Schweißen – Erklärung aus technischer Sicht

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Der Beginn des Themas Schweißen liegt ca. 3000 Jahr vor Christus bei den Sumerern im südlichen Mesopotamien. Schon damals verschweißten Leute gleichartige Grundwerkstoffe, hier – Gold mit Gold. Später nutzen die Ägypter Schweißverfahren um Leitungen aus Kupferwerkstoffen zu bauen. Doch altertümliche Schweißverfahren haben nicht mehr viel mit modernen Schweißanwendungen des 21. Jahrhunderts zu tun.

Moderne Schweißverfahren

Wirtschaftlich interessant wurden Schweißanwendungen seit dem Oscar Kjellberg im Jahr 1907 die Idee hatte, eine Stabelektrode mit einer Umhüllung zu versehen. Der hiermit eingebrachten Elemente dienen dazu, die Eigenschaften des Lichtbogens und denen der Schweißnaht zu verbessern, sowie das Schweißbad vor Luftsauerstoff und damit vor ungewollter Oxidation zu schützen.

Mittlerweile existieren diverse Schweißverfahren, die alle samt spezielle Anwendungsgebiete sowie Vor- und auch Nachteile besitzen. Eine  Auflistung der Schweißverfahren bietet die DIN EN ISO  4063. Folgend die Wichtigsten:

  • 111 Lichtbogenhandschweißen (E-Hand-Schweißen)
  • 121 Unterpulverschweißen mit Massivdrahtelektrode (UP Schweißen)
  • 131 Metall-Intertgasschweißen mit Massivdrahtelektrode (MIG Schweißen)
  • 135 Metall-Aktivgasschweißen mit Massivdrahtelektrode (MAG Schweißen)
  • 136 Metall-Aktivgasschweißen mit schweißpulvergefüllter Drahtelektrode (Fülldrahtschweißen)
  • 141 Wolfram-Intertgasschweißen mit Massivdraht oder Massivdrahtzusatz (WIG Schweißen)

Abgrenzung zum Löten / Schweißen

Ein weiteres sehr ähnliches Fügeverfahren ist das Löten. Im Gegensatz zum Schweißen verbleibt beim Löten der Grundwerkstoff im festen Zustand.

Schutzgase

Da Metalle bei hohen Temperaturen dazu neigen mit der Umwelt zu reagieren (u.a. Abbrand von Legierungsbestandteilen), werden beim Schweißen Schutzatmosphären aufgebaut. Hauptsächlich versucht man das Schmelzbad und den Lichtbogen vor dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff, Stickstoff, und anderen Gasen zu schützen. Die Zuführung des Schutzgases geschieht einerseits durch Auströmdüsen direkt am Schweißbrenner oder anderen Maßnahmen, wie das Formieren. Der Einsatz von Formiergasen wird vorzugsweise bei geschlossenen Profilquerschnitten wie Rohren eingesetzt, aber auch durch speziellen Vorrichtungen beim verschweißen von Blechen. Durch Verschließen des Rohren mit Rohrstopfen wird eingeschlossenes Gas im Profil gehalten. Das Gas wird dann durch Gasdurchführungen im Stopfen in den hohlen Querschnitt geleitet. So wird die Schweißbadrückseite wirksam gegen unerwünschte Gase geschützt. Bei Schweißverfahren wie dem E-Hand-Schweißen wird eine geringe Menge Schutzgas durch das Abbrennen der Umhüllung gebildet. Auch beim UP-Schweißen findet eine gewisse Schutzgasbildung durch das Schweißpulver statt. Unterschieden wird in Aktiv-, Inert- sowie Mischgase. Eine Auswahl von Schutzgasen bietet das Normblatt ISO 14175.

Merkregel beim MIG und MAG-Schweißen: Drahtdurchmesser * 10 = Volumenstrom Schutzgas

Aktivgase

Wenn ein Abbrand von Legierungsbestandteilen beim Schweißen kein Problem darstellt (beispielsweise bei unlegierter Baustählen), wird üblicherweise mit aktiven Gasen geschweißt. Bestes beispiel ist hier das reine Kohlendioxid (CO2, Kohlensäure). Aber auch andere Gase wie Stickstoff (N2) finden in der Schweißtechnik Anwendung. Kohlendioxid wird übrigens nicht aus unserer Luft gewonnen, sondern aus wirtschaftlichenVerbrennungsprozessen wie dem Kalkbrennen oder bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe.

