelle durch eine Brenngas-Sauerstoffflamme zum Schmelzen gebracht.Rohrleitungen, Reparaturen vorwiegend unlegierte Stähle
Stahlschweißen:
LaserstrahlschweißenDer gebündelte Laserstrahl erreicht Temperaturen bis zu 20.000 °C. Der Werkstoff schmilzt auch in der Tiefe. Dadurch sind sehr schmale und tiefe Schweißnähte möglich.Stähle, Leichtmetalle für Präzisionsbauteile
ElektronenstrahlschweißenDer fokussierte Elektronenstrahl schmilzt und verdampft den Werkstoff, sobald er auftrifft. Dadurch ist es möglich dicke Werkstücke (bis 200 mm) in einem Arbeitsgang zu schweißen.Hoch beanspruchte Bauteile der Energietechnik und Luftfahrt
Pressschweißen:
ReibschweißenDie durch Reibung entstehende Wärme wird zum Schweißen benutzt.Metalle, Kunststoffe
WiderstandspressschweißenDie Wärme zum Schweißen wird durch den elektrischen Strom erzeugt, welcher durch die Kontaktzone der Werkstücke fließt.Bleche, Karosseriebau

13. Wie sind die Verfahrensprinzipien beim Schweißen mit dem Energieträger Strahlung?

  • Elektronenstrahlschweißen:

    Die Schweißtemperatur wird durch Elektronen erzeugt, die aus einer Glühkatode austreten. Aufgrund einer Beschleunigungsspannung erreichen die Elektronen 2/3 der Lichtgeschwindigkeit. Beim Auftreffen der Elektronen auf das Werkstück wird die Beschleunigungsenergie in Wärme umgewandelt. Dadurch wird die Oberfläche des Werkstücks aufgeschmolzen und verdampft. Der Dampfdruck verdrängt die Schmelze aus dem entstandenen Spalt, sodass der Elektronenstrahl noch tiefer in das Werkstück eindringen kann.

    Einsatzgebiete:

    Medizin-, Feinwerk-, Elektro-, Nuklear- und Raumfahrttechnik.

  • Laserstrahlschweißen (kurz: Laserschweißen):

    Laser ist die Abkürzung von Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: Vereinfacht gesagt, wird Licht mithilfe von Spiegeloptiken verstärkt. Durch die hohe Energiedichte wird ein Schweißergebnis ähnlich wie beim Elektronenstrahlschweißen erreicht. Der Schutz der Schweißstelle erfolgt durch den Einsatz von Schutzgas.

    Vorteile:

    Hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit und -qualität, gute Handhabbarkeit, kaum Nacharbeit, keine Einwirkung mechanischer Kräfte auf das Werkstück, hohe und punktgenaue Energiedichte.

    Einsatzgebiete:

    Schneiden und Schweißen unterschiedlichster Werkstoffe.

14. Welche Sicherheitsmaßnahmen sind beim Schweißen zu beachten?

  1. Schweißfachmann:

    Schweißarbeiten dürfen nur von ausgebildeten Personen durchgeführt werden.

  2. Augenschutz:

    Es muss beim Schweißen eine Schweißbrille bzw. ein Schutzschild verwendet werden.

  3. Körperschutz:

    Handschuhe und Lederschürze sollen vor Metallspritzern schützen.

  4. Atemschutz:

    Die beim Schweißen entstehenden Gase müssen abgesaugt werden.

  5. Beachtung der Regeln für den Umgang mit Gasflaschen:

    • gegen Umfallen sichern

    • vor Stoß, Erwärmung und Frost sichern

    • Transport nur mit Schutzkappen

    • frei von Öl und Fett halten (Explosionsgefahr).

Wesentliche Einzelheiten zum Lichtbogenschweißen und zu verwandten Verfahren enthält die DGUV Information 209-010 (ehemals BGI 553) (Lichtbogenschweißer) und die DGUV Information 209-016 (ehemals BGI 593) (Schadstoffe beim Schweißen und verwandte Verfahren); es werden z. B. folgende Regeln und Vorschriften genannt:

► Allgemeine VorschriftenDGUV A 1
► Elektrische Anlagen und BetriebsmittelDGUV A 3
► Arbeitsmedizinische VorsorgeDGUV A 4
► Erste Hilfe im BetriebDGUV Information
204-022
(ehemals BGI 509)
► Lärm- und Vibrationsschutzverordnung
► Schweißen, Schneiden und verwandte VerfahrenDGUV Regel 100-500
(ehemals BGV D 1)
► Explosionsschutz-Regeln (EX-RL)DGUV-Regel 113-001
(ehemals BGR 104)
► Benutzung von Augen- und GesichtsschutzDGUV-Regel 112-192
(ehemals BGR 192)
► Odorierung von Sauerstoff zum Schweißen und SchneidenDGUV-Regel 109-012
(ehemals BGR 219)

15. Welche technologischen Grundlagen und Richtwerte sind beim Schweißen zu berücksichtigen?

  1. Schweißbarkeit der Werkstoffe (>> Frage 02.)

  2. Druckflaschen, Gasverbrauch

  3. Gasschmelzschweißen: Kennzeichnung, Richtwerte, Eignung

  4. Lichtbogenhandschweißen

  5. Schutzgasschweißen (→ Tabellenwerke) WIG-, MIG-, MAG-Schweißen (Richtwerte)

  6. Laserschweißen

  7. Schweißzusätze für Aluminium und Kupfer

  8. Schweißnahtvorbereitung.