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Schweißen,

 

Fügeprozess der Fertigungstechnik, bei dem unter Einwirkung von Wärme oder Druck oder Wärme und Druck eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Werkstücken hergestellt wird. Das Schweißen kann mit oder ohne Schweißzusatz erfolgen; es wird durch Schweißhilfsstoffe, wie Schlacken bildende Pulver oder Schutzgase ermöglicht oder erleichtert. Geschweißt werden v. a. Metalle (Metallschweißen) und thermoplastische Kunststoffe (Kunststoffschweißen); Glas und Keramik lassen sich nur mit bestimmten Prozessen schweißen. Nach dem Zweck unterscheidet man zwischen Verbindungsschweißen, dem Herstellen einer unlösbaren Verbindung zwischen zwei oder mehreren Teilen, und Auftragsschweißen, dem Erzeugen einer Werkstoffschicht zum Erzielen gewünschter Eigenschaften, z. B. Verschleiß-, Korrosions- oder Hitzebeständigkeit, oder geforderter Abmessungen nach vorangegangenem Verschleiß. Nach dem physikalischen Ablauf unterscheidet man Pressschweißen, bei dem die zu fügenden Werkstücke durch ausreichenden Druck am meist erwärmten Schweißstoß mehr oder weniger stark gemeinsam verformt werden, und Schmelzschweißen, bei dem die Werkstücke ohne Aufwendung von Kraft durch örtliches Aufschmelzen am Schweißstoß verbunden werden. Beim Schmelzschweißen ist im Allgemeinen ein abschmelzender Schweißzusatz in Stab- oder Drahtform erforderlich, um die Schweißfuge zu füllen. Die für Schweißprozesse herangezogenen Energieträger sind feste Körper, Flüssigkeit, Gas, elektrische Entladung, Strahlung, Massenbewegung, elektrischer Strom. Das Schweißen kann manuell, teil- beziehungsweise vollmechanisiert oder automatisch ausgeführt werden.

 

Metallschweißen (Schmelzschweißprozesse):

 

Beim Gasschweißen (autogenes Schweißen) wird die erforderliche Wärme durch das Verbrennen eines Brenngas-Sauerstoff-Gemischs erzeugt. Der dafür verwendete Schweißbrenner dient der Vermischung von Brenngas (z. B. Acetylen, Propan, Wasserstoff) und Sauerstoff sowie der Bildung einer im Allgemeinen reduzierenden Flamme. Durch unterschiedlich große auswechselbare Düsen wird die Flammengröße der Werkstückdicke angepasst. Druckminderer erlauben das Einstellen der Drücke für die meist aus Druckgasflaschen entnommenen Gase. Beim Nach-links-Schweißen wird der stabförmige Schweißzusatz in Schweißrichtung vor, beim Nach-rechts-Schweißen hinter der Flamme geführt.

 

Beim Gießschweißen, das v. a. zur Reparatur fehlerhafter oder beschädigter Gussstücke angewendet wird, formt man das Werkstück im Bereich des Schweißstoßes in speziellem Formsand ein; der geschmolzene Schweißzusatz wird durch- beziehungsweise eingegossen, bis das Werkstück ausreichend erwärmt ist und die Verbindung durch Erstarren des Schweißzusatzes zustande kommt. Wird der Schweißzusatz durch eine so genannte aluminothermische Reaktion erzeugt, spricht man auch vom aluminothermischen Schweißen (Aluminothermie), das z. B. beim Schienenschweißen angewendet wird.

