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Edelstahl schweißen

Als Edelstahl wird legierter oder unlegierter Stahl bezeichnet, der einen besonderen Reinheitsgrad aufweist, beispielsweise Stahl, dessen sogenannte Eisengebleiter Schwefel und Phosphor unter 0,025% liegen. Das Edelstahl schweißen kann mit nahezu allen bekannten Schweißmethoden erfolgen, am häufigsten sind jedoch die Schweißverfahren WIG, MIG, MAG und das E-Schweißen. Beim WIG-Schweißen brennt ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer Elektrode und dem Werkstück.

Die Elektrode ist von einer Düse umgeben, aus der Schutzgas ausströmt, das den Lichtbogen und die Schweißstelle vor der Außenluft schützt. Sofern ein Schweißzusatzstoff benötigt wird, wird dieser manuell oder mechanisch zugeführt. Beim Edelstahl schweißen wird mit Gleichstrom geschweißt, wobei die auf dem Minuspol liegende Elektrode spitz zugeschliffen ist.

Beim MIG- und MAG-Schweißen brennt ebenfalls ein elektrischer Lichtbogen zwischen Elektrode und Werkstück, allerdings schmilzt hierbei die Elektrode ab. Somit ist sie zeitgleich stromführende Elektrode und Schweißzusatzstoff. Die Elektrode wird automatisch zugeführt, wobei sie von einer Düse umgeben ist, aus der Schutzgas austritt. Beim MIG-Schweißen handelt es sich um Helium, Stickstoff oder Argon, also inerte Gase.

WIG-Schweißverfahren)

stammt aus den USA und wurde dort 1936 unter dem Namen Argonarc-Schweißen bekannt. Erst nach dem 2. Weltkrieg wurde es in Deutschland eingeführt. In englischsprachigen Ländern heißt das Verfahren TIG nach dem englischen „Tungsten“ für Wolfram. Das Verfahren zeichnet sich gegenüber anderen Schmelzschweißverfahren durch eine Reihe von interessanten Vorteilen aus. Es ist z. B. universell anwendbar.

 

 Wenn ein metallischer Werkstoff überhaupt schmelzschweißgeeignet ist, dann lässt er sich mit diesem Verfahren fügen. Zum anderen ist es ein sehr „sauberes“ Verfahren, das kaum Spritzer und nur wenig Schadstoffe erzeugt und bei richtiger Anwendung eine qualitativ hochwertige Schweißverbindung gewährleistet. Ein besonderer Vorteil des WIG-Schweißens ist auch, dass hier gegenüber anderen Verfahren, die mit abschmelzender Elektrode arbeiten, die Zugabe von Schweißzusatz und die Stromstärke entkoppelt sind. Der Schweißer kann deshalb seinen Strom optimal auf die Schweißaufgabe abstimmen und nur so viel Schweißzusatz zugeben, wie gerade erforderlich ist. Dies macht das Verfahren besonders geeignet zum Schweißen von Wurzellagen und zum Schweißen in Zwangslagen. Die genannten Vorteile haben dazu geführt, dass das Verfahren sich besonders gut eignet für Schweißungen von Luft- und Raumfahrtgeräten, Bauteile der Kerntechnik sowie für den chemischen Anlagen- und Apparatebau.


WIG-Schweißen

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 Kontaktzündung (Streich- oder Anreißzündung) wird ähnlich dem Elektrodenschweißen die Wolframelektrode kurz auf das Werkstück getippt und somit ein Kurzschluss erzeugt. Nach dem Abheben der Elektrode vom Werkstück brennt der Lichtbogen zwischen Wolframelektrode und Werkstück. Ein großer Nachteil dieses Verfahrens ist, dass bei jedem Zünden etwas Material vom Werkstück an der Wolframelektrode hängenbleibt. Durch die hohen Temperaturen an der Spitze der Elektrode bildet sich eine „Wolfram-Werkstück-Legierung“ die bei diesen Temperaturen flüssig ist, wodurch die nadelscharfe Spitze anschmilzt. Dadurch sind feine Schweißnähte mit diesem Verfahren nur schwierig durchführbar.

Bei der Hochfrequenzzündung wird mit Hilfe eines Hochfrequenzzünders, der eine extrem hohe Spannung auf die Wolframelektrode gibt, das Gas zwischen Elektrode und Werkstück ionisiert, wodurch der Lichtbogen gezündet wird. Der Hochfrequenzzünder hat eine ungefährliche Stromstärke.

Als Schutzgas werden die inerten Gase Argon, Stickstoff, Helium oder ein Gemisch daraus verwendet. Weitere Gase wie Wasserstoff oder Stickstoff können ebenfalls zugesetzt sein. (Argon 4.6 = 99,996 % Argon), (Argon 4.8 = 99,998 % Argon), (Helargon = 10 % Helium, 40 % Argon, 50 % Stickstoff) (Arcal10 = 10 % Wasserstoff, 40 % Argon, 50 % Stickstoff).

Bei der WIG-Schweißung unterscheidet man das Gleichstrom- und Wechselstromschweißen. Das Gleichstromschweißen wird vorwiegend zum Schweißen von legierten Stählen und NE-Metallen und deren Legierungen eingesetzt, wobei die Wolframelektrode auf dem Minuspol liegt. Das Wechselstromschweißen wird meist zum Schweißen von Leichtmetallen eingesetzt. In Sonderfällen werden Leichtmetalle auch mit Gleichstrom und mit einer positiven Elektrode geschweißt. Dabei werden Spezialschweißbrenner mit einer sehr dicken Wolframelektrode und als Schutzgas Helium verwendet. Nötig ist die Pluspolung der Wolframelektrode bei Leichtmetallen, da diese zumeist eine harte Passivschicht mit sehr hohem Schmelzpunkt auf ihrer Oberfläche gebildet haben. Diese Passivschicht wird durch die Minuspolung des Werkstücks zerstört, da das Werkstück nun als Elektronen emittierender Pol fungiert.


WIG-Impulsschweißen
Eine Weiterentwicklung des WIG-Schweißens ist das Schweißen mit pulsierendem Strom. Dabei pulsiert der Schweißstrom zwischen einem Grund- und Impulsstrom mit variablen Frequenzen, Grund- und Impulsstromhöhen und -breiten. Die Pulsfrequenz, die Impulsbreite und die Impulshöhe sind getrennt voneinander einstellbar. Das WIG-Pulsen mit variablem Stromverlauf kann nur mit einer besonderen Schweißanlage durchgeführt werden. Die fein dosierbare Wärmeeinbringung beim WIG-Impulsschweißen ermöglicht eine gute Spaltüberbrückung, eine gute Wurzelschweißung und ein gutes Schweißen in Zwangslagen. Schweißnahtfehler am Nahtanfang und Nahtende, z. B. beim Rohrschweißen, werden vermieden.

Bei allen Beschreibungen handelt es sich um manuelles oder teilmechanisiertes WIG-Schweißen mit Zusatzwerkstoff vorwiegend ø1.6 mm. Beim Impulsschweißen von Leichtmetallen (namentlich: AA6061) kann ein Anschmelzen an der Oberfläche erzielt werden und somit bei dünnen Blechen <1.0 mm Durchschmelzungen verhindert werden. Vor allem bei Kehlnähten wird die Ecke eher erfasst als beim Standardschweißen mit konstantem Strom. Es wurden auch Bleche mit einer Dicke von 0,6 mm einwandfrei stumpfgeschweißt, da die Stabilität des Lichtbogens sowie die konzentrierte Wärmeeinbringung ein kleines definiertes Schmelzbad erlauben. Vor allem stellt immer wieder das Heften das Hauptproblem dar, wenn sogar Spalt vorhanden ist und wurzelseitig Sauerstoff Zutritt hat. Der Einfluss der Wolframelektrodenlegierung und die Zusammensetzung des Schutzgases ist nicht außer Acht zu lassen; diese Parameter beeinflussen den Prozess nicht unwesentlich.

