Schweißverfahren im Vergleich
Beim Schweißen werden Werkstücke dauerhaft miteinander verbunden. Dieses zur Gruppe der Fügeverfahren und unter DIN 8590 detailliert beschriebene Verfahren geschieht unter dem Einfluss von Wärme und / oder Druck auf zwei oder mehr Werkstücke. Je nach Verfahren kommen dabei Zusatzwerkstoffe zur Anwendung, die in der Fuge zwischen den Werkstücken die Verbindung erzeugen und verstärken. Diese Zusatzwerkstoffe ähneln in der Anwendung dem Klebstoff beim Fügen durch Kleben und dem Lot beim Fügen durch Löten.
Das Schweißen ermöglicht Verbindungen, die deutlich stabiler sind als beim Löten oder Kleben. Zugleich ist das Verfahren günstiger, als Verbindungen durch Schrauben oder Nieten zu erzeugen. Die Energie zum Schweißen wird dabei von extern zugeführt und kann durch Wärme oder die Kombination von Wärme und Druck erfolgen. Dabei schmilzt der Werkstoff an den Fugen und geht eine dauerhafte Verbindung ein.
Die verschiedenen Schweißverfahren
Die verschiedenen Schweißverfahren werden in zwei Hauptgruppen kategorisiert: Schmelzschweißverfahren und Pressschweißverfahren. Die Schmelzschweißverfahren arbeiten ausschließlich mit thermischer Energie, bei den Pressschweißverfahren wird zusätzlich zur Wärme physischer Druck auf die Werkstücke gebracht, um diese miteinander zu verbinden.
Schmelzschweißverfahren
Die Schmelzschweißverfahren haben gemein, dass die zu schweißenden Teile an den Fugen durch Schweißstöße miteinander verbunden werden. Je nach der Vorbereitung der Fugen und der Anordnung der Werkstücke kommt hier der Stumpfstoß, der Überlappstoß oder der T-Stoß zum Einsatz. Die entsprechenden Schweißpositionen sind in DIN EN ISO 6947:2011-08 definiert.
Man unterscheidet die folgenden Schmelzschweißverfahren.
Gasschmelzschweißen
Das auch als Autogenschweißen bezeichnete Gasschmelzschweißen kommt zur Verbindung dünner Bleche und NE-Metalle im Heizungs-, Installations- und Rohrleitungsbau zum Einsatz. Unter der Zufuhr von Schweißdraht wird mit einem Acetylen-Sauerstoff-Gemisch gearbeitet, welches eine bis zu 3200 °C heiße Flamme erzeugt. Das Gasschmelzschweißen ist im Vergleich zu anderen Schweißverfahren relativ langsam und wird nur noch selten angewendet.
Lichtbogenschweißen
Das Lichtbogenschweißen wird in die folgenden Verfahren weiter untergliedert:
Lichtbogenhandschweißen
Eines der ältesten Schweißverfahren ist das Lichtbogenhandschweißen nach EN ISO 4063: Prozess 111. Zwischen einer abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück kommt ein Lichtbogen zum Einsatz, welcher die Wärme erzeugt und den Werkstoff an der Schweißstelle aufschmilzt. Das Verfahren zeichnet sich durch eine Vielzahl an Anwendungsgebieten aus. Dabei kann sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselstrom geschweißt werden. Der Einsatz von Schweißgleichrichtern, -umformern und -invertern ist möglich, aber nicht zwingend notwendig. Das Lichtbogenhandschweißen kommt überwiegend im Stahl- und Rohrleitungsbau zum Einsatz.
Schutzgasschweißen
Das Schutzgasschweißen ist das am häufigsten zur Anwendung kommende Schweißverfahren. Hierbei umströmen Schutzgase die Elektrode und die Schmelze und gewährleisten eine gleichmäßige Wärmezufuhr. Das Schutzgas wird dabei im Brenner zugeführt. Schutzgasschweißen kann von Hand sowie automatisiert durchgeführt werden. Die Kosten sind niedriger als beim Laserschweißen und die Flexibilität vergleichsweise hoch.
Unterpulverschweißen
Das Unterpulverschweißen ist ein Verfahren, welches automatisiert zum Schweißen langer Nähte verwendet wird. Es zeichnet sich durch hohe Abschmelzleistungen aus. Ein grobkörniges Schweißpulver aus Mineralien wird hierbei durch die vom Lichtbogen erzeugte Wärme zum Schmelzen gebracht und schwimmt auf der Metallschlacke. Hierdurch wird das flüssige Metall vor atmosphärischer Luft geschützt. Der Wirkungsgrad ist dadurch sehr hoch, zugleich wird nur wenig Rauch beim Schweißen erzeugt. Eine direkte Sichtkontrolle der Schweißnaht ist durch die Pulverschicht nicht möglich. Die Schweißnähte zeichnen sich durch eine hohe Qualität aus und sind weitgehend frei von Spritzern.
