Schweißverfahren : Wie schweiße ich richtig? Schweißtechniken und Entwicklungen im Überblick

Schweißen zählt neben dem Kleben, Löten, Schrauben und Nieten zur vierten Fertigungshauptgruppe, dem Fügen. Dabei werden zwei oder mehr feste Werkstücke dauerhaft zusammengefügt. In fast allen Industriebereichen kommen schweißtechnische Anwendungen zum Einsatz, weshalb sich eine genauere Betrachtung dieses Fügeverfahrens lohnt.

Wann ist ein Werkstück schweißbar?

Grundsätzlich gibt es drei Kriterien, die die Schweißbarkeit bestimmen: Die Schweißeignung, die Schweißmöglichkeit und die Schweißsicherheit.

Die Schweißeignung bezieht sich auf den Werkstoff. Hier stellt sich die Frage, ob sich Materialien aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften untrennbar miteinander verbinden lässt. Dabei sollte man auch beachten, ob das ins Auge gefasste Schweiß-Projekt den jeweiligen wirtschaftlichen und qualitativen Kriterien entspricht. Bei der Schweißmöglichkeit liegt der Fokus auf äußeren Bedingungen und jeweils ausgewählten Schweißverfahren. Erst wenn die Zugänglichkeit zur zu schweißenden Stelle gewährleistet, die zu ziehenden Schweißnähte vorbereitet und die nötige Ausrüstung vorhanden ist, kann geschweißt werden. Die Schweißsicherheit bezieht sich vorwiegend auf die Konstruktion des zu fügenden Bauteils. Bleibt es beim Schweißen auf Grund seiner konstruktiven Gestaltung unter den vorgesehenen Betriebsbedingungen funktionsfähig? Dann kann der Schweißer oder die Schweißerin loslegen.

Metalle werden sm häufigsten geschweißt, insbesondere Stahl, Edelstahl und Aluminium. Seltener aber doch können auch Kupfer, Magnesium, Nickel oder Edelmetalle zum Schweißen verwendet werden. Eigenschaften wie Festigkeit, Verformbarkeit, Härte und Schmelztemperatur können darüber entscheiden, ob sich ein Metall zum Schweißen eignet oder man besser ein anderes Fügeverfahren wählt.

Man kann auch Kunststoffe schweißen, diese müssen thermoplastisch, also durch Hitze formbar sein. Außer PTFE können alle Thermoplaste geschweißt werden. Zu den thermoplastischen Kunststoffen zählen: ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), PS (Polystyrol), PP (Polypropylen), PE (Polyethylen), PVC (Polyvinylchlorid), PMMA (Polymethylmethacrylat) und PC (Polycarbonat).

Auch unterschiedliche Werkstoffe können in bestimmten Fällen miteinander verschweißt werden. Beim sogenannten "Dissimilar Welding“ ist die Herausforderung der notwendige Einsatz von Zusatzwerkstoff, der als Draht in das Schweißbad eingebracht wird. Standardisierte Schweißverfahren stoßen hier an ihre Grenzen, da es sich um Spezialschweißverfahren handelt. Dazu muss der Schweißer oder die Schweißerin die jeweiligen Materialeigenschaften und deren Veränderung im Schweißprozess beachten – insbesondere der Schmelzpunkt und die Wärmeausdehnungskoeffizienten sind entscheidend.

Generell gilt: Eine Schweißnaht ist dann erfolgreich, wenn sie ausreichend fest ist, um Risse oder Versagen zu vermeiden.

Schweißverfahren gibt es viele. Zu den häufigsten zählt das Lichtbogenschweißen, das wiederum in mehrere Unterkategorien aufgeteilt ist. Hier dient ein elektrischer Lichtbogen als Wärmequelle, der zwischen dem Werkstück und einer Elektrode brennt und das Schmelzbad erzeugt. Im Folgenden stellen wir verschiedene Lichtbogenschweißverfahren vor.