BGI 746 Umgang mit thoriumoxidhaltigen Wolframelektroden beim Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) Sie enthält Hinweise zum sicheren Umgang mit thoriumoxidhaltigen Wolframelektroden für das Wolfram-Inertgasschweißen und beschreibt die notwendigen Schutzmaßnahmen, die ergriffen werden müssen, um mögliche Gefährdungen beim Umgang mit diesen Elektroden auszuschließen oder auf ein vertretbares Maß zu minimieren.

Unter Schweißen versteht man gemäß DIN 1910-1 (DIN 1910-1 wurde durch DIN ISO 857-1 ersetzt) das unlösbare Verbinden von Bauteilen unter Anwendung von Wärme oder Druck – mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoffen.

Besonders häufig werden Schmelzschweißverfahren für meist metallische Materialien angewendet, jedoch auch für Glas (bei Gebrauchsprodukten oder bei Glasfasern in der Nachrichtentechnik) sowie für thermoplastische Kunststoffe. Die Verbindung erfolgt je nach Schweißverfahren in einer Schweißnaht oder einem Schweißpunkt, beim Reibverschweißen auch in einer Fläche. Die zum Schweißen notwendige Energie wird von außen zugeführt.

Schmelzschweißen ist Schweißen bei örtlich begrenztem Schmelzfluss ohne Anwendung von Kraft mit oder ohne gleichartigem Schweißzusatz (DIN ISO 857-1). Wichtig dabei ist, dass das Material nach seiner Abkühlung nicht andere Eigenschaften hat als vor dem Erhitzen. So kann man unter anderem Metalle, Thermoplaste oder Glas verschweißen.

Beim Schmelzschweißen von Stahl ist zu beachten, dass nur bei einfachen Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt bis 0,22 % C (Festigkeit 500 N/mm²) ohne weiteres dauerhafte Schweißverbindungen zustande kommen. Bei höherfesten und legierten Stählen sind, um Rissbildung und Brüchen vorzubeugen, Zusatzmaßnahmen erforderlich, z. B. Vorwärmen, langsames Abkühlen, Anlassen, Spannungsarmglühen, oder es müssen spezielle Schweißverfahren angewendet werden.

Der Zweck des Schweißens wird unterschieden nach Verbindungs- und Auftragsschweißen. Verbindungsschweißen ist Fügen (DIN 8580) eines Werkstückes, z. B. Rohrlängsnaht. Auftragsschweißen ist Beschichten (DIN 8580) eines Werkstückes durch Schweißen. Sind der Grund- und der Auftragswerkstoff artfremd, wird unterschieden zwischen Auftragsschweißen von Panzerungen, Plattierungen und von Pufferschichten.

Der Begriff Bahnschweißen wird bei Verwendung von Robotern fürs automatisierte Schweißen verwendet.
Feuerschweißen
Das Feuerschweißen ist die älteste bekannte Schweißmethode. Dabei werden die zu verbindenden Metalle im Feuer unter Luftabschluss in einen teigigen Zustand gebracht und anschließend durch großen Druck, zum Beispiel durch Hammerschläge, miteinander verbunden. Diese dürfen anfangs nicht zu stark sein, da sonst die zu verbindenden Teile wieder auseinander geprellt werden. Im Gegensatz zu den meisten anderen Schweißmethoden wird der Stahl hierbei nicht aufgeschmolzen. Luftabschluss ist nötig, damit die Oberflächen bei Schweißtemperatur (1200 bis 1300°C) nicht oxidieren. Ursprünglich wurde Luftabschluss durch feinkörnigen Flusssand erreicht, wobei es schwierig war, einen solchen Sand mit dem richtigen Schmelzpunkt zu finden. Heutzutage benutzt man Borax, welches sich wie eine flüssige Haut über die Stahlteile legt und diese dadurch vor Oxidangriff schützt. Mit Feuerschweißen wurden früher vom Schmied unter anderem Waffen geschmiedet, zum Beispiel Dolche und Schwerter aus Damaszener Stahl.


Gasschmelzschweißen
Siehe Autogenschweißen.

Lichtbogenhandschweißen nach DIN EN ISO 4063:2000-04
Das Elektrodenhandschweißen, kurz E-Handschweißen genannt, ist eines der ältesten Schweißverfahren, das heute noch angewandt wird. Es geht auf die Versuche von Slawjanow zurück, der 1891 als erster anstelle der bis dahin zum Lichtbogenschweißen üblichen Kohleelektroden einen Metallstab verwendete, der gleichzeitig Lichtbogenträger und Schweißzusatz war. Die ersten Stabelektroden waren nicht umhüllt und daher schwierig zu verschweißen, da die Schweißstelle vor einer Oxidation mit der Luft ungeschützt war. Später wurden die Elektroden mit Stoffen umhüllt, die das Schweißen erleichterten, das Schweißgut schützten und den Prozess metallurgisch beeinflussten. Das erste Patent über eine umhüllte Stabelektrode stammt aus dem Jahr 1908.

Bei diesem Schweißverfahren wird ein elektrischer Lichtbogen, der zwischen einer Elektrode und dem Werkstück brennt, als Wärmequelle zum Schweißen genutzt. Durch die hohe Temperatur des Lichtbogens wird der Werkstoff an der Schweißstelle aufgeschmolzen. Gleichzeitig schmilzt die Stabelektrode als Zusatzwerkstoff ab und bildet eine Schweißraupe. Zur Erzeugung kann Gleichstrom oder Wechselstrom verwendet werden.

Schweißstromquellen sind: Schweißtrafo, Schweißgleichrichter, Schweißumformer, Schweißinverter, Schweißaggregat

Stabelelektroden werden als Zusatzwerkstoff beim Lichtbogenschweißen verwendet. Für jede Schweißarbeit gibt es geeignete Elektroden, z. B. für Verbindungs- und Auftragsschweißungen. Aufschluss über die Art, Eigenschaften und Verwendbarkeit einer Elektrode gibt die Elektroden-Kurzbezeichnung, die auf jeder Elektrodenpackung aufgedruckt ist. Die Umhüllung der Elektrode entwickelt beim Abschmelzen Gase, die außer einer Lichtbogenstabilisierung den flüssigen Werkstoffübergang im Lichtbogen von den Einflüssen der umgebenden Luft abschirmen und den Abbrand von Legierungsbestandteilen mindern. Außerdem bildet die abschmelzende Umhüllung Schlacke. Diese ist leichter als flüssiger Stahl und wird auf die Schweißnaht geschwemmt. Dadurch werden eine langsame Abkühlung und somit geringere Schrumpfspannungen erreicht.

Durch Elektronenbeschuss heizt sich die Anode (+Pol) stärker auf. Deshalb betreibt man verzehrende Elektroden meist als Anoden gegenüber dem Werkstoff als negativen Pol, während beim WIG-Verfahren die Elektrode negativ gepolt ist.

Lichtbogenschweißen wird im Hochbau (Brückenträger), aber auch in der Feinmechanik angewandt. Dabei gilt: Je dünner das Material, desto aufwändiger die Ausrüstung, da die niedrigen Stromstärken (um Materialien unter 1 mm Wandstärke nicht durchzubrennen) eine deutlich aufwändigere Regelung erfordern.

Für die Gefährdungsbeurteilung ist der Gesamtschweißrauch zu beachten, u. a. mit den Inhaltsstoffen Titandioxid, Fluoriden, Magnesiumoxid, Calciumoxid und Eisenoxiden. Wenn möglich ist auf Schutzgasschweißen (s. u.) auszuweichen, denn durch die fehlende Ummantelung der Elektrode werden weniger Chromate freigesetzt.

