Was ist Schweißen?

Schweißen ist das Verfahren, bei dem Materialien bis zum Schmelzpunkt an der Verbindungsstelle erhitzt werden, wodurch eine starke, unzerbrechliche Verbindung entsteht. Ein Verbindungsverfahren, das eine nahtlose Struktur der Materialien der zu verbindenden Teile sicherstellt, wobei Wärme, Druck oder eine Kombination aus beidem eine dauerhafte Verbindung erzeugt. Es wird in verschiedenen Branchen weit verbreitet eingesetzt, wie Bauwesen, Schiffbau und Schiffsreparatur, Fertigung in verschiedenen Industrien, Fahrzeugreparatur und mehr.

Während des Schweißens werden Materialien bis zum Schmelzpunkt erhitzt oder durch Druck verbunden und bilden beim Abkühlen eine stabile Verbindung. In einigen Fällen wird auch Metallfüllmaterial verwendet, um die Anschlussstelle zu füllen.

Die Hauptarten des Schweißens:

1. MMA / SMAW – Lichtbogenschweißen mit Elektroden:

• Die Elektrode schmilzt, und das Metall bildet eine Naht, während die Beschichtungsgase den Schweißbereich vor atmosphärischen Einflüssen schützen. Der Hauptvorteil – eine gute Rendite bei kleinen Investitionen.
• Diese Technologie wird in der Schwerindustrie sowie in verschiedenen Reparatur- und Wartungsarbeiten weit verbreitet eingesetzt.

2. MIG / MAG (GMAW) – halbautomatisches Schweißen mit Elektrodendraht-Schutzgasen – inerte (Argon) oder aktive (Kohlendioxid) Gase – in der Umwelt:

• Weit verbreitet zum Schweißen von Stahl-, Edelstahl- und Aluminiumstrukturen.
• MIG (Metal Inert Gas) – verwendet Inertgas, wie zum Beispiel Argon.
• MAG (Metal Active Gas) – verwendet aktiviertes Gas, wie CO₂ oder Gemische.

3. TIG (GTAW) – Wolfram-Inertgasschweißen (TIG) ist ein Verfahren, das für das präzise Verbinden von Metallen bekannt ist:

• Wolframelektroden wurden verwendet, um einen heißen Lichtbogen zum Schmelzen von Metall zu erzeugen, im Gegensatz zum herkömmlichen Schweißen.
• Mit einem Handbrenner und Schutzgas, meist Argon.
• Es wird zum Schweißen von Edelstahl, Aluminium, Kupfer und anderen Nichteisenmetallen mit einer Dicke von 0,3 mm bis 4 mm verwendet.

4. PAW – Plasma-Lichtbogenschweißen:

 Das Plasma-Lichtbogenschweißen ist eine komplexe Lichtbogenschweißtechnik, bei der ein konzentrierter Plasmastrahl verwendet wird, um Metalle zu schmelzen und zu verbinden. Sie wurde im Vergleich zum TIG-Schweißen als Leistung entwickelt und bietet bessere Genauigkeit und Kontrolle.

• Wenn ein elektrischer Lichtbogen als Wärmequelle verwendet wird, erzeugt der Plasmabogen eine hohe Temperatur, wodurch das Verkleidungsmaterial schmilzt und sich auf dem Grundmaterial absetzt.
• Wird üblicherweise bei höheren Anforderungen an die Qualität der geschweißten Naht verwendet, zum Beispiel beim Schweißen von hochlegierten Stählen und Titan.
• Ideal für dünne Materialien und Mikroschweißen.

5. Gasschweißen (Oxygas-Schweißen) mit Stäben:

• Die charakteristischen Eigenschaften brennbarer Gase bestimmen ihre Anwendung.
• Beim Gasschweißen werden Sauerstoff und Verbrennungsgas verwendet, was für hohe Temperaturen und kontrollierte Flammen sorgt.
• Verwendet beim Schweißen von Nichtlegierungen und niedriglegiertem Stahl.
• Beim Gasschweißen werden im Grunde Acetylen und reiner Sauerstoff oder aromatisierter Sauerstoff verwendet
• Eine traditionelle Methode, die noch immer bei Rohrreparaturen verwendet wird.

