Wie funktioniert Schweißen?
Wolkenkratzer, exotische Autos, Raketenstarts – bestimmte Dinge erregen einfach Ihre Aufmerksamkeit. Schweißen gehört offenbar nicht dazu. Möglicherweise haben Sie Ihr ganzes Leben damit verbracht, nie über das Thema nachzudenken. Sie werden sicherlich überrascht sein, dass das Schweißen einigen Schätzungen zufolge bis zu 50 Prozent des Bruttosozialprodukts der Vereinigten Staaten von Amerika ausmacht. Ohne Schweißen gäbe es keine dieser erstaunlichen Wolkenkratzer, Autos oder Raketen.
Schweißen ist im Kern einfach eine Methode, zwei Metallteile miteinander zu verbinden. Obwohl es andere Möglichkeiten gibt, Metalle zu verbinden (Nieten, Löten...), ist Schweißen aufgrund seiner Stärke, Effizienz und Vielseitigkeit zur ersten Wahl geworden.
Es gibt viele verschiedene Schweißmethoden und immer wieder werden neue entdeckt. Bei einigen Prozessen wird Wärme eingesetzt, um die beiden Metallteile praktisch miteinander zu verschmelzen, wobei häufig „Füllstoff“ in die Verbindung eingebracht wird, der als Bindemittel fungiert. Andere Methoden basieren auf Druck, um das Metall miteinander zu verbinden, und einige verwenden eine Kombination aus Hitze und Druck. Im Gegensatz zum Löten, bei dem die zu verbindenden Metallteile unverändert bleiben, verändert sich beim Schweißprozess immer das zu verbindende Material.
Dies mag etwas unwichtig erscheinen, ist aber entscheidend für das Verständnis, warum Schweißen so starke Verbindungen erzeugt. Bei Löt- und Hartlötprozessen werden zwei Metallstücke miteinander verbunden, indem ein drittes Material (mit einem niedrigeren Schmelzpunkt) in die Mischung eingebracht wird. Durch das Hinzufügen dieses dritten Materials zwischen den Oberflächen der Originalteile werden die Teile miteinander verbunden. Die Verbindung ist jedoch nur so stark wie das Verbindungsmaterial. Beim Schweißen hingegen entfällt der Zwischenhändler und die Originalteile werden direkt miteinander verbunden. Das Ergebnis ist eine starke, kohäsive Verbindung, die oft so stark ist wie das Material selbst.
In diesem Artikel werfen wir einen genaueren Blick auf die genaue Funktionsweise des Schweißens. Wir werden auch einige der vielen Situationen untersuchen, in denen Schweißen eingesetzt wird,mit dem Fachwissen und der Ausrüstung, die nötig sind, um alles zu verwirklichen. Aber bevor wir das tun, schauen wir uns an, wo alles begann.
Bei all den Maschinen, die an Schweißprozessen beteiligt sind, kann man sich das Schweißen als einen relativ neuen Prozess vorstellen. Tatsächlich gibt es Schweißen schon seit Tausenden von Jahren. Frühe Beispiele für Schweißarbeiten wurden an Orten von Irland bis Indien gefunden, einige stammen aus der Bronzezeit. Natürlich verfügten diese Zivilisationen nicht über die große Menge an Werkzeugen und Maschinen, auf die Schweißer heute Zugriff haben. Wie haben sie es geschafft zu schweißen?
Der Prozess, den sie verwendeten, ist als Schmieden bekannt. Zu Beginn des Prozesses erhitzten Schmiede das Metall, bis es eine leuchtend rote Farbe hatte (aber noch nicht flüssig war). Anschließend legten Schmiede die beiden Teile leicht überlappend auf den Amboss und nieten sie zusammen. Beim Nieten gibt es mehrere Einschränkungen. Nur relativ weiche Metalle lassen sich miteinander vernieten und der Prozess ist sehr aufwendig. An Orten ohne Strom wird das Verfahren jedoch weiterhin angewendet.
Schmieden war bis ins 19. Jahrhundert die einzige Möglichkeit. Doch mit Beginn der industriellen Revolution trieben zahlreiche Entdeckungen die Entwicklung des Schweißens voran. Die Elektrizitätsforschung brachte Elektroden und Lichtbögen hervor. Mitte des Jahrhunderts wurden rudimentäre Fackeln entwickelt. Beide Entdeckungen werden die Schweißmethoden des nächsten Jahrhunderts maßgeblich beeinflussen.