Für Deutschland gilt: TRK-Werte (Chromate, Nickelverbindungen, Mangan und Fluoride (giftig)) beachten. Die anderen Bestandteile sind belastend und entsprechend (TRGS403, MAK-Werte) zu beurteilen. Untersuchungsgrundsatz G39


Schutzgasschweißen (SG) nach DIN ISO 857-1:2002-11

Metallschutzgasschweißen (MSG) / (MIG / MAG)

Schutzgasschweißen
Metallschutzgasschweißen
1. Vorschubrichtung
2. Kontakthülse
3. Schweißdraht
4. Schutzgas
5. Schmelzgut
6. Schweißraupe
7. GrundmaterialDas MIG/MAG-Schweißen ist eines der jüngeren Lichtbogenschweißverfahren. Es stammt aus den USA, wo es 1948 zuerst angewandt wurde. Kurze Zeit später kam es nach Europa. Es wurde zuerst nur mit inerten Gasen oder mit Argon, das nur geringe Mengen an aktiven Bestandteilen (z. B. Sauerstoff) enthielt, angewandt und hieß deshalb abgekürzt SIGMA-Schweißen („shielded inert gas metal arc“). Die Sowjetunion verwendete dann ab 1953 anstelle der teuren Inertgase wie Argon oder Helium ein aktives Gas zum Schweißen, nämlich Kohlendioxid (CO2). Dies war nur möglich, weil inzwischen auch Drahtelektroden entwickelt wurden, die dem beim Aktivgasschweißen höheren Abbrand von Legierungselementen Rechnung trugen.

MIG/MAG (Metall-Inert-Gas; reaktionsträge Gase)/(Metall-Aktiv-Gas; aktive Gase) ist ebenfalls ein Lichtbogenschweißverfahren, bei dem der abschmelzende Schweißdraht von einem Motor in veränderbarer Geschwindigkeit kontinuierlich nachgeführt wird. Gleichzeitig wird die Schweißstelle über eine Düse mit Kohlendioxid oder einem Edelgas (häufig Argon mit ca. 10 l/min, Berechnungsgrundlage pro mm Schweißdraht Durchmesser * 10 l = l/min an einzusetzendem Schutzgas) begast. Dieses Gas schützt das flüssige Metall unter dem Lichtbogen vor Oxidation, die die Schweißnaht schwächen würde. Der Aktivgasanteil (i. a. CO2) sorgt zum einen für eine bessere Wärmeabfuhr, zum anderen bewirkt er eine leichte Anreicherung des Schweißgutes mit Kohlenstoff. MIG bedeutet Metall-Inertgasschweißen. Hierbei wird kein Aktivgas, sondern nur ein Inertgas (in der Regel Argon, aber auch Helium) zugeführt, um den Luftsauerstoff von der Schweißnaht fernzuhalten. Diese Schutzgase werden benötigt, um hochlegierte Stähle, NE-Metalle und Al-Legierungen zu schweißen.

Beim Metall-Aktivgasschweißen (MAG) wird entweder mit reinem CO2 oder einem Mischgas aus CO2, Argon und O2 gearbeitet, um die Schweißverbindung entsprechend den besonderen technologischen Erfordernissen zu beeinflussen. Das MAG-Schweißverfahren wird bei un- und höher legierten Stählen eingesetzt.


Wolfram-Inertgasschweißen (WIG, engl. TIG)
Das Wolfram-Inertgasschweißen (WIG-Schweißverfahren) stammt aus den USA und wurde dort 1936 unter dem Namen Argonarc-Schweißen bekannt. Erst nach dem 2. Weltkrieg wurde es in Deutschland eingeführt. In englischsprachigen Ländern heißt das Verfahren TIG nach dem englischen „Tungsten“ für Wolfram. Das Verfahren zeichnet sich gegenüber anderen Schmelzschweißverfahren durch eine Reihe von interessanten Vorteilen aus. Es ist z. B. universell anwendbar. Wenn ein metallischer Werkstoff überhaupt schmelzschweißgeeignet ist, dann lässt er sich mit diesem Verfahren fügen. Zum anderen ist es ein sehr „sauberes“ Verfahren, das kaum Spritzer und nur wenig Schadstoffe erzeugt und bei richtiger Anwendung eine qualitativ hochwertige Schweißverbindung gewährleistet. Ein besonderer Vorteil des WIG-Schweißens ist auch, dass hier gegenüber anderen Verfahren, die mit abschmelzender Elektrode arbeiten, die Zugabe von Schweißzusatz und die Stromstärke entkoppelt sind. Der Schweißer kann deshalb seinen Strom optimal auf die Schweißaufgabe abstimmen und nur so viel Schweißzusatz zugeben, wie gerade erforderlich ist. Dies macht das Verfahren besonders geeignet zum Schweißen von Wurzellagen und zum Schweißen in Zwangslagen. Die genannten Vorteile haben dazu geführt, dass das Verfahren sich besonders gut eignet für Schweißungen von Luft- und Raumfahrtgeräten, Bauteile der Kerntechnik sowie für den chemischen Anlagen- und Apparatebau.


WIG-SchweißenDie WIG-Schweißanlage besteht aus einer Stromquelle, die in den meisten Fällen auf Gleich- oder Wechselstromschweißen geschaltet werden kann, und einem Schweißbrenner, der mit der Stromquelle durch ein Schlauchpaket verbunden ist. Im Schlauchpaket befinden sich die Schweißstromleitung, die Schutzgaszuführung, die Steuerleitung und bei größeren Brennern der Zu- und Rücklauf des Kühlwassers.

Es gibt zwei Arten, den Lichtbogen zu zünden, die Kontakt- und die Hochfrequenzzündung.

Bei der Kontaktzündung (Streich- oder Anreißzündung) wird ähnlich dem Elektrodenschweißen die Wolframelektrode kurz auf das Werkstück getippt und somit ein Kurzschluss erzeugt. Nach dem Abheben der Elektrode vom Werkstück brennt der Lichtbogen zwischen Wolframelektrode und Werkstück. Ein großer Nachteil dieses Verfahrens ist, dass bei jedem Zünden etwas Material vom Werkstück an der Wolframelektrode hängenbleibt. Durch die hohen Temperaturen an der Spitze der Elektrode bildet sich eine „Wolfram-Werkstück-Legierung“ die bei diesen Temperaturen flüssig ist, wodurch die nadelscharfe Spitze anschmilzt. Dadurch sind feine Schweißnähte mit diesem Verfahren nur schwierig durchführbar.

Bei der Hochfrequenzzündung wird mit Hilfe eines Hochfrequenzzünders, der eine extrem hohe Spannung auf die Wolframelektrode gibt, das Gas zwischen Elektrode und Werkstück ionisiert, wodurch der Lichtbogen gezündet wird. Der Hochfrequenzzünder hat eine ungefährliche Stromstärke.

Als Schutzgas werden die inerten Gase Argon, Stickstoff, Helium oder ein Gemisch daraus verwendet. Weitere Gase wie Wasserstoff oder Stickstoff können ebenfalls zugesetzt sein. (Argon 4.6 = 99,996 % Argon), (Argon 4.8 = 99,998 % Argon), (Helargon = 10 % Helium, 40 % Argon, 50 % Stickstoff) (Arcal10 = 10 % Wasserstoff, 40 % Argon, 50 % Stickstoff).

Bei der WIG-Schweißung unterscheidet man das Gleichstrom- und Wechselstromschweißen. Das Gleichstromschweißen wird vorwiegend zum Schweißen von legierten Stählen und NE-Metallen und deren Legierungen eingesetzt, wobei die Wolframelektrode auf dem Minuspol liegt. Das Wechselstromschweißen wird meist zum Schweißen von Leichtmetallen eingesetzt. In Sonderfällen werden Leichtmetalle auch mit Gleichstrom und mit einer positiven Elektrode geschweißt. Dabei werden Spezialschweißbrenner mit einer sehr dicken Wolframelektrode und als Schutzgas Helium verwendet. Nötig ist die Pluspolung der Wolframelektrode bei Leichtmetallen, da diese zumeist eine harte Passivschicht mit sehr hohem Schmelzpunkt auf ihrer Oberfläche gebildet haben. Diese Passivschicht wird durch die Minuspolung des Werkstücks zerstört, da das Werkstück nun als Elektronen emittierender Pol fungiert.


