Die 12 wichtigsten Schweißverfahren: Wozu werden sie verwendet?

Schweißen ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Hitze, Druck oder beides eingesetzt werden, um zwei oder mehr Werkstoffe zu einer festen und dauerhaften Verbindung zu verbinden. Häufig geschweißte Werkstoffe sind Metalle und Thermoplaste, aber auch andere Materialien wie Holz können geschweißt werden.

Dies ist ein Schlüsselprozess in den meisten Branchen. Lassen Sie uns untersuchen, wie er funktioniert und welches Wissen ihm zugrunde liegt.

Wie wird das Schweißen durchgeführt?

Schweißen ist ein Hochtemperaturverfahren, bei dem das Grundmaterial aufgeschmolzen wird. Dies ist der entscheidende Unterschied zum Hartlöten und Weichlöten, bei denen lediglich das Schweißzusatzmaterial aufgeschmolzen, die Grundmetalle aber nicht miteinander verschmolzen werden.

Beim Schweißen werden zwei oder mehr Werkstücke bei hohen Temperaturen miteinander verbunden. Die hohe Temperatur erzeugt ein Schmelzbad, das abkühlt und zu einem festen Körper erstarrt – die Schweißnaht entsteht. Diese Schweißnaht kann sogar fester sein als die Grundwerkstoffe.

Es gibt viele Schweißverfahren, doch alle nutzen Hitze oder Druck, um die Metalle zu schmelzen und die Schweißverbindung herzustellen. Die Wärmequelle oder der Druck kann je nach Anwendung und Material variieren. Aufgrund der einfachen und gut verstandenen Schweißprinzipien gelten Metalle als die am häufigsten geschweißten Werkstoffe. Auch das Schweißen von Kunststoffen ist weit verbreitet, während das Holzschweißen erst allmählich an Bedeutung gewinnt.

Der Schweißprozess wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst, wie beispielsweise dem Bedarf an speziellen Werkzeugen, Schutzgasen, Elektroden und Schweißzusatzwerkstoffen. Betrachten wir einige der gängigsten Schweißverfahren genauer und identifizieren wir ihre jeweiligen Merkmale.

Verschiedene Schweißarten

Das Grundprinzip des Schweißens ist zwar relativ einfach, lässt sich aber anhand der verwendeten Energiequelle kategorisieren. Durch die weitere Unterteilung dieser Kategorien können wir die Funktionsprinzipien der einzelnen Verfahren genauer betrachten.

Lichtbogenschweißen

Beim Lichtbogenschweißen handelt es sich um ein Schweißverfahren, bei dem die zwischen Elektrode und Werkstück erzeugte Lichtbogenwärme genutzt wird, um das Metall und den Zusatzdraht (oder auch keinen Zusatzdraht) lokal aufzuschmelzen und so die Werkstoffe zu verbinden. Lichtbogenschweißelektroden Es gibt verbrauchbare und nicht verbrauchbare Werkstoffe. Beim Schweißen kann sowohl Wechselstrom (AC) als auch Gleichstrom (DC) verwendet werden.

1. MIG/MAG-Schweißen

Beim Metall-Schutzgasschweißen (MSG), auch bekannt als MIG/MAG-Schweißen (Metall-Inertgas/Metall-Aktivgas), wird ein kontinuierlicher Schweißdraht durch einen Schweißbrenner geführt. Der Lichtbogen schmilzt den Draht, der sich dann im Schmelzbad mit dem Grundwerkstoff verbindet.

Gleichzeitig wird dem Schweißbereich ein Schutzgas zugeführt, wodurch eine Schutzbarriere gegen atmosphärische Verunreinigungen entsteht.

Dieses Schweißverfahren ist einfach anzuwenden. Daher ist es in der industriellen Schweißtechnik, der Fertigungsindustrie, im Bauwesen und in der Automobilindustrie weit verbreitet. Dank der Verfügbarkeit kostengünstiger Schutzgase hat das Metall-Schutzgasschweißen (MSG) das Atomwasserstoffschweißen (AHW) weitgehend verdrängt.

2. WIG-Schweißen

Beim Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) wird eine nicht abschmelzende Wolframelektrode und ein Schutzgas verwendet. Im Gegensatz zum MIG/MAG-Schweißen kann beim WIG-Schweißen der Einsatz eines separaten Zusatzwerkstoffs projektbezogen erfolgen. Das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) erzeugt präzise, ​​hochwertige Schweißnähte mit exzellentem Einbrand. Dadurch eignet es sich hervorragend für viele Anwendungen, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbau. WIG-Schweißgeräte verfügen zudem über zahlreiche Einstellmöglichkeiten, was das WIG-Schweißen zu einem sehr vielseitigen Verfahren macht.