6. Widerstandsschweißen (Kontaktschweißen) – eine effiziente und schnelle Methode zur Verbindung von Metallteilen, bei der Materialien lokal mit elektrischem Strom erhitzt und der beheizte Bereich komprimiert wird, wodurch ein plastischer oder geschmolzener Zustand erreicht wird:

• Automobil: Die breiteste Anwendung – Punktschweißen von Karosserien, Paneelen und Rahmen in der Massenproduktion.
• Haushaltsgeräte: Herstellung von Kühlschränken, Waschmaschinen, Mikrowellenherden und anderen Metallgehäusen.
• Elektronik und Batterien: Verbinden von Batteriekontakten (z. B. in Elektrowerkzeugen) und präzise Teile zusammenbauen.
• Hermetische Tanks: Herstellung von Kraftstofftanks, Kühlern und Rohren mittels Nahtschweißen.
• Metallkonstruktionen: Herstellung von Bewehrungsgittern, Gittern und Zäunen sowie das Schweißen von Muttern/Schrauben an Platten.

7. Laserschweißen – eine Methode, bei der ein Laser als Wärmequelle dient. Schmelzen Sie einen Teil oder den gesamten Querschnitt des Werkstücks. Und unter bestimmten Bedingungen härtet es aus, um eine organische Schweißmethode zu schaffen.

• Das Prinzip besteht darin, einen Laserstrahl zu verwenden, um das Werkstück in einen geschmolzenen Zustand zu erhitzen, um Verdunstungslöcher oder Schmelzbecken zu erzeugen.
• Wird hauptsächlich zum Schweißen dünner Materialien und präziser Bauteile verwendet.
• Verwendet für hochpräzise und schnelle Arbeiten in Branchen wie der Automobil- und Luftfahrtindustrie, Medizin und Elektronik, wo optisch saubere, langlebige Nähte ohne thermische Verformung des Materials erforderlich sind

8. Ultraschallschweißen – ein Prozess, bei dem Teile mittels hochfrequenter (20–40 kHz) mechanischer Schwingungen verbunden werden. Im Gegensatz zum Widerstandsschweißen wird hier Wärme durch Reibung zwischen Molekülen erzeugt und nicht durch elektrischen Strom.

• Verbinden von Kunststoffteilen: Schnelle und saubere Montage von Hüllen, Spielzeug und Verpackungen ohne Kleber oder Schrauben.

• Elektronik und Batterien: Feine Drähte, Chips und Batteriekontakte verbinden, ohne gefährliche Überhitzung zu verursachen.
• Medizinische und hygienische Produkte: Hermetische Herstellung von Gesichtsmasken, Filtern und sterilen Verpackungen unter Verwendung hochfrequenter Schwingungen.

Die Wahl der Schweißart hängt ab:

• Art und Materialdicke:

1. Widerstandsschweißen ist ideal für Stahlblech (Karosserien, Gehäuse).
2. Ultraschallschweißen eignet sich am besten für Thermoplaste und sehr dünne, nichteisenhaltige Metalle (Folie, Drähte).

• Produktionsvolumen und Produktionsgeschwindigkeit:

1. Beide Methoden sind für die Massenproduktion konzipiert. Wenn es notwendig ist, Tausende von Teilen pro Stunde herzustellen, wird vollautomatische Widerstands- oder Ultraschallausrüstung gewählt.

• Verbindungsanforderungen:

1. Wenn für große Bauwerke mechanische Festigkeit erforderlich ist, wird Widerstandsschweißen gewählt.
2. Wenn Reinheit und Genauigkeit (Medizin, Elektronik) oder eine Festigkeit ohne Überhitzung des Materials erforderlich sind, wird Ultraschall gewählt.

Die technologische Schweißbarkeit der Materialien und die Integrität der Verbindung werden durch ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften bestimmt, wobei die metallurgische Kompatibilität von Phasenübergängen, der Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der Oxidationskinetik entscheidend sind, was direkt das Risiko der Bildung von Kristallisationsrissen und die Konzentration der Restspannungen in der Naht beeinflusst. Variationen in der Wärmeleitfähigkeit und spezifischer Resistenz bestimmen die erforderliche Energiedichte für das lokale Schmelzen, während chemische Heterogenität von Legierungen Schichten spröder intermetallischer Verbindungen erzeugen kann, was die Anwendbarkeit traditioneller thermischer Fusionsverfahren auf bestimmte Metallkombinationen erheblich einschränkt.

Metalle, die geschweißt werden können:

Für traditionelle und industrielle Schweißprozesse sind Metalle mit guter technologischer Schweißbarkeit am besten geeignet, was eine stabile Verbindungsstruktur und ein minimales Fehlerrisiko gewährleistet.