WIG-Impulsschweißen
Eine Weiterentwicklung des WIG-Schweißens ist das Schweißen mit pulsierendem Strom. Dabei pulsiert der Schweißstrom zwischen einem Grund- und Impulsstrom mit variablen Frequenzen, Grund- und Impulsstromhöhen und -breiten. Die Pulsfrequenz, die Impulsbreite und die Impulshöhe sind getrennt voneinander einstellbar. Das WIG-Pulsen mit variablem Stromverlauf kann nur mit einer besonderen Schweißanlage durchgeführt werden. Die fein dosierbare Wärmeeinbringung beim WIG-Impulsschweißen ermöglicht eine gute Spaltüberbrückung, eine gute Wurzelschweißung und ein gutes Schweißen in Zwangslagen. Schweißnahtfehler am Nahtanfang und Nahtende, z. B. beim Rohrschweißen, werden vermieden.

Bei allen Beschreibungen handelt es sich um manuelles oder teilmechanisiertes WIG-Schweißen mit Zusatzwerkstoff vorwiegend ø1.6 mm. Beim Impulsschweißen von Leichtmetallen (namentlich: AA6061) kann ein Anschmelzen an der Oberfläche erzielt werden und somit bei dünnen Blechen <1.0 mm Durchschmelzungen verhindert werden. Vor allem bei Kehlnähten wird die Ecke eher erfasst als beim Standardschweißen mit konstantem Strom. Es wurden auch Bleche mit einer Dicke von 0,6 mm einwandfrei stumpfgeschweißt, da die Stabilität des Lichtbogens sowie die konzentrierte Wärmeeinbringung ein kleines definiertes Schmelzbad erlauben. Vor allem stellt immer wieder das Heften das Hauptproblem dar, wenn sogar Spalt vorhanden ist und wurzelseitig Sauerstoff Zutritt hat. Der Einfluss der Wolframelektrodenlegierung und die Zusammensetzung des Schutzgases ist nicht außer Acht zu lassen; diese Parameter beeinflussen den Prozess nicht unwesentlich.

BGI 746 Umgang mit thoriumoxidhaltigen Wolframelektroden beim Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) Sie enthält Hinweise zum sicheren Umgang mit thoriumoxidhaltigen Wolframelektroden für das Wolfram-Inertgasschweißen und beschreibt die notwendigen Schutzmaßnahmen, die ergriffen werden müssen, um mögliche Gefährdungen beim Umgang mit diesen Elektroden auszuschließen oder auf ein vertretbares Maß zu minimieren.


Plasmaschweißen (Wolfram-Plasmaschweißen)
Beim Plasmaschweißen dient ein Plasmastrahl als Wärmequelle. Plasma ist ein durch einen Lichtbogen hocherhitzes elektrisch leitendes Gas. Im Plasmabrenner wird durch Hochfrequenzimpulse das durchströmende Plasmagas (Argon) ionisiert und ein Hilfslichtbogen (Pilotlichtbogen) gezündet. Dieser brennt zwischen der negativ gepolten Wolframelektrode und der als Düse ausgebildeten Anode und ionisiert die Gassäule zwischen Düse und plusgepoltem Werkstück. Ein berührungsloses Zünden des Lichtbogens ist dadurch möglich. Der für das Schweißen verwendete, übertragene Lichtbogen (Plasmastrahl) wird von einem Schutzgasmantel z. B. aus einem Gasgemisch von Argon mit 5 bis zu 7 % Wasserstoff umgeben, der die Schmelze vor Oxidation schützt und den Lichtbogen stabilisiert. Die Einengung des Plasmalichtbogens durch die wassergekühlte Kupferdüse zu einer fast zylindrischen Gassäule ergibt eine höhere Energiekonzentration als beim WIG-Schweißen, wodurch höhere Schweißgeschwindigkeiten möglich sind. Der Verzug und die Spannungen sind daher geringer als beim WIG-Schweißen. Durch den noch bei geringsten Stromstärken (weniger als 1 A) stabil brennenden Plasmalichtbogen und die Unempfindlichkeit bei Lichtbogenlängenänderungen (Abstand der Düse zum Werkstück) wird das Verfahren auch in der Mikroschweißtechnik eingesetzt. Mit dem Mikroplasmaschweißverfahren (Schweißstrombereich 0,5-15 A) können Bleche mit 0,1 mm noch geschweißt werden. Das Plasma-Stichloch- oder -Schlüsselloch-Schweißen wird ab einer Blechdicke von 3 mm eingesetzt und kann in Abhängigkeit vom zu verschweißenden Werkstoff bis zu einer Dicke von 10 mm für das einlagige Schweißen ohne Nahtvorbereitung angewendet werden. Hauptanwendungsgebiete sind der Behälter- und Apparatebau, der Rohrleitungsbau und die Raumfahrt.


Arcatom-Schweißen
Arcatom-Schweißen (auch Lichtbogenschweißen genannt) ist ein von Irving Langmuir im Jahre 1924 erfundenes Verfahren, das die Rekombinationsenergie von atomarem Wasserstoff zum Schweißen benutzt.

Dafür wird normales (molekulares) Wasserstoffgas durch einem Lichtbogen zwischen zwei Wolframelektroden (Langmuir-Fackel) in die Richtung der Schweißstelle geblasen, wobei atomarer Wasserstoff entsteht. An dem zusammenzuschweißenden Metall bildet sich wieder molekularer Wasserstoff unter Abgabe großer Energien auf eine kleine Fläche:


Zwei H-Atome reagieren zu einem H2-Molekül und setzen dabei Energie frei.
Dabei können Temperaturen bis zu 4000 °C entstehen. Das bearbeitete Metall ist dabei von Wasserstoff umgeben und kann in diesem als Schutzgas wirkenden Medium auch nicht oxidieren.


WIG-Orbitalschweißen

Der Begriff Orbitalschweißen ist eine Abwandlung aus dem lateinischen Wort orbis = der Kreis. Die Wortverbindung Orbital und Schweißen soll damit einen Prozess bezeichnen, bei dem der Lichtbogen um einen feststehenden Rundkörper (meist Rohr) geführt wird. Der Ausdruck Orbitalschweißen ist grundsätzlich kein exakt definierter Begriff, wird aber allgemein nur für solche Abläufe benutzt, bei denen sich der Lichtbogen mindestens 360° ohne Unterbrechung um das zu verschweißende Werkstück bewegt. Rein schweißtechnisch gehört das Orbitalschweißen in die Rubrik teilmechanisiertes (WIG-)Schweißen. Da wegen der guten Kontrollierbarkeit des Schmelzbades dieser Prozess praktisch nur mit dem WIG-Verfahren ausgeführt werden kann, gelten natürlich auch nahezu alle für das WIG-Schweißen relevanten Regeln wie z. B. Auswahl der Gase, Sauberkeit, Verschweißbarkeit bestimmter Werkstoffe oder aber auch Erzielbarkeit mechanischer Gütewerte. Orbitalschweißen wird heute überall dort eingesetzt, wo sehr hohe Qualitätsansprüche an die Schweißnaht gestellt werden. Diese Ansprüche beschränken sich aber nicht nur auf Festigkeit bzw. Röntgensicherheit, sondern vor allem auch auf die Ausbildungsform der Naht. So ist die flache, gleichmäßige und mit geringer Rauhigkeit erzielbare Wurzel für viele Anwender primäres Kriterium zum Einsatz des Verfahrens. Es wird deshalb heute bevorzugt in folgenden Bereichen eingesetzt:

