Schweißen

Dieser Artikel erläutert das unlösbare Verbinden von Bauteilen. Der Terminus Verschweißung für eine dauerhafte oder temporäre Verbindung größerer Teile wird auch in der Tribologie (Festfressen von Gleitflächen) und in der Geologie (Plattentektonik) verwendet.

Lichtbogenhandschweißen

Unter Schweißen versteht man (gemäß EN 14610 und DIN 1910-100) „das unlösbare Verbinden von Bauteilen unter Anwendung von Wärme oder Druck, mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoffen“. Von allen Verfahren ist das Schmelzschweißen das bekannteste, wobei die zu verbindenden Werkstoffe bis zu deren Verflüssigung erhitzt werden und sich vermischen, so dass sie nach dem Erstarren fest miteinander verbunden sind.

Zweck des Schweißens

Stoßarten:
1. Stumpfstoß, z. B. für I-Naht
2. Stoß für V-Naht
3. Überlappungsstoß, für Punktnaht
4. T-Stoß für Kehlnaht

Bei der Begriffsbestimmung wird nach dem Zweck des Schweißens zwischen der Verbindungs- und Auftragschweißung unterschieden. Verbindungsschweißen ist das Zusammenfügen (DIN 8580) von Werkstücken, beispielsweise mit einer Rohrlängsnaht. Auftragschweißen ist das Beschichten (DIN 8580) eines Werkstückes durch Schweißen. Sind der Grund- und der Auftragwerkstoff unterschiedlich, wird unterschieden zwischen Auftragschweißen von Panzerungen, Plattierungen und Pufferschichten.

Schmelzschweißen ist Schweißen bei örtlich begrenztem Schmelzfluss, ohne Anwendung von Kraft mit oder ohne gleichartigem Schweißzusatz (ISO 857-1). Im Gegensatz zum Löten wird dabei die Liquidustemperatur der Grundwerkstoffe überschritten. Prinzipiell können alle Materialien, die in die schmelzflüssige Phase überführbar sind, durch Schweißen verbunden werden. Häufigste Anwendung findet das Schweißen bei der stoffschlüssigen Verbindung von Metallen, Thermoplasten oder auch beim Glas sowohl bei Gebrauchsprodukten, als auch zur Verbindung von Glasfasern in der Nachrichtentechnik. Die Verbindung erfolgt je nach Schweißverfahren mit einer Schweißnaht oder einem Schweißpunkt, beim Reibschweißen auch flächig. Die zum Schweißen notwendige Energie wird von außen zugeführt.

Der Begriff Bahnschweißen wird bei Verwendung von Robotern für das automatisierte Schweißen verwendet. ^[1]

Einfluss der Schweißung auf den Grundwerkstoff

Der Grundwerkstoff kann durch die Schweißwärme und die anschließende verhältnismäßig schnelle Abkühlung nachteilige Eigenschaften aufweisen. Abhängig vom Werkstoff und der Abkühlprozesse können beispielsweise eine Aufhärtung oder Versprödung verursacht werden. Darüber hinaus können hohe Eigenspannungen im Übergang der Schweißnaht zum Grundwerkstoff entstehen. Dem kann durch eine Vielzahl von Gegenmaßnahmen in der Fertigung begegnet werden. Dazu zählen schweißtechnische Maßnahmen, wie zum Beispiel die Auswahl geeigneter Schweißverfahren, Schweißzusatzwerkstoffe und Schweißnaht-Nachbehandlungsverfahren, Vorwärmung des Werkstücks ebenso wie konstruktive- und fertigungstechnische Maßnahmen, beispielsweise die richtige Schweiß- und damit Zusammenbaufolge, Auswahl geeigneter Nahtformen und, sofern Wahlmöglichkeit vorhanden, die Auswahl des richtigen Grundwerkstoffs.

Schweißeignung des Stahls

Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,22 % gelten nur noch als bedingt schweißbar, es sind zusätzliche Maßnahmen wie beispielsweise das Vorwärmen erforderlich. Der Kohlenstoffgehalt des Stahls alleine macht jedoch keine Aussage über die Schweißbarkeit, da diese auch von vielen anderen Legierungselementen beeinflusst wird. Zur Beurteilung wird daher das Kohlenstoffäquivalent (CEV) berücksichtigt. Bei vielen Bauteilen sind, abhängig von Konstruktion und Werkstoff, zur Vermeidung von Rissbildung und Brüchen (Terrassenbrüche), Zusatzmaßnahmen erforderlich, Vorwärmen oder langsames Abkühlen, Spannungsarmglühen oder Pufferschweißungen. Im Allgemeinen sind hoch- oder höherlegierte Stähle schwieriger schweißbar und erfordern besonderes Wissen und Kontrollen des Fertigers. In allen Unternehmen wird unter anderem auch deshalb, neben den zwingend erforderlichen geprüften Schweißern, eine verantwortliche Schweißaufsicht bestellt. Ohne Bestellung ist der Firmeninhaber automatisch haftende Schweißaufsicht. Ab der Klasse B muss speziell ausgebildetes Schweißfachpersonal, wie beispielsweise Schweißfachingenieur/-techniker/-mann eingesetzt werden, um die nötige fachtechnische Begleitung der Schweißarbeiten zu gewährleisten.^[2]

Lebensdauerverlängerung durch Nachbehandlungsmethoden

Beispiel einer mittels hochfrequenten Hämmerns nachbehandelten Schweißkonstruktion

Die Betriebsfestigkeit und Lebensdauer dynamisch belasteter, geschweißter Stahlkonstruktionen wird in vielen Fällen durch die Schweißnähte, insbesondere die Schweißnahtübergänge bestimmt. Durch gezielte Nachbehandlung der Übergänge durch Schleifen, Strahlen, Kugelstrahlen, hochfrequentes Hämmern, etc. oder die sogenannte Nahtabdichtung (passiver Korrosionsschutz durch Beschichtung mit einem korrosionsbeständigem, langlebigem Material, z.B. Kunststoffe) kann die Lebensdauer mit einfachen Mitteln bei vielen Konstruktionen erheblich gesteigert werden.