3. Lichtbogenschweißen mit Stabelektroden

Beim Metall-Lichtbogenschweißen mit Klebeschicht (SMAW), auch bekannt als manuelles Metall-Lichtbogenschweißen (MMAW/MMA), oder Stabelektrodenschweißen, wird eine abschmelzende, flussmittelumhüllte Metallelektrode zum Verbinden von Metallen verwendet.

Beim Auftreffen der Elektrode auf das Grundmaterial entsteht ein Lichtbogen, der das Material im Schmelzbad aufschmilzt. Das Flussmittel setzt ein Schutzgas frei, das das Schweißgut vor Verunreinigungen schützt. Nach dem Abkühlen kann die Schlacke mit gängigen Werkzeugen wie Drahtbürsten entfernt werden.

4. Fülldraht-Lichtbogenschweißen

Das Fülldraht-Lichtbogenschweißen (FCAW) ist ein Schweißverfahren, das typischerweise automatisiert oder halbautomatisiert ist und die Schweißzeit im Vergleich zum herkömmlichen manuellen Schweißen um bis zu 40 % reduzieren kann.

Beim Fülldrahtschweißen (FCAW) wird eine Fülldrahtelektrode zum Schutz der Schweißnaht verwendet. Doppelt geschütztes FCAW bietet zusätzlichen Schutz vor Verunreinigungen durch den Einsatz eines Schutzgases über der Fülldrahtelektrode. Im Vergleich zu anderen Schweißverfahren benötigt FCAW keine zusätzliche Schutzgasausrüstung (insbesondere nicht beim doppelt geschützten Schweißen), wodurch sich die Kosten für Ausrüstung und Material langfristig deutlich reduzieren lassen.

5. Gasschweißen

Das Gasschweißen, auch Autogenschweißen genannt, ist eines der traditionellsten Verfahren zum Verbinden von Metallen. Dabei wird eine Mischung aus Sauerstoff und einem Brenngas wie Acetylen oder Propan verwendet. Der Prozess erzeugt intensive Hitze, die das Metall an der Fügestelle schmilzt und so ein Verschmelzen ermöglicht. Es wird häufig sowohl für Eisen- als auch für Nichteisenmetalle eingesetzt und ist besonders effektiv bei dünnen Werkstoffen.

Einer der Hauptvorteile des Gasschweißens ist, dass es keinen Strom benötigt und sich daher ideal für mobile Anwendungen in Gebieten mit eingeschränkter Stromversorgung eignet. Die Geräte sind relativ einfach zu bedienen und kostengünstiger als andere Schweißverfahren, was sie zu einer beliebten Wahl für kleinere Projekte und Heimwerkerarbeiten macht. Gasschweißen kann auch zum Autogenschneiden eingesetzt werden und bietet somit mit demselben Gerät vielseitige Einsatzmöglichkeiten.

Obwohl es sich um ein älteres Verfahren handelt, ist das Gasschweißen für viele Anwendungen nach wie vor effektiv. Die Möglichkeit, das Flammenprofil durch Regulierung des Gasflusses anzupassen, ermöglicht eine präzise Steuerung und eignet sich daher für heikle Aufgaben wie das Hartlöten und Schweißen dünner Metallbleche. Es ist eine zuverlässige und leicht zugängliche Technik für vielfältige Metallbearbeitungsaufgaben.

6. Plasmaschweißen

Das Plasmaschweißen funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip wie das WIG-Schweißen. Durch die spezielle Brennerkonstruktion wird das Schutzgas jedoch mit höherer Geschwindigkeit aus der Düse ausgestoßen und strömt in einem engeren Pfad. Beim Kontakt des Gases mit dem Lichtbogen entsteht Plasma, das beim Eintritt in die Schweißzone ionisiert wird und extrem hohe Temperaturen erzeugt. Dadurch können Schweißtemperaturen von bis zu 28.000 °C erreicht werden – hoch genug, um nahezu jedes Metall zu schmelzen.