Kohlenstoffarme und niedriglegierte Stähle werden am häufigsten zum Schweißen verwendet, da sie ein geringes Rissrisiko und eine vorhersehbare thermische Reaktion haben. Stähle mit einem höheren Kohlenstoffgehalt müssen vorgeheizt werden, um eine Zerbrechlichkeit der Struktur zu verhindern. Edelstahl ist gut schweißbar, erfordert jedoch eine präzise Steuerung der Wärmezufuhr, um die Korrosionsschutzeigenschaften der Naht zu erhalten.

Von den Nichteisenmetallen werden Aluminium und seine Legierungen meist geschweißt, benötigen jedoch eine spezielle Schutzgasumgebung oder Wechselstrom zur Zerstörung der Oxidschicht. Kupfer und seine Legierungen (zum Beispiel Messing) sind schweißbar, aber ihre hohe Wärmeleitfähigkeit erfordert eine hohe Energiekonzentration, während Titan nur in einer Inertgasatmosphäre schweißbar ist, um seine Zerbrechlichkeit unter Lufteinflüssen zu verhindern.

1. Stahl – (Kohlenstoff und Legierung):
   • Niedrigkohlenstoffstahl: Der am weitesten verbreitete und am einfachsten zu schweißen Typ mit ausgezeichneter Verbindungsfestigkeit und minimalem Reißrisiko.
   • Legierter Stahl: Erfordert eine spezielle Temperaturregelung (Erhitzen und langsames Abkühlen), um zu verhindern, dass die Metallstruktur spröde wird.
   • Edelstahl: Gut schweißbar, erfordert jedoch präzises Wärmemanagement, um Verformungen der Teile zu vermeiden und die Korrosionsschutzeigenschaften zu erhalten.
2. Aluminium und seine Legierungen:

• Oxidschicht: Die Oberfläche ist mit einer festen Al₂O₃-Schicht mit sehr hohem Schmelzpunkt (~2000°C) bedeckt, die vor dem Schweißen mechanisch gereinigt oder mit Wechselstrom (AC) gereinigt oder gewaschen werden muss.
• Hohe Wärmeleitfähigkeit: Aluminium entzieht die Wärme sehr schnell aus dem Schweißbereich, sodass eine hohe Energiedichte und oft Vorwärmung des gesamten Bauteils erforderlich sind.
• Risiko von Porosität und Risse: Das Material ist sehr empfindlich gegenüber Wasserstoff und Verunreinigungen, die während der Kühlung Poren oder heiße Risse verursachen können, daher ist eine besonders saubere Schutzgasumgebung (Argon) erforderlich.

3. Kupfer und Bronze:

• Extreme Wärmeleitfähigkeit: Kupfer leitet Wärme bis zu 10-mal schneller als Stahl, daher sind sehr hohe Stromleistungen und oft Vorwärmen des gesamten Bauteils (bis zu 300–600°C) erforderlich, um überhaupt zu schmelzen.
• Hohe Flüssigkeit: Im geschmolzenen Zustand sind Kupfer und Bronze sehr flüssig, was es erschwert, vertikale oder obere Nähte zu bilden, weshalb sie meist nur horizontal verschweißt werden.
• Chemische Aktivität und Poren: Das Metall reagiert leicht mit Sauerstoff und Wasserstoff und bildet beim Abkühlen Gasblasen (Poren), daher ist ein Schutzgas mit höchster Reinheit (Argon oder Helium) erforderlich.

4. Titan:

• Gasabsorption und Sprödigkeit: Titan nimmt Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff bei hohen Temperaturen (über 430°C) als "Schwamm" aus der Luft auf, was die Schweißnaht zerbrechlich und unbrauchbar macht.
• Absoluter Schutz: Ein perfekter Schutz von Inertgas (meist Argon) ist erforderlich, nicht nur für das Schweißbad, sondern auch für den heißen Boden der Naht und die bereits feststehende, aber noch heiße Naht.
• Oberflächensterilität: Vor dem Prozess ist die Entfernung einer chemischen oder mechanischen Oxidschicht sowie aller fetthaltigen Substanzen (auch Fingerabdrücken) erforderlich, um Verunreinigung und Porosität der Naht zu vermeiden.