Feuerschweißen

Schmiedefeuer, unverzichtbar zum Feuerschweißen

Autogenschweißung mit Zusatzdraht an einer Automobilkarosserie

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 eine stark reduzierende Flamme bzw. 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.^[3]

Gasschmelzschweißen

Beim Gasschmelzschweißen (G) nach ISO 857-1 (Gasschmelzschweißen mit der Sauerstoff-Acetylen-Flamme, EN ISO 4063: Prozess 311), umgangssprachlich auch Autogenschweißen genannt, wird das Metall durch Verbrennungsgase, in der Regel eines Acetylen-Sauerstoff-Gemisches, erhitzt. Die Temperatur der Flamme beträgt dabei etwa 3200 °C. In der Regel wird ein Schweißdraht als Zusatzwerkstoff verwendet. Die Gasflamme schirmt das Schweißbad gegenüber der umgebenden Atmosphäre ab; bei neutraler Einstellung des Brenners wird in dem Bereich der Flamme, der zum Schweißen verwendet wird, exakt so viel Sauerstoff zugeführt, wie das Acetylen für die Verbrennung benötigt.

Das Gasschmelzverfahren eignet sich sowohl für Schweißarbeiten im Werk als auch auf der Baustelle. Je nach Art der Zusatzdrahtführung unterscheidet man das „Nach-Links-Schweißen“, bei dem der Draht in Schweißrichtung vor dem Schmelzbad geführt wird, oder das „Nach-Rechts-Schweißen“, bei dem die Flamme vor dem Draht geführt wird. Durch den großen Wärmeeinflussbereich wird ein hoher Verzug am Werkstück hervorgerufen. Das relativ langsame Verfahren eignet sich in erster Linie zum Schweißen dünner Bleche und einiger NE-Metalle sowie für Reparatur- und Auftragsschweißung. Besonders im Heizungs-, Installations- und Rohrleitungsbau kommt dieses Verfahren zur Anwendung, verliert jedoch auch dort zunehmend an Bedeutung. ^[4]

Lichtbogenhandschweißen

Das Lichtbogenhandschweißen (E-Handschweißen EN ISO 4063: Prozess 111) ist eines der ältesten elektrischen Schweißverfahren für metallische Werkstoffe, welches heute noch angewandt wird. Nikolai Gawrilowitsch Slawjanow ersetzte 1891 die bis dahin zum Lichtbogenschweißen üblichen Kohleelektroden durch einen Metallstab, der gleichzeitig Lichtbogenträger und Schweißzusatz war. Da die ersten Stabelektroden nicht umhüllt waren, war die Schweißstelle nicht vor Oxidation geschützt. Deshalb waren diese Elektroden schwierig zu verschweißen.

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

Lichtbogenschweißer bei der Arbeit

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

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

Hauptanwendungsbereich des Lichtbogenhandschweißens ist der Stahl- und Rohrleitungsbau. Elektrodenschweißungen werden wegen der deutlich geringeren Schweißgeschwindigkeiten bevorzugt im Montagebereich angewendet, da der maschinelle Aufwand im Vergleich zu anderen Verfahren verhältnismäßig gering ist. Eine Elektrodenschweißung kann auch unter ungünstigen Witterungsverhältnissen, wie beispielsweise Wind und Regen noch fehlerfrei durchgeführt werden, was gerade auch bei Außenarbeiten von Bedeutung ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Schweißung – im Unterschied zu anderen Verfahren – auch dann häufig noch mängelfrei durchgeführt werden kann, wenn die Schweißfuge nicht vollständig metallisch blank ist.^[5] Lichtbogenhandschweißen ist auch unter Wasser möglich.^[6]

Schutzgasschweißen (SG)

Schutzgasschweißen

Metallschutzgasschweißen
1. Vorschubrichtung
2. Kontakthülse
3. Schweißdraht
4. Schutzgas
5. Schmelzgut
6. Schweißraupe
7. Grundmaterial

Metallschutzgasschweißen (MSG)

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

Wahlweise können beim Metallschutzgasschweißen auch Fülldrähte, auch Röhrchendrähte genannt, eingesetzt werden (mit Aktivgasschweißen EN ISO 4063: Prozess 136, mit Inertgas EN ISO 4063: Prozess 137). Diese können im Inneren mit einem Schlackebildner und ggf. Legierungszusätzen versehen sein. Sie dienen dem gleichen Zweck wie die Umhüllungen der Stabelektrode. Einerseits tragen die Inhaltsstoffe zum Schweißvolumen bei, andererseits bilden sie eine Schlacke auf der Schweißraupe und schützen die Naht vor Oxidation. Letzteres ist vor allem bei dem Schweißen von Edelstählen wichtig, da die Oxidation, das „Anlaufen“ der Naht auch nach dem Weiterführen des Brenners und damit dem Weiterführen der Schutzgasglocke verhindert werden muss. ^[7][8]

Geschichte

Das MSG-Schweißen wurde erstmals 1948 in den USA in der Inertgas- bzw. Edelgas-Variante angewandt, damals wurde es auch als SIGMA-Schweißen (engl. shielded inert gas metal arc) bezeichnet.

In der Sowjetunion wurde ab 1953 anstelle der teuren Edelgase wie Argon oder Helium ein aktives Gas zum Schweißen verwendet, nämlich Kohlendioxid (CO₂). Dies war nur möglich, weil inzwischen auch Drahtelektroden entwickelt wurden, die den beim Aktivgasschweißen höheren Abbrand von Legierungselementen ausgleichen.

In Österreich wurde bis 2005 das CMT (Cold Metal Transfer)-Schweißen serientauglich entwickelt, bei dem der Schweißstrom gepulst wird und Zusatzdraht mit hoher Frequenz vor und zurückbewegt wird, um eine gezielte Tropfenablösung bei geringer Wärmeeinbringung zu erreichen.

