Pressschweißverfahren: Arten | Eignung | Übersicht Schweißtechnik
Verschiedene Materialien und Anwendungsgebiete machen unterschiedliche Arten der Schweißung nötig. Das Pressschweißen dient als Oberbegriff für eine ganze Reihe von Verfahren, welche zwar Unterschiede in der Ausführung zeigen, aber alle gleichermaßen mit dem Anwenden von Kraft zusammenhängen. Das Gegenstück dazu bildet das Schmelzschweißverfahren, welches durch die reine Zufuhr von Wärme ausgeführt wird.
Im folgenden Beitrag stellen wir eine Übersicht zu den einzelnen Pressschweißverfahren und Hintergründe näher vor.
Krafteinwirkung beim Schweißen
Deutlich feiner können die Pressschweißtechniken nach der benötigten Energiequelle unterschieden werden, welche beispielsweise der elektrische Strom oder eine mechanische Energie sein kann. Es gibt viele unterschiedliche Varianten des Pressschweißens, die allerdings immer unter einer gewissen Krafteinwirkung durchgeführt werden.
Aufgrund der meist enormen Kräfte, die bei einem Pressschweißverfahren nötig sind, kann das Verfahren meist nur mithilfe von Maschinen ausgeführt werden. Je nach Material und Größe der Werkstücke können durchaus Kräfte im Bereich mehrerer Tausend Newton nötig sein. Zum Vergleich: ein Mensch mit einem Gewicht von 90 kg übt eine Gewichtskraft von 883 Newton auf den Boden aus.
Wie funktioniert ein Pressschweißverfahren?
Die zu verschweißenden Materialien werden grundsätzlich mit einer großen Kraft aufeinandergepresst. Es werden beim Pressschweißen keine Hilfsstoffe in Form von Schweißdraht oder Vergleichbarem gebraucht. Unter Zuhilfenahme einer weiteren mechanischen, chemischen oder elektrischen Energie werden die Materialien meist etwas erwärmt, da nahezu alle Werkstoffe mit steigender Temperatur an Festigkeit verlieren.
Der große Vorteil dieser Verfahren ist, dass im Gegensatz zu den Schmelzschweißverfahren auch Materialien miteinander verschweißt werden können, welche sehr unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisen. In diesem Fall können die Werkstücke durch eine große Kraft stoffschlüssig verbunden werden. Wie alle anderen Schweißverfahren stellt auch das Pressschweißen eine nicht lösbare Verbindung der Werkstoffe dar.
Grundsätzlich können mit der Vielzahl an Pressschweißtechniken fast alle Materialien verschweißt werden, die eine gewisse Grundfestigkeit aufweisen. Die tatsächliche Eignung eines Verfahrens richtet sich immer nach den Materialien beider Werkstücke, welche verschweißt werden sollen. Ein Verschweißen unterschiedlicher Werkstoffe ist bei mehreren Verfahren möglich.
Für Metalle beispielsweise kann das Widerstandspunktschweißverfahren angewendet werden, welches bei Kunststoffen nicht funktioniert, weil eine hohe elektrische Leitfähigkeit benötigt wird. Bei Kunststoffen kann dafür das Ultraschallschweißen angewendet werden, welches nicht bei allen Metallen wirksam ist.
Welche Verfahren zum Pressschweißen gibt es?
Es gibt eine Reihe von Pressschweißverfahren, die wir im Folgenden näher vorstellen möchten.
Kaltpressschweißen
Das Kaltpressschweißen ist eine aus der technischen Sicht recht einfache Schweißtechnik. Sie kann allerdings nur bei Materialien angewendet werden, die eine gewisse Verformbarkeit im kalten Zustand aufweisen. Die Werkstücke werden hier mit einem sehr hohen Druck aufeinandergepresst, sodass sich deren Oberflächen aufgrund zwischenatomarer Bindekräfte stoffschlüssig miteinander verbinden. Mit einem Kaltpressschweißverfahren werden überwiegend Metalle oder Metall mit Keramik verschweißt.
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Sprengschweißen
Nach dem gleichen Prinzip verläuft das Sprengschweißen, wobei hier eine Sprengladung genutzt wird, um eine höhere Anpresskraft aufzubringen.
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Elektromagnetische Pulsschweißen
Das elektromagnetische Pulsschweißen funktioniert ebenfalls ähnlich, nur dass hier ein Werkstück durch Elektromagnetismus beschleunigt und somit auf ein fixiertes Gegenstück gepresst wird.
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Lichtbogenpressschweißen
Beim Lichtbogenpressschweißen werden zwei hohle, elektrisch leitfähige Werkstücke an deren Enden miteinander verschweißt. Dazu werden die Werkstücke mit einem definierten Abstand voneinander platziert und mithilfe eines Stromes wird ein Lichtbogen zwischen diesen entzündet. Der Lichtbogen erhitzt die Werkstücke bis zum Schmelzpunkt, woraufhin die Kanten mit einer gezielten Pressung verbunden werden.
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Lichtbogenbolzenschweißen
Damit verwandt ist das Lichtbogenbolzenschweißen, wobei hier bolzenähnliche Bauelemente mit dem Gegenstück, beispielsweise der Karosserie, verbunden werden. Die Funktionsweise und der Ablauf bleiben dabei gleich.
