Schmelzschweißverfahren: Arten | Eignungen | Lichtbogenschweißen
Der Begriff Schmelzschweißverfahren steht als Oberbegriff für eine Reihe von Schweißverfahren, welche unter Einwirkung von Hitze ausgeführt werden. Die Geschichte der Verbindung von mehreren Teilen unter Einwirkung von Hitze reicht weit über unsere Zeitrechnung hinaus zurück.
Im Gegensatz zu den Pressschweißverfahren sind hier nicht zwingend große Kräfte nötig, um die Verbindung haltbar zu machen, da die Werkstücke in der Regel unbeweglich eingespannt werden. Ein weiterer Unterschied zu den Pressschweißverfahren ist, dass die Schmelzschweißverfahren von Hand ausgeführt werden können. Maschinen können die Schweißarbeiten zwar ausführen, sind aber meist nicht zwingend notwendig.
Die Gemeinsamkeit aller Schmelzschweißverfahren ist, dass die Materialien auf mehrere hundert oder sogar tausend Grad erhitzt werden, also bis zu deren Schmelzpunkt. Eine Unterscheidung der unterschiedlichen Schmelzschweißverfahren wird nach der Energiequelle getroffen, die für die Erhitzung verantwortlich ist. Diese Energiequelle kann beispielsweise elektrische Energie oder Gas sein. Eine Verbindung mit einem Schmelzschweißverfahren stellt eine nicht lösbare Verbindung dar.
Wie funktioniert ein Schmelzschweißverfahren?
Grundsätzlich funktioniert jedes Schmelzschweißverfahren nach dem gleichen Prinzip. Die Werkstücke werden so fixiert, dass ein vorher festgelegter Schweißstoß entsteht. Die genaue Ausführung dieses Schweißstoßes ist in der ISO 17659 zu finden und die Schweißpositionen in der DIN EN ISO 6947.
Anschließend wird unter Zuhilfenahme einer elektrischen oder chemischen Energie Hitze zugeführt, bis die Werkstoffe ihren Schmelzpunkt erreichen. Bei vielen Verfahren werden Hilfsstoffe in Form eines Schweißdrahtes zugeführt. Durch die Hitze verflüssigen sich die Materialien und verbinden sich im flüssigen Zustand miteinander. Nach dem Erkalten tritt eine deutlich sichtbare Schweißnaht auf, welche in den meisten Fällen eine größere Festigkeit aufweist als die beiden einzelnen Materialien.
Es können mit einem Schmelzschweißverfahren nur Materialien mit annährend identischem Schmelzpunkt verbunden werden. Andernfalls bestünde die Gefahr, dass das Material mit der niedrigeren Schmelztemperatur bereits verdampft, bevor das hitzebeständigere Material überhaupt schmilzt.
Arten von Schmelzschweißverfahren
Im Folgenden möchten wir eine Übersicht zu den Schmelzschweißverfahren bieten und die einzelnen Verfahren ein wenig genauer beleuchten.
Feuerschweißen
Überwiegend aus Filmen bekannt ist das Feuerschweißen. Die Werkstücke werden hier in einem Feuer bis zum Glühen erhitzt und anschließend unter Krafteinwirkung verbunden. Dies kann zum Beispiel durch Hammerschläge geschehen. Diese Schweißmethode ist sehr alt und wurde wegen des großen Zeitaufwandes und der Gefahr der Einwirkung äußerer Einflüsse fast komplett durch moderne Verfahren abgelöst.
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Das Gießschmelzschweißen funktioniert, indem der Stoß ausgegossen wird. Hierbei wird der Stoß der Materialien so angelegt, dass das verflüssigte Material aus der Reaktion ungehindert zwischen die Materialien fließen kann. Die Reaktion verläuft stark exotherm, entwickelt also eine sehr große Menge an Wärme. Es wird in Form der sogenannten Thermitreaktion beispielsweise im Gleisbau genutzt, um Schienenstöße zu verschweißen. Die Vorteile des Verfahrens ist die handliche Ausstattung, eine hohe Geschwindigkeit und die Tatsache, dass das eigentliche Material durch die Schweißung nicht verändert wird.
Widerstandsschmelzschweißen
Ein modernes, aber eher selten angewendetes Verfahren ist das Widerstandsschmelzschweißen. Es funktioniert vom Ablauf her ähnlich wie das Widerstandspressschweißen, wird allerdings ohne großen Kraftaufwand ausgeführt. Es kommt überwiegend an großen Baugruppen mit dickwandigen Schweißstößen, wie zum Beispiel im Schiffs- oder Reaktorbau, zum Einsatz.
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Gasschmelzschweißen – Autogenschweißen
Das Gasschmelzschweißen, auch Autogenschweißen genannt, ist ebenfalls eine alte, aber immer noch genutzte Methode. Die Werkstücke werden hier einfach mit einer Brennerflamme bis zum Schmelzpunkt erhitzt. Die benötigte Ausrüstung besteht aus einer Acetylen- und einer Sauerstoffflasche mit Flammenrückschlagsicherung und einem Mischerventil am Brenner. Aufgrund des langsamen Fortschritts und der großen Verformung durch Hitze am Werkstück verliert es an Bedeutung.