Wolfram-Inertgasschweißen (WIG)

Das Wolfram-Inertgasschweißen (WIG-Schweißverfahren, engl. TIG, EN ISO 4063: Prozess 141) stammt aus den USA und wurde dort 1936 unter dem Namen Argonarc-Schweißen bekannt. Erst Anfang der 1950er Jahre begann es sich auch in Europa durchzusetzen. In englischsprachigen Ländern heißt das Verfahren TIG oder auch GTAW. Dabei steht das TIG für Tungsten Inert-Gaswelding und GTAW für Gas Tungsten Arc Welding. In beiden Abkürzungen findet sich das Wort „Tungsten“ wieder, dies ist der englische Begriff für Wolfram.

WIG-Schweißen

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

Rohrwurzellage im WIG- Schweißverfahren

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

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

• Bei der historischen Kontaktzündung (Streich- oder Anreißzündung) wird ähnlich dem Elektrodenschweißen die Wolframelektrode kurz – gleich einem Streichholz - am Werkstück angestrichen und somit ein Kurzschluss erzeugt. Nach dem Abheben der Elektrode vom Werkstück brennt der Lichtbogen zwischen Wolframelektrode und Werkstück. Ein großer Nachteil dieses Verfahrens ist, dass bei jedem Zünden etwas Material von der Wolframelektrode hängenbleibt, das wegen der höheren Schmelztemperaturen des Wolframs als Fremdkörper im Schmelzbad zurückbleibt. Deshalb wurde häufig eine separate Kupferplatte, auf dem Werkstück liegend, zum Zünden verwendet.
• Die Hochfrequenzzündung hat die Streichzündung praktisch vollständig ersetzt. Bei der Hochfrequenzzündung wird mit Hilfe eines Hochspannungsimpulsgenerators, der eine hohe Spannung auf die Wolframelektrode gibt, das Gas zwischen Elektrode und Werkstück ionisiert, wodurch der Lichtbogen gezündet wird. Der Hochspannungsimpulsgenerator hat eine ungefährliche Stromstärke.
• Eine Variante der Kontaktzündung ist die Lift-Arc-Zündung. Die Elektrode wird direkt an der Schweißstelle auf dem Werkstück aufgesetzt. Es fließt ein geringer Strom, der nicht ausreicht, die Elektrode zu beschädigen. Beim Abheben des Brenners zündet der Plasmalichtbogen und die Elektronik der Schweißmaschine erhöht den Strom auf Schweißstromstärke. Vorteil dieser Methode ist das Vermeiden elektromagnetischer Störungen, die bei der Hochfrequenzzündung auftreten können.

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

Das Schutzgas wird durch die Gasdüse zur Schweißstelle geleitet. Als Faustregel gilt: Gasdüseninnendurchmesser = 1,5 × Schmelzbadbreite. Die Schutzgasmenge ist unter anderem von Nahtform, Werkstoff, Schweißposition, Schutzgas und Düsendurchmesser abhängig; Informationen dazu lassen sich den Datenblättern der Hersteller entnehmen.

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

WIG-Schweißen mit Zusatzdraht

Bei der WIG-Schweißung unterscheidet man Gleich- und Wechselstromschweißen. Das Gleichstromschweißen mit negativ gepolter Elektrode wird zum Schweißen von Stählen aller Art, NE-Metallen und deren Legierungen eingesetzt. Demgegenüber wird das Wechselstromschweißen vorwiegend zum Schweißen der Leichtmetalle Aluminium und Magnesium eingesetzt. In Sonderfällen werden Leichtmetalle auch mit Gleichstrom und mit einer positiven Elektrode geschweißt. Dabei werden Spezialschweißbrenner mit einer sehr dicken Wolframelektrode und Helium als Schutzgas verwendet. Nötig ist die Pluspolung der Wolframelektrode bei Leichtmetallen, da diese zumeist eine harte Oxidschicht mit sehr hohem Schmelzpunkt (wie bei Aluminiumoxid, Magnesiumoxid) auf ihrer Oberfläche bilden. Diese Oxidschicht wird bei einer Minuspolung des Werkstücks aufgebrochen, da das Werkstück nun als Elektronen emittierender Pol fungiert und negative Sauerstoffionen abgeführt werden. ^[9]

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

WIG-Impulsschweißen

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

Bei allen Beschreibungen handelt es sich um manuelles oder teilmechanisiertes WIG-Schweißen mit Zusatzwerkstoff vorwiegend ø 1,6 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. Das Heften stellt das Hauptproblem dar, wenn ein Spalt vorhanden ist und so wurzelseitig Sauerstoff Zutritt hat. Der Einfluss der Wolframelektrodenlegierung und die Zusammensetzung des Schutzgases ist wichtig; diese Parameter beeinflussen den Prozess wesentlich.^[10]

Plasmaschweißen

Plasmaschneidbrenner

Beim Plasmaschweißen (Plasma-Metall-Inertgasschweißen, EN ISO 4063: Prozess 151) dient ein Plasmastrahl als Wärmequelle. Plasma ist ein durch einen Lichtbogen hocherhitzes elektrisch leitendes Gas. Im Plasmabrenner wird durch Hochfrequenzimpulse das durchströmende Plasmagas (Argon) ionisiert und ein Hilfslichtbogen (Pilotlichtbogen) gezündet. Dieser brennt zwischen der negativ gepolten Wolframelektrode und der als Düse ausgebildeten Anode und ionisiert die Gassäule zwischen Düse und plusgepoltem Werkstück. Ein berührungsloses Zünden des Lichtbogens ist dadurch möglich. Als Plasmagas sind Gasgemische aus Argon und Wasserstoff bzw. Argon und Helium gebräuchlich die die Schmelze vor Oxidation schützt und den Lichtbogen stabilisieren. Die geringfügigen Beimischungen von Helium oder Wasserstoff, verstärken den Einbrand und erhöhen dadurch die Schweißgeschwindigkeit. ^[11] Die Einengung des Plasmas durch die wassergekühlte Kupferdüse zu einer fast zylindrischen Gassäule ergibt eine höhere Energiekonzentration als beim WIG-Schweißen, wodurch höhere Schweißgeschwindigkeiten möglich sind. Der Verzug und die Spannungen sind daher geringer als beim WIG-Schweißen. Durch den noch bei geringsten Stromstärken (weniger als 1 A) stabil brennenden Plasmalichtbogen und die Unempfindlichkeit bei Abstandänderungen der Düse zum Werkstück wird das Verfahren auch in der Mikroschweißtechnik eingesetzt. Mit dem Mikroplasmaschweißverfahren (Schweißstrombereich 0,5-15 A) können Bleche mit 0,1 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. ^[12]

