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:

03. Wie lassen sich die Schweißverfahren unterteilen?

Schweißverfahren lassen sich nach mehreren Gesichtpunkten einteilen:

• 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.

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

Verfahren	Energiezufuhr	Stoffzusammenhalt durch …	Prinzipskizze
Pressschweißverfahren	Wärme + Druck	Plastifizierung und örtliches Verformen der Fügeteile
Schmelzschweißverfahren	Wärme	Schmelzfluss ► der Fügeteile ► der Zusatzwerkstoffe

06. Welche Schweißtechniken gehören zu den Pressschweißverfahren?

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

  

• 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

  

  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

  

  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

  

   

  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

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:

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

12. Welche Schweißtechniken gibt es?

Verbreitet sind folgende Schweißtechniken:

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 Vorschriften: DGUV A 1

• Elektrische Anlagen und Betriebsmittel: DGUV A 3

• Arbeitsmedizinische Vorsorge: DGUV A 4

• Erste Hilfe im Betrieb: DGUV Information 204-022 (ehemals BGI 509)

• Lärm- und Vibrationsschutzverordnung

• Schweißen, Schneiden und verwandte Verfahren: DGUV Regel 100-500 (ehemals BGV D 1)

• Explosionsschutz-Regeln (EX-RL): DGUV-Regel 113-001 (ehemals BGR 104)

• Benutzung von Augen- und Gesichtsschutz: DGUV-Regel 112-192 (ehemals BGR 192)

• Odorierung von Sauerstoff zum Schweißen und Schneiden: DGUV-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.