 

Lichtbogenschweißen ist der Oberbegriff für zahlreiche Schmelzschweißprozesse, bei denen die als Lichtbogen bezeichnete Art einer elektrischen Entladung als Energieträger dient. Der Lichtbogen ist für das Schweißen deshalb besonders geeignet, weil er an seinen Enden die zum Aufschmelzen von Werkstück beziehungsweise Elektrode erforderliche hohe Energiedichte aufweist. Gegen die intensive Ultraviolettstrahlung des Lichtbogens müssen die Augen durch spezielle dunkelgrüne Filter geschützt werden. Vom Metall-Lichtbogen-Schweißen spricht man, wenn eine abschmelzende Elektrode benutzt wird, die zu einer Lichtbogenatmosphäre aus ionisiertem Metalldampf führt. Beim Lichtbogenhandschweißen (E-Schweißen) (nach N. G. Slawjanow) brennt der Lichtbogen zwischen der als Schweißzusatz dienenden umhüllten Stabelektrode und dem Werkstück. Die Umhüllung aus mineralischen Substanzen bildet eine schützende Gashülle um den Lichtbogen sowie eine das entstehende Schmelzbad abdeckende Schlacke. Nur mit verdecktem Lichtbogen arbeitet das Unterschienenschweißen. Das Unterpulverschweißen (UP-Schweißen) ist ein vollmechanisierter Prozess, bei dem der Lichtbogen durch das Schweißpulver verdeckt zwischen einer oder mehreren mechanisch nachgeführten Draht- oder Bandelektroden und dem Werkstück brennt; das Pulver entspricht in seiner Wirkung der Umhüllung der Stabelektrode, bildet aber eine den Lichtbogen vollständig umschließende Schlackenkaverne, die sehr positive Wirkungen auf das Schmelzbad ausübt. Beim UP-Schweißen wird entweder ein den Schweißkopf sowie den Pulver- und Drahtvorrat tragendes Fahrwerk gegenüber dem Werkstück bewegt, oder das Werkstück bewegt sich entlang der stationären Schweißeinrichtung.

 

Durch hohe Flexibilität und einen breiten Anwendungsbereich zeichnet sich das Metall-Schutzgas-Schweißen aus, eine Gruppe von Prozessen, bei denen der zwischen mechanisch zugeführter »endloser« Drahtelektrode und dem Werkstück brennende Lichtbogen von einer Schutzgasatmosphäre umgeben ist, die gleichzeitig das Schmelzbad schützt. Beim Metall-Inertgas-Schweißen (MIG-Schweißen) ist das Schutzgas ein Edelgas, meistens Argon, seltener Helium. Dieser Prozess ist zum Schweißen von Aluminiumwerkstoffen und hochlegierten (Chrom-Nickel-)Stählen bedeutend. Das Metall-Aktivgas-Schweißen (MAG-Schweißen) kann mit Kohlendioxid (MAGC-Schweißen) oder mit Mischgasen aus Argon, Kohlendioxid und Sauerstoff (MAGM-Schweißen) betrieben werden. Die Auswahl des Schutzgases hängt vom zu schweißenden Werkstoff und vom verwendeten Schweißzusatz (Massiv- oder Fülldrahtelektrode) ab. Fülldrähte sind mit schweißpulverähnliche Hilfsstoffen gefüllt. Da das Schweißen der überwiegenden Zahl un- und niedriglegierter Stähle mit dem MAG-Schweißen befriedigend und sehr wirtschaftlich möglich ist, hat dieser Prozess erhebliche technische Bedeutung, nicht zuletzt, weil er sich gut zur Vollmechanisierung eignet. Vom Metall-Schutzgas-Schweißen deutlich zu unterscheiden ist das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG-Schweißen), bei dem der Lichtbogen zwischen einer nicht abschmelzenden Wolframelektrode und dem Werkstück in einer Edelgasatmosphäre (meist Argon) brennt. Ein Schweißzusatz wird in Stab- oder Drahtform zugeführt. Dieser Prozess ist für Werkstoffe mit hoher Empfindlichkeit gegenüber jeglicher Verunreinigungen unverzichtbar, wie es z. B. bei hochreinem Aluminium, Titan und seinen Legierungen sowie einigen Kupferlegierungen der Fall ist. Auch beim Plasmaschweißen wird eine Wolframelektrode benutzt, jedoch brennt der Plasmalichtbogen zwischen Elektrode und Düse im Schweißbrenner, wird durch die Ausbildung der Düse eingeschnürt und dadurch gebündelt. Im Vergleich zum WIG-Schweißen ergibt sich eine höhere Energiedichte, insbesondere dann, wenn der Plasmalichtbogen zusätzlich auf das Werkstück übertragen wird.