Arcatom-Schweißen

Arcatom-Schweißen (Metall-Lichtbogenschweißen, EN ISO 4063: Prozess 101) ist ein von Irving Langmuir im Jahre 1924 erfundenes Verfahren, das die Rekombinationsenergie von atomarem Wasserstoff zum Schweißen benutzt.

Dafür wird normales (molekulares) Wasserstoffgas durch einen Lichtbogen zwischen zwei unterschiedlich gepolten Wolframelektroden (Langmuir-Fackel) in die Richtung der Schweißstelle geblasen, wobei atomarer Wasserstoff entsteht.^[13] An dem zusammenzuschweißenden Metall bildet sich wieder molekularer Wasserstoff unter Abgabe großer Energien auf eine kleine Fläche:

$ \mathrm {2\ H\ \rightarrow \ H_{2}} \qquad \Delta H_{R}^{0}=-436{,}22\ \mathrm {kJ/mol} $

Zwei H-Atome reagieren zu einem H₂-Molekül und setzen dabei Energie frei.

Dabei können Temperaturen bis zu 4000 °C entstehen. Das bearbeitete Metall ist dabei von Wasserstoff umgeben und kann in diesem als Schutzgas wirkenden Medium nicht oxidieren. Das Verfahren kann nur bei Werkstoffen angewendet werden, die nicht zur Wasserstoffversprödung neigen. Das Verfahren gilt als veraltet und wird kaum noch genutzt.

Orbitalschweißen

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

Widerstandsschweißen

Widerstandspunktschweißen

Widerstandspunktschweißgerät

Widerstandspunktschweißungen am Wasserkanal der Heckklappe des Audi A3.

Punktschweißen (Widerstandspunktschweißen RP, EN ISO 4063: Prozess 21) ist ein Widerstandsschweißverfahren zum Verschweißen von Blechen. Die Bleche werden dabei durch zwei gegenüberliegende Elektroden an einem Punkt zusammengepresst. Durch die Elektroden wird ein Schweißstrom in das Blech eingeleitet. Das Aufschmelzen des Grundwerkstoffes erfolgt an der Stelle des größten elektrischen Widerstandes, in der Regel am Übergang zwischen den Blechen. Dieser Übergangswiderstand ist etwa 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, wie zum Beispiel Glidcop. Dies geschieht zum Einen wegen der sehr guten Leitfähigkeit für Strom und Wärme, zum Anderen aber auch wegen des Übergangswiderstands der Elektroden zum Werkstückmaterial, der nur etwa fünfmal höher ist als der Widerstand im Werkstück selbst.

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

Eine Sonderform des Punktschweißens ist das Bolzenschweißen, welches auch Merkmale des Lichtbogenschweißens aufweist. Hierbei werden Bolzen auf Blech oder auch massive Körper geschweißt. Das Verfahren ist ohne rückseitige Kontaktierung ausführbar und hat hohe Bedeutung beispielsweise bei der Aufschweißung von Ankerbolzen für die kraftschlüssige Verbindung von Beton und Stahl. Eine typische Anwendung ist hier der Straßenbrückenbau. ^[14]

Rollennahtschweißen

Beim Rollennahtschweißen (EN ISO 4063: Prozess 22) sind die Elektroden im Vergleich zum Punktschweißgerät scheibenförmig ausgeführt und rollen auf den, zwischen den Scheiben hindurchgeförderten Fügepartnern, ab. Somit lassen sich, anders als beim Punktschweißen, quasi-kontinuierliche Nähte erzeugen, die aus der Überlagerung einzelner Schweißpunkte bestehen^[15]. Ein Rollennahtschweißgerät funktioniert nach dem gleichen Schweißprinzip wie das Punktschweißen. Ein Anwendungsbeispiel des Verfahrens ist die Herstellung des zylindrischen Teiles von Weißblech-Konservendosen.

Buckelschweißen

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

Widerstandsstumpfschweißen

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

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

Kaltpressschweißen

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

Reibschweißen

Beim Reibschweißen (EN ISO 4063: Prozess 42) werden zwei Teile unter Druck relativ zueinander bewegt, wobei sich die Teile an den Kontaktflächen berühren. Durch die entstehende Reibung kommt es zur Erwärmung und Plastifizierung des Materials. Am Ende des Reibvorganges ist es von entscheidender Bedeutung, die Teile richtig zueinander zu positionieren und einen hohen Druck auszuüben. Die Vorteile dieses Verfahrens sind, dass die so genannte Wärmeeinflusszone deutlich kleiner ist als bei anderen Schweißverfahren und dass es nicht zur Bildung von Schmelze in der Fügezone kommt. Es können eine Vielzahl von Werkstoffen, wie beispielsweise Aluminium mit Stahl, miteinander verschweißt werden. Auch die Verbindung von metallischen Werkstoffen, die keine Legierungen miteinander eingehen, ist vielfach möglich.^[16]

Rotationsreibschweißen

Das Rotationsreibschweißen ist ein Pressschweißverfahren. Dabei muss mindestens ein Fügeteil in der Fügezone eine rotationssymmetrische Gestalt aufweisen. Die Energiezufuhr wird ausschließlich durch eine Relativbewegung der Fügeteile zueinander unter Druck eingebracht. Dabei steht ein Fügeteil still und das zweite Teil wird in Rotation versetzt. Weit verbreitet ist die Anwendung, um an Rohre (Bohrgestängen) Verbinder unterschiedlicher Materialgüte anzuschweißen.

