Was ist Schweißen?
Schweißen ist etwas, wovon jeder gehört hat und die meisten von uns haben es auch mindestens im Vorbeigehen gesehen. Was aber verbirgt sich dahinter genau? Wo fängt das Schweißen an und wo hört es auf? All das lässt sich mit der Definition für das Schweißen erklären.
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Die Definition des Schweißens
Schweißen ist eine Methode in der Fügetechnik. Damit werden vor allem im Metallbau verschiedene Teile zusammengefügt. Das erfolgt mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, die dann in der Folge unlösbar ist.
Das Schweißen erschafft eine stoffschlüssige Verbindung zwischen zwei Werkstücken. Dafür werden die beiden Werkstücke an der Verbindungsstelle sehr stark erhitzt. Der Werkstoff, aus dem die beiden Werkstücke bestehen, schmilzt dadurch und verflüssigt sich leicht. Die Flüssigkeit verbindet sich und es entsteht ein Gefüge. Diese Verbindung ist dann in der Folge nicht mehr lösbar. Für das Füllen der Fuge wird dabei meistens ein Zusatzwerkstoff beigegeben.
Für die Ausführung des Schweißens gibt es verschiedene Verfahren. Die beiden wichtigsten sind das sogenannte Lichtbogenhandschweißen und das Schutzgasschweißen. Beim Schutzgasschweißen wird ein Schutzgas verwendet, welcher das entstehende Schmelzbad und den Lichtbogen selbst vor einem schädlichen Luftzutritt bewahrt.
Die Vor- und Nachteile des Schweißens
Auf den ersten Blick ist das Schweißen ganz einfach. Da sind zwei Werkstücke, jetzt kommt dazu ein wenig Hitze und nun ist es nur noch ein Werkstück. Die Verbindung ist sicher und haltbar und da gibt es nichts zu meckern.
In der Realität sieht das Ganze jedoch ein wenig komplizierter aus. Sicher, das Schweißen hat seine Vorteile. Ohne diese würde es auch nicht angewendet werden. Zu den Vorteilen gehört, dass sich mit dem Schweißen eine Vielzahl von Form- und Gestaltungsmöglichkeiten nutzen lassen. Dafür werden keine zusätzliche Verbindungselemente benötigt. Dazu gehören zum Beispiel Schrauben und Bolzen. Die Verbindung ist direkt und sie ist sehr fest.
Diesen Vorteilen stehen aber auch Nachteile gegenüber. So eignet sich das Schweißen nicht für alle Arten von Werkstoffen. Auch lassen sich immer nur Werkstücke schweißen, die aus dem gleichen Werkstoff bestehen. Schlussendlich ergeben sich aufgrund der Hitze auch noch ein Verzug und eine Gefüge Änderung für die Werkstücke.
Damit lässt sich das Schweißverfahren nur bei bestimmten Verbindungen anwenden. Dann aber überwiegen die Vorteile dermaßen, dass sich das Schweißen in der Industrie durchgesetzt hat.
Die Schweißverfahren
Es gibt eine Reihe unterschiedlicher Schweißverfahren, die eingesetzt werden können. Diese haben eine eigene Kennziffer nach DIN EN ISO 4063, was diese in ganz Europa vereinheitlicht. Die wichtigsten Schweißverfahren sind, wie hier schon kurz angesprochen, das Lichtbogenhandschweißen, sowie das Schutzgasschweißen.
Das Lichtbogenhandschweißen
Beim Lichtbogenhandschweißen wird ein Stromkreis angewendet, wobei der Lichtbogen selbst diesen Stromkreis schließt. Der Stromkreis besteht zwischen einer Stabelektrode und dem Werkstück. Das Lichtbogenhandschweißen gilt als eine einfache Art des Schweißens und des Lichtbogenschweißen. Das liegt daran, dass die Stabelektrode gleich mehrere Funktionen zur gleichen Zeit übernimmt.
- Zum ersten liefert die Elektrode den Schweißzusatz, der zum Füllen der Verbindung benötigt wird.
- Zum zweiten liefert die Elektrode das Schutzgas zum Schweißen. Dieses ist innerhalb der Ummantelung der Elektrode gebunden. Sobald die Hitze beginnt, die Stoffe zu schmelzen, wird das Gas freigesetzt.
