Schweißverfahren

Schweißen ist eine der wichtigsten Verbindungstechniken der Metallbearbeitung. Durch den Schweißvorgang entstehen unlösbare Verbindungen, die sehr stabil und dauerhaft sind. Je nach dem gewählten Schweißverfahren sind die Eigenschaften der Schweißnaht dem Werkstoff ähnlich oder sogar annähernd gleich. Alle Schweißverfahren haben die Gemeinsamkeit, dass eine Schweißverbindung durch Wärme bzw. Druck entsteht. Dabei wird der Werkstoff auf seine Schmelztemperatur aufgeheizt. Erfahren Sie hier welche unterschiedlichen Schweißverfahren es gibt, was sie auszeichnet und für welche Anwendungen spezifische Schweißverfahren am besten geeignet ist.

Auswahlkriterien für Schweißverfahren

Es gibt zahlreiche Schweißverfahren, um Einzelteile zu einem Werkstück zu fügen. Die folgenden Aspekte sollten bei der Auswahl des Schweißverfahrens berücksichtigt werden:

• Werkstoff: Die Materialeigenschaften von Metallen können sich stark voneinander unterscheiden, beispielsweise der Schmelzpunkt, die Wärmeleitfähigkeit, die Wärmeausdehnung, die Festigkeit, die Verformbarkeit (Duktilität), die chemische Zusammensetzung und die Korrosionsbeständigkeit. Manche Metalle sind für bestimmte Schweißverfahren schlichtweg nicht geeignet, beispielsweise Aluminium.
• Bauteilgeometrie: Insbesondere die Kombination von Blechdicke und Material kann zum Ausschluss bestimmter Schweißverfahren führen. Beispielsweise ist Laserschweißen ein Schweißverfahren, das wegen des geringen Wärmeeintrages gut für sehr dünne Bleche geeignet ist.
• Zugänglichkeit der Schweißstelle sowie mögliche Schweißposition: Schweißverfahren mit kleinen und flexiblen Schweißbrennern bzw. Elektroden sind von Vorteil, wenn Schweißstellen eng oder schwer zugänglich sind. Beispielsweise verfügt WIG-Schweißen über einen sehr präzisen Lichtbogen, MIG-/MAG-Schweißen punktet mit flexiblen Drahtelektroden.
• Qualitätsanforderungen an das geschweißte Produkt: Je nach Anwendungsbereich, Bewertungsgruppe sowie den gültigen Richtlinien und Normen sind die Qualitätsanforderungen an Schweißnähte sehr unterschiedlich.
• Sicherheitsanforderungen: Die erforderlichen Schutzmaßnahmen gegen Hitze, giftige Dämpfe sowie Lichtbogenstrahlung müssen berücksichtigt werden.

Aus wirtschaftlicher Sicht sind insbesondere in der industriellen Fertigung diese Faktoren für die Auswahl des Schweißverfahrens relevant:

• Stückzahl: Die Stückzahl der herzustellenden Werkstücke.
• Anschaffungskosten: Kosten für die erforderliche Schweißeinrichtung
• Fertigungskosten: Kosten für die Durchführung der Fertigungsarbeiten in Abhängigkeit vom gewählten Verfahren.

Gasschmelzschweißen

Beim Gasschmelzschweißen – auch als Gasschweißen bezeichnet – schmilzt die Flamme eines Brenngasgemisches das Material. Als Brenngas kommt häufig Acetylen mit Sauerstoff zum Einsatz. Das Brenngasgemisch entsteht während des Schweißvorgangs in der Mischdüse des Brenners. Diese Form des Wärmeschweißens ist weit verbreitet und benötigt keinen elektrischen Strom. Beim Verbrennen des eingesetzten Brennstoffes entsteht eine sehr heiße Flamme von circa 3.200 °C, die das Schmelzen der Metalloberfläche und den Fügevorgang bewirkt. Je größer die Schweißdüse, desto höher ist die Wärmemenge, die aus dem Verbrennungsvorgang der Gase außerhalb der Düse entsteht. Die Schweißtechnik eignet sich sowohl für Eisen- als auch Nichteisenmetalle.

