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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