Chemie
Pharmazie
Lebensmitteltechnik
Biotechnik
Reinstwasseranlagen
Halbleiterindustrie
Luft- und Raumfahrt
Automobiltechnik
Pipelinebau

Widerstandsschweißen
Siehe auch ausführlichen, eigenständigen Artikel Widerstandsschweißen
Punktschweißen
Punktschweißen ist ein Verfahren zum Verschweißen von Blechen. Die Bleche (meist zwei, es sind aber auch Dreiblechschweißungen möglich) werden dabei durch zwei gegenüberliegende Elektroden an einem Punkt zusammengepresst. Durch die Elektroden wird ein Schweißstrom in das Blech eingeleitet. Das Aufschmelzen des Grundwerkstoffes erfolgt an der Stelle des größten elektrischen Widerstandes, d. h. in der Regel am Übergang zwischen den Blechen. Dieser Übergangswiderstand ist etwa 30mal höher als der Widerstand des Materials selbst. Die Elektroden sitzen meistens am Ende einer Punktschweißzange oder an Zylindern. Um ein Überhitzen der Elektroden zu vermeiden, wird häufig auf der Innenseite Kühlwasser hindurchgeleitet. Die Elektroden bestehen in fast allen Fällen aus Kupfer und Legierungen daraus, zum einen wegen der sehr guten Leitfähigkeit für Strom und Wärme, zum anderen aber auch, da der Übergangswiderstand der Elektroden zum Werkstückmaterial nur etwa fünfmal höher ist als der Widerstand im Werkstück selbst. Beim Punktschweißen gilt es auch zu beachten, dass über bereits geschweißte Punkte Strom fließen kann, der sog. Nebenschluss, und damit weniger Wärme an der zu verschweißenden Stelle eingebracht wird. Punktschweißen ist ein wichtiges Verfahren zur Verbindung der Karosserieteile im Automobilbau. In letzter Zeit wird alternativ auch das Druckfügen angewandt.


Rollennahtschweißen
Ein Rollennahtschweißgerät funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie Punktschweißen, kann durch die Rollen aber auch kontinuierliche Nähte erzeugen.


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


Kaltpressschweißen
Kaltpressschweißverbindungen erfolgen unter hohem Druck und unterhalb der Rekristallisationstemperatur der Einzelteile. Hierbei bleiben die Partner im festen Zustand, allerdings ist eine plastische Verformung mit einer starken Annäherung der Kontaktflächen notwendig. Durch die extreme Berührung der beiden Kontaktflächen erfolgt auf Grund von zwischenatomaren Bindekräften eine stabile Verbindung der beiden Werkstücke. Um eine gute Verbindung zu erhalten, sind Mindestverformungen von Materialien mit ausreichender Kaltverformbarkeit notwendig (Beispiel: Kupfer sowie Aluminium miteinander und untereinander). In Einzelfällen ist eine Verbindung auch für die dauerhafte Stromleitung geeignet. Hierzu ist eine vorherige Entfettung und ein Aufreißen der oberflächlichen Oxidschicht hilfreich (Beispiel: Kontaktfahnen bei Becher-Kondensatoren, Alu). Unter speziellen Randbedingungen (wie z. B. Hochvakuum) können Metalle auch mit Keramiken kaltpressverschweißt werden.


Reibschweißen
Beim Reibschweißen werden zwei Teile relativ zueinander bewegt, wobei sich die Teile an den Kontaktflächen berühren. Durch die entstehende Reibung kommt es zur Erwärmung. Am Ende des Reibvorganges ist es von entscheidender Bedeutung, die Teile richtig zueinander zu positionieren und einen hohen Druck auszuüben. Die Vorteile dieses Verfahrens sind, dass die so genannte Wärmeeinflusszone deutlich kleiner ist als bei anderen Schweißverfahren und dass es nicht zur Bildung von Schmelze in der Fügezone kommt.


Rotationsreibschweißen
Das Rotationsreibschweißen ist ein Pressschweißverfahren. Dabei muss mindesten eines der Fügeteile in der Fügezone eine rotationssymmetrische Gestalt aufweisen. Die Energiezufuhr wird ausschließlich durch eine Relativbewegung der Fügeteile zueinander unter Druck eingebracht. Dabei steht ein Fügeteil still und das zweite Teil wird in Rotation versetzt. Weit verbreitet ist die Anwendung, um an Rohre (Bohrgestängen) Verbinder unterschiedlicher Materialgüte anzuschweißen. Das Verfahren wird in Deutschland seit ca. 40 Jahren eingesetzt. Anfänglich wie auch heute waren die unterschiedlichsten Materialkombinationen der große Vorteil dieses Verfahrens. So werden millionenfach im Jahr Auslassventile für Verbrennungsmotoren geschweißt (hochwarmfester Stahl an härtbaren Stahl) und das mit Taktzeiten von weniger als 10s. Mit diesen Schweißverfahren können unterschiedliche Werkstoffe, wie z. B. Stahl und Aluminium stoffschlüssig miteinander verbunden werden.

Maschinen sehen wie Drehmaschinen aus, eine rotierende Spindel und ein nichtrotierendes Gegenstück (das auf einem axial zustellbaren Schlitten gespannt, auf das rotierende Teil gedrückt wird. Die Axialkräfte können je nach Abmessung von wenigen 100 N bis über 10.000 kN (entsprechend 1000 t) reichen. Die jeweiligen Maschinen sind dann so groß wie ein Schreibtisch oder aber auch wie eine Lokomotive.

Positioniertes Reibschweißen stellt eine (optionale) Sonderanwendung dar und bedingt eine Sondersteuerung und Spezialantriebsmotor. Anwendungsfälle hierfür sind z. B. Gelenkwellen, Trailerachsen und Achsstabilisatoren.


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

Das Ultraschallschweißgerät besteht im Wesentlichen aus den Baugruppen:

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


Reibrührschweißen - FSW (Friction Stir Welding)
Das Reibrührschweißen auch FSW-Schweißen genannt, wurde 1991 von Wayne Thomas erfunden und von TWI (The Welding Institute) in Großbritannien patentrechtlich geschützt. Reibrührschweißen ist ein Prozess, der dem Rotationsreibschweißen sehr ähnelt, allerdings wurde dieses Verfahren für das Verschweißen von Blechen entwickelt. Verfahrenstechnisch besteht ein Zusammenhang zwischen Schmieden und Extrudieren, einerseits wird der Werkstoff durch eine vertikal zur Werkstückoberfläche gerichteten Kraft unter Wärmeeinbringung gestaucht und andererseits durch die Geometrie des rotierenden Werkzeugs der teilplastische Werkstoff durch Verwirbelung nach unten gedrückt. Es entsteht ein Extrusionskanal, der bis an die Nahtwurzel reicht (auch Schweißnugget genannt). Die zu fügenden Werkstücke stehen still. Eine besondere Ausformung der Naht vor der Verschweißung ist nicht notwendig. Ein rotierender Bolzen (Pin), reibt so lange an dem zu verbindenden Stoff, bis der Werkstoff (in der Regel Aluminium) zähflüssig wird. Der Pin ist meist mit einem Gewinde versehen, um den Materialfluss gezielt zur Werkstückunterseite zu bewegen. Jetzt fährt der rotierende Bolzen zwischen den beiden Werkstücken hindurch und „verrührt“ das plastifizierte Material (zwischen Liquidus- und Solidustemperatur des Werkstoffs) der beiden Bleche. Das Werkzeug besteht aus einer senkrecht zum Pin angeordneten Schulter, mit einem größeren Durchmesser als der Pin selbst. Die Schulter kann man sich als eine Halbschale vorstellen, welche die Umgebungsluft von der Schweißnaht isolieren soll, der Pin ist für die Verwirbelung des Werkstoffs zuständig. Die Neigung des Werkzeugs zur Werkstückoberfläche beträgt etwa 2-3° in stechender Anordnung.