5. Nickel und seine Legierungen:

• Das Schweißen von Nickel und seinen Legierungen (zum Beispiel Monel, Inconel, Hastelloy) ist in der chemischen und Luftfahrtindustrie aufgrund ihrer Hitzebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit von entscheidender Bedeutung.
• Niedrige Fusionstiefenkontrolle: Das Nickelschmelzbad ist "verwelkt" (fließt schlecht), was das vollständige Wurzelschmelzen erschwert und eine präzise Brennersteuerung erfordert.
• Risiko heißer Risse: Das Material ist empfindlich gegenüber Verunreinigungen wie Schwefel, Phosphor und Blei, was beim Abkühlen zu Rissen führt, daher ist vor dem Schweißen eine sterile Sauberkeit erforderlich.
• Wärmeeinschlagszone: Nickellegierungen sind anfällig für Überhitzung, was ihre Korrosionsbeständigkeit verringern kann, daher sollte das Schweißen mit geringem Wärmeeinsatz und schneller Abkühlung erfolgen.

6. Gusseisen

• Thermisches Cracken: Während der schnellen Erhitzung oder Kühlung neigt Gusseisen zum Platzen, daher muss das Teil entweder notwendigerweise auf 300–600°C ("heißes Schweißen") erhitzt oder mit sehr kurzen Nähten verschweißt werden, um das Erwärmen des Metalls zu verhindern ("Kaltschweißen").
• Strukturelle Veränderungen: Eine zu schnelle Abkühlung im Schweißbereich erzeugt "weißes Gusseisen" – eine extrem harte und spröde Schicht, die dann mit Bohrer oder Fräsfräse nicht mehr zu bearbeiten ist.
• Spezielle Materialien: Elektroden mit hohem Nickelgehalt werden für eine hochwertige Verbindung verwendet, da sie aus Kunststoff bestehen und die inneren Spannungen des Metalls absorbieren können, ohne dass die Naht bricht.

7. Magnesium und seine Legierungen:

• Entzündungsrisiko: Magnesiumspäne und feine Partikel können leicht entzünden, daher erfordert der Prozess eine strenge Temperaturkontrolle und eine sterile Arbeitsumgebung, um Brandgefahren zu vermeiden.
• Oxidschicht und Porosität: Ähnlich wie Aluminium ist Magnesium mit einem Oxidfilm bedeckt, der durch Wechselstrom (AC) zerkleinert werden muss, aber Magnesium ist noch empfindlicher gegenüber Wasserstoff, was während der Abkühlung zu ausgeprägter Porosität führen kann.
• Niedriger Schmelzpunkt und Verformung: Da Magnesium bei relativ niedrigen Temperaturen (~650°C) schmilzt und einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, verformen sich Teile beim Schweißen sehr schnell oder können "herausschweben" (durchschmelzen).

Metalle, die schwer oder unmöglich zu schweißen sind:

Metalle sind aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften, hohen Wärmeleitfähigkeit oder Oxidation meist schwer zu schweißen. Schweißschwierigkeiten werden durch eine Kombination von Faktoren bestimmt, darunter Materialeigenschaften, gängiges Design, Schweißumgebung und Prozessanforderungen.

1. Verzinkter Stahl:

• Zink verdunstet während des Schweißens (verdampftes Zink erzeugt Blasen im Schweißbad)
• Schweißbar, aber die Zinkbeschichtung gibt giftige Dämpfe ab, was die Arbeit gefährlich macht, daher sind Belüftung und Schutz erforderlich.

2. Lead:

• Blei schmilzt bereits bei ~327 °C, sodass es beim Schweißen schnell überhitzt und schwer zu kontrollieren ist: Es schmilzt leicht durch, schwer in Form zu halten, instabiler Schweißprozess
• Blei ist ein sehr weiches Metall, daher ist die Schweißstelle nicht stark genug: leicht zu verformen, geringe Festigkeit, die Verbindung ist nicht haltbar. Wird meist beim Löten verwendet, nicht beim Schweißen.
• Beim Schleudern von Blei entweichen schädliche Dämpfe, die zu einer Bleivergiftung führen können: Bei gefährlichem Einatmen ist Belüftung erforderlich, Schutzausrüstung muss verwendet werden

3. Volframs:

• Wolfram schmilzt bei ~3422 °C, was eine der höchsten Temperaturen unter den Metallen ist: Es ist eine sehr hohe Temperatur erforderlich, es ist schwierig, ein gleichmäßiges Schmelzen sicherzustellen, und es bedarf spezieller Ausrüstung.
• Wolfram ist ein hartes, aber auch empfindliches Metall: Es reißt leicht beim Schweißen, hält thermischen Belastungen schlecht stand und erfordert Erhitzung.
• Bei hohen Temperaturen oxidiert Wolfram leicht: Es entstehen Oxide, die die Naht schädigen, Schutzgas (zum Beispiel Argon) ist erforderlich.