Eingesetzte Gase werden zwar als aktiv bezeichnet. Jedoch ist die Aktivität nur sehr gering. Sinn und Zweck ist der Schutz des Schmelzbades vor der Umgebungsluft.

Inertgase

Wenn eine Reaktion des Schweißbades bzw. des Lichtbogens mit der Umwelt nahezu komplett unterbunden werden soll, werden Intertgase eingesetzt. Häufig eingesetzte Produkte sind Argon (Ar) und Helium (He). Hierbei handelt es sich um Edelgase der achten Hauptgruppe des Periodensystems. Edelgase sind inert, da Atome eine vollständig besetzte (oder leere) Elektronenschale besitzen (siehe auch Wikipedia: Edelgaskonfiguration). Diese vollständig besetzte Hülle verhindert, dass chemische Verbindungen mit anderen Atomen oder Molekülen unerwünscht aufgebaut werden. Diese bräuchten freie Elektronenpaare.

In den meisten Fällen wird Argon zum Intergas-Schweißen verwendet. Falls ein Grundwerkstoff eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt (Kupfer, Aluminium), wird ein heliumhaltiges Mischgas verwendet. Reines Helium wird dagegen nur in Sonderanwendungen eingesetzt und ist zudem sehr hochpreisig.

Mischgase

In rund 80% der Schweißanwendungen werden Mischgase eingesetzt. Hier soll eine Synergie aus Eigenschaften verschiedener Gase genutzt werden. Typische Mischungen besitzen hohe Anteile an CO2. Zugemischt werden oft Argon, CO2, O2, He, N2.

Auswahl Gase nach ISO 14175

Bezeichnung ISO 14175ZusammensetzungFunktion
I1100% ArInert
I2100% HeInert
I30,5 – 95 % Ar, rest HeInert
M2115-25% CO2, Rest Arschwach oxidierend
C1100% CO2oxidierend
N1100% N2reaktionsträge
O1100% O2stark oxidierend
Znicht erfasste Gase
Auswahl Gase ISO 14175

Schweißzusatzwerkstoffe beim Schweißen

In vielen Schweißerfahren wird beim Schweißvorgang ein Schweißzusatzwerkstoff verwendet. Dieser wird entweder manuell, wie beim WIG-Schweißen oder Gas-Schweißen zugeführt, oder durch eine in das Schweißgerät eingebautes Fördereinrichtung. Wichtig hierbei ist, dass beim Schweißen immer ein Artgleicher Zusatzwerkstoff verwendet wird. So lässt sich Stahl nur mit einem Zusatzwerkstoff aus Stahl schweißen.

Lichtbogenhandschweißen

Das Schweißen mittels Lichtbogen und Stabelektrode wird Lichtbogenhandschweißen genannt (Prozessnummer ISO 4063: 111). Häufige Abkürzungen sind E-Hand-Schweißen, MMA oder MMAW (Manual Metal Arc Welding). Die angewandten Stabelektroden sind in der Regel mit einer Umhüllung versehen. Diese macht es möglich ohne Schutz-Gas-Maßnahmen zu schweißen. So ist es auch im freien oder sogar unter Wasser zu Schweißen. Verschweißt werden können u.a. die meisten Eisenwerkstoffe, Nickel-Werkstoffe und andere NE-Metalle. Das Schweißen von Aluminiumwerkstoffen findet kaum noch Anwendung und wird normativ nicht mehr berücksichtigt.

Um das Schweißgut vor Luftsauerstoff zu schützen werden Umhüllungen verwendet. Diese bilden beim verbrennen ein Rauchgas, das sich um die Schweißung legt. Des Weiteren sind Schlackebildner vorhanden, die eine feste, glasartige und gasdichte Schicht über der Schweißnaht bilden. Diese lässt sich nach dem Schweißvorhang durch leichtes Klopfen mit dem Schweißerhammer entfernen. Typische Umhüllungstypen sind:

  • Basische Umhüllungen (aus Fluss- und Kalkspat)
  • Saure Umhüllungen (aus Magnetit)
  • Zellulose Umhüllungen (aus Zellulose, man sagt auch umgangssprachlich “Papierelektrode”)
  • Rutile Umhüllung (aus Rutil TiO2)

Vor- und Nachteile beim E-Hand-Schweißen

Vorteile:

  • Da kein Schweißgas benötigt wird, ist das Verfahren ortsunabhängig anwendbar. So findet die Schweißtechnologie oft auf Baustellen statt
  • Kostengünstige Geräte. Im Gegensatz zu großen MIG/MAG-Anlagen, sind Anlagen für das E-Hand-Schweißen einfacher aufgebaut und deshalb oft günstiger.
  • Aufgrund der flach abfallenden Kennlinie der Schweißgeräte, eignen dich diese ebenfalls oft zum WIG-Schweißen. Teilweise sind sogar notwendige Vorrichtungen bereits in der Schweißstromquelle vorhanden (Vorrichtung für Gas-Versorgung, usw.).
  • Schweißen mit Wechsel- und Gleichstrom möglich (abhängig von Stabelektrode, rein-basische Elektroden werden normalerweise mit Gleichstrom am Pluspol geschweißt. Andere mit Wechselstrom oder bei Gleichstrom am Minuspol. Hier bitte Herstellerinformationen beachten)
  • Schnell wechselbarer Elektrodendurchmesser. Dadurch schnelle Anpassung an Schweißaufgabe. Durchmesser genormt in DIN EN 759.
  • Hohe Verfügbarkeit von Stabelektroden. Ex werden im Handel für viele Einsatzzwecke die passenden Elektroden angeboten.
  • Einsetzbar in alles Schweißpositionen.

Nachteile:

  • Geringe Abschmelzleistung. Hierdurch langsames und zeitaufwendiges Verfahren.
  • Teilw. giftige und sogar Krebserregende Stoffe im Schweißrauch. PSA erforderlich!
  • Hohe Wärmeeinbringung.
  • Hohe Anforderung an Handfertigkeit des Schweißers.
  • Mögliche Probleme mit Wasserstoff. Rücktrocknung der Elektroden oft notwendig.

MIG/MAG (MSG) Schweißen

Das in Handwerksbetrieben verbreiteste Verfahren ist das Metall-Aktivgas- oder Metall-Intertgas-Schweißen. MIG bezeichnet hier den Prozess des Lichtbogenschweißens mit einer abschmelzenden Drahtelektrode mit einem inerten Gas. MAG wird mit einem aktiven Gas geschweißt. MSG (Metall-Schutzgasschweißen) bezeichnet den Oberbegriff beider Verfahren.. Die Prozessnummer für MIG-Schweißen lautet nach ISO 4063 131 und für das MAG-Schweißen 135. Üblicherweise werden mit diesem Schweißverfahren Stähle, Aluminium und Nickelwerkstoffe, sowie deren Legierungen verschweißt.

Schweißzusatz

Drahtelektroden für das Schutzgasschweißen sind üblicherweise auf Spulenkörper aufgewickelt. Gebräuchliche Durchmesser sind 0,6, 0,8, 1,0, 1,2 und 1,6mm. Drahtdurchmesser von 0,9mm werden zudem oft in der Automobilindustrie verwendet. Drähte mit einer Pulverfüllung werden von 1,6 bis 3,2mm vertrieben und werden üblicherweise für Auftragsschweißungen verwendet. Massivdrahtelektroden werden für gewöhnlich plus-gepolt, Fülldrahtelektroden werden minus-gepolt.

Die Einteilung verschiedener Schweißzusätze wird am folgenden Beispiel erklärt:

ISO 14341-A-G 46 5 M21 3Si1

  • ISO 14341-A: Norm des Schweißzusatzes
  • G: Drahtelektrode
  • 46: Bruchdehnung
  • 5: Kerbschlagarbeit
  • M21: Schutzgas
  • 3Si1: Zusammensetzung des Zusatzes

Lichtbogenarten beim MSG- Schweißen

Der Werkstoffübergang vom Schweißbrenner zum Bauteil wird durch den Lichtbogen umgesetzt. Der wichtigste Hebel ist hier die Pinch-Kraft, eine elektromagnetische Kraft, die an jedem stromdurchflossenen Leiter wirkt. Die Pinchkraft wächst mit steigender Stromstärke und reicht bei geringen Ampere-Einstellungen an der Schweißstromquelle nur für einen sehr grobtropfigen Werkstoffübergang. Mit steigender Stromstärke bewirken die elektromagnetischen Kräfte eine Einschnürung des Lichtbogens und sorgen so für einen feinen Tropfenübergang, bis hin zu einem Sprühlichtbogen. Voraussetzungen für einen Sprühlichtbogen sind jedoch neben der eingestellten Stromstärke auch das Schweißgas. So wird hier ein Gas mit geringer Wärmeleitfähigkeit benötigt.

Langlichtbogen

Ein Langlichtbogen tritt beim Schweißen bei CO2-reichen Gasen mit mindestens 25% CO2 auf. Der Lichtbogen wird lang gehalten und es finden nur “selten” aber heftige Kurzschlüsse statt. Die hohen Kurzschlussströme sorgen für hohe Stritzermengen.

