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Schweißen ist ein Vorgang, bei dem zwei oder mehrere Teile durch Wärme, durch Druck oder durch beides unlösbar miteinander verbunden werden. Es wird in der Regel für Metalle und Thermoplaste verwendet, kann aber auch für Holz angewendet werden.

Dieser Artikel ist Teil einer Reihe von am TWI häufig gestellten Fragen (frequently asked questions, FAQs).

Der Werkstoff der Werkstücke, die miteinander verbunden werden, wird als Grundwerkstoff bezeichnet, und das Material, das zur Bildung der Verbindung hinzugefügt wird, heißt Zusatzwerkstoff. Der Grundwerkstoff ist meist eine Platte, ein Blech, eine Folie oder ein Rohr; der Zusatzwerkstoff kann z.B. als Draht, Stab, Band, Pulver oder beim Lichtbogenschweißen als Stabelektrode zugeführt werden. Einige Werkstoffe erfordern den Einsatz besonderer Prozesse und Techniken, und andere gelten als „unschweißbar“, ein Begriff, der in den meisten Wörterbüchern nicht vorkommt aber im Ingenieurwesen nützlich und beschreibend ist.

Zusatzwerkstoffe werden in der Regel so gewählt, dass sie in ihrer Zusammensetzung dem Grundwerkstoff ähnlich sind und so eine homogene Schweißnaht bilden, aber es gibt Fälle, in denen, wie z.B. beim Schweißen von sprödem Gusseisen, ein Zusatzwerkstoff mit einer sehr unterschiedlichen Zusammensetzung und damit Eigenschaften verwendet wird; solche Schweißnähte werden als heterogen bezeichnet.

Außerdem gibt es Schweißhilfsstoffe wie Schutzgase und Flussmittel, die das Schweißen ermöglichen oder erleichtern.

Das geschweißte Bauteil wird oft als Zusammenbauteil, Baugruppe oder Schweißkonstruktion bezeichnet.

Welche Werkstoffe können geschweißt werden?

Schweißen von Metallen

Im Gegensatz zum Löten, bei das der Grundwerkstoff nicht schmilzt, ist das Schmelzschweißen ein Hochtemperaturprozess, bei dem das Grundmaterial typischerweise unter Zusatz eines Zusatzwerkstoffes geschmolzen wird. Die hohe Hitze verursacht ein Schweißbad aus geschmolzenem Metall, das sich abkühlt und die Verbindung bildet, die stärker sein kann als der Grundwerkstoff. Schutzgase können verwendet werden, um die heißen Grund- und Zusatzwerkstoffe vor Verunreinigung oder Oxidation zu schützen. Beim Pressschweißen wird Druck verwendet, um eine Schweißnaht zu erzeugen, entweder zusätzlich zur Wärme oder allein.

Schweißen von Kunststoffen

Beim Kunststoffschweißen werden die Werkstoffe ebenfalls mit Wärme verbunden – eine Ausnahme ist lediglich das Lösungsmittelschweißen. Kunststoffschweißen erfolgt in drei Stufen: Zuerst werden die Oberflächen vorbereitet, dann werden Wärme und Druck aufgebracht und schließlich werden die Materialien abgekühlt, um eine Verbindung zu erzeugen. Fügeverfahren für Kunststoffe können je nach Verfahren in solche mit externen oder internen Erwärmungsverfahren unterteilt werden.

Schweißen von Holz

Ein Sonderfall ist das Schweißen von Holz durch Vibrationsreibschweißen. Dabei wird die durch Reibung erzeugte Wärme zum Verbinden der Werkstücke genutzt. Die zu verbindenden Werkstoffe werden einem hohen Druck ausgesetzt, bevor eine lineare Reibungsbewegung Wärme erzeugt, um die Werkstücke miteinander zu verbinden. Dies ist ein schneller Prozess, der es ermöglicht, Holz in Sekundenschnelle ohne Klebstoffe, Nägel oder Schrauben zu verbinden.

Typische Stoßgeometrien

Stumpfstoß

butt joint

Verbindung zwischen den Enden oder Kanten zweier Teile, die an der Verbindungsstelle in einem Winkel von 135-180° zueinander ausgerichtet werden.

T-Stoß

t joint

Verbindung zwischen dem Ende oder der Kante eines Teils und der Fläche des anderen Teils, wobei die Teile einen Winkel zueinander von mehr als 5° bis zu einschließlich 90° im Bereich der Verbindung bilden.