4. Zink und seine Legierungen:

• Zink schmilzt bei ~419 °C und beginnt bereits bei ~907 °C zu kochen.  Es verdunstet beim Schweißen schnell, was die Kontrolle des Prozesses erschwert, wodurch Gase und Defekte entstehen.
• Verdunstetes Zink erzeugt Blasen im Schweißbad, wodurch sich Poren bilden, die Festigkeit abnimmt und Risse wahrscheinlicher werden.
• Beim Schweißen von Zink oder seinen Legierungen werden schädliche Dämpfe freigesetzt, die Metallrauch-Fieber und gefährliche Einatmung verursachen können.

5. Plastifizierte und poröse Metalle (z. B. eine Kombination von Legierungen):

• Plastifizierte und poröse Metalle (zum Beispiel verschiedene Legierungen) sind oft nicht einheitlich zusammengesetzt. Bei einem Material sind unterschiedliche Schmelzpunkte, und das Schmelzen ist ungleichmäßig, was zu Schwierigkeiten führt, eine qualitativ hochwertige Naht zu erhalten.
• Aufgrund der Porosität der Struktur sammelt sich beim Schweißen Gas an, und es entstehen Hohlräume und Löcher, was die mechanische Festigkeit verringert.
• Plastifizierte Materialien können ihre Eigenschaften unter dem Einfluss der Temperatur verändern. Sie werden beim Schweißen verformt, es entsteht Spannung, und nach dem Abkühlen besteht ein hohes Risiko für Risse.

6. Chrom in seiner reinen Form:

• Chrom schmilzt bei ~1907 °C, daher erfordert das Schweißen eine sehr hohe Temperatur, was das gleichmäßige Schmelzen des Materials erschwert und den Prozess erschwert.
• Reines Chrom ist ein hartes, aber empfindliches Metall, sodass es beim Schweißen leicht reißt und den thermischen Belastungen beim Erhitzen und Kühlen schlecht standhält.
• Beim Schweißen reagiert Chrom mit Sauerstoff und bildet Oxide, was die Qualität der Naht beeinträchtigt, weshalb ein Schutzgas benötigt wird, um die Bildung von Defekten zu verringern.

7. Metalle mit hohem Kohlenstoffgehalt:

• Metalle mit hohem Kohlenstoffgehalt (zum Beispiel hochkohlenstoffhaltige Stähle) sind beim Schweißen sehr empfindlich gegenüber Rissen, da eine starke Temperaturänderung innere Spannungen erzeugt.
• Ein hoher Kohlenstoffgehalt trägt zur Bildung einer festen und spröden Struktur nach dem Abkühlen bei, was den Widerstand des Materials gegen Lasten verringert.
• Das Schweißen solcher Metalle erfordert eine spezielle Behandlung, wie Vorwärmen und kontrollierte Kühlung, um das Fehlerrisiko zu verringern.

Was beeinflusst die Wahrscheinlichkeit eines Schweißens?

• Oxidation: Einige Metalle, wie Aluminium und Titan, oxidieren sehr schnell; Bei hohen Temperaturen bildet sich eine stabile Oxidschicht auf ihrer Oberfläche, die die Bindung der Metalle stört und eine minderwertige Naht erzeugen kann, die eine gründliche Reinigung der Oberfläche und Schutzgas erfordert.
• Wärmeleitfähigkeit: Metalle mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer, geben die Wärme aus dem Schweißbereich schnell ab; Dies erschwert es, die erforderliche Temperatur zu erreichen und aufrechtzuerhalten, erhöht den Energieverbrauch und kann zu unzureichendem Schmelzen führen.
• Metalllegierungen: Einige Legierungen können miteinander unvereinbar sein; Unterschiedliche Schmelzpunkte, chemische Zusammensetzung und Struktur können zu ungleichmäßigem Schmelzen führen, also zur Bildung spröder Phasen oder Risse, was die Festigkeit und Qualität der Schweißnaht erheblich verringert.