Kurzlichtbogen

Der Kurzlichtbogen brennt unter ständigen Kurzschlüssen. Der Kurzschlussstrom ist im Gegensatz zum Langlichtbogen geringer. Der Werkstoffübergang findet während des Kurzschlusses statt, auch erlischt hier immer wieder der Lichtbogen beim Schweißen. Durch ansteigende Ströme beim eintauchen in das Schweißbad wird der Lichtbogen wiedergezündet.

Sprühlichtbogen

Bei höheren Stromstärken stellt sich der sehr vorteilhafte Sprühlichtbogen ein. Dieser brennt fast kurzschlussfrei und bietet folgende Vorteile:

  • Gute Richtungsstabilität
  • Hohe Einbrandtiefe
  • weniger Verlustenergie
  • geringere Abbrandverluste
  • Neigung zu Einbrandkerben geringer
  • weniger Spritzer- und Porenneigung

Sonderstellung Impulslichtbogen

Durch eine interne Schaltung in der Schweißstromquelle kann ein Impulslichtbogen hergestellt werden. Die Hauptvorteile sind die geringere Wärmeeinwirkung, da der Lichtbogen nicht ständig brennt. Jedoch auch ein besserer Einbrand, da höhere Spitzenstromstärken eingestellt werden können.

Vor- und Nachteile MIG-/MAG-Schweißen

Vorteile

  • Viele Anwendungsgebiete. Für fast alle gebräuchlichen Materialien existieren Anwendungen
  • Gute Nahtqualität
  • Schnell erlernbare Handfertigkeit
  • Alle Positionen möglich
  • Kleine, sowie hohe Dicken verschweißbar
  • Hohe Verfügbarkeit von Schweißzusatzwerkstoffen

Nachteile

  • Nur in geschützter Umgebung anwendbar. Schutzgas kann bei windigen Verhältnissen weggeblasen werden
  • Höhere Anschaffungskosten
  • Teilweise sind Nahtfehler kaum vermeidbar

WIG-Schweißen

Das Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) ist ein Schweißprozess der nach EN 14640 dem Wolframschutzgasschweißen zugeordnet ist. Bezeichnungen wie TIG (tungsten inter gas welding) oder GTA (gas tugsten welding) sind in anderen Sprachräumen gebräuchlich. Prozessnummern nach ISO 4063 sind:

  • 141: WIG-Schweißen mit Massivdrahtelektrode
  • 142: WIG-Schweißen ohne Schweißzusatz
  • 143: WIG-Schweißen mit Fülldraht

Der Lichtbogen brennt beim WIG-Prozess zwischen dem Werkstück und einer nicht abbrennenden Wolfram-Elektrode. Wolfram wird hier als Elektrodenmaterial gewählt, weil ein sehr hoher Schmelzpunkt gewährleistet ist. Dies verhindert, dass die Elektrode abschmilzt beim Schweißen. Der Schweißzusatzwerkstoff wird von Hand oder maschinell zugeführt. Die Zuführung des Drahtes erfolgt kalt oder warm mittels Widerstandserwärmung durch ein zusätzliches Gerät. Realisiert werden mit dem Schweißverfahren Verbindungsschweißungen sowie Auftragsschweißungen. Vorzugsweise werden inerte Gase wie Argon oder Helium verwendet. Teilweise findet eine Beimischung von geringen Wasserstoffanteilen statt.

Die Besonderheit bei diesem Verfahren ist die Möglichkeit präzise und qualitativ hochwertige Nähte herzustellen. Der Hauptnachteil ist die geringe Abschmelzleistung. Ein Anwendungsfall muss genau abgewogen werden.

Wie beim E-Hand-Schweißen werden Schweißstromquellen mit einer fallenden Kennlinie genutzt. Dies hat den, Vorteil dass bei veränderlichen Lichtbogenlängen einen konstanter Strom gehalten werden kann. Anders als beim MSG-Schweiß, wo die Lichtbogenlänge durch den automatisch geführten Draht konstant bleibt, bedeutet beim WIG-Schweißen jede Bewegung eine Änderung der Lichtbogenlänge.

Vorzugsweise kommen HF-Zündgeräte zum Einsatz. Dies hat den Vorteil, dass der Lichtbogen kontaktlos gezündet werden kann. Hierdurch kann eine Verunreinigung des Schweißbades durch Wolfram vermieden werden. Des Weiteren bleibt auch die Wolfram-Elektrode frei von Verunreinigungen durch den Grundwerkstoff und muss weniger nachgearbeitet werden.