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Laserstrahlschweißen – Strahlschweißen
Beim Laserstrahlschweißen, oder auch Strahlschweißen, wird ein hochkonzentrierter Laser- oder Elektronenstrahl eingesetzt. Dieser verflüssigt das Material in einem sehr kleinen Bereich von einigen Zehntelmillimetern und erlaubt damit ein extrem genaues Arbeiten. Außerdem wird das Verziehen des Materials durch großflächige Hitze vermieden. Die Intensität des Laserstrahls kann zudem an den Schmelzpunkt des Materials angepasst werden. Insgesamt ist das Verfahren sehr effizient und erlaubt schnelle sowie saubere Schweißnähte, benötigt allerdings sehr teure Anlagen.
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Eine häufig genutzte Unterkategorie bildet das Lichtbogenschweißen mit seinen Ablegern, welches sich in verschiedene Bereiche einteilen lässt. Die wichtigsten Informationen dazu sind im nächsten Abschnitt zu finden.
Lichtbogenschweißen – Arten und Anwendungsgebiete
Das Lichtbogenschweißen funktioniert mithilfe eines elektrischen Stromflusses und der durch eine Gasentladung entstehende Schweißlichtbogen ist mehrere tausend Grad heiß. Genauer genommen handelt es sich beim Lichtbogen um ein Plasma, also ein Gasgemisch im vierten Aggregatzustand.
Es gibt verschiedene Arten, den Lichtbogen zu erzeugen. Je nach Verfahren gibt es abschmelzende und nicht abschmelzende Elektroden sowie frei brennende und eingeschnürte Lichtbögen. Die Temperatur des Lichtbogens wird maßgeblich von der Spannung und dem Strom bestimmt. Folglich können Lichtbogenschweißprozesse über die Spannung am Schweißgerät recht gut eingeregelt werden.
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E-Handschweißen – Lichtbogenhandschweißen
Beim Lichtbogenhandschweißen, auch E-Handschweißen genannt, wird ein Strom über eine Elektrode und durch die Werkstoffe geschickt. Die Elektrode enthält dabei Stoffe, die einer Oxidation der Schweißstelle entgegenwirken. Dieses Verfahren ist eines der ältesten elektrischen Schweißverfahren und wird heute noch angewendet. Die größten Vorteile bestehen darin, dass das Verfahren unter allen Umgebungsbedingungen durchgeführt werden kann, weil der Schweißvorgang unabhängig von Wind oder Außentemperatur funktioniert. Außerdem sind Schweißgeräte zum E-Handschweißen verhältnismäßig klein und günstig.
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WIG-Schweißen
Das WIG-Schweißen (Wolfram-Inertgasschweißen) ist ein Verfahren, mit welchem nahezu jedes schmelzschweißfähige Material bearbeitet werden kann. Es benutzt eine nicht abschmelzende Elektrode aus Wolfram und ein Gas, meist Argon oder Helium, welches die Oxidation verhindert. Oftmals wird noch ein Zusatz in Form eines Schweißdrahtes zugegeben. Das WIG-Schweißen ist zwar im Vergleich recht langsam, doch es entstehen hervorragende Schweißnähte. Einsatzgebiete sind Schweißnähte mit sehr hohen Qualitätsansprüchen.
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Schutzgasschweißen
Das häufig eingesetzte Metallschutzgasschweißen, manchmal nur Schutzgasschweißen, lässt sich in die Verfahren MIG-Schweißen und MAG-Schweißen einteilen. Grundsätzlich funktionieren beide Verfahren gleich, indem ein abschmelzender Draht von einem einstellbaren Motor zugegeben wird. In einem bestimmten Verhältnis wird außerdem ein Gas zugeführt, welches die Werkstoffe vor der Oxidation schützt. Beide Verfahren erlauben sehr lange und gleichmäßige Schweißnähte.
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MIG-Schweißen
Beim MIG-Schweißen (Metallschweißen mit inerten Gasen) handelt es sich bei diesem Gas meist um Argon oder Helium und es wird für Nichteisenmetalle eingesetzt.
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MAG-Schweißen
Das Gegenstück MAG-Schweißen (Metallschweißen mit aktiven Gasen) nutzt entweder Stickstoff (CO2) oder ein Gemisch aus Argon und Stickstoff. Es eignet sich für alle eisenhaltigen Metalle.
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Unterpulverschweißen
Das Unterpulverschweißen wird überwiegend maschinell ausgeführt und kennzeichnet sich dadurch, dass der Stoß während des Schweißvorgangs mit einem mineralischen Schweißpulver bedeckt wird. Dies verhindert nicht nur die Oxidation, sondern minimiert auch die Emissionen der Schweißung in Form von Rauch. Das Verfahren liefert sehr hochwertige Ergebnisse, kann allerdings nur bei horizontaler Lage der Werkstücke angewandt werden.
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Plasmaschweißen
Das Plasmaschweißen benutzt ein hocherhitztes Gasgemisch aus Argon und Helium oder Argon und Wasserstoff. Das Gas schützt dabei wieder die Schmelze vor der Oxidation. Der große Vorteil ist der auch bei niedrigen Strömen stabil brennende Lichtbogen. Dieser ermöglicht sogar das Schweißen von Blechen mit 0,1 mm Stärke. Es wird vielerorts eingesetzt und reicht vom Rohrleitungsbau bis zur Mikroschweißtechnik.
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