Eck-Stoß

corner joint

Verbindung zwischen den Enden oder Kanten zweier Teile, die im Bereich der Verbindung einen Winkel von mehr als 30°, aber weniger als 135° zueinander aufweisen.

Stirnstoß

edge joint

Verbindung zwischen den Kanten zweier Teile, die im Bereich der Verbindung einen Winkel von 0° bis einschließlich 30° zueinander aufweisen.

Kreuzstoß

cruciform joint

Eine Verbindung, bei der zwei flache Platten oder zwei Stäbe mit einer anderen flachen Platte im rechten Winkel und auf der gleichen Achse verschweißt sind.

Überlappstoß

lap joint

Verbindung zwischen zwei sich überlappenden Teilen, die im Bereich der Schweißnaht einen Winkel von 0-5° zueinander aufweisen.

Arten von Schweißnähten

Schweißnähte können, wie folgt, anhand der Konfiguration beschrieben werden:

Stumpfnaht und Kehlnaht

weld configurations

In Abhängigkeit von der Nahtvorbereitung vor dem Schweißen werden Stumpfnähte z.B. in I-Naht, V-Naht, Y-Naht, HV-Naht, HY-Naht, U-Naht, HU- oder J(ot)-Naht etc. unterschieden.

 

Schlitznaht

slot weld diagram

Verbindung zwischen zwei sich überlappenden Komponenten, mit einer Kehlnaht am Umfang eines Schlitzes in einem der Werkstücke und der Oberfläche des anderen Werkstücks, auf dem das geschlitzte Werkstück liegt.

 Lochnaht

plug weld diagram

In eins der beiden Werkstücke wird eine kreisförmige oder ovale Bohrung eingebracht. Die Schweißnaht wird durch das Füllen dieser Durchgangsbohrung mit Schweißzusatz hergestellt, um sie mit der Oberfläche des Werkstücks zu verbinden, auf dem das gelochte Werkstück liegt.

Schweißnähte können darüber hinaus folgendermaßen anhand der Penetration beschrieben werden:

Volle Durchschweißung

full penetration weld

Schweißverbindung, bei der das Schweißgut mit vollständiger Wurzelschmelze vollständig in die Verbindung eindringt. In Großbritannien wird das „full penetration weld“ genannt, in den USA ist der bevorzugte Begriff „complete joint penetration weld“ (Abkürzung CJP, siehe AWS D1.1).

Partielle Durchschweißung

partial penetration weld diagram

Schweißnaht, bei der die tatsächliche Nahtdicke absichtlich geringer ist als die Blechdicke. In Großbritannien wird das „partial penetration weld“ genannt. In den USA ist der bevorzugte Begriff „partial joint penetration weld“ (Abkürzung PJP) bezeichnet.

Schweißnahtbeschreibung anhand der Zugänglichkeit

Einseitige und beidseitige Schweißung

weld accessibility

In Abhängigkeit von der Nahtvorbereitung vor dem Schweißen werden Stumpfnähte z.B. Doppel-V-Naht (DV-Naht), Doppel-HV-Naht (DHV-Naht), Doppel-U-Naht (DU-Naht) und Doppel-HY-Naht mit Kehlnaht (DHY-Naht mit Kehlnaht) unterschieden.

Anzahl der Lagen

weld run pass

 

Energiequellen

Zum Schweißen können unterschiedliche Verfahren mit unterschiedlichen Energiequellen eingesetzt werden. Bis Ende des 19. Jahrhunderts gab es nur das Feuerschweißen, aber im Laufe der Zeit wurden Verfahren wie das Autogen- und Lichtbogenschweißen entwickelt. Moderne Verfahren nutzen Laser, Elektronenstrahl, Reibung und sogar Ultraschall, um die Werkstoffe zu erwärmen und miteinander zu verbinden.

Bei all diesen Verfahren ist Vorsicht geboten, da sie zu Verbrennungen, Stromschlägen, Augenschäden, Strahlenbelastung oder Einatmen von giftigem Gas und Schweißrauch führen können.

