Fügeverfahren

Fügeverfahren sind ein fester und unverzichtbarer Bestandteil in der modernen Fertigung. Einzelne Bauteile lassen sich mithilfe von Fügeverfahren miteinander dauerhaft und zuverlässig verbinden. Ohne moderne Fügeverfahren wäre heute die Herstellung von Produkten bzw. Geräten undenkbar. Eine zentrale Rolle spielen dabei thermische und metallverarbeitende Verfahren, insbesondere das Schweißen. Es hängt vor allem von den zu verbindenden Materialien, den gewünschten Eigenschaften der Verbindung, den Kosten für die Herstellung, der benötigten Festigkeit, der erforderlichen Lebensdauer sowie der Dichtheit und Ästhetik ab, welches Fügeverfahren die technisch und wirtschaftlich optimale Lösung darstellt.

Thermische Fügeverfahren

Wärme ist das primäre Medium bei thermischen Fügeverfahren, um Materialien miteinander dauerhaft zu verbinden. Die erforderliche Wärme lässt sich beispielsweise durch elektrische Energie, Reibung oder eine chemische Reaktion erzeugen. Das grundlegende Prinzip thermischer Fügeverfahren besteht aus zwei Schritten. Zuerst wird die Materialoberfläche in Form von Schmelzen oder Erweichen erwärmt. Im zweiten Schritt verbinden sich die Materialien an der Oberfläche beim Abkühlen fest und dauerhaft miteinander.

Dies sind die wichtigsten thermischen Fügeverfahren:

• Schweißen: Beim Schweißen werden Metallteile durch Schmelzen der Materialoberfläche bzw. einer Materialkante miteinander verbunden. Häufig erfolgt die Zugabe eines Zusatzwerkstoffs. Es entsteht eine Schmelze, die sich beim Erstarren zu einer durchgehenden und festen Schweißnaht ausbildet. Die Schweißnaht weist dabei häufig eine höhere mechanische Festigkeit auf als das ursprüngliche Ausgangsmaterial.
• Löten: Beim Löten werden die Grundwerkstoffe nicht aufgeschmolzen. Vielmehr kommt ein Zusatzwerkstoff (Lot) mit einem niedrigeren Schmelzpunkt zur Verwendung. Das erhitzte Lot schmilzt und fließt dank Kapillarwirkung in den Spalt zwischen den Bauteilen, die miteinander verbunden werden. Das Lot erstarrt beim Abkühlprozess und bildet eine stoffschlüssige und feste Verbindung. Löten kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn die Verbindung demontierbar sein soll bzw. die Grundwerkstoffe hinsichtlich hoher Temperaturen empfindlich sind.
• Kleben mit thermischer Aushärtung: An den zu verbindenden Materialoberflächen wird ein Klebstoff aufgetragen. Dieser härtet unter Wärmeeinwirkung aus und sorgt für eine dauerhafte Verbindung. Das Verfahren kommt vor allem in der Kunststoffverarbeitung sowie in der Elektronikindustrie zur Verwendung.

Fügeverfahren Schweißen

Schweißen ist das wichtigste thermische Fügeverfahren und spielt eine dominante Rolle als Fügeverfahren in der Metallverarbeitung. Eine Schweißverbindung ist eine dauerhafte, stoffschlüssige Verbindung zwischen meist metallischen Bauteilen. Zentrales Element des Fügeverfahrens ist eine lokale Erwärmung bis zum Schmelzpunkt. Häufig kommt ein Zusatzwerkstoff zum Einsatz, um eine stärkere Verbindung mit spezifischen Eigenschaften zu erzielen. Flussmittel sowie Schutzgase kommen zum Einsatz. Sie verhindern die Oxidation der Schmelze und verbessern die Qualität der Schweißnaht.