Wolfram-Elektroden

Eine Wolframelektrode besitzt einen relativ hohen Schmelzpunkt. Ca. 3400°C und nutzt so bei moderater Stromstärke nur wenig ab. Auch wird der Lichtbogen nur im Schutzgas gezündet, so dass Oxidationen an der Elektrode kaum stattfinden. WIG-Elektroden sind in der ISO 6848 genormt und die Eigenschaften können durch Beimischungen verschiedener Oxidzusätze beeinflusst werden:

Werkstoff der ElektrodeZeichenKennfarbe
Reines WolframWPgrün
Wolfram mit ThoriumoxidWT10
WT20
WT30
gelb
rot
violett
Wolfram mit ZirkoniumoxidWZr3
WZr8
braun
weiß
Wolfram mit LanthanoxidWLa10
WLa20
WLa30
schwarz
gold
blau
Wolfram mit CeroxidWCe20grasu
Zusammensetzung Wolframelektroden nach ISO 6848

Achtung: Wolfram-Elektroden mit Thoriumoxid sind radioaktiv strahlend und sollten nicht mehr verwendet werden!

Qualitätssicherung beim Schweißen

Die DIN EN ISO 9000 ff. bildet Grundlage für viele Qualitätsmanagementsysteme. Jedoch fordert diese Norm bei “speziellen Prozessen” gesonderte Herangehensweisen. Abhilfe kann hier die DIN EN ISO 3834 schaffen. Diese bietet ein QM-System für die Schweißtechnik. So sind hier für verschiedene Anforderungen an Schweißungen “Qualitätsstufen” zugrunde gelegt. So verweisen viele Ausführungsnormen (z.B. DIN EN 1090) auf angepasste Stufen der DIN EN ISO 3834.

Ausbildung zum Schweißer

schweißendes mädchen
Photo by Brandon Mowinkel on Unsplash

Entgegen einer gängigen Meinung ist der Beruf des Schweißers keine eigenständige Berufsausbildung. Oft erlernen andere Metallberufe die Handfertigkeit des Schweißens. Qualifiziert werden Schweißer mit einer Prüfung nach DIN EN ISO 6906. Oft wird der Prüfung eine Schulung vorausgesetzt. Vorgeschrieben ist dies allerdings nicht. Auch eine gesetzliche Anforderung, dass Schweißer eine Schweißerprüfung ablegen, gibt es im ungeregelten bereich nicht. Prüfungen nach DIN EN ISO 6906 darf jeder Fachlich qualifizierter Betrieb sowie jede fachlich qualifizierte Person vornehmen. Es empfiehlt sich jedoch dringend, Prüfungen bei einer Prüforganisation abzulegen. So kann im Schadensfall eine Fürsorge belegt werden. Falls Schweißer innerhalb eines Betriebs geprüft werden, sollte dies von einer Schweißaufsichtsperson nach DIN EN 14731 durchgeführt werden. Schweißfachpersonen, Schweißfachtechniker sowie Schweißfachingenieure besitzen das nötige Hintergrundwissen um eine solche Prüfung abnehmen zu können. Hier verbleibt die Nachweispflicht über die korrekte Qualifikation jedoch beim Betrieb.

Gefahren beim Schweißen

Auch Schweißanwendungen sind mit erheblichen Gefahren verbunden. Einerseits entsteht durch große Stromstärken und Spannungen die Gefahr eines elektrischen Schocks. Andererseits muss mit einer hohen Strahlenbelastung durch UV-Licht, sowie der Rauchentwicklung umgegangen werden. Die Ausbildungsnorm für Schweißer, die DIN EN ISO 6906 beinhaltet in jedem Falle eine Berücksichtigung dieser Gefahren. So sollten Schweißarbeiten nur durch qualifiziertes Personal durchgeführt werden. Auch Arbeitgeber stehen hier in der Verpflichtung ein eingemessenes Arbeitsumfeld zu schaffen. So ist eine geeignete hochqualitative persönliche Schutzausrüstung (PSA), sowie Anlagen um den Schweißrauch zu entsorgen obligatorisch. Ggf. ist auch die Verwendung einer Atemmaske (speziell bei Schweißungen an chrom-haltigen Materialien (!!!)) sinnvoll.

Haftungsausschluss: Dieser Artikel stellt keine Beratung dar, sondern nur die persönliche Meinung des Autors.

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