Elektrodenschweißen bzw. Lichtbogenhandschweißen

Dies ist ein rein manuelles Verfahren. Der Lichtbogen brennt zwischen dem Werkstück und einer Stabelektrode mit einer Umhüllung. Die Elektrode schmilzt beim Schweißen ab und dient als Zusatzwerkstoff, gleichzeitig schmilzt und verdampft auch die Hülle, wodurch Schutzgase und Schlacke entstehen. Die Schlacke muss nach dem Aushärten, meist mit einem Hammer und einer Bürste entfernt werden. Das Elektrodenschweißen gilt als das einfachste Verfahren mit geringen Anfangsinvestitionen, wodurch es gerne für schnelle Maßnahmen wie Reparaturarbeiten eingesetzt wird. Es ist aber relativ langsam und wenig präzise.

Metall-Schutzgas-Schweißen (MSG-Schweißen)

Hier wird zwischen MIG- und MAG-Schweißen unterschieden, wobei damit die Gase bezeichnet werden, die jeweils verwendet werden. MIG steht für Metall-Inertgas, das keine chemische Reaktion mit der Schmelze eingeht. Das MIG-Schweißen kommt vor allem bei Nichteisenmetallen wie etwa Aluminium, aber auch bei hochlegierten Stählen zum Einsatz. MAG ist die Abkürzung für Metall-Aktivgas. Die verwendeten Gase reagieren mit der Schmelze, um deren Zusammensetzung zu verändern. Bei unlegierten oder niedriglegierten Stählen ist MAG-Schweißen oft die bevorzugte Methode.

Bei beiden Verfahren, also beim MIG- und MAG-Schweißen, schmilzt die Elektrode ab. Sie besteht aus demselben oder einem ähnlichen Werkstoff wie das jeweilige Schweißteil. Zur Drahtzufuhr verwendet der Schweißer oder die Schweißerin eine Spulenpistole oder eine Push-Pull-Pistole.

Vorteil: Das MIG bzw. MAG-Schweißverfahren ist schneller als etwa das WIG-Schweißen. Das liegt daran, dass die Auftragsraten und die Vorschubgeschwindigkeit höher sind.

Tipp: Um beim MIG/MAG-Schweißen zu verhindern, dass der Werkstoff porös wird, müssen das Grundmaterial und der Füllstab sauber und frei von Feuchtigkeit gehalten werden. Zudem braucht man eine gute Schutzgasabdeckung.

Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG-Schweißen)

Das WIG-Schweißen funktioniert in der Regel mit Wechselstrom und in Ausnahmefällen auch mit Gleichstrom. Hier wird der Schweißzusatz vom Schweißer oder der Schweißerin mit der Hand in das Schmelzbad eingebracht. Dadurch können sehr genaue Ergebnisse erzielt werden. Allerdings dauert es länger als etwa das MIG/MAG-Schweißen und erfordert mehr Erfahrung. WIG-Schweißen ist ein sauberes Verfahren, wodurch man vermeiden kann, dass der Werkstoff durch die Atmosphäre kontaminiert wird.

Wolfram-Plasmaschweißen (WP-Schweißen)

Das Plasma-Lichtbogenschweißen ähnelt dem WIG-Schweißen. Hier entsteht der Lichtbogen zwischen einer fokussierten Wolframelektrode und dem Werksstoff. Um eine höhere Leistungsdichte zu erzielen, wird dieser Lichtbogen allerdings mechanisch durch eine wassergekühlte Kupferdüse eingeschnürt. Zudem sind zwei bis drei getrennte Gasströme im Einsatz, die den Lichtbogen koaxial umschließen. Auf diese Weise bildet sich ein nahezu zylindrischer Plasmastrahl mit hoher Leistungsdichte und Lichtbogenstabilität aus.

Vorteil: Im Vergleich zu anderen Verfahren reagiert dieser Plasmastrahl wesentlich unempfindlicher auf Abstandsänderungen und Kantenversatz.