Das Schweißen in diesem Verfahren erfolgt gewöhnlich mit Gleichstrom. Die Stabelektrode selbst stellt in dem Stromkreislauf den Minuspol dar. Es reicht bereits eine Haushaltssteckdose mit 230 V als Stromquelle. Alternativ kann aber auch mit Drehstrom gearbeitet werden. Dann werden dafür 400 V benötigt. Der Drehstrom wird dann in Gleichstrom umgewandelt und dabei auf die entsprechende Schweißspannung, die bei 15 bis 30 V liegt, transformiert. Das heißt, hier wird mit einer niedrigen Spannung gearbeitet, um die Stromstärke möglichst hoch zu halten.
Der Lichtbogen verfügt über eine hohe Temperatur. Diese schmilzt die Werkstoffe und die Stabelektrode. Die dabei verwendeten Geräte sind heutzutage sehr kompakt, so dass sie sich leicht transportieren lassen. Ihr Haupteinsatzgebiet sind Baustellen, wo sie sich gerade aufgrund ihre geringen Größe überall nutzen lassen.
Warum ist Lichtbogenhandschweißen kompliziert?
Für das Lichtbogenhandschweißen wurden am Anfang einfache Elektroden verwendet, die nicht umhüllt waren. Beim Schweißen muss jedoch die Schweißstelle vor der Luft und der damit einhergehenden Oxidation geschützt werden, was diese Art des Schweißens eher kompliziert machte. Das führte dazu, dass bald umhüllte Stabelektroden verwendet wurden. Diese bilden den Lichtbogenträger, den Schweißzusatz und sie lieferten das Schutzgas. Das erleichterte das Schweißen in diesem Verfahren.
Heute gibt es für jede Schweißarbeit eigene, auf diese ausgelegte, Elektroden. Dafür werden Elektroden-Kurzbezeichnungen verwendet, die auf der Packung aufgedruckt sind und darüber Auskunft geben, für welche Verwendung die Elektrode gedacht ist. Die Gase, die dabei freigesetzt werden, dienen nicht nur der Abschirmung gegenüber der Luft. Sie stabilisieren auch den Lichtbogen und sie mindern den Abbrand von Bestandteilen innerhalb der Legierungen in den Werkstoffen. Die Gase sind in der Umhüllung gebunden. Wenn diese abschmilzt, werden die Gase freigesetzt, während die Umhüllung selbst eine Schlacke bildet. Die Schlacke ist leichter als der verflüssigte Stahl. Damit wird sie aufgeschwemmt und legt sich auf die Naht. Das bewirkt ein langsameres Abkühlen, was wiederum dazu führt, dass die Schrumpfspannung verringert wird.
Das Schutzgasschweißen
Das Schutzgasschweißen ist ebenfalls eine Variante des Lichtbogenschweißens. Es unterscheidet sich jedoch vom Lichtbogen HAND schweißen dahingehend, dass die Schutzgase nicht aus einer Elektrode stammen. Tatsächlich werden sie separat zugesetzt. Ihre Aufgabe ist es, das Schmelzbad und den Lichtbogen vor dem Eindringen von Luft zu schützen, welche für das Schweißen schädlich ist.
Als Schutzgase kommen zwei Arten von Gasen zur Anwendung. Das sind zum einen Edelgase, die als inerte Gase keine chemische Reaktion mit dem Schweißgut eingehen. Zum anderen sind dies aktive Gase, wie Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Wasserstoff. Diese können chemisch reagieren und sie wirken oxidierend auf die Schweißstelle.
Hauptverfahren des Schutzgasschweißens
- MIG – Metall Inert Gas Verfahren: Eine Elektrode schmilzt ab und liefert den Zusatzwerkstoff. Es werden inerte Edelgase als MIG Schutzgas verwendet.
- MAG – Metall Aktiv Gas Verfahren: Eine Elektrode schmilzt und liefert so den Zusatzwerkstoff und es werden aktive Gase eingesetzt.
- WIG – Wolfram-Schutzgasschweißen: Es wird eine Wolfram-Elektrode eingesetzt. Diese schmilzt nicht ab, so dass ein Zusatzwerkstoff separat zugeführt wird. Als Schutzgas wird ein inertes Edelgas verwendet, daher WIG – Wolfram Inertgasschweißen.
Das Schweißverfahren gestalten
Das Schweißverfahren lässt sich in verschiedener Hinsicht gestalten. Dabei kommt es vor allem auf die Schweißnahtform und den Schweißstoß an. Diese wiederum richten sich nach der Dicke des Werkstückes, seiner Form und dem Schweißverfahren selbst, das angewendet werden soll.