Das Verfahren wird in Deutschland seit den 1970er Jahren eingesetzt. Die unterschiedlichsten Materialkombinationen sind der große Vorteil dieses Verfahrens. So werden millionenfach Auslassventile für Verbrennungsmotoren geschweißt (hochwarmfester Stahl an härtbaren Stahl) und das mit Taktzeiten von weniger als zehn Sekunden.

Die verwendeten Maschinen ähneln Drehmaschinen. Sie enthalten eine rotierende Spindel und ein nicht rotierendes Gegenstück, das auf einen axial zustellbaren Schlitten gespannt und auf das rotierende Teil gedrückt wird. Die Axialkräfte können je nach Abmessung von wenigen 100 N bis über 10.000 kN (entsprechend etwa der Gewichtskraft von 1000 t) reichen. Die jeweiligen Maschinen sind dann so groß wie ein Schreibtisch oder aber auch wie eine Lokomotive. Positioniertes Reibschweißen stellt eine (optionale) Sonderanwendung dar und bedingt eine Sondersteuerung und einen Spezialantriebsmotor. Anwendungsfälle hierfür sind Gelenkwellen, Trailerachsen und Achsstabilisatoren.

Orbitalreibschweißen

Orbitalreibschweißen gemäß ISO 15620 ist ein Reibschweißverfahren. Im Unterschied zum verwandten Rotationsreibschweißen müssen die Teile hier nicht rotationssymmetrisch sein. Die Energiezufuhr wird mittels einer zirkularen Kreisschwingbewegung der Fügeteile - ähnlich wie bei einem Schwingschleifer - unter Druck eingebracht. Hierbei bleibt die Ausrichtung der Achsen gleich. Beim Multiorbitalreibschweißen schwingen beide Bauteile, im Unterschied zum Orbitalreibschweißen, welches deshalb „Single Orbitalreibschweißen“ genannt wird. ^[17]

Rührreibschweißen

Prinzip des Rührreibschweißens: 1. Eintauchen des rotierenden Werkzeugs 2. Verweilen, um Hitze zu generieren 3. Verfahren 4. Verfahrbewegung stoppen 5. Werkzeug herausziehen 6. Fertige Schweißnaht inspizieren

Das Rührreibschweißen (englisch: friction stir welding, FSW, EN ISO 4063: Prozess 43), vielfach auch Reibrührschweißen genannt, wurde 1991 von Wayne Thomas erfunden und vom TWI (The Welding Institute) in Großbritannien patentrechtlich geschützt.^[18] Beim Rührreibschweißen wird die Reibenergie nicht durch die Relativbewegung der beiden Fügepartner erzeugt, sondern durch ein verschleißfestes, rotierendes Werkzeug.

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

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

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

Rührreibschweißwerkzeug beim Heften eines Tanks für das Space Shuttle

Verfahrenstechnisch besteht ein Zusammenhang mit Schmieden und Extrudieren, einerseits wird der Werkstoff durch eine vertikal zur Werkstückoberfläche gerichteten Kraft unter Wärmeeinbringung gestaucht und andererseits durch die Geometrie des rotierenden Werkzeugs der teilplastische Werkstoff durch Verwirbelung nach unten gedrückt. Es entsteht ein Extrusionskanal, der bis an die Nahtwurzel reicht (auch Schweißnugget genannt). Die zu fügenden Werkstücke stehen still. Eine besondere Ausformung der Naht vor der Verschweißung ist nicht notwendig.

Das Werkzeug besteht aus einer senkrecht zum Pin angeordneten Schulter mit einem größeren Durchmesser als der Pin selbst. Die Schulter kann man sich als eine Halbschale vorstellen, welche die Umgebungsluft von der Schweißnaht isolieren soll. Der Pin ist für die Verwirbelung des Werkstoffs zuständig. Die Neigung des Werkzeugs zur Werkstückoberfläche beträgt etwa 2° bis 3° in stechender Anordnung. Das Werkzeug selbst hat einen geringen Verschleiß, es muss zur Aufrechterhaltung der Qualität nach etwa 3 km Schweißnaht ausgetauscht werden.

Vorteile des Verfahrens

• Zusatzwerkstoffe nicht nötig
• hohe erzielbare Nahtfestigkeiten
• kein Schutzgas nötig
• relativ einfacher Prozessablauf
• breites Spektrum von Mischverbindungen möglich
• relativ niedrige Temperaturen (in Aluminium ca. 550 °C auf der Schweißnahtoberfläche) und damit wenig Verzug

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

Herausforderung beim Einsatz des Verfahrens

• relativ hohe Prozesskräfte, je nach Legierung und Bauteildicke von 1 kN bis weit über 20 kN
• eingeschränkte 3D-Fähigkeit durch notwendigen Kontakt von Schulter zu Bauteil
• Endkrater am Ende der Schweißnaht durch Austritt des Werkzeugs. Hierfür wurde eine Lösung durch einen automatisch zurückziehbaren Pin gefunden (englisch: retractable pin tool, RPT, RPT-Technologie).

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

Verwendung findet das FSW hauptsächlich beim Verschweißen großflächiger Bauteile. Anwendungsbeispiele sind hier die Flugzeugindustrie ^[19], Raumfahrt ^[20], Schiffbau ^{[21] [22]}, Schienenfahrzeugbau ^[23] sowie der Automobilbau, aber mittlerweile auch verstärkt kleinere Losgrößen im Behälterbau oder der Medizintechnik.

