Schweißen

Pressschweiß-Verfahren: Reibschweißen

Schweißen ist ein thermisches Fertigungsverfahren und zählt zum Fügen. Dabei wird eine dauerhafte Verbindung zwischen zwei Werkstücken hergestellt. Nur durch Materialzerstörung ist diese Verbindung lösbar. Man spricht von einer stoffschlüssigen Verbindung, da sie auf der Wirkung zwischenatomarer und zwischenmolekularer Kräfte beruht. Beschrieben und näher eingeteilt wird Schweißen in der DIN 8593-6. Schweißbar sind verschiedene Metalle, vor allem Eisenwerkstoffe, Kunststoffe sowie einige Verbindungen anderer Werkstoffe, wie Glas. In diesem Artikel soll das Augenmerk auf dem Schweißen metallischer Werkstoffe liegen.

Definition

Nach Matthes und Schneider versteht man unter Fügen:

Fügen ist ein auf Dauer angelegtes Verbinden oder sonstiges Zusammenbringen von zwei oder mehreren Werkstücken (Fügeteilen) geometrisch bestimmter fester Form oder von ebensolchen Werkstücken mit formlosem Stoff, dabei wird der Zusammenhalt örtlich geschaffen und im Ganzen vermehrt.

und unter Schweißbarkeit:

Die Schweißbarkeit eines Bauteils aus metallischem Werkstoff ist vorhanden, wenn der Stoffschluss durch Schweißen mit einem gegebenen Schweißprozess bei Beachtung eines geeigneten Fertigungsablaufs erreicht werden kann. Dabei müssen die Schweißnähte hinsichtlich ihrer örtlichen Eigenschaften und ihres Einflusses auf die Konstruktion, deren Teil sie sind, die gestellten Anforderungen erfüllen.

Arten

In der Norm DIN 8580 "Fertigungsverfahren" wird das Schweißen dem Zweig Fügen zugeordnet. Dort als Fügen durch Schweißen genannt wird weiter verwiesen auf die Norm DIN 8593 "Fügen", genauer gesagt auf Teil 6 der Norm, welche wiederum "Fügen durch Schweißen" heißt. Die Ordnungsnummer (ON) der Schweißverfahren ist 4.6, welche auch ohne Punkttrennung geschrieben werden kann. Die dritte Stelle der ON ergibt sich nach dem Ordnungsgesichtspunkt (OGP) des physikalischen Vorganges. Die vierte Stelle der ON wird nach dem OGP nach dem Energieträger unterteilt.

Übersicht über die ON:

• 4: Fügen
  • 6: Fügen durch Schweißen
    • 1: Pressschweißen
    • 2: Schmelzschweißen
      • 1: Pressschweißen durch festen Körper
      • 2: Pressschweißen/ Schmelzschweißen durch Flüssigkeit
      • 3: Pressschweißen/ Schmelzschweißen durch Gas
      • 4: Pressschweißen/ Schmelzschweißen durch elektrische Gasentladung (Lichtbogen, Funken, Plasma)
      • 5: Pressschweißen/ Schmelzschweißen durch Strahlung
      • 6: Pressschweißen/ Schmelzschweißen durch Bewegung von Masse
      • 7: Pressschweißen/ Schmelzschweißen durch elektrischen Strom

So trägt beispielsweise das Verfahren Schmelzschweißen durch elektrischen Strom die ON 4.6.2.7 oder 4627.

Das Verfahren ON 4.6.2.1 existiert nicht, da es kein Schmelzschweißen durch feste Körper gibt.