Während des Schweißvorgangs führt man einen Zusatzwerkstoff in Form eines Drahtes oder Stabes zu. Der Luftsauerstoff wird durch die Schweißflamme vom Werkstück ferngehalten. Das Gasschmelzschweißverfahren ist für beinahe alle Metalle geeignet. Leichtmetalle und ihre Legierungen lassen sich jedoch nur eingeschränkt oder gar nicht mit dieser Schweißtechnik fügen. Da kein Stromanschluss erforderlich ist, lässt sich das Gasschweißen flexibel auch für Arbeiten im Freien einsetzen.

Schutzgasschweißen – MIG-/MAG- und WIG-Schweißen

Beim sogenannten Schutzgasschweißen schützt ein Schutzgas die Schweißnaht vor atmosphärischen Einflüssen und Oxidation. Zur Anwendung kommen das Metall-Inertgas-Schweißen (MIG-Schweißen), das Metall-Aktivgas-Schweißen (MAG-Schweißen) sowie das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG-Schweißen).

Alle drei genannten Schweißverfahren funktionieren wie Lichtbogenschmelzschweißen und verwenden ein separat zugeführtes Schutzgas. Das Gas hüllt sowohl den Lichtbogen als auch die Schweißstelle ein, um so den Bereich vor dem Kontakt und einer Reaktion mit Luftsauerstoff zu schützen. Den Schweißzusatz führt man entweder manuell oder automatisch durch den Brenner zu. Die Ausrüstung besteht aus:

• Schweißgerät
• Brenner
• Schutzgasflasche und Armatur
• Schutzausrüstung

MIG- und MAG-Schweißen

Metall-Inertgas-Schweißen ist auch unter dem Namen MIG-Schweißen bzw. Metall-Schutzgasschweißen bekannt. Bei dem Verfahren wird mit einer Schweißpistole eine durchgehende Massivdrahtelektrode in das Schweißbad eingeführt. Das Schutzgas in der Schweißpistole umhüllt Lichtbogen und Schweißstelle und schützt das Schweißbad vor Oxidation bzw. atmosphärischer Kontamination.

Das Verfahren ermöglicht das schnelle Schweißen von dünnen wie dicken Schweißnähten. MIG- und MAG-Schweißen sind gut automatisierbar und kommen in vielen Branchen verbreitet zum Einsatz. Das Verfahren eignet sich für alle Schweißlagen. Auch dünne Bleche lassen sich im Taktschweißverfahren bearbeiten.

Mit MIG-Schweißen lassen sich Schweißnähte in guter Qualität herstellen. Die Schweißtechnik ist für Bleche aus Aluminium, Stahl sowie Edelstahl geeignet.

MAG-Schweißen – die Kurzbezeichnung für Metall-Aktivgas-Schweißen – ist ein verwandtes Verfahren. Im Vergleich zu MIG-Schweißen weist es eine geringere Schweißgüte auf und kommt vorzugsweise bei niedrig- und unlegierten Stählen zum Einsatz.

Beim MAG-Schweißen kommt als Schutzgas statt einem inerten Gas ein aktives, also reaktionsfreudiges, Gas zum Einsatz. Zu den aktiven Gasen zählt beispielsweise Kohlendioxid (CO₂) bzw. Gasgemische aus CO₂ und Argon. Neben der Verarbeitung von niedrig- und hochlegierten Stählen lassen sich auch einige korrosionsbeständige Stähle mit dem MAG-Verfahren schweißen. Die Wahl bzw. Zusammensetzung des Gasgemisches variiert je nach Werkstoff.

WIG-Schweißen

Das Wolfram-Inertgas-Schweißen – kurz WIG-Schweißen – ist mit einer speziellen Wolframelektrode ausgestattet, die beim Schweißen nicht schmilz. Bei dieser Form des Lichtbogenschweißens kommen als Schutzgas Gasgemische aus Helium bzw. Argon zum Einsatz. Der Schweißzusatz in Form eines Stabes wird von der Seite zugeführt.

WIG-Schweißen erfordert Erfahrung und Übung. Das Verfahren ist langsamer als andere Schweißtechniken. Mit WIG-Schweißen lassen sich hochqualitative und präzise Schweißnähte erzielen. Auch die Bearbeitung sehr dünner Bleche ist möglich. Das Verfahren ist empfindlich für Zugluft bzw. Wind.