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

Herkömmlicherweise werden für das FSW Spezialmaschinen verwendet, die speziell konstruiert oder umgerüstet wurden, um den Anforderungen dieses Verfahrens zu genügen. Vereinzelt kommen auch Tricept-Robotersysteme zum Einsatz. Mittlerweile werden auch herkömmliche Produktionswerkzeuge für das FSW eingesetzt, um Kosten zu reduzieren und die Flexibilität zu erhöhen. Beispielsweise wurde der FSW-Prozess mittlerweile auf Werkzeugmaschinen oder Standard-Industrierobotern umgesetzt. ^[24][25]

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

Ultraschallschweißen

Sonotrode mit Katenoiden-Form zum Ultraschall-Schweißen

Das Ultraschallschweißen (EN ISO 4063: Prozess 41) ist ein Verfahren zum Fügen von thermoplastischen Kunststoffen und metallischen Werkstoffen. Bei den metallischen Werkstoffen kommt es vor allem bei Aluminium, Kupfer und deren Legierungen zum Einsatz. Die nötige Wärme wird durch eine hochfrequente mechanische Schwingung erreicht, welche zwischen den Bauteilen durch Molekular- und Grenzflächenreibung entsteht. Somit gehört das Ultraschallschweißen zur Gruppe der Reibschweißungen.

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

Die Schwingungen werden unter Druck auf die zu verbindenden Werkstücke übertragen. Diese erhitzen sich und beginnen zu erweichen, wodurch der Dämpfungskoeffizient ansteigt. Die Zunahme des Dämpfungskoeffizienten führt zu höherer innerer Reibung, was die Temperaturerhöhung beschleunigt. Beim Ultraschallschweißen von Aluminium, insbesondere bei Folien, dünnen Blechen oder Drähten, wie zum Beispiel beim Drahtbonden in Chips, werden die Fügepartner nicht bis zum Schmelzen erhitzt. Die Verbindung entsteht nach Aufbrechen der Oxidschicht im Wesentlichen durch ein Ineinanderverzahnen der Fügepartner.

Das Verfahren ist durch sehr geringe Schweißzeiten und hohe Wirtschaftlichkeit gekennzeichnet.^[26]

Unterpulverschweißen

Unterpulverschweißen einer Rohr-Längsnaht im 3-Draht-Prozess

Erstarrte Schlackestücke einer UP-Schweißraupe

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

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

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

Wegen der großen Schmelzbäder kann das UP-Verfahren nur in Wannenlage oder mit Pulverabstützung auch in Querposition angewandt werden.^[27]

Laserstrahlschweißen

Das Laserstrahlschweißen (EN ISO 4063: Prozess 52) wird vor allem zum Verschweißen von Bauteilen eingesetzt, die mit hoher Schweißgeschwindigkeit, schmaler und schlanker Schweißnahtform und mit geringem thermischem Verzug gefügt werden müssen. Das Laserstrahlschweißen oder Laserschweißen wird in der Regel ohne Zuführung eines Zusatzwerkstoffes ausgeführt.

Die Laserstrahlung wird mittels einer Optik fokussiert. Die Werkstückoberfläche der Stoßkante, also der Fügestoß der zu verschweißenden Bauteile befindet sich in der unmittelbaren Nähe des Fokus der Optik (im Brennfleck). Die Lage des Fokus relativ zur Werkstückoberfläche (oberhalb oder unterhalb) ist ein wichtiger Schweißparameter und legt auch die Einschweißtiefe fest. Der Brennfleck besitzt typische Durchmesser von einigen Zehntel Millimetern, wodurch sehr hohe Energiekonzentrationen entstehen, wenn der eingesetzte Laser die typischen Leistungen von einigen Kilowatt Laserleistung besitzt. Durch Absorption der Laserleistung erfolgt auf der Werkstückoberfläche ein extrem schneller Anstieg der Temperatur über die Schmelztemperatur von Metall hinaus, so dass sich eine Schmelze bildet. Durch die hohe Abkühlgeschwindigkeit der Schweißnaht wird diese je nach Werkstoff sehr hart und verliert in der Regel an Zähigkeit.^[28]

Laserschweißen von Metallen

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

Lasertiefschweißen

Lasertiefschweißprozess

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

Wärmeleitungsschweißen

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

Ersatz für das Widerstandspunktschweißen

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

Laserschweißen von Kunststoffen

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

Laserdurchstrahlschweißen

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

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

Vor- und Nachteile

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

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

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

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

Ausrüstung

Eine Laserschweißanlage besteht in der Regel aus dem Laser, einer Bewegungseinheit und einem optischen System zur Führung des Laserstrahles, an dessen Ende die Bearbeitungs- und Fokussier-Optik sitzt. Das Bewegungssystem bewegt entweder den Laserstrahl über das Werkstück oder das Werkstück unter dem Laserstrahl. Seltener sind Bauformen, wo sowohl das Werkstück als auch der Laserstrahl bewegt werden. Der Laserstrahl kann auch nach der Fokussierung mit einem Spiegelscanner über das Werkstück bewegt werden. Scannersysteme bestehen aus einer Kombination von rotierenden Facettenspiegeln oder verkippbaren Ablenkspiegeln (siehe Galvanometer), die den Laserstrahl über die einstellbaren Winkel der Spiegel an unterschiedliche Orte reflektieren können. Der Vorteil liegt hauptsächlich in der sehr hohen möglichen Geschwindigkeit der Positionierung des Laserstrahles. Diese Technik setzt voraus, dass der Laser einen Laserstrahl sehr hoher Strahlqualität bei vergleichsweise hoher Laserleistung liefert (Faserlaser, Scheibenlaser, CO₂ Slab-Laser o. ä.). Diese Art des Laserschweißens wird auch als Remote-Schweißen bezeichnet.

Beim Remote-Schweißen können grundsätzlich zwei unterschiedliche Lösungsansätze unterschieden werden: Die Remote-Köpfe (auch Scan-Köpfe genannt) und die Großraum-Remote-Anlagen. Während die Großraum-Anlagen ortsfest montiert werden und sehr große Arbeitsräume (> 4 m²) bearbeiten können, werden die Scanner-Köpfe i.d.R. an einer beweglichen Mechanik (Linearachse oder Roboter) montiert. Scan-Köpfe weisen nur einen kleinen Arbeitsraum (i.d.R. < 0,5 m²) auf. Durch Versetzen des Scan-Kopfes an verschiedene Positionen kann jedoch auch ein größerer Arbeitsraum erreicht werden. Finden die Bewegungen zur Positionierung und Schweißung nacheinander statt, spricht man vom Step-by-step-Schweißen, finden beide Bewegungen parallel statt, vom „Schweißen on the fly“.

