Hitze, Knall und Funken: 4 spannende Schweißverfahren

Hitze, Knall und Funken: 4 spannende Schweißverfahren

„Eine durch Fügen hergestellte, dauerhafte Verbindung von zwei Werkstücken unter der Anwendung von Wärme und/oder Druck“ – so wird das Schweißen auf technischer Ebene beschrieben. Natürlich ist es richtig, dass beim Schweißen zwei Werkstücke an bestimmten Stellen kontrolliert auf Schmelztemperatur gebracht und eventuell unter Zugabe eines ebenfalls aufgeschmolzenen Zusatzwerkstoffs stoffschlüssig miteinander verbunden werden.

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Hitze, Knall und Funken 4 spannende Schweißverfahren

Doch die recht nüchterne Beschreibung spiegelt nur eingeschränkt wider, wie facettenreich das Schweißen ist.

Neben bekannten und weit verbreiteten Verfahren wie dem WIG-, dem MAG- oder dem MIG-Schweißen ermöglicht das vergleichsweise simple Grundprinzip eine Vielzahl weiterer Anwendungen.

Vier solcher spannenden Schweißverfahren stellen wir in diesem Beitrag vor:

  1. Laserschweißen

Vor allem im industriellen Bereich gibt es beim Schweißen ein großes Problem: Bei vielen gängigen Schweißverfahren lässt sich die Hitze nur schwer begrenzen.

Eigentlich wird die Hitze nur dort benötigt, wo das Material aufgeschmolzen werden muss, damit es gefügt werden kann. Tatsächlich strahlt die Hitze aber in das gesamte Bauteil.

Die gravierendste Folge der Ausbreitung ist, dass die Wärme Spannungen im Material hervorruft, durch die sich die Bauteile verziehen. Je nach Art und Stärke des Materials ist es zwar möglich, den Verzug zu berechnen und entsprechend einzukalkulieren. Aber dadurch entsteht zusätzlicher Aufwand.

An dieser Stelle kommt der Laser ins Spiel. Derzeit ist der Laser die präziseste Methode, um Energie zielgerichtet einzubringen. In der Industrie werden Laser schon lange eingesetzt, um Bauteile mit höchster Präzision, reproduzierbar und bei geringstem Verschnitt zu schneiden.

Dass es technisch gesehen vom Trennen zum Verbinden nur ein kleiner Schritt ist, liegt auf der Hand.

Die große Stärke des Lasers beim Schweißen ist, dass er die benötigte Energie auf einen Punkt fokussieren kann, der gerade einmal einen Durchmesser von Zehntelmillimetern hat.

Gleichzeitig steht die Wärme innerhalb von Sekundenbruchteilen zur Verfügung. Inzwischen ist die Technik so ausgereift, dass mittels Laserschweißen in Serie Schweißnähte mit höchster Präzision erstellt werden können.

Auch das Problem mit dem Verzug ist dadurch erheblich kleiner geworden.

  1. Bolzenschweißen

In vielen Fällen zielt das Schweißen darauf ab, zwei Materialien so miteinander zu verbinden, dass keine zusätzlichen Verbindungen mehr benötigt werden. Allerdings kann es sich beim Schweißen auch nur um einen Zwischenschritt handeln.

Das ist zum Beispiel dann so, wenn ein Gewindebolzen an ein Bauteil geschweißt wird, der die eigentliche Verbindung bildet und im Gegensatz zu einer geschweißten Verbindung jederzeit leicht lösbar sein soll.

Das Problem an der Sache ist, dass es mit den meisten Schweißverfahren sehr schwierig ist, viele Bolzen so anzuschweißen, dass die Höhe und der Winkel immer und bei allen gleich sind. Diese Problematik tritt auf Baustellen und in Werkstätten genauso auf wie in der Industrie. Um Abhilfe zu schaffen, wurde das Bolzenschweißen entwickelt.

Für das Verfahren wird eine spezielle Schweißpistole mit dazu passenden Bolzen benötigt. Die Schweißpistole hält den Bolzen und versorgt ihn über einen Schweißinverter mit Spannung.

Die Verbindung mit dem Metall richtet sich nach der verwendeten Technik:

  • Beim Hubzündungsbolzenschweißen wird ein Bolzen mit einer flachen Unterseite verwendet. Die Pistole hebt den Bolzen in dem zuvor eingestellten Abstand vom Trägermaterial weg. Durch Betätigung des Stromflusses zündet ein Lichtbogen, der das Trägermaterial und die Unterseite des Bolzens aufschmilzt und so beide Materialien miteinander verbindet.

  • Das Spitzenzündungsbolzenschweißen gestaltet sich ähnlich. Der Unterschied ist, dass der Bolzen auf seiner Unterseite einen Nippel hat. Der Lichtbogen, der durch den Stromfluss gezündet wird, schmilzt die Unterseite des Bolzens samt Nippel und das Trägermaterial auf. Danach können beide Komponenten miteinander verbunden werden.