Unterpulverschweißen

Bei diesem Verfahren brennt eine abschmelzende Draht- oder Bandelektrode unter einer Schicht aus mineralischem Pulver ab. Unterpulverschweißen funktioniert ausschließlich automatisiert. Es eignet sich insbesondere für dicke Blechteile und lange Nähte. Da sich der Lichtbogen unter dem Schweißpulver befindet, kann man die Schweißnaht während des Prozesses nicht sehen – eine Qualitätskontrolle ist also erst danach möglich. Beim Abbrennen bildet sich eine Schlacke, die das Metall schützt. Diese kann nach dem Aushärten leicht entfernt und das übrig gebliebene Pulver wiederverwendet werden.

Vorteil: Da der Lichtbogen vom Schweißpulver überdeckt ist, bildet sich beim Unterpulver nur wenig Rauch, was die Luftqualität kaum beeinträchtigt. Zudem wird hier kein Sichtschutz benötigt.

So funktioniert Laserschweißen: Die Wärme entsteht, indem ein Laserstrahl dem Werkstück punktuell Energie zuführt. Der Laserstrahl wird in einer Fokussieroptik gebündelt und auf einen Brennfleck gerichtet. Er weist eine hohe Energiedichte auf, wodurch das Material aufschmilzt. Im Normalfall kommt das Laserschweißverfahren ohne Zusatzstoff aus. Schutzgas ist jedoch auch hier notwendig, damit das Schweißgut vor Oxidation und Feuchtigkeit geschützt wird. Dafür wird meist hochreines Argon verwendet. Die sehr schnellen Schweißgeschwindigkeiten und das ebenso schnelle Abkühlen der Schmelze halten den thermischen Verzug gering. Dadurch schafft man auch schmale und präzise Schweißnähte.

Anwendungsbereiche

Laserstrahlschweißen kommt vor allem dort zum Einsatz, wo Prozesse bereits weitgehend standardisiert sind: etwa in der Automobilindustrie, im Werkzeugbau, in der Luft- und Raumfahrtindustrie, aber auch im Maschinen- und Anlagenbau. Hier herrscht oft auch ein hoher Automatisierungsgrad.

Laserarten zum Schweißen

Je nach Einsatzgebiet werden verschiedene Laser verwendet, wie etwa CO2-Laser, Scheibenlaser, Faserlaser oder ND YAG-Laser (kurz für Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser). Beim Faserlaser speisen Leuchtdioden Licht in die Faser ein, dieses wird über Spiegel und Lichtleitkabel geleitet und durch eine feste Linse gebündelt und fokussiert. Typisches Anwendungsgebiet: Blechbearbeitung. Der ND YAG-Laser weist eine vergleichsweise kurze Strahltaille auf und ist daher breiter gefächert. Typisches Anwendungsgebiet: Werkzeug- und Formenbau. Wichtig: Laserschutzbrille zum Schutz der Augen. Generell gilt: Sehr fein und dünnwandig, stark kontrollierter Prozess.

Der große Nachteil von Laserschweißen ist, dass die Anschaffungskosten bei den Anlagen sehr hoch ist. Tischlaser kosten mindestens 17.000 Euro und Lasersysteme mit 900 W starten bei 250.000 Euro. Gerade im industriellen Bereich, wo viele Stückzahlen in kurzer Zeit produziert werden, ist das Laserschweißen aber den herkömmlichen Verfahren – auch in punkto Wirtschaftlichkeit – oft überlegen.

Was bedeutet Laser Remote Schweißen?

Beim Remote-Schweißen arbeitet man mit großen Brennweiten, die viel Bewegungsfreiheit zulassen. Der Laserstrahl wird auf schnell-bewegbare Ablenkspiegel geleitet und anschließend auf das Bauteil gelenkt. Dieses Verfahren gilt als besonders wirtschaftlich.