Vorteile dieses Verfahrens sind die entfallende Gefügeveränderung sowie der Entfall eines Schweißzusatzwerkstoffs und die erzielbaren Nahtfestigkeiten.

Dieses Verfahren wird bereits in der Industrie zur Serienherstellung von verschweißten Strangpressprofilen eingesetzt. Es bietet sehr viele Vorteile, es entsteht kein Schweißrauch, die geringe Temperatur in der Wärmeeinflusszone von etwa 550 °C bewirkt keine nachteilige Beeinflussung des Gefüges und eine Porenbildung ist verfahrenstechnisch nicht möglich, da Wasserstoff bei dieser Temperatur nicht in Lösung gehen kann. Nachteilig war bisher, dass am Ende einer Schweißnaht ein Krater entsteht, der durch die Geometrie des Werkzeugs verursacht wird. Auch hier wurde bereits eine Lösung durch einen automatisch zurückziehbaren Pin gefunden. Gleichzeitig kann durch dieses Verfahren bei Gussstücken ein Werkstoffdefekt aufgehoben bzw. ausgeglichen werden, eine schlechte Gussoberfläche mit Poren kann zu einem hervorragenden Gefüge umgewandelt werden. Diese neue Technologie des Schweißens lässt es zu, Bleche verschiedener Materialien bis 35 mm Dicke zu fügen, des Weiteren ist auch ein Fügen von Metallschäumen möglich. Eine dreidimensionale Schweißung bereitet noch Probleme, die ersten Anwendungen wurden an einem Flugzeugbauteil durchgeführt. Das Werkzeug selbst hat einen geringen Verschleiß, sollte jedoch aus Qualitätsgründen nach etwa 3 km Schweißnaht ausgetauscht werden. Eine bekannte Blech-Anwendung sind z. B. die Deckel beim Mazda MX-5 oder die Hintertüren vom Mazda RX-8. Hier wurde keine Naht gefügt, sondern nur Punkte geschweißt, was man auch Reibpunktschweißen oder FSSW-Schweißen (Friction Stir Spot Welding) nennt. Das Werkzeug führt hier nur eine Vertikalbewegung durch.

Eine Hybridvariante des Reibrührschweißens ist das LAFSW-Schweißen (Laser Assisted Friction Stir Welding). Bei dieser Variante wird zusätzlich Wärmeenergie durch einen Laserstrahl eingebracht, der unmittelbar vor dem rotierenden Werkzeug vorauseilt. Dadurch soll unter anderem eine Verringerung der vertikalen Kraft beim Einführen des FSW-Werkzeugs in das Werkstück und ein Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit erreicht werden, jedoch ist dies wiederum mit einem erhöhten Kostenaufwand bezüglich der Laserinvestition verbunden.

Ebenso wird aus einer Abart dieser Technologie welches mit Laserspektroskopischen Lichtleiterelementen bedient wird, eine Oberfläche hergestellt die nur Abrand- und Plasmatechnologie in ähnlicherweise in einer derart hoher Qualität hergestellt werden kann.


Unterpulverschweißen (UP-Schweißen)
Das Unterpulverschweißen ist ein voll mechanisiertes Lichtbogenschweißverfahren, mit dem hohe Abschmelzleistungen erzielt werden können. Es wird industriell vor allem zum Schweißen langer Nähte häufig eingesetzt und eignet sich nicht zur manuellen Ausführung.

Beim Unterpulverschweißen wird der Schweißprozess von einer Schicht aus grobkörnigem, mineralischen Schweißpulver bedeckt. Dieses schmilzt durch die vom Lichtbogen emittierte Wärme und bildet eine flüssige Schlacke, die aufgrund ihrer geringeren Dichte auf dem metallischen Schmelzbad schwimmt. Durch die Schlackeschicht wird das flüssige Metall vor Zutritt der Atmosphäre geschützt. Der Lichtbogen brennt in einer gasgefüllten Kaverne unter Schlacke und Pulver. Nach dem Schweißvorgang löst sich die Schlackeschicht oft von selbst ab, das nicht aufgeschmolzene Pulver kann wiederverwendet werden. Besonders hervorzuheben ist die weitgehende Emissionsfreiheit dieses Verfahrens, da der Lichtbogen unter der Pulverschicht brennt und nur geringe Mengen Rauch freigesetzt werden. Es ist kein Sichtschutz notwendig. Wegen der Abdeckung des Prozesses hat das Verfahren einen hohen thermischen Wirkungsgrad, was jedoch den Einsatz auf große Blechdicken beschränkt. Bei diesem Schweißverfahren ist wegen der Abdeckung mit Schweißpulver keine unmittelbare Sichtkontrolle des Prozesses möglich. Jedoch werden im allgemeinen Nähte sehr hoher Qualität erzielt, sofern geeignete Schweißparameter verwendet werden.


Laserstrahlschweißen

Rohrlängsnahtschweißen mittels LaserLaserstrahlschweißen wird vor allem zum Verschweißen von Bauteilen eingesetzt, die mit hoher Schweißgeschwindigkeit, schmaler und schlanker Schweißnahtform und bei geringen thermischen Verzügen gefügt werden müssen. Das Laserstrahlschweißen oder Laserschweißen wird in der Regel ohne Zuführung eines Zusatzwerkstoffes ausgeführt.

Das Laserlicht wird mittels einer Optik fokussiert. Die Werkstückoberfläche der Stoßkante, bzw. der Fügestoß der zu verschweißenden Bauteile befindet sich in der unmittelbaren Nähe des Fokus der Optik (Im Brennfleck); die Lage des Fokus relativ zur Werkstückoberfläche (oberhalb oder unterhalb) ist ein wichtiger Schweißparameter und legt z. B. die Einschweißtiefe mit fest. Der Brennfleck besitzt typische Durchmesser von einigen Zehntel Millimetern, wodurch sehr hohe Energiekonzentrationen entstehen, wenn der eingesetzte Laser die typischen Leistungen von einigen Kilowatt Laserleistung besitzt. Durch Absorption der Laserlichtenergie erfolgt auf der Werkstückoberfläche ein extrem schneller Anstieg der Temperatur über die Schmelztemperatur von Metall hinaus, so dass sich eine Schmelze bildet. Durch die hohe Abkühlgeschwindigkeit der Schweißnahnt, wird diese extrem hart und verliert in der Regel an Zähigkeit.

Beim Laserschweißen kann in Lasertiefschweißen und das Wärmeleitungsschweißen unterteilt werden. Dabei unterscheiden die beiden Gebiete hauptsächlich in den verwendeten Strahlintensitäten.


Das Tiefschweißen

LasertiefschweißprozeßBei hohen Strahlintensitäten im Fokus (z. B. bei Stahlwerkstoffen ca. 4 MW/cm² abhängig u. a. von der Verfahrgeschwindigkeit; bei einer Geschwindigkeit von 1 m/min reichen unter Umständen auch etwa 2 MW/cm²) bildet sich in der Schmelze in Strahlrichtung eine Dampfkapillare (mit Metalldampf bzw. teilionisiertem Metalldampf gefüllter, schlauchförmiger Hohlraum), auch keyhole genannt , in der Tiefe des Werkstückes aus. Der Werkstoff wird dadurch auch in der Tiefe in extrem kurzen Zeiten aufgeschmolzen, wenn der auf die Werkstückoberfläche fokussierte Laserstrahl entlang der Stoßfugen zum Verschweißen geführt wird. Das keyhole erhöht hierbei die Absorption der Laserstrahlung in das Material wodurch ein vergrößertes Schmelzvolumen erzeugt werden kann.