Da Plasmaschweißbrenner so hohe Betriebstemperaturen erzeugen können, eignen sie sich nicht nur für Präzisionsschweißen, sondern auch für das Schneiden von Metallen. Beim Schweißen liefert der Plasmalichtbogen hochkonzentrierte Wärme, was zu feineren Schweißnähten und höheren Schweißgeschwindigkeiten führt. Dadurch ist das Verfahren besonders gut für die Metallbearbeitung geeignet, die hohe Präzision und komplexe Strukturen erfordert.

7. Unterpulverschweißen

Das Unterpulverschweißen (UP-Schweißen) funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip wie das Metall-Schutzgasschweißen (MSG-Schweißen), wobei Flussmittel das Schweißgut schützen. Bei diesem automatisierten oder halbautomatisierten Schweißverfahren wird ein separater Flussmittelbehälter verwendet, um körniges Zusatzmetall auf die Schweißnaht aufzutragen.

Dieses Schweißverfahren erzeugt gleichmäßige, saubere Schweißnähte, die die meisten herkömmlichen manuellen Schweißverfahren übertreffen. Es eignet sich hervorragend für Metalle wie Nickel, Stahl und Edelstahl und wird häufig bei der Herstellung von Rohren, Druckbehältern und Kesseln eingesetzt.

Widerstandsschweißen

Beim Widerstandsschweißen, auch Druckschweißen genannt, werden Druck und elektrischer Strom zwischen zwei Metalloberflächen angewendet, um eine feste Verbindung herzustellen. Die Werkstücke werden unter hohem Druck zusammengeführt, und ein elektrischer Strom wird durch die Kontaktpunkte geleitet. Der Widerstand im Metall erzeugt Wärme, wodurch die Metalloberflächen miteinander verschmelzen.

1. Punktschweißen

Beim Widerstandspunktschweißen (RSW) werden zwei Elektroden verwendet, um überlappende Metalle zusammenzupressen, während gleichzeitig ein Schweißstrom durch den Widerstand der Metalle geleitet wird. Die dabei entstehende Hitze führt zum Verschmelzen der Metalloberflächen und bildet eine knopf- oder punktförmige Schweißnaht.

Die Metalle verschmelzen unter hoher Energie in kurzer Zeit (ca. 10–100 Millisekunden) miteinander und verbinden die Werkstücke nahezu augenblicklich. Die Umgebung der Schweißnaht wird durch die extreme Hitze nicht beschädigt, wodurch beim Punktschweißen eine minimale Wärmeeinflusszone (WEZ) entsteht.

Punktschweißen wird häufig mithilfe von Schweißrobotern automatisiert. Dadurch zählt es zu den effizientesten Schweißverfahren in der Fertigungsindustrie und ist somit eine attraktive Option für die Automobil-, Elektronik- und Fertigungsindustrie.

2. Nahtschweißen

Nahtschweißen ist eine Art Punktschweißen. Dabei werden zwei Elektrodenräder auf die Werkstücke gepresst, während gleichzeitig Strom durch sie fließt. Das Schweißgerät kann die Stromversorgung auf zwei Arten nutzen: Entweder intermittierend für einzelne Schweißpunkte oder kontinuierlich, je nach Projektbedarf.

Das Widerstandsnahtschweißen erzeugt sehr dichte Verbindungen und ist ein extrem schneller und sauberer Schweißprozess, wodurch es sich ideal für automatisiertes Schweißen eignet. In der Blechindustrie wird das Nahtschweißen zur Herstellung von Konservendosen, Heizkörpern und Stahltrommeln eingesetzt.

Laserschweißen

Laserschweißen (LBW) nutzt, wie der Name schon sagt, einen Laserstrahl als konzentrierte Wärmequelle, um Metall zu schmelzen und die Schweißnaht zu formen. Die hohe Leistungsdichte des LBW führt zu einer kleineren Wärmeeinflusszone. Die Laserfleckgröße variiert zwischen 0,2 und 13 mm, wodurch sich das Verfahren zum Schweißen von Werkstoffen unterschiedlicher Dicke eignet und im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren überlegene Ergebnisse erzielt.

Laserschweißen ermöglicht die schnelle Herstellung hochwertiger Schweißnähte mit engen Toleranzen. Das Verfahren ist häufig automatisiert und findet breite Anwendung in der Automobil-, Medizin- und Schmuckindustrie.

Manche glauben, Laserschneidbrenner könnten wie Autogen- und Plasmaschneidbrenner schneiden und schweißen. Das ist jedoch in der Regel nicht der Fall. Standard-Laserschneidköpfe eignen sich nicht zum Schweißen, und Laserschweißköpfe erfüllen nicht die Anforderungen an Schnittgeschwindigkeit und -qualität der meisten industriellen Anwendungen.