WIG-Schweißen ist ein Verfahren, das sich für das Schweißen von Nichteisenmetallen wie Aluminium, Titan, Kupfer, Nickel, Magnesium oder auch Chrom eignet. Je Nach Werkstoff wird mit Gleich- oder Wechselspannung geschweißt. Während man Eisenmetallen mit Gleichspannung verbindet, kommt bei Aluminium Wechselspannung zum Einsatz. Da Aluminium die Wärme besonders gut leitet, sind hohe Stromstärken für eine höhere Temperatur erforderlich. Bei einem hohen Siliziumgehalt der Legierung besteht die Gefahr, dass das Material durchschmilzt. Aluminiumprofile mit einem niedrigen Siliziumgehalt von 0,5 bis 1 % sind dagegen deutlich einfacher zu bearbeiten. Bei der Bearbeitung von Edelstahl kann das Material im Nahtbereich anlaufen. Es ist notwendig, die entstehenden Flecken durch Schleifen, Bürsten oder Polieren zu entfernen, da sich sonst später Rost bildet.

Plasma-Lichtbogenschweißen

Das Verfahren kann als Erweiterung von WIG-Schweißen verstanden werden. Jedoch sind die Lichtbogenenergiedichte und die Plasmagasgeschwindigkeit viel höher: Das Plasma wird durch eine sich verengende Düse gepresst. Das Plasma sorgt für das Zusammenschmelzen der Metalle. Die entstehenden Schweißnähte zeichnen sich durch hohe Festigkeit aus. Mit der Schweißtechnik lassen sich die gängigen Metalle bis zu einer Dicke von circa 10 mm schweißen. Kommen geeignete Brenner zum Einsatz, ist es möglich Aluminium bis zu einer Plattendicke von circa 5 mm zu schweißen.

Laserschweißen

Beim Laserschweißen wird die Energie durch einen fokussierten Laserstrahl in den Schweißbereich zugeführt. Das Verfahren zeichnet sich vor allem durch die hohe Schweißgeschwindigkeit, den geringen thermischen Verzug sowie sehr schmale, schlanke und optisch ansprechende Schweißnahtformen aus. In der Regel wird kein Zusatzwerkstoff zugeführt.

Laserschweißen ist hochpräzise und eignet sich daher für komplexe Konturen sowie Arbeiten mit filigranen Details. Da sich der Laserstrahl sehr gut fokussieren lässt, dies ermöglicht sehr exakte Schweißnähte bei gleichzeitig geringer Wärmeeinbringung. Laserschweißen ist sowohl für das Verbinden zäher Metalle wie Kohlenstoffstahl, Titan, Edelstahl und Aluminium, aber auch für Thermoplaste geeignet. Die exzellente Schweißnahtqualität reduziert den Nachbearbeitungsaufwand signifikant und erfüllt hohe ästhetische Anforderungen. 

E-Schweißen

Das E-Schweißen ist meist das erste Schweißverfahren, das ein Schweißer bei seiner Ausbildung erlernt. Alternative Bezeichnungen für das Verfahren sind Elektrodenhandschweißen, Stabschweißen und Lichtbogenhandschweißen.

Die benötigte Wärme für diese Schweißtechnik wird durch einen elektrischen Lichtbogen erzeugt. E-Schweißen ist die einfachste Art des Lichtbogenschmelzschweißens. Der Schweißzusatz hat die Form einer Stabelektrode, das Werkstück selbst bildet die Gegenelektrode. Wird elektrische Spannung angelegt, so bildet sich zunächst zwischen Stab- und Gegenelektrode ein Kurzschluss aus. Der sehr hohe Stromfluss bewirkt eine starke Erhitzung und bringt die Spitze der Schweißelektrode zum Schmelzen. Wird die Stabelektrode nun vom Werkstück weg angehoben, so bildet sich der namensgebende Lichtbogen.