Laserschweißen
Das Laserschweißen nach EN ISO 4063: Prozess 52 ist durch seine hohe Geschwindigkeit sowie der schmalen Schweißnaht vor allem für Werkstücke geeignet, die keiner hohen thermischen Belastung ausgesetzt sein dürfen, um nicht zu verziehen. Die Schmelze entsteht durch die Absorption des Laserstrahls auf der Werkstoffoberfläche. Dieser ist oftmals nur wenige zehntel Millimeter breit, sodass eine hohe Konzentration der Energie auf gleicher Fläche erreicht wird. Die Schweißnaht kühlt durch diese konzentrierte Energie sowie die hohe Arbeitsgeschwindigkeit schnell ab und wird dadurch sehr hart.
Elektronenstrahlschweißen
Das Elektronenstrahlschweißen nach EN ISO 4063: Prozess 51 erfolgt meist im Vakuum. Hier werden Elektronen unter Hochspannung in den Prozess eingebracht und wandeln ihre Energie beim Aufprall auf das Werkstück in Wärme um. Der Wirkungsgrad ist höher als beim Laserschweißen und Schutzgase sind nicht erforderlich. Zugleich wird bei diesem Verfahren jedoch Röntgenstrahlung emittiert, die je nach Spannung durch die Vakuumkammer oder durch einen Bleimantel abgeschirmt wird.
Aluminothermisches / Thermit-Schweißen
Das Aluminothermische oder Thermit-Schweißen kommt im Schienenbau zum Einsatz. Hierzu werden in einem Schmelztiegel Eisenoxid- und Aluminiumpulver entzündet. Die Mischung aus heißer Schlacke und flüssigem Eisen verbindet die Bahnschienen bei einer Temperatur von ca. 2450 °C.
Pressschweißverfahren
Die Pressschweißverfahren lassen sich untergliedern in: Feuerschweißen, Widerstandsschweißen, Kaltpressschweißen, Reibschweißen und Ultraschallschweißen. All diesen Schweißverfahren ist gemein, dass die Verbindung der Werkstücke sowohl durch Wärme als auch durch Druck erzeugt wird.
Feuerschweißen
Das Feuerschweißen ist die klassische Methode zur Verbindung von Werkstücken aus Metall. Diese werden auf eine hohe Temperatur erhitzt und anschließend durch hohen Druck (den Schmiedehammer) miteinander verbunden. Durch diese Kombination von Wärme und Druck muss die Temperatur nicht so hoch wie bei rein thermischen Schweißverfahren sein. Als Flussmittel kommt heute meist Borax zum Einsatz.
Widerstandsschweißen
Das Widerstandsschweißen, welches in verschiedene Prozesse untergliedert wird, nutzt den elektrischen Widerstand der Werkstücke. Diese werden unter Druck erhitzt. An den Berührungspunkten ist der elektrische Widerstand am höchsten, dementsprechend wird hier am meisten Wärme freigesetzt.
Kaltpressschweißen
Beim Kaltpressschweißen nach EN ISO 4063: Prozess 48 wird unter hohem Druck gearbeitet. Hierdurch können die Werkstücke verbunden werden, ohne ihren festen Zustand beim Schweißen zu verlieren. Dabei werden die Schichten an der Oberfläche zerstört und die stabile Verbindung der Werkstücke entsteht durch die zwischenatomare Bindung.
Reibschweißen
Das Reibschweißen nach EN ISO 4063: Prozess 42 ist ein Schweißverfahren, bei dem die Werkstücke durch Druck und Reibung erhitzt werden. Hierdurch ist die thermische Belastung überwiegend auf den Stellen, an denen die Werkstücke direkt belastet werden. Dieses Verfahren ermöglicht auch die Verbindung von Werkstücken aus verschiedenen Materialien, wie zum Beispiel Aluminium und Stahl.
Ultraschallschweißen
Ultraschallschweißen nach EN ISO 4063: Prozess 41 kommt sowohl für die Verbindung von Metallen als auch von Kunststoffen zur Anwendung. Die Verschweißung wird bei diesem Verfahren durch mechanische Schwingungen im hochfrequenten Bereich erzielt. Dieses Schweißverfahren zeichnet sich durch seine kurzen Zeiten, eine hohe Wirtschaftlichkeit und die Möglichkeit, verschiedene Materialien miteinander zu verschweißen aus.
Fazit
Die Auswahl der Schweißverfahren ist groß. Neben wirtschaftlichen Überlegungen spielen dabei auch die Ansprüche an die Größe und Qualität der Schweißnaht, den Ort der Arbeiten und die beim Schweißen entstehenden Emissionen eine Rolle. Moderne Dienstleister tragen diesen Anforderungen Rechnung und bieten diverse Schweißverfahren an.