Das Wärmeleitungsschweißen
Werden Strahlintensitäten bis 100 kW/cm² verwendet, so fällt das verwendete System unter den Begriff Wärmeleitschweißen. Da Metalle für Laserstrahlen, abhängig von der eingestrahlten Wellenlänge, eine Reflektivität von bis zu 95 % besitzen können, wird beim Wärmeleitungsschweißen kein Keyhole erzeugt. Damit einhergehend ist eine geringere Eindringtiefe der Strahlung, so erklärt sich auch, dass hiermit hauptsächlich geringe Materialdicken geschweißt werden.

Ein großer Vorteil lasergeschweißter Bauteile ist der durch die konzentrierte Energieeinkopplung vergleichsweise geringer Energiemengen (im Vergleich zu anderen Schweißverfahren) in das Werkstück geringe thermisch bedingte Verzug. Daher wird dieses Schweißverfahren oftmals zum Fügen von Komponenten zu Fertigbauteilen eingesetzt (z. B. Gangrad und Synchronkörper -> Getrieberad).

Eine Laserschweißanlage besteht in der Regel aus dem Laser, einer CNC-gesteuerten mehrachsigen Bewegungseinheit, einem optischen System zur Führung des Laserstrahles innerhalb des Bewegungssystemes, einer Bearbeitungs- und Fokussier-Optik und einer Werkstückaufnahmevorrichtung. Das Bewegungssystem bewegt entweder den Laserstrahl über das Werkstück oder das Werkstück unter dem Laserstrahl hindurch. Seltener sind Bauformen, wo sowohl das Werkstück als auch der Laserstrahl bewegt werden. Eine relativ neue Entwicklung macht von Scannersystemen zur Bewegung des gebündelten Laserstrahles über das Werkstück Gebrauch. Scannersysteme bestehen aus einer Kombination von rotierenden Facettenspiegeln oder verkippbaren Ablenkspiegeln, die den Laserstrahl über die einstellbaren Winkel der Spiegel an unterschiedliche Orte reflektieren können. Der Vorteil liegt hauptsächlich in der sehr hohen möglichen Geschwindigkeit der Positionierung des Laserstrahles. Diese Technik setzt voraus, dass der Laser einen Laserstrahl sehr hoher Strahlqualität bei vergleichsweise hoher Laserleistung liefert (z. B. Faserlaser, Scheibenlaser, CO2Slab-Laser o. ä.). Diese Art des Laserschweißens wird dann als Remote-Schweißen bezeichnet.

Häufig verwendete Strahlquellen beim Laserschweißen von Metallen sind der Nd:YAG-Laser (Wellenlänge ca. 1,06 µm) und der CO2-Laser (Wellenlänge ca. 10,6 µm). Neuerdings werden immer häufiger auch Diodenlaser eingesetzt, da inzwischen Halbleiterlaser im Hochleistungsbereich (einige 100 Watt) hergestellt werden können. Vorteilhaft ist hierbei eine wesentliche höhere Konversionseffizienz im Vergleich zu Nd:YAG und CO2-Laser. Dabei ist der Strahl des Nd:YAG-Lasers und des Diodenlasers fasergängig, d. h. er wird über einen Lichtwellenleiter bzw. Glasfaserkabel in die Laserschweißoptik geführt, die in der Regel aus einem Linsensatz besteht. Der CO2-Strahl hingegen wird durch die Luft geführt und über Spiegel an die Schweißstelle gelenkt und dort entweder mittels Linsen, oder verbreiteter, mittels Fokussierspiegel fokussiert.

Besonderheit des Laserschweißens ist, dass sämtliche Nahtgeometrien hergestellt werden können. Stumpfnähte, Überlappnähte oder Kehlnähte stellen für Laser keine Probleme dar. Wichtig hierbei ist allerdings, dass die zu überbrückenden Spaltmaße nicht überreizt werden dürfen, da sonst Zusatzwerkstoffe zur Überbrückung verwendet werden müssen.


Laserschweißen von Kunststoffen

LaserkunststoffschweißprozeßBeim Laserschweißen von Kunststoffen können ausschließlich Thermoplaste verwendet werden. Grund hierfür liegt darin, dass ausschließlich diese Kunststoffe thermisch plastisch verformbar sind.

Das Laserschweißen von Kunststoffen findet meist im Überlappverfahren statt. Dazu werden zwei Schweißpartner verwendet. Dabei ist der obere ein lasertransparenter (abhängig von der Laserwellenlänge) Thermoplast. Durch diesen oberen Thermoplasten strahlt der Laser hindurch. Da dieser Stoff für den Laser transparent ist, erhitzt sich dieser kaum. Somit kann dieser Kunststoff nicht erwärmt bzw. ohne Partner verschweißt werden. Um nun eine Schweißnaht herzustellen muss der zweite Partner die Strahlung absorbieren. Dazu kann zum Beispiel ein lasertransparenter Thermoplast durch Dotierung mit additiven Partikeln (z. B. Rußpartikeln (ca. 0,3 Gew.-%)) zum absorbierenden Medium werden oder es werden dunkle Thermoplaste verwendet. Nimmt dieser Stoff nun die Energie auf, so beginnt dieser zu schmelzen und gibt dabei seine Temperatur auch an den oberen Partner weiter. Damit die Energie tatsächlich an den Partner weitergegeben werden kann müssen beide Partner zusammengepresst werden, da sonst die Energie verloren geht. Somit ist es möglich, dass beide Partner in eine flüssige Phase überführt werden und sie sich so gegenseitig austauschen können. Durch das Zusammenfließen der beiden Stoffe kann so eine Schweißnaht hergestellt werden.

Häufig verwendete Laser sind Diodenlaser, da die Strahlqualität für dieses Schweißverfahren meist nicht so hochwertig gewählt werden muss.


Elektronenstrahlschweißen
Beim Elektronenstrahlschweißen wird die benötigte Energie von durch Hochspannung (60–150 kV) beschleunigten Elektronen in die Prozesszone eingebracht. Die Strahlbildung erfolgt immer im Vakuum. Der Schweißvorgang wird meist im Vakuum ausgeführt, bei manchen Anlagen an der Atmosphäre. Beim Aufprall der Elektronen auf das Werkstück setzen diese einen Großteil ihrer kinetischen Energie in Wärme um. Das Elektronenstrahlschweißen bietet eine etwa gleich große Leistungsflussdichte wie das Laserstrahlschweißen bei deutlich höherem Wirkungsgrad (Laser: 3–14 %, Elektronenstrahl: ca. 70 %).

Es sind hohe Schweißgeschwindigkeiten mit extrem tiefen und schmalen Nähten möglich. Durch die geringen Nahtbreiten kann der Verzug sehr klein gehalten werden. Beim Schweißen kleiner Schweißnähte kommt das Verfahren zum Einsatz, da der Elektronenstrahl durch angelegte elektrische Felder exakt abgelenkt werden kann. Das Spektrum möglicher Nahttiefen liegt zwischen 0,3 mm und 300 mm (Aluminium), bei Stahl 150 mm.

Die hohe Energiedichte erlaubt das Verschweißen aller, auch höchstschmelzender, Metalle sowie die Herstellung von Mischverbindungen durch das Verschweißen verschiedener Materialien, z. B. von Stahl und Bronze. Aufgrund der Weiterentwicklung auf dem Gebiet der Vakuumtechnik und des Einsatzes ausgeklügelter Anlagensysteme sind Wartezeiten bis zur Herstellung des notwendigen Drucks (ca. 0,1 Pa) kaum mehr relevant. Vielmehr ist es durch die Abwesenheit schädigender Prozessgase möglich, auch hochreaktive Werkstoffe zu verschweißen. Beispielsweise ist Elektronenstrahlschweißen das einzige Verfahren zum (Tief-)Schweißen von Titan.