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Reibschweißen
Die Verfahren zum Reibschweißen nutzen die mechanische Energie in Verbindung mit einer Bewegung.
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Rotationsreibschweißen
Beim Rotationsreibschweißen beispielsweise wird ein Werkstück fest eingespannt und ein zweites mit einer rotierenden Bewegung daraufgepresst.
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Ultraschallschweißen
Ähnlich verhält sich das Ultraschallschweißen, wobei hier eine mit dem Auge unsichtbare Bewegung in Form einer Schwingung stattfindet.
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Rührreibschweißen
Beim Rührreibschweißen hingegen werden die Werkstücke aufeinander gepresst, während ein rotierendes Werkzeug die Stoßkante entlangfährt und die Materialien durch die steigende Temperatur unter Druck „verrührt“.
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Widerstandspunktschweißen
Ausschließlich für elektrisch leitfähige Werkstoffe geeignet ist das Widerstandspunktschweißen. Hierbei werden die Werkstücke, normalerweise Bleche, von zwei Elektroden zusammengepresst, durch die anschließend ein Strom geschickt wird. Dieser Strom erhitzt die Bleche und sorgt zum Verschmelzen der Materialien an der Stelle mit dem größten elektrischen Widerstand, also der Übergangsstelle zwischen beiden Werkstücken.
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Weiterentwickelte Formen der Widerstandspressschweißung sind zum Beispiel das Rollennahtschweißen, Pressstumpfschweißen, Abbrennstumpfschweißen, Buckelschweißen und das Hochfrequenzschweißen, welche im nächsten Abschnitt näher beschrieben werden.
Widerstandspressschweißen: Verfahren und Anwendung
Wenn ein Strom durch einen Leiter fließt, entsteht an der Stelle des größten elektrischen Widerstandes die größte Wärme. Diesen Effekt machen sich alle Widerstandspressschweißverfahren gleichermaßen zunutze, da der Widerstand des Materials um ein Vielfaches niedriger ist als der Widerstand des Übergangs zwischen zwei Werkstücken.
Aufgrund der Notwendigkeit eines elektrischen Stromflusses ist die Verwendung all dieser Verfahren auf Werkstoffe beschränkt, welche sehr gute elektrische Leiter sind. Bei schlecht leitenden Werkstoffen könnte der zum Schmelzen erforderliche Strom nicht oder nur mit großem technischen Aufwand erreicht werden. Außerdem wäre hier ein sauberer und berechenbarer Stromfluss nicht immer zu garantieren.
Der große Vorteil strombasierter Schweißverfahren ist deren Möglichkeit zur Anpassung. Unterschiedliche Materialien können in der gleichen Zeit geschweißt werden, indem die Geschwindigkeit der Schweißung über den Strom eingestellt wird. Außerdem beschränkt sich die Abnutzung der Maschinen größtenteils auf die Elektroden und macht das Verfahren sehr effizient.
Widerstandspressschweißen
Im Folgenden möchten wir die wesentlichen Widerstandspressschweißverfahren vorstellen und ein paar Hintergrundinformationen vorstellen.
Die einfachste Form, das Widerstandspunktschweißen, verbindet die Werkstücke durch zwei Elektroden mit punktförmigen Schweißnähten. Dies ermöglicht weitestgehend gleichmäßige Schweißpunkte und kommt beispielsweise bei der Verbindung von Autokarosserieteilen zum Einsatz. Der Nachteil des Verfahrens ist die Gefahr von Nebenschlüssen, welche entstehen, indem ein Teil des Stromes nicht über die gewünschte Kontaktstelle fließt.
Rollennahtschweißen
Beim Rollennahtschweißen bestehen die beiden Elektroden aus rotierbaren Scheiben. Diese werden während der Schweißung an dem Werkstück entlang geführt und ermöglichen eine durchgängige Schweißnaht. Das wohl bekannteste Beispiel hierfür ist die Herstellung von Konservendosen.
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Buckelschweißen
Das Verbinden zweier Werkstücke durch Buckelschweißen unterscheidet sich von anderen Verfahren dadurch, dass das Werkstück über spezielle Kontaktstellen, sogenannte Schweißbuckel, verfügt. Diese definieren durch ihren Aufbau den Bereich des Stromflusses genau. Dies minimiert die Wahrscheinlichkeit von Fehlerströmen, wie sie beim Widerstandspunktschweißen auftreten können. Ein Beispiel ist das Verschweißen von Metallstäben zu Gittern.
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Die beiden Widerstandsstumpfschweißverfahren, das Pressstumpfschweißen und Abbrennstumpfschweißen, ähneln sich in der Ausführung und sind beispielsweise zur Verbindung von Drähten, Ketten oder Rundeisen geeignet. Beim Pressstumpfschweißen werden die Werkstücke direkt aufeinandergepresst und mit Strom erhitzt, während beim Abbrennstumpfschweißen während der Erhitzung nur ein punktueller Kontakt besteht. Beide Verfahren enden mit dem kräftigen Aufeinanderpressen der verflüssigten Stirnseiten.