 

Beim Elektroschlackeschweißen nutzt man die Widerstandserwärmung einer leitfähigen Schlacke aus, um den mechanisch nachgeführten Schweißzusatz und die Werkstückkanten zu schmelzen. Die senkrecht stehende Schweißfuge wird steigend gefüllt, wobei nachgeführte Gleitschuhe aus Kupfer das Schmelzbad seitlich sichern. Der vollmechanisierte Prozess dient der Verbindung dickwandiger Teile (bis etwa 500 mm) in einem Arbeitsgang.

 

Zu den Prozessen mit dem Energieträger Strahlung gehören das Elektronenstrahlschweißen und das Laserstrahlschweißen, die sich von allen anderen Prozessen durch eine enorme Energiedichte unterscheiden. Der beiden Prozessen eigene hohe Geräteaufwand zum Erzeugen ausreichender Strahlleistungen lohnt sich, da Präzisionsschweißungen möglich werden, für die andere Prozesse ungeeignet sind.

 

Metallschweißen (Pressschweißprozesse):

 

Bei dem als historisch anzusehenden Feuerschweißen werden die Werkstücke im Schmiedefeuer erwärmt und durch gemeinsames Verformen durch Hämmern vereinigt. Eine neuzeitliche Form ist das Walzplattieren, bei dem zwei aufeinander liegende Bleche im schmiedewarmen Zustand gemeinsam gewalzt und dabei vereinigt werden. Beim Gaspressschweißen werden die Werkstücke an den Stoßflächen durch Brenngas-Luft- oder Sauerstoffflammen erwärmt und durch Stauchen geschweißt.

 

Widerstandsschweißen ist der Oberbegriff für Prozesse, bei denen die zum Schweißen erforderliche Wärme durch Widerstandserwärmung bei Stromdurchfluss entsteht. Am häufigsten wird das Punktschweißen angewendet, bei dem zwei stabförmige Kupferelektroden die sich überlappenden Bleche zusammenpressen und gleichzeitig einen kurzen hohen Stromstoß übertragen. Die Verbindung kommt durch begrenztes Aufschmelzen der Fügezone zustande (Schweißpunkt). Beim Buckelschweißen werden großflächige Elektroden benutzt; die Schweißstellen entstehen an vorgeprägten Buckeln beziehungsweise Sicken, die durch den Pressdruck eingeebnet werden. Das Rollennahtschweißen arbeitet mit zwei Rollenelektroden, die zusätzlich zu den Aufgaben der Punktschweißelektroden den Werkstücktransport bewirken, wodurch eine kontinuierliche Schweißnaht entsteht. Das Pressstumpfschweißen dient dem Verbinden von Profilen, die an den Stoßflächen zusammengepresst, durch Stromdurchfluss erwärmt und dann durch kurzzeitiges Stauchen geschweißt werden. Beim Abbrennstumpfschweißen dagegen erfolgt vor dem Stauchen bei losem Kontakt der Werkstücke das Abbrennen, bei dem verdampfter und geschmolzener Werkstoff aus der Fuge geschleudert wird. Beim Induktionsschweißen entsteht die erforderliche Wärme durch die von einem hochfrequenten (> 10 kHz) Wechselfeld induzierten Wirbelströme im Werkstück. Es wird z. B. zum Längsnahtschweißen bei der Rohrherstellung verwendet.