Es gibt eine große Anzahl an Schweißverfahren, die jeweils für bestimmte Materialien und Anwendungen spezifische Vorteile bieten:

• Lichtbogenschweißen: Diese Technik ist weit verbreitet und nutzt einen durch elektrischen Strom erzeugten Lichtbogen zwischen einer Elektrode und dem Werkstück, um die notwendige Wärme zu erzeugen.
• MIG-/MAG-Schweißen: MIG-Schweißen (Metall-Inertgas-Schweißen) bzw. Metall-Aktivgas-Schweißen (MAG) nutzt einen als Elektrode dienenden Draht, der kontinuierlich gemeinsam mit einem Zusatzwerkstoff zugeführt wird. Je nach Verfahren wird ein inertes Gas (MIG) oder ein aktives Gas (MAG) für den Schutz der Schmelze eingesetzt. MAG ist in der industriellen Fertigung und im Fahrzeugbau verbreitet im Einsatz, da es sowohl gute Automatisierbarkeit als auch hohe Abschmelzleistungen leistet.
• WIG-Schweißen: Das Wolfram-Inertgas-Schweißen nutzt eine nicht abschmelzende Wolframelektrode sowie ein inertes Schutzgas. WIG-Schweißen erzeugt hochwertige, präzise und saubere Schweißnähte. Das Verfahren ist für dünne Blechen, Aluminium und Edelstahl besonders gut geeignet.
• Elektrodenschweißen: Für diese Technik kommen von Schutzgas bzw. Schlacke umhüllte Elektroden zum Einsatz. Das kostengünstige und vielseitige Verfahren ist besonders für Reparatur- und Bauarbeiten geeignet.
• Widerstandsschweißen: Die Wärme wird durch den elektrischen Widerstand erzeugt, der beim Stromfluss durch die zu verbindenden metallischen Teile entsteht. Das Verfahren benötigt keinen Zusatzwerkstoff.
• Unterpulverschweißen: Lichtbogen und Schmelze sind bei diesem Verfahren von einem körnigen Pulver bedeckt. Das Verfahren ist hochproduktiv für dicke Bleche und lange Nähte. Es kommt vor allem bei der Erzeugung von Rohren und im Schiffbau zum Einsatz.
• Punktschweißen: Die zwischen zwei Elektroden eingespannten Werkstücke werden von hohem Strom durchflossen. Es kommt zur Ausbildung eines Schweißpunktes. Das Verfahren ist sehr schnell und in der Automobilindustrie für Blechverbindungen weit verbreitet im Einsatz. Ein ähnliches Verfahren ist das Buckelschweißen, bei dem mit speziellen Erhebungen (Buckeln) auf einem der Werkstücke gearbeitet wird. Die Buckel sorgen für die lokale Konzentration der Stromdichte.
• Nahtschweißen: Indem überlappende Schweißpunkte aneinandergereiht werden, entsteht eine dichte, durchgehende Naht. Das Verfahren kommt für die Herstellung von Tanks oder Behältern zum Einsatz.
• Laserstrahlschweißen: Ein fokussierter hochenergetischer Laserstrahl bewirkt das Schmelzen der Materialien. Die Technik ist sehr schnell und hochpräzise. Eine Vielzahl von Materialien wie Metalle, Kunststoffe und Glas lassen sich damit sauber schweißen. Das Verfahren kann sowohl unter Schutzgas als auch im Vakuum angewendet werden.
• Elektronenstrahlschweißen: Ein gebündelter hochenergetischer Elektronenstrahl erzeugt extreme Hitze in einer Vakuumkammer. Die Technik ist in der Lage besonders tiefe und schmale Schweißnähte mit minimalem Verzug zu erzeugen. Damit ist das Verfahren ideal für hochpräzise Anwendungen und kommt beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt bzw. der Medizintechnik zur Anwendung.
• Autogenschweißen: Die Technik verwendet die sehr heiße Flamme eines brennbaren Gases zur Erwärmung. In der Regel kommen Acetylen und Sauerstoff zum Einsatz. Das Verfahren ist vergleichsweise langsam und wird für Reparaturen und spezielle Legierungen eingesetzt.
• Reibschweißen: Die erforderliche Wärme wird durch Reibung zwischen den Bauteilen erzeugt. Zusätzlich wird beim Verbinden der Bauteile Druck aufgebracht. Das Verfahren zählt zu den Festkörperschweißverfahren, da es zu keinem vollständigen Schmelzen der Materialien kommt. Die Technik ermöglicht das Verbinden unterschiedlicher Materialien.
• Thermit-Schweißen: Das exotherme Schweißverfahren nutzt eine Mischung aus Eisenoxid und Aluminium. Die Mischung wird mithilfe einer Initialzündung entzündet und setzt dabei eine große Menge an Wärme frei. Das Verfahren kommt im Gleisbau für das Verbinden der Schienenstöße zum Einsatz.