Die beim Gleichstromschweißen am Pluspol – dem Werkstück – entstehenden Temperaturen betragen circa 4.200 °C, am Minuspol – der Stabelektrode – circa 3.600 °C. Der Lichtbogen bringt das Werkstück zum Schmelzen und sorgt auch dafür, dass die Elektrode immer weiter abschmilzt. Die auf die Schweißstelle abtropfende Stabelektrode lässt eine Schweißnaht entstehen. Das Flussmittel, welches die Elektrode bedeckt, zerfällt durch die erzeugte Wärme. Es bildet sich Schlacke aus, die das Schweißbad vor Kontamination schützt.

Die Ausrüstung für das E-Schweißen ist einfach: Neben einem Schweißtransformator benötigt man eine Elektrodenzange und die Arbeitsschutzausrüstung. Damit ist das Verfahren vor allem für kleinere Arbeiten, beispielsweise im Baustellenbereich, geeignet. Das Verfahren eignet sich für Elektroden bis zu einer Größe von etwa 3 mm und kommt für zähe Metalle wie Eisen und Stahl zum Einsatz. Es wird kein Schutzgas benötigt. Nachteilig am Schweißverfahren ist, dass es für Nichteisenmetalle weniger geeignet ist. Der Werkstoff sollte in der Regel nicht mehr als 2 mm dick sein. Die Schweißtechnik ist in der Bau-, Stahl- und Schiffbauindustrie weit verbreitet.

Widerstandsschweißen

Widerstandsschweißen ist eine Schweißtechnik für elektrisch leitfähige Werkstoffe. Die Methode gehört zu den Pressschweißverfahren. Die für den Fügevorgang der Metallteile erforderliche Wärme entsteht dabei durch den Innenwiderstand des Metalls, wenn der Strom durch das Werkstück fließt. Daher der Name Widerstandsschweißen. Durch zusätzliches Aufbringen von Druck erfolgt der Fügevorgang durch Erstarren der Schmelze, Diffusion oder auch in fester Phase.

Beispiele für das Widerstandsschweißen sind das Punktschweißen sowie das Rollennahtschweißen. Bei der Sonderform Punktschweißen, das auch als Widerstandspunktschweißen bezeichnet wird, bewirkt das Anlegen einer starken elektrischen Spannung an zwei aufeinander gepresste metallische Werkstücke eine punktuelle Erhitzung und Verflüssigung des Metalls. Die Elektroden sind aus einer Kupferlegierung gefertigt. Nach dem Abkühlen sind die Werkstücke durch eine sehr feste und dauerhafte Schweißnaht verbunden. Die feste Verbindung der beiden Werkstücke aus Blech kommt also durch Druck und elektrischen Strom zustande. Der Begriff Punktschweißen leitet sich von der kleinen Schweißnaht ab, die sich durch das Verschmelzen der metallischen Werkstücke an einem Punkt ausbildet.

Rollennahtschweißen ist ein Widerstandspressschweißverfahren, das sich aus dem Widerstandspunktschweißen entwickelt hat. Die zum Schweißen erforderliche Kraft wird durch Rollenelektrodenpaare aufgetragen, die zudem den Schweißstrom in die Werkstücke einleiten.

Reibschweißen

Reibschweißen ist gemäß EN ISO 4063: Prozess 42 eine spezielle Ausprägung des Pressschweißens. Man bewegt zwei Teile unter Druck relativ zueinander, die Teile berühren sich an den Kontaktflächen. Die entstehende Reibung führt zur Erwärmung und Plastifizierung des Materials. Für das Ergebnis am Ende des Reibvorganges ist entscheidend, dass die Teile exakt richtig zueinander positioniert sind und gleichzeitig ein hoher Druck ausgeübt wird. Die Verbindung entsteht also durch Reibungswärme und Druck. Vorteile des Verfahrens ist, dass die Wärmeeinflusszone im Vergleich zu anderen Schweißtechniken sehr gering ausfällt. Zudem kommt es zu keiner Bildung von Schmelze in Bereich der Fügezone. Stattdessen entsteht ein feinkörniges Gefüge mit sehr guten Festigkeitseigenschaften an der Verbindungsstelle. Eine Vielzahl von Werkstoffen und Werkstoffkombinationen kann mit diesem Verfahren verbunden werden, beispielsweise Aluminium mit Stahl. Reibschweißen ist ein Fügeverfahren, mit dem sich metallische Werkstoffe, die keine Legierungen miteinander eingehen, schweißen lassen.