Das Bolzenschweißen ermöglicht, dutzende Bolzen pro Minute anzuschweißen. Gleichzeitig sind die Bolzen alle auf gleicher Höhe und im gleichen Winkel positioniert.

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Hitze, Knall und Funken 4 spannende Schweißverfahren (1)

  1. Sprengschweißen

Prinzipiell erfordert das Schweißen immer eine so große Hitze, dass die beiden Materialien, die gefügt werden sollen, schmelzen. Allerdings gibt es Ausnahmen.

Denn anstelle von Hitze kann auch Druck im Spiel sein. Damit kommen wir zu dem vielleicht eindrucksvollsten Schweißverfahren, dem Sprengschweißen.

Dass es dieses Verfahren gibt, hat einen ganz praktischen Grund. Wenn zwei Materialien mit sehr unterschiedlichen Schmelztemperaturen miteinander verbunden werden sollen, ist es nicht möglich, sie mit einem herkömmlichen Schweißverfahren zu fügen.

Während Kupfer zum Beispiel bei 1.083 Grad Celsius aufschmilzt, schmilzt Titan erst bei 1.670 Grad Celsius auf. Bei einem konventionellen Schweißverfahren wäre das Kupfer schon großflächig weggeschmolzen, bevor das Titan überhaupt glühen würde.

Die Lösung liefert das Sprengschweißen. Statt mit Hitze arbeitet das Verfahren mit Druck. Dabei beschleunigt eine Sprengladung die zu fügenden Materialien so stark, dass sie regelrecht aufeinander geschossen werden.

Durch den hohen Druck beim Aufeinandertreffen verkeilen sie sich gewissermaßen auf atomarer Ebene ineinander.

Allerdings ist das Sprengschweißen auf stabile und großflächige Bauteile beschränkt. Denn kleine, filigrane Einzelteile würden der Druckwelle bei der Detonation nicht standhalten.

  1. Thermitschweißen

Das Thermitschweißen wurde inzwischen weitestgehend durch andere Schweißverfahren abgelöst und wird heutzutage eigentlich nur noch für eine einzige Anwendung eingesetzt.

Doch die Technik und vor allem die Optik machen das Thermitschweißen zu einem überaus spannenden und imposanten Schweißverfahren.

Angewendet wird das Thermitschweißen, um Eisenbahnschienen, die einzeln verlegt werden, zu einem durchgehenden Band zu verbinden, das über die gesamte Länge an allen Stellen gleich belastbar ist. Diese Aufgabe ist technisch anspruchsvoll. Denn durch das Gewicht der Züge sind die Schienen und die Schweißnähte enormen Dauerbelastungen ausgesetzt.

Anders als zum Beispiel das moderne Laserschweißen hat das Thermitschweißen etwas sehr Ursprüngliches an sich:

  • Zuerst stellt ein Schneidbrenner einen präzisen Abstand zwischen den beiden Schienenstößen her.

  • Anschließend wird eine Gießform aufgesetzt, die mit ähnlichen Materialien gefüllt ist, wie sie auch im Hochofenbau verwendet werden.

  • Ein darauf positionierter Brenner heizt die Schienenstöße auf über 1.000 Grad Celsius vor.

  • Danach wird ein Schmelztiegel über der Verbindungsstelle ausgerichtet. Der Tiegel enthält mehrere Kilogramm Thermit. Thermit ist ein Gemisch aus feinem Aluminium- und Eisenoxidpulver.

  • Dann wird das Thermit gezündet. Das erfolgt durch eine Art Zündkerze, die aus einer Mischung aus Bariumperoxid und Magnesium besteht. Diese Mischung sorgt für die hohen Temperaturen, die notwendig sind.

Das Zünden setzt eine spektakuläre exotherme Reaktion in Gang. Weil das Thermit innerhalb kürzester Zeit reagiert, erreichen seine beiden Inhaltsstoffe Temperaturen von weit über 1.500 Grad Celsius und verflüssigen sich.

Das schwerere Eisen sinkt auf den Boden des Tiegels und läuft von dort aus automatisch in den Schienenstoß weiter. Durch seine Hitze schmelzen auch die beiden Enden der Schienen an und verbinden sich zu einem durchgehenden Schienenstück.

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Rudolf Bozart, - Schweißfachingenieur, Gerd Meinken - Schweißwerkmeister, Thorsten Kamps, Schweißer, Coautor und Buchautor und Christian Gülcan Unternehmer und Betreiber der Webseite, 2 Jahre Vertrieb von Dienstleistungen in Mechanik- und Mettallbearbeitung, schreiben hier alles Wissenswerte zu Schweißtechniken und Schweißverfahren, geben Tipps und Anleitungen zu Berufen, Schweißgeräten, Materialkunde und Weiterbildung.

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