Die I-Naht
Die I-Naht ist eine sehr einfache Schweißverbindung. Diese Naht entsteht, wenn zwei Werkstücke nebeneinander flach liegend an einer geraden Kante verschweißt werden. Die Naht erstreckt sich dann über die ganze Höhe der Kante und überlappt ein wenig die Oberseite der Werkstücke zu beiden Seiten der Kanten.
Die V-Naht
Bei der V-Naht werden beide Werkstücke nebeneinandergelegt. Die Kanten sind einander zugewandt, doch sie sind leicht gewinkelt, so dass ein V entsteht. Die Naht erstreckt sich dann über das V und überragt die Kanten auf beiden Werkstücken ein wenig.
Die X-Naht
Die X-Naht ist praktisch eine doppelte V-Naht. Dabei liegen beide Werkstücke mit einer Kante nebeneinander. Die Kante ist jedoch oben und unten angewinkelt, so dass im Querschnitt ein doppeltes V oder ein X entsteht. Die Schweißnaht füllt dann beide Winkel, oben und unten im X, aus.
Die Kehlnaht
Hier werden zwei Werkstücke ähnlich einem T verbunden. Dabei wird die Naht im rechten Winkel zwischen beiden Werkstücken angelegt.
Der Schweißstoß
Der Schweißstoß richtet sich nach der Lage der Werkstücke, die diese zueinander aufweisen. Dabei entscheidet der Schweißstoß darüber, wie fest die gesamte Verbindung wird, die dabei entsteht. Das heißt, dass für die Auswahl des Schweißstoß auch die Belastung berücksichtigt werden muss, der die Verbindung später unterliegt.
Der Überlappstoß
Hier überlappen sich die Kanten der beiden Werkstücke. Diese werden dann auf beiden Seiten verschweißt. Es lässt sich leicht erkennen, wie der Überlappstoß mehr Festigkeit mit sich bringt, als der Stumpfstoß.
Der Stumpfstoß
Beim Stumpfstoß liegen sich die Werkstücke mit einer flachen Kante gegenüber und werden an dieser Kante gerade verschweißt.
Der T-Stoß
Der T-Stoß besteht aus einem liegenden Werkstück, auf das ein anderes T-förmig stehend geschweißt wird. Dabei kann die Schweißnaht auf einer Seite oder auf beiden Seiten gelegt werden.
Der Mehrfachstoß
Hier werden mehr als zwei Werkstücke in verschiedenen Winkeln an einer Stelle verbunden. Dabei werden Schweißnähte an allen Winkeln zwischen den verschiedenen Werkstücken gelegt.
Die Anwendung der Schweißverfahren
Das Lichtbogenhandschweißen ist dank der kompakten Geräte sehr mobil. Daher wird es beim Rohrleitungsbau, auf Baustellen und beim Metallbau genutzt. Damit lassen sich legierte und unlegierte Stähle verschweißen.
Das MIG-MAG-Schweißen kommt bei der Herstellung von Kraftfahrzeugen und bei deren Reparatur zum Einsatz. Auch werden diese beiden Verfahren im Maschinenbau verwendet. Damit lassen sich legierte und unlegierte Stähle, sowie auch Aluminium verschweißen.
Mit dem WIG Verfahren lassen sich Rohe und Bleche schweißen. Es kann auch für Aluminium, Titan, Nickel, Kupfer und Bronze verwendet werden.
Fazit
Das Schweißen ist heute als Fügeverfahren in der Technik nicht mehr hinwegzudenken. Es verbindet zwei Werkstücke stoffschlüssig und darüber hinaus unlösbar. Dabei wird meistens mit einem Zusatzstoff gearbeitet, der zum Füllen der Fuge gebraucht wird. Weiterhin wird dabei ein Schutzgas eingesetzt, welches die Schweißstelle vor dem Eindringen von Luft schützt. Die Luft würde die Schweißnaht schwächen, indem sie eine Oxidation an der Nahtstelle bewirkt.
Schweißstellen lassen sich nach der Schweißnahtform und dem Schweißstoß unterscheiden. Die wichtigsten Schweißverfahren, die heute zum Einsatz kommen, sind das Lichtbogenhandschweißen und das Schutzgasschweißen. Dabei unterteilt sich das Letztere nach MIG, MAG und WIG.