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

Elektronenstrahlschweißen

Beim Elektronenstrahlschweißen (EN ISO 4063: Prozess 51) wird die benötigte Energie von durch Hochspannung (60–150 kV) beschleunigten Elektronen in die Prozesszone eingebracht. Die Strahlbildung erfolgt im Hochvakuum (< 10⁻⁴ mbar) durch ein Triodensystem, bestehend aus Kathode, Steuerelektrode (auch Wehneltzylinder genannt) und Anode. Der Schweißvorgang geschieht meistens im Vakuum, kann aber beim sog. NV-EBW (Non-Vacuum Electron Beam Welding, dt. Elektronenstrahlschweißen an Atmosphärendruck) auch unter Normaldruck geschehen. Hier wird dann mit einer Strahlleistung von bis zu 30 kW gearbeitet, wobei der Arbeitsabstand zwischen Strahlaustritt und Werkstück zwischen 6 und 30 mm liegen sollte. Der Übergang vom Hochvakuum zum Atmosphärendruck geschieht über mehrere Druckstufen.

Beim Aufprall der Elektronen auf das Werkstück setzen diese einen Großteil ihrer kinetischen Energie in Wärme um. Ferner entsteht Röntgenstrahlung, weshalb die Arbeitskammer abgeschirmt sein muss. Der Grad der Abschirmung richtet sich dabei nach der verwendeten Hochspannung. Bei Hochspannungen im Bereich von 60 bis 80kV erfolgt die Abschirmung in der Regel über die Vakuumkammer an sich, bei größeren Hochspannungen wird diese zusätzlich mit einem Bleimantel (5 bis 10 mm Dicke) versehen.

Das Elektronenstrahlschweißen bietet eine etwa gleich große Leistungsflussdichte wie das Laserstrahlschweißen bei deutlich höherem Wirkungsgrad (Laser: 3 bis 14 %, Elektronenstrahl: etwa 70 %). Darüber hinaus entfällt beim Elektronenstrahlschweißen (außer NV-EBW) die Verwendung von Schutzgasen. Beides wirkt sich direkt auf die Betriebskosten aus, so dass eine Elektronenstrahlanlage in der Summe und über die Lebensdauer preiswerter sein kann, als ein vergleichbares Lasersystem.

Das Elektronenstrahlschweißen erlaubt hohe Schweißgeschwindigkeiten mit extrem tiefen, schmalen und parallelen Nähten. Durch die geringen Nahtbreiten und die hohe Parallelität kann der Verzug extrem klein gehalten werden. Daher kann dieses Verfahren auch am Ende der Fertigungskette eingesetzt werden. Auch beim Schweißen kleiner Schweißnähte kommt das Verfahren zum Einsatz, da der Elektronenstrahl durch angelegte elektrische Felder exakt abgelenkt werden kann. Damit kann auf die Bewegung des Bauteils verzichtet werden, der Elektronenstrahl führt die Bewegung selbst aus (Axialnaht). Aufgrund der schnellen Ablenkung kann auch mit mehreren Bädern gleichzeitig geschweißt werden. Der Elektronenstrahl springt zwischen den einzelnen Bädern hin und her, ohne dass es zu einer Erstarrung der Schmelze kommt. Dadurch lässt sich zum Beispiel bei Axialnähten der Verzug minimieren. Überdies ergibt sich auch ein Zeitvorteil. Das Spektrum möglicher Nahttiefen liegt zwischen 0,1 mm und 300 mm (Aluminium), (Stahl) 150 mm, (Kupfer) 100 mm, (Titan): 100 mm.

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

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

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

Elektronenstrahlschweißanlagen werden häufig in der Massenfertigung von Getriebebauteilen in der Automobilindustrie eingesetzt (vor allem Japan und Deutschland). Neben einfachen und preisgünstigen Lohnaufträgen werden auch Bauteile für die Luft- und Raumfahrt, den Schienenverkehr, die Medizintechnik und die Nahrungsmittelindustrie elektronenstrahlgeschweißt. ^[29]

Aluminothermisches Schweißen

Aluminothermisches Schweißen von Eisenbahnschienen.

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

Aluminothermisches Schweißen ist auch unter dem Namen Thermit-Schweißen bekannt und wird vor allem beim Verschweißen von Bahnschienen angewendet. In einem Tiegel mit einem Loch an der Unterseite, der auf der Verbindungsstelle steht, wird (mit Hilfe eines Magnesiumspanes) eine Mischung aus Eisenoxidpulver und Aluminiumpulver entzündet, woraus sich bei einer Temperatur von 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 nicht schmelzschweißbare 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° aufeinander zu 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 intermetallische Phasen bilden. In der industriellen Anwendung werden auf diese Art meist zwei auf konventionelle Weise nicht schweißbare Metallpartner miteinander verbunden, beispielsweise Titan und Kupfer. Als Sprengstoffe kommen vorwiegend hochbrisante, plastische PETN-, RDX- und HMX-Sprengstoffe, wie Semtex mit Detonationsgeschwindigkeiten von mehr als 5000 m/s zum Einsatz. Durch den Aufprall der Schweißpartner entstehen an den Grenzflächen wellenartige Verwerfungen, die eine stoffschlüssige Verbindung herstellen.