Elektronenstrahlschweißen

Elektronenstrahlschweißen (EBW) ist ein hochpräzises Schweißverfahren, bei dem ein fokussierter Strahl hochenergetischer Elektronen Metalloberflächen schmilzt und verbindet. Die Elektronen werden im Vakuum beschleunigt und auf die Werkstücke gerichtet, wodurch an der Schweißstelle intensive Hitze entsteht. Der Prozess findet in einer Vakuumumgebung statt, wodurch Oxidation und Verunreinigungen verhindert werden.

Einer der Hauptvorteile des Elektronenstrahlschweißens (EBW) ist die Möglichkeit, tiefe, schmale Schweißnähte mit minimalem Wärmeverzug herzustellen. Dadurch eignet es sich ideal für hochpräzise Anwendungen, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizintechnik. Das Verfahren ermöglicht zudem das Schweißen unterschiedlicher Metalle und erzeugt hochfeste Verbindungen mit exzellenter Schweißnahtqualität und minimalem Nachbearbeitungsaufwand.

Reibschweißen

Reibschweißen ist ein Festkörperschweißverfahren, bei dem – wie der Name schon sagt – Metalle durch Reibung miteinander verschmolzen werden. Im Gegensatz zu den meisten Schweißverfahren werden weder Schweißpistole noch Schweißdraht oder Schutzgas benötigt. Die Verbindung entsteht ausschließlich durch die Hitze, die durch schnelle Rotation, Vibration oder seitlichen Kontakt zweier sauberer Metallteile erzeugt wird. Metallrückstände, die während des Prozesses entstehen, werden nach dem Abkühlen entfernt.

Die für das Reibschweißen verwendete Schweißausrüstung ist umweltfreundlicher als andere Verfahren, da sie keine schädlichen Schweißdämpfe oder Giftstoffe freisetzt. Ihre einfache Bedienung macht sie ideal zum Schweißen von Bohrern, Pleuelstangen, Wellenrohren und Ventilen.

Schweißsicherheit

In der Blechwerkstatt der LVMA, wo ich gemeinsam mit Ingenieuren das Schweißen erkundete, wurde mir bewusst, dass die Sicherheit beim Schweißen ein entscheidender Aspekt des Schweißprozesses ist.

Die Ingenieure in der Blechwerkstatt von LVMA sind mit Schweißermasken, flammhemmenden Handschuhen, Schutzkleidung und Sicherheitsschuhen ausgestattet, die sie wirksam vor hohen Temperaturen, UV-Strahlung, Funken und schädlichen Gasen schützen. Insbesondere die Schweißermasken verhinderten, dass ich vom grellen Licht des Schweißbrenners geblendet wurde und schädliche Dämpfe einatmete. Mir fiel außerdem auf, dass die Werkstattmeister von LVMA ihnen Gehörschutz zur Verfügung stellen, um die Lärmbelastung für ihr Gehör zu reduzieren.

Schutzausrüstung ist jedoch nur ein Aspekt der Schweißsicherheit; das Sicherheitsbewusstsein der Schweißer ist ebenso entscheidend. Die Komplexität des Schweißprozesses erfordert von Schweißern ein hohes Maß an Verantwortungsbewusstsein und ein ausgeprägtes Risikobewusstsein. Sie müssen die Arbeitsumgebung, den Zustand der Ausrüstung und die Notfallmaßnahmen genau kennen. Schweißer müssen stets für ausreichende Belüftung an ihrem Arbeitsplatz sorgen, um die Ansammlung schädlicher Gase zu verhindern, und ihre Ausrüstung regelmäßig auf Störungen überprüfen.

Zusammenfassung

Die Schweißtechnik verbindet Metall mit Metall und erzielt so Effekte, die mit einzelnen Metallteilen nicht möglich wären. Dank des kontinuierlichen technologischen Fortschritts entwickelt sich die Schweißtechnik stetig weiter. Zukünftig werden Schweißprozesse intelligenter und effizienter, wobei automatisiertes und robotergestütztes Schweißen zum Standard wird. Dies steigert die Produktionseffizienz und reduziert menschliche Fehler. Gleichzeitig erweitert die Entwicklung neuer Schweißmaterialien und -verfahren die Anwendungsbereiche und ermöglicht qualitativ hochwertigere und umweltfreundlichere Schweißlösungen für Branchen wie Luftfahrt, Automobilindustrie und Energiewirtschaft.