Funktionsweise

Im Folgenden wird ausschließlich die Funktionsweise Schweißens metallischer Verbindungen betrachtet:

Beim Schweißen wird eine unlösbare stoffschlüssige Verbindung hergestellt. Diese resultiert aus zwischenmolekularen und zwischenatomaren Kräften. Der Zusammenhalt von Metallen nennt sich Metallbindung. Diese stellt eine Sonderform der chemischen Bindungen dar und ist bei keinem Nicht-Metall zu finden. Sie zeichnet sich aus durch frei bewegliche Elektronen, welche sich in einer Wolke, dem sogenanntem Elektronengas, befinden. Diese befindet sich zwischen den Metallionen, welche sich in einem Gitter befinden. Je nach Metall und Legierung zeigen sich unterschiedliche Kristallgitterstrukturen, wie kubisch-flächenzentriert, kubisch-raumzentriert oder hexagonal-dichtest-gepackt. Weitere Informationen sind zu finden in den Artikeln Metall und Werkstoff. Um die Verbindung zweier fester Metalle herzustellen, müssen die Kristallgitterstrukturen beider Metalle stark angenähert werden. Somit wird die chemische Bindung der Metallionen an der Oberfläche der Werkstoffe wirksam. Neben der Annäherung der Kristallgitterstrukturen müssen jegliche Fremdschichten, wie Oxid, Zunder oder Lacke, von der Oberfläche entfernt werden. In der näheren Funktionsweise unterscheiden sich die Verfahren des Schmelzschweißen und Pressschweißen:

Schmelzschweißverfahren: E-Handschweißen

Schmelzschweißen

Beim Schmelzschweißen wird mittels Wärme der Stoffschluss durch den Schmelzfluss der Fügeteile und des Zusatzwerkstoffes die Verbindung realisiert. Das bedeutet, dass Wärme erzeugt wird mit der das Material an der Fügestelle und das der Zusatzwerkstoff aufgeschmolzen werden. Durch die plastische Verformung der Schmelze, sprich das ineinanderfließen, bleibt nach dem Erkalten die Verbindung. Die Schmelze, auch Schweißbad genannt, wird während des Vorganges mit einem Schutzgas vor der Luft geschützt. Der Sauerstoff in der Luft würde zu kleinen Hohlräumen, auch Einschlüssen genannt, führen.

Pressschweißen

Beim Pressschweißen wird hauptsächlich durch Druck, aber in Sonderfällen auch durch die Zuführung von Wärme, die Verbindung durch Plastifizierung und örtliche Verformung die Verbindung realisiert. Örtlich begrenztes Erwärmen der Fügeteile an der Fügestelle – auch bis zum Schmelzpunkt – ermöglicht oder erleichtert das Schweißen. Beim Pressschweißen wird häufig ohne Zusatzwerkstoff gearbeitet.

Einsatzgebiete

In erster Linie kommt das Schweißen zum Verbinden zweier oder mehrerer Bauteile zum Einsatz. Dabei wird eine dauerhafte Verbindung hergestellt. Das verbundene neue Bauteil ist nicht ohne Materialzerstörung lösbar und wird als Schweißteil bezeichnet. In der Metallindustrie ist das Schweißen ein enorm wichtiges Fertigungsverfahren geworden. Vor allem da man durch Schweißteile Gussverfahren und die spanende Bearbeitung massiv senken kann.

Doch für welche Zwecke lässt sich Schweißen genau einsetzen?

• Verbinden

- Zwei oder mehr Teile zu einem unlösbaren Ganzen, auch Schweißteil genannt, verbinden.

• Auftragen

  - Ein Werkstück mit einem Zusatzwerkstoff beschichten, um die Auftragsfläche zu panzern, plattieren oder regenerieren.

  • Panzern

    - Das Auftragen von einer örtlichen Beschichtung mit einem Zusatzwerkstoff höherer Festigkeit zur Erhöhung des Verschleißwiderstandes

  • Plattieren

    - Das großflächige Beschichten eines Werkstückes mit einem Werkstoff höherer chemischer Güte zum Erhöhen der Korrosions- und Hitzebeständigkeit oder besonderer physikalischer Eigenschaften, z. B. elektrische Leitfähigkeit

  • Puffern

    - Das Aufbringen einer Zwischenschicht mit einem Werkstoff, der eine metallurgisch günstigere Verbindung zwischen Werkstück und Beschichtung schafft.