Mechanische Fügeverfahren in der Metallverarbeitung

Die Gruppe der mechanischen Fügeverfahren nutzt mechanische Kräfte bzw. die Verformung von Materialien, um diese miteinander zu verbinden. Da mechanische Fügeverfahren meist ohne den Einsatz von Wärme auskommen, sind diese Verfahren in der Regel die erste Wahl, wenn thermische Einflüsse vermieden werden sollen. Das ist beispielsweise bei hitzeempfindlichen Materialien der Fall oder wenn es erforderlich ist die Verbindung nachträglich zu lösen.   

• Schrauben: Schrauben sind die wohl meistgenutzten mechanischen Fügeelemente und ermöglichen eine einfache Montage und Demontage von Bauteilen. Dies ist speziell für die Modularität und die Wartbarkeit von Produkten von entscheidender Bedeutung. Dabei wird ein Gewinde in ein Bauteil geschnitten bzw. eine Mutter eingesetzt. Die Teile werden durch die Vorspannkraft der Schraube zusammengehalten.
• Bolzen: Bolzen sind ähnlich zu Schrauben, benötigen aber kein Gewinde. Stattdessen wird mit Passungen bzw. Sicherungselementen wie Muttern oder Splinten gearbeitet um die Verbindung herzustellen. Bolzen kommen vor allem dort zum Einsatz, wo eine definierte Achse benötigt wird. Das ist beispielsweise bei Scharnieren oder Gelenken der Fall.
• Nieten: Bei Nieten wird die Verformung des Niets genutzt, um eine unlösbare, formschlüssige Verbindung herzustellen. Dafür ist eine Bohrung in den Bauteilen erforderlich, durch die der Niet gesteckt wird. Anschließend wird der Niet an einem oder an beiden Enden durch Kalt- oder Warmumformung zu einem Schließkopf geformt. Man unterscheidet Vollnieten, Blindnieten sowie Stanznieten.
• Presspassungen: Die plastische Verformung des Materials wird genutzt, um eine Verbindung herzustellen. Bei Presspassungen wird eine Welle mit Übermaß in eine Bohrung gepresst. Dabei entsteht Reibung, die für eine feste Verbindung sorgt. Die Methode kommt häufig für Lager von Wellen bzw. Zahnräder zum Einsatz. 
• Kaltverpressen: Bauteile werden durch Umformen des Materials ineinander verzahnt. Bei Blechen kommen spezielle Stanz- und Umformtechniken ohne Zusatzwerkstoffe zum Einsatz, um sie miteinander zu verbinden. Kaltverpressen ist ein schnelles Verfahren, das außerdem energieeffizient und umweltfreundlich ist, da das Fügeverfahren weder einen Zusatzwerkstoff noch Wärme benötigt. Die Technik ist in der Automobilindustrie verbreitet im Einsatz. 
• Einpressen: Indem ein Bauteil in ein anderes gedrückt wird, kann eine kraftschlüssige bzw. formschlüssige Verbindung hergestellt werden. Häufig weist dabei ein Bauteil ein geringes Übermaß auf.
• Rollieren (Bördeln): Indem ein Materialrand umgelegt bzw. aufgerollt wird, kann ein anderes Bauteil gesichert oder eine Kante verstärkt werden. Rollieren kommt beispielsweise für die Herstellung von Rohren oder Behältern zum Einsatz.

Kleben

Auch wenn Kleben ein chemisches Fügeverfahren ist bzw. einige Klebetechniken den thermischen Fügeverfahren zuzuordnen sind: Kleben hat in der modernen Fertigung mittlerweile enorme Bedeutung erlangt. Das Fügeverfahren basiert auf Adhäsion und Kohäsion von Klebstoffen und ermöglicht großflächige Verbindungen unterschiedlicher Materialien mit gleichmäßiger Spannungsverteilung. Vor allem die Möglichkeit unterschiedliche Materialien wie Metalle, Kunststoffe oder Keramiken miteinander zu verbinden, verleiht dem Kleben eine Sonderstellung unter den Fügeverfahren. Je nach Technik härtet der Klebstoff thermisch, chemisch oder mittels UV-Licht aus. Für Branchen wie die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt sowie die Elektronikindustrie ist Kleben ein unverzichtbares Fügeverfahren.