Verschiedene Schweißverfahren und wofür sie verwendet werden

Es gibt eine Vielzahl von verschiedenen Verfahren und Techniken, die im Handwerk und in der Industrie eingesetzt werden, darunter:

Lichtbogenschweißen

Diese Kategorie umfasst eine Reihe gängiger manueller, halbautomatischer und automatischer Prozesse. Dazu gehören Metall-Inertgasschweißen (MIG), Metall-Aktivgasschweißen (MAG), Wolfram-Inertgasschweißen (WIG), E-Handschweißen, Gasschweißen, Fülldrahtschweißen, Unterpulverschweißen und Plasmaschweißen. Diese Techniken verwenden in der Regel einen Zusatzwerkstoff und werden hauptsächlich zum Verbinden von Metallen wie Stahl, Edelstahl, Aluminium, Nickel- und Kupferlegierungen, Kobalt und Titan eingesetzt. Lichtbogenschweißverfahren werden in allen Industriezweigen wie Öl und Gas, Energietechnik, Luft- und Raumfahrt, Automobilbau eingesetzt.

Reibschweißen

Reibschweißverfahren verbinden Werkstoffe durch mechanische Reibung. Dies kann auf vielfältige Weise auf verschiedenen Schweißwerkstoffe wie Stahl, Aluminium oder sogar Holz erfolgen. Die mechanische Reibung erzeugt Wärme, die die Materialien erweicht und vermischt, so dass beim Abkühlen eine feste Verbindung entsteht. Die Art und Weise, wie das Fügen erfolgt, ist abhängig vom exakten Verfahren, z.B. und Rotationsreibschweißen, Linearreibschweißen, Rührreibschweißen (FSW), Reibrührpunktschweißen (FSSW). Beim Reibschweißen ist der Einsatz von Schweißzusatzwerkstoffen, Flussmitteln oder Schutzgasen nicht erforderlich.

Reibschweißen wird häufig in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, da es ideal zum Fügen von ansonsten „nicht schweißbaren“ Aluminium-Leichtbaulegierungen ist. Das Reibschweißen von Metallen und das Vibrationsschweißen von Kunststoffen werden in allen Industriezweigen eingesetzt und auch als Methode zum Verbinden von Holz ohne Verwendung von Klebstoffen oder Nägeln erforscht.

Elektronenstrahlschweißen

Dieses Schmelzschweißverfahren verwendet für die Energiezufuhr einen Strahl von auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigten Elektronen, um Werkstoffe zu verbinden. Die kinetische Energie der Elektronen wird beim Aufprall auf die Werkstücke in Wärme umgewandelt, wodurch die Materialien miteinander verschmelzen. Das Elektronenstrahlschweißen wird im Vakuum (meist unter Verwendung einer Vakuumkammer) durchgeführt, um zu verhindern, dass der Strahl defokussiert wird. Es gibt viele gängige Anwendungen für das Elektronenstrahlschweißen, die zum Fügen von dicken Profilen verwendet werden können. Das bedeutet, dass es in einer Reihe von Branchen von der Luft- und Raumfahrt über die Kernenergie bis hin zur Automobilindustrie und dem Schienenverkehr eingesetzt werden kann.

Laserschweißen

Dieses Verfahren zum Fügen von Thermoplasten oder Metallteilen verwendet einen Laser, um Wärme zu erzeugen und fokussiert in das Werkstück einzubringen, was zu schmalen und tiefen Schweißnähten sowie hohen Fügegeschwindigkeiten führt. Da das Laserschweißen einfach zu automatisieren ist, ist es aufgrund seiner Schnelligkeit ideal für Anwendungen mit hohen Stückzahlen, wie beispielsweise in der Automobilindustrie. Das Laserstrahlschweißen kann an der Luft durchgeführt werden und benötigt kein Vakuum wie das Elektronenstrahlschweißen.

Widerstandsschweißen

Widerstandsschweißen ist ein schneller Prozess, der vor allem in der Automobilindustrie eingesetzt wird. Es wird in zwei Arten unterteilt: das Widerstandspunktschweißen und das Widerstandsnahtschweißen. Beim Punktschweißen werden zwei Bleche zwischen zwei Elektroden eingespannt. Durch den zwischen den Elektroden fließenden Strom entsteht Wärme, die die zusammengepressten Bauteile in der Fügezone punktförmig aufschmilzt. Das Nahtschweißen ist dem Punktschweißen ähnlich, wobei die Elektroden aber durch rotierende Rollen ersetzt werden, um eine kontinuierliche, flüssigkeitsdichte Schweißnaht zu gewährleisten.

 

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