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


Aluminothermisches Schweißen
Dieses Verfahren ist auch unter dem Namen Thermit-Schweißen bekannt und wird vor allem beim Verschweißen von Bahnschienen angewendet. In einem Tiegel, der unten ein Loch hat und auf der Verbindungsstelle steht, wird (z. B. mit Hilfe eines Magnesiumspanes) eine Mischung aus Eisenoxidpulver und Aluminiumpulver entzündet, woraus sich bei einer Temperatur von ca. 2450 °C flüssiges Eisen und darauf schwimmende Aluminiumoxid-Schlacke bilden (Fe2O3 + 2 Al = 2 Fe + Al2O3).


Sprengschweißen
Mit Hilfe des Sprengschweißverfahrens ist es möglich, zwei nichtschweißbare Materialien dauerhaft und fest miteinander zu verbinden. Dabei werden die beiden Schweißflächen, unter Zuhilfenahme von Sprengstoff, mit mindestens 100 m/s² unter einem Winkel von 2° bis 30° aufeinanderzu beschleunigt. Die Kollisionsenergie bringt die Schweißpartner bis zur atomaren Ebene zusammen, so dass auch die Gitterkräfte (bei Metallen) wirken. Da die Schmelztemperatur nicht erreicht wird, können sich keine intermateriellen Phasen bilden. In der industriellen Anwendung werden meist zwei, auf konventionelle Weise nichtschweißbare Metallpartner so miteinander verbunden, z. B. Titan und Kupfer. Als Sprengstoffe kommen vorwiegend hochbrisante, plastische PETN-, RDX- und HDX-Sprengstoffe, wie z. B. Semtex (Fa. Explosia) oder Seismoplast (Fa. DYNAenergetics) mit Detonationsgeschwindigkeiten von >5000 m/s zum Einsatz. Durch den Aufprall der Schweißpartner entstehen an den Grenzflächen wellenartige Verwerfungen, die eine formschlüssige Verbindung herstellen.


Diffusionsschweißen
Das Diffusionsschweißen ist eine etwa 50 Jahre alte Schweißtechnik, um vorwiegend metallische Werkstücke miteinander zu verbinden. Die Qualität der Schweißverbindungen ist außerordentlich hoch und kann im Bereich des verwendeten Materials liegen.

Diffusionsschweißen geschieht bei hohem Druck (typische Größenordnung: Fließgrenze) und etwas unterhalb der Solidustemperatur. Aber auch unter Raumtemperatur können Metalle zu Diffusionsverschweißen neigen, sofern ihre Flächen außerordentlich eben und glatt ausgebildet sind. Endmaße beispielsweise können schon nach kurzer Zeit miteinander Kaltverschweißen, wenn sie angesprengt sind, also sehr nah beieinander liegen.

Bei dem vorwiegend in der Pulvermetallurgie eingesetzten Verfahren Heißisostatisches Pressen (HIP) werden die Werkstücke in einem Stahlblechkanister eingeschweißt und anschließend evakuiert oder offen in eine Druckkammer gelegt. Ein Schutzgas mit entsprechendem Druck und Temperatur presst die Bauteile zusammen. Die Kraft wirkt so von allen Seiten, also isostatisch.
Die zweite Variante wird auch als Uniaxial Diffusion Weld (UDW) bezeichnet. Hierbei wird eine einachsige Kraft meist mittels einer hydraulischen Presse senkrecht zur verbindenden Fläche ausgeübt. Die Presse verfügt entweder über einen Vakuumbehälter oder es wird ein zum HIP-Verfahren analoger Kanister benutzt.

Arbeitsschutz
Grundsätzlich gilt: Metallschweißen ist mit starken Strömen bzw. explosiven Gasen, giftigen Abgasen, gefährlichem Licht und Wärmeentwicklung sowie Spritzern flüssigen Metalls verbunden. Eine entsprechend fachkundige Einweisung sollte daher selbstverständlich sein; im gewerblichen Bereich ist ein Ausbildungsnachweis (z. B. Facharbeiterbrief oder Lehrgangsprüfung einer Handwerkskammer) erforderlich.
Roboter beim SchutzgasschweißenBeim Autogenschweißen braucht man nur Schutzgläser, damit keine glühenden Teile oder Funken in die Augen gelangen. Allerdings sind auch die Gläser verdunkelt, damit man die Schweißumgebung besser sieht.

Beim Lichtbogenschweißen entsteht einerseits gefährliche Ultraviolettstrahlung die insbesondere die Augen schwer schädigen kann. Andererseits Infrarotstrahlung, die auf ungeschützten Körperteilen schwere Verbrennungen erzeugt. Deshalb müssen Schutzgläser, die diese Strahlung abschirmen, verwendet werden. Die Schutzklassen für derartige Gläser sind in der Europäischen Norm EN 169 festgelegt. So sind zum Autogenschweißen die Schutzklassen 2 bis 8, für offenes Lichtbogenschweißen dagegen die Klassen 9 bis 16 vorgesehen. Die Schutzgläser tragen eine Beschriftung, die die Eigenschaften des Glases charakterisiert. Die Angabe ist wie folgt: Schutzklasse Herstellerkürzel [opt. Klasse] 98 DIN-Norm. Der moderne Ersatz für Schutzgläser sind automatische Schweißerschutzfilter.

Da die UV-Strahlung auch die normale Haut schädigt, wird ein Schirm verwendet, der das ganze Gesicht abdeckt. Vor dem eigentlichen fast schwarzen Glas ist meist ein normales Glas, das die Funken abhält und billiger auszutauschen ist. Um beide Hände frei zu haben, kann der Schirm an einem Schutzhelm oder einer auf dem Kopf getragenen Vorrichtung klappbar angebracht werden. Zusätzlich ist spezielle schwer entflammbare Schweißerkleidung zu tragen, die alle Hautflächen sicher abdeckt. Viele Schweißverfahren sind sehr laut, ein angemessener Gehörschutz ist daher vonnöten.
selbstreinigender Schweißrauchfilter mit ePTFE-FilterBeim Schweißen entstehen auch feinste Staubpartikel, die abgesaugt werden müssen, damit diese nicht in die Lunge des Schweißers gelangen und von dort in die Blutbahn diffundieren können. Zu diesem Zweck werden mobile oder stationäre Schweißrauchfilter eingesetzt, die diese ultrafeinsten Partikel absaugen und filtern. Stand der heutigen Technik sind so genannte ePTFE-Filter mit einer hervorragenden Oberflächenfiltration. Wenn keine effektive Absaugung des Schweißrauchs sichergestellt werden kann, muss der Schweißer durch eine persönliche Schutzausrüstung in Form eines Gebläsefiltergerätes (PAPR) geschützt werden.

Beim Schweißen müssen auch die sich in der Umgebung befindlichen Personen vor der Strahlung und dem Lärm geschützt werden. Dazu gibt es extra Schweißlamellen- und Schweißervorhänge bzw. Schallschutztrennwandsysteme.
Einzelnachweise
^ technolix.net (8.7.2007)

Literatur
Fachgruppe für die schweißtechnische Ingenieurausbildung: Fügetechnik Schweißtechnik. DVS Verlag, 6. überarb. Auflage 2004, ISBN 3-87155-786-2
U. Dilthey, A. Brandenburg: Schweißtechnische Fertigungsverfahren. Band 3: Gestaltung und Festigkeit von Schweißkonstruktionen. Springer Verlag, 2. Auflage, 2001, ISBN 3-540-62661-1
H. Hügel: Strahlwerkzeug Laser. Teubner Studienbücher Maschinenbau, Stuttgart 1992, ISBN 3-519-06134-1
U. Dilthey (Hrsg.): Laserstrahlschweißen - Prozesse, Werkstoffe, Fertigung, Prüfung. DVS-Verlag, Düsseldorf 2000, ISBN 3-87155-906-7
H. Schultz: Elektronenstrahlschweißen. Fachbuchreihe Schweißtechnik Band 93. DVS-Verlag, Düsseldorf 2000, ISBN 3-87155-192-9

 

 

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