Schweißbarkeit

Die Definition von Schweißbarkeit wurde bereits weiter oben erläutert. Nun soll es genauer um die tatsächlichen Voraussetzungen gehen. Dabei wird in die drei Kategorien

• Schweißeignung,
• Schweißsicherheit und
• Schweißmöglichkeit

unterschieden. Diese entscheiden letztendlich darüber, ob und wie ein Werkstoff bzw ein Bauteil geschweißt werden kann.

Schweißeignung

Bei der Schweißeignung geht es besonder um die Voraussetzungen, die ein Werkstoff erfüllen muss. Dabei sind wichtig:

• Chemische Zusammensetzung, z.B.:
  • Härteneigung
  • Alterungsneigung
  • Sprödbruchneigung
  • Heißrissneigung
  • Schmelzbadverhalten
• Metallurgische Eigenschaften, z.B.:
  • Seigerungen
  • Einschlüsse
  • Korngröße
  • Gefüge
  • Anisotropie
• Physikalische Eigenschaften, z.B.:
  • Ausdehnungsverhalten
  • Wärmeleitfähigkeit
  • Schmelzpunkt
  • Festigkeit
  • Zähigkeit

Schweißsicherheit

Bei der Schweißsicherheit geht es vor allem um konstruktive Gesichtspunkte, wie:

• Konstruktive Gestaltung
  • Kraftfluss im Bauteil
  • Anordnung der Schweißnähte
  • Werkstückdicke
  • Kerbwirkung
  • Steifigkeitsunterschied
• Beanspruchungszustand, z.B.:
  • Art und Größe der Spannungen im Bauteil
  • Räumlichkeitsgrad der Spannungen
  • Beanspruchungsgeschwindigkeit
  • Temperatur
  • Korrosion

Schweißmöglichkeit

Bei der Schweißmöglichkeit geht es primär, darum ob ein Werkstoff bzw. ein Bauteil fertigungsbedingt Schweißbar ist. Dazu zählen:

• Vorbereitungen zum Schweißen, z.B.:
  • Auswahl von Schweißverfahren, Zusätzen und Hilfsstoffen
  • Stoßart
  • Fugenform
  • Vorwärmung
  • Maßnahmen bei ungünstigen Witterungsverhältnissen (z. B. Einhausungen)
• Ausführung der Schweißarbeiten, z.B.:
  • Wärmeführung
  • Wärmeeinbringung
  • Schweißfolge
• Nachbehandlung, z.B.
  • Wärmebehandlung
  • Schleifen
  • Beizen
  • Richten

Hersteller

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Normen

Folgende Normen sind für das Schweißen relevant:

• DIN 8580 Fertigungsverfahren
• DIN 8593-6 Fügen durch Schweißen
• E DIN EN 14610 Schweißen und verwandte Prozesse (für Metall)
• DIN 1910-3 Schweißen - Schweißen von Kunststoffen
• DIN EN ISO 9606-1:2017-12 (ersetzt DIN 8560) Prüfung von Stahlschweißern
• DIN EN ISO 9606-2:2017-12 Prüfung von Aluminiumschweißern
• ISO/TR 581 Schweißbarkeit - Metallische Werkstoffe
• DIN EN ISO 5817:2014-06 Schweißen - Schmelzschweißverbindungen an Stahl, Nickel, Titan und deren Legierungen (ohne Strahlschweißen)
• DIN EN ISO 6520-1:2007-11 Schweißen und verwandte Prozesse - Einteilung von geometrischen Unregelmäßigkeiten an metallischen Werkstoffen - Teil 1: Schmelzschweißen
• DIN EN ISO 6520-2:2013-12 Schweißen und verwandte Prozesse - Einteilung von geometrischen Unregelmäßigkeiten an metallischen Werkstoffen - Teil 2: Pressschweißungen

Weiterführende Suche

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Literatur und Quellen

• DIN 8593-6
• SCHWEISSTECHNIK - Schweißen von metallischen Konstruktionswerkstoffen; Klaus-Jürgen Matthes, Werner Schneider; 2016; Carl Hanser Verlag; ISBN: 978-3-446-44561-1