Dieses Verfahren zählt zur Elektronenstrahl-Materialbearbeitung. Hier wird die benötigte Energie von Elektronen eingebracht, die durch Hochspannung beschleunigt wurden. Meistens erfolgt der Schweißvorgang im Vakuum, kann aber auch unter Normaldruck durchgeführt werden. Die Leistungsflussdichte ist beim Elektronenstrahlschweißen ähnlich wie beim Laserstrahlschweißen, allerdingt mit einem bis zu doppelt so hohen Wirkungsgrad bei der Strahlerzeugung. Auch was die Geschwindigkeit und die Präzision angeht, ist das Elektronenstrahlschweißen mit dem Laserschweißen vergleichbar. Es können relativ tiefe Schweißnähte erzielt werden.

Vorteil: Beim Elektronenstrahlschweißen unter Vakuum entfällt der Einsatz von Schutzgasen, was sich positiv auf die Kosten auswirken kann.

Anwendungsbereiche

Das Verfahren wird in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, im Schienenverkehr, in der Medizintechnik und der Nahrungsmittelindustrie angewandt. Grundsätzlich eignet sich das Elektronenstrahlschweißverfahren für die Massenproduktion.

Zur Optimierung von Schweißprozessen geht die Entwicklung grundsätzlich in die Richtung: höhere Schweißgeschwindigkeit, weniger Nachbearbeitung und weniger Rauch- und Lärmbelastung für Mitarbeiter:innen. Am Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung in Jena arbeiten Forscher:innen etwa an neuen Lösungen Laserschweißen dünnwandiger Strukturen und an Mischverbindungen artunterschiedlicher Metalle. Zudem wird an neuen Verfahren erforscht, an modifizierten Lichtbögen, neuen Materialien, alternativen Gasgemischen und Schweißnahtgeometrien.

Beim Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung forscht man an der Automatisierung und Digitalisierung von Laserschweißprozessen. Dabei sollen vor allem an die Handhabungstechniken zur automatischen Zu- und Abführung der zu schweißenden Teile optimiert werden. Auch die Qualitätssicherung erfährt eine Automatisierung: Hier kommen bildgebende Verfahren zur Anwendung, die durch eine Cloud synchronisiert werden. Sensoren und Kameras liefern die dafür benötigten Daten. Diese Daten lassen zur Qualitätsbeurteilung und zum Anpassen der Prozessparameter für nachfolgende Prozessschritte heranziehen. Das Ziel dieser Forschung ist ein Schweißprozess, der sich selbst steuert und optimiert.

Simulationen, die Aufschluss über die relevanten Parameter geben, Qualitätskontrollen mittels künstlicher Intelligenz und vorausschauende Wartung - Digitalisierung und Automatisierung im Bereich des Schweißens kann viele Gesichter haben. Wie auch in anderen Industrieprozessen gilt: Verbesserungspotenziale von Schweißprozessen können nur dann gehoben werden, wenn es ausreichend Daten gibt und diese - am besten in Echtzeit - transparent einsehbar sind.

Auch Boyan Ivanov vom Deutschen Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e. V. ist sich sicher: „Industrie 4.0 eröffnet zahlreiche Möglichkeiten und Perspektiven für die metallverarbeitenden Betriebe. Von Prozessoptimierung, über Qualitätssicherung bis hin zu Rückverfolgbarkeit und Produkthaftung – neue Schweißgerätegenerationen und Softwarelösungen machen die Unternehmen produktiver und wettbewerbsfähiger.“

Nutzen soll die voranschreitende Vernetzung sowohl den Anbieter:innen als auch den Anwender:innen von Schweißgeräten und -systemen. Einerseits soll dadurch die Wirtschaftlich von Prozessen erhöht und auf den Personalmangel reagiert werden, andererseits können mit Datenprojekten neue Geschäftsfelder erschlossen werden. Zudem kann durch IT-basierte Fertigung besser auf die individuellen Anforderungen von Kund:innen eingegangen werden.