Elektromagnetisches Pulsschweißen

Das elektromagnetische Pulsschweißen, kurz EMP-Schweißen^[30] kann ohne Wärme mithilfe des Verfahrens des Magnetumformens (auch Elektromagnetische Pulstechnologie, kurz EMPT) Werkstoffmischverbindungen, aber auch artgleiche Werkstoffe, binnen etwa 25 μs miteinander verbinden, indem einer der Fügepartner mittels eines Magnetfeldes berührungslos einen Impuls erfährt und gegen den anderen Partner prallt. Das Verfahren ist daher mit dem Sprengschweißen und -plattieren verwandt. Es können Rohre und Bleche verschweißt werden. Bei dem Verfahren befinden sich die Bauteile in der Nähe einer Magnetspule, durch die ein sehr hoher Stromimpuls fließt. Es können zumindest als einer der Fügepartner nur gut leitfähige Materialien wie Aluminium verarbeitet werden. Durch die hohe Geschwindigkeit des Zusammenpralls der Fügepartner kommt es wie beim Sprengschweißen zu einer stoffschlüssigen Verbindung in der festen Phase.^[31]

Beim Verbinden von Blechen (Plattieren) beschleunigt der Magnetimpuls eines der beiden zu fügenden Bleche über eine Distanz von 0,3–2 mm auf Geschwindigkeiten über 200 m/s. Beim Aufprall dieses Blechs auf ein stationäres Gegenblech werden im Aufschlagbereich die auf beiden Oberflächen haftenden Oxidschichten gelöst und die sich zwischen den Blechen befindliche Luft ausgeblasen. Die so erzeugten reinen Oberflächen sind nun hoch reaktiv und werden mit hohem Druck aufeinandergepresst. Dies bewirkt eine ggf. heliumdichte metallische Bindung durch Elektronenaustausch.^[32]

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

Diffusionsschweißen

Das Diffusionsschweißen (EN ISO 4063: Prozess 45) ist eine etwa 50 Jahre alte Schweißtechnik, um vorwiegend metallische Werkstücke miteinander zu verbinden. Die Qualität der Schweißverbindungen ist außerordentlich hoch und kann im Bereich des verwendeten Materials liegen.

Diffusionsschweißen 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.

Schweißsimulation

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

Ein Simulationsgerät zum Trainieren des WIG-Schweißens wird seit 2010 von der österreichischen Firma Fronius angeboten. Mit dem Gerät in der Größe eines Darts-Automaten können in Echtzeit unter Realbedingungen verschiedene Schweiß-Aufgaben trainiert werden. Je nach Brennerhaltung und -Führung werden die Schweissnähte nach der Durchführung von einem Programm qualitativ bewertet. Dieses Gerät kann auch als Schweißsimulator bezeichnet werden. ^[33]

Arbeitsschutz

Gefahren

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

In Deutschland müssen die TRK-Grenzwerte für Schwermetalle beachtet werden. Viele andere Bestandteile sind ebenfalls belastend und entsprechend (TRGS403, MAK-Werte) zu beurteilen. In der TRGS 528, welche die BGR 220 (Schweißrauche) ersetzt hat, sind unter anderem die Anforderungen an den Schweißarbeitsplatz geregelt. ^[34]

Maßnahmen

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

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

Roboter beim Schutzgasschweißen

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

Beim Lichtbogenschweißen entsteht Ultraviolettstrahlung, die die Haut, insbesondere jedoch die Augen schädigt. Weiterhin entsteht Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung), die nicht nur auf ungeschützten Körperteilen Verbrennungen erzeugen, sondern auch die Netzhaut schädigen kann. Deshalb müssen Schutzgläser verwendet werden, die diese beiden Strahlungsarten abschirmen. Die Schutzklassen für derartige Gläser sind in der Europäischen Norm EN 169 festgelegt. So sind zum Autogenschweißen die Schutzklassen 2 bis 8, für offenes Lichtbogenschweißen dagegen die Klassen 9 bis 16 vorgesehen. Die Schutzgläser tragen eine Beschriftung, die die Eigenschaften des Glases charakterisiert. Die Angabe ist wie folgt: Schutzklasse, Herstellerkürzel, optische Klasse 98, DIN-Norm. Der moderne Ersatz für Schutzgläser sind automatische Schweißerschutzfilter.

Da die UV-Strahlung auch die Haut schädigt, wird ein Schirm verwendet, der das ganze Gesicht abdeckt. Vor dem eigentlichen fast schwarzen Glas ist meist ein normales Glas, das die Funken abhält und billiger auszutauschen ist. Um beide Hände frei zu haben, kann der Schirm an einem Schutzhelm oder einer auf dem Kopf getragenen Vorrichtung klappbar angebracht werden. Zusätzlich ist spezielle schwer entflammbare Schweißerkleidung zu tragen, die alle Hautflächen sicher abdeckt. Viele Schweißverfahren sind sehr laut, ein angemessener Gehörschutz ist daher vonnöten.

Zentrale Schweißrauchabsaugung mit BGIA-Zertifizierung

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

Beim Schweißen müssen auch die Personen in der Umgebung vor der Strahlung und Lärm geschützt werden. Dazu gibt es Schweißlamellen- und Schweißervorhänge sowie Schallschutztrennwandsysteme. Bei Lichtbogenhandschweißungen ist die elektrische Gefährdung des Schweißers besonders zu beachten. Die Lichtbogenspannung liegt zwar unter dem – im Allgemeinen – gefährdenden Bereich, jedoch ist vor allem bei Arbeiten, unter besonderer elektrischer Gefährdung, also beispielsweise bei Arbeiten in engen elektrisch leitenden Räumen (Kessel, Röhren etc.) eine Reihe von Vorsichtsmaßnahmen zu beachten, die unter anderem im Merkblatt BGI 553 der Metallberufsgenossenschaft vorgeschlagen werden. ^[35]

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

Verbände

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

Einzelnachweise

Literatur

• Fachgruppe für die schweißtechnische Ingenieurausbildung: Fügetechnik Schweißtechnik. 6. überarb. Auflage. DVS Verlag, 2004, ISBN 3-87155-786-2.
• U. Dilthey, A. Brandenburg: Schweißtechnische Fertigungsverfahren. Band 3: Gestaltung und Festigkeit von Schweißkonstruktionen. 2. Auflage. Springer Verlag, 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.
• K.-J. Matthes, E. Richter: Schweißtechnik. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 2002, ISBN 3-446-40568-2.

Weblinks

Commons: Schweißen – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

• Lehrvideos
• Grundkurs Schweißen - im anschaulichen Sprachstil

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