 

Bei den unterschiedlichen Varianten des Bolzenschweißens wird die benötigte Wärme durch einen kurzzeitig zwischen den Werkstücken brennenden Lichtbogen erzeugt. Für rotationssymmetrische Teile eignet sich das Reibschweißen, bei dem in einer drehmaschinenähnlichen Vorrichtung ein rotierendes gegen ein fest stehendes Teil gepresst wird; ist durch Reibungswärme die erforderliche Temperatur erreicht, wird das rotierende Teil abgebremst und durch erhöhten Stauchdruck die Schweißverbindung hergestellt. Das für Profile verwendete Kaltpressschweißen zeigt, dass ausschließlich starke gemeinsame plastische Verformung der Teile zu einer befriedigenden Verbindung führt. Im Gegensatz dazu tritt beim Diffusionsschweißen vernachlässigbare Verformung auf. Die genau passenden Werkstücke werden im Vakuum, in Flüssigkeit oder unter reduzierendem Schutzgas aneinander gedrückt, hoch erwärmt ohne zu schmelzen und verbinden sich durch Diffusion (Wanderung) der Atome über die Grenzfläche hinweg. Der Prozess ermöglicht das Fügen völlig artfremder Stoffe (z. B. Metall mit Keramik). Beim Sprengschweißen (Sprengplattieren) wird die zum Schweißen erforderliche Kraft durch die bei der Detonation von Sprengstoff auftretende Druckwelle erzeugt. Durch Ultraschallschweißen werden Punkt- oder Liniennähte durch Ultraschalleinwirkung ohne oder mit gleichzeitiger Wärmezufuhr unter Anwendung von Kraft vorzugsweise ohne Schweißzusatz geschweißt. Schwingungs- und Kraftrichtung verlaufen senkrecht zueinander, wobei die Stoßflächen der Werkstücke aufeinander reiben.

 

Kunststoffschweißen:

 

Thermoplastische Kunststoffe können nach Erwärmen örtlich erweicht und unter Druck mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoff vereinigt werden. Je nach der Wärmeerzeugung unterscheidet man Warmgas-, Heizelement-, Lichtstrahl-, Reib-, Hochfrequenz-, Ultraschallschweißen. Nicht schmelzbare Kunststoffe, z. B. Duroplaste, kann man nicht schweißen.

 

Geschichte:

 

Das Schweißen von Eisen wurde schon sehr früh (14. Jahrhundert v. Chr.) in Kleinasien geübt. Um 600 v. Chr. war wohl Glaukos von Chios mit dem Schweißen von Eisen vertraut. Das autogene Schweißen von Blei u. a. Metallen mit der Wasserstoff-Luft-Flamme geht auf den französischen Techniker E. des Bassayns de Richemont (1840) zurück. Einen wirksamen Wasserstoffschweißbrenner für Eisen und Stahl konstruierte E. Wiss 1900. Das Schweißen mit Acetylen-Sauerstoff-Flamme entwickelte v. a. der Franzose Edmond Fouché (1900/01). Das elektrische Widerstandsschweißen wurde 1877 von dem Briten Elihu Thomson erfunden. Das Lichtbogenschweißen mit Kohleelektroden gab N. N. von Bernardos 1885, mit Metallelektroden der Russe N. G. Slawjanow 1890 an. Das aluminothermische Schweißen geht auf Arbeiten von Hans Goldschmidt (1895) zurück. O. Kjellberg verbesserte das elektrische Schweißen durch Einführung umhüllter Schweißdrähte (1907/08). In der Großserienfertigung wird heute die Schweißtechnik vermehrt vollmechanisiert oder automatisiert eingesetzt, beispielsweise in der Automobilindustrie mithilfe von Industrierobotern (Schweißroboter). Sie führen alle zum Fertigen hochqualitativer Schweißnähte notwendigen Bewegungen mit hoher Maßgenauigkeit und zuverlässiger Wiederholbarkeit aus.

 

Literatur:

 

Fügen u. therm. Trennen, Beitrr. v. L. Dorn u. a. (1984);

 M. Puschner: 5 Jahrtausende S. Eine Frühgesch. der Schweißtechnik (1986);

 

Lex. der Schweißtechnik, hg. v. H. Herold u. J. Wodara (1994);

 

Kompendium der Schweißtechnik, hg. v. H. Behnisch, 4 Bde. (1997).

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

Lasertechnik: Laser zum Bohren, Schneiden, Schweißen und Beschriften