Im späten 19. Jahrhundert entwickelte sich das Schweißen zur treibenden Kraft in der Fertigung. Allerdings waren die Methoden dieser Ära nicht perfekt. Während des Schweißvorgangs kam es zu Oxidation (dem Prozess der Metallbindung in Sauerstoffpartikeln in der Atmosphäre) und die Schweißverbindungen waren porös und spröde. Solche Schweißnähte stellen eine ernsthafte Gefahr für die Arbeitnehmer dar. Beispielsweise explodierten in der Zeit von 1895 bis 1905 täglich schlecht konstruierte Kessel und forderten Tausende Todesopfer. Es bestand eindeutig ein dringender Bedarf an besseren Schweißmethoden. Im Folgenden erfahren wir mehr über die neuen und verbesserten Methoden, beginnend mit einem genaueren Blick auf die Besonderheiten des Handwerks.
Schweißen auf See und im Weltraum
Taucherschweißer reparieren routinemäßig Schiffe und Bohrinseln, meist mit Lichtbogenschweißen (wobei der Einsatz von Flammen überflüssig wird). Am anderen Ende des Spektrums liegt das Schweißen im Weltraum. Das Vakuum des Raums schafft eine ideale Schweißumgebung, da keine Gase vorhanden sind, die mit dem Schweißpunkt interagieren könnten.
Schweißen außerhalb der Erdatmosphäre ermöglichte den Bau der Internationalen Raumstation.
Besonderheiten beim Schweißen 
Wie Schach ist Schweißen leicht zu erlernen, aber schwer zu meistern. Professionelle Schweißer müssen bei der Ausführung ihrer Arbeit eine Vielzahl unterschiedlicher Variablen berücksichtigen. Unabhängig davon, wie kompliziert die Aufgabe ist, sind für ihre Ausführung nur drei Dinge erforderlich: Schweißausrüstung , Schweißmaterial und Sicherheitsausrüstung . Die einfachste Schweißausrüstung für den gelegentlichen Einsatz in der Heimwerkstatt gibt es für weniger als 100 Euro. Üblicherweise sind diese Geräte zum Lichtbogenschweißen (REL) oder Elektrodenschweißen vorgesehen. Viele Geräte verfügen als Bedienelemente lediglich über einen Ein-/Ausschalter und sind somit einfach zu bedienen. Allerdings sind einige Geräte (z. B. beim Laserschweißen) so teuer und komplex, dass sie nur in Großindustrien eingesetzt werden. Einige Materialien sind leichter zu schweißen als andere. Stahl kann aufgrund seiner Festigkeit, Verfügbarkeit und Schweißbarkeit eine ausgezeichnete Wahl sein. Grundsätzlich gilt: Je stärker der Stahl, desto schwieriger ist er zu schweißen. Dementsprechend wurden mehrere Stahllegierungen durch Schweißen entwickelt. Natürlich kann fast jedes Metall geschweißt werden, einschließlich Gusseisen, Bronze, Aluminium und sogar Titan, obwohl letzteres eine stark geschützte Atmosphäre erfordert, da das Metall sehr reaktiv ist. Was auch immer Sie schweißen, denken Sie daran:
Sicherheit geht vor . Wenn Sie schon einmal persönlich beim Schweißen zugesehen haben, können Sie Zeuge des blendenden Lichts werden, das dabei entsteht. Wenn Sie ungeschützt direkt auf die Schweißstelle blicken, kann dies zu einer schmerzhaften Hornhautentzündung mit einem sandähnlichen Gefühl im Auge führen. Kein Wunder, dass eine gute Schweißmaske Voraussetzung für jede Schutzausrüstung ist. Schweißmasken gibt es in vielen Ausführungen. Die einfachsten sind solche, die eine abgedunkelte Platte haben, durch die der Schweißer beim Schweißen schaut.Fortgeschrittenere Masken werden automatisch dunkler, wenn der Schweißpunkt heller wird. Neben greller Helligkeit können beim Schweißen Temperaturen von bis zu 5.500 Grad Celsius und zahlreiche Funken entstehen, die Handschuhe und lange Ärmel erfordern.
Schließlich ist je nach Schweißmethode eine ordnungsgemäße Belüftung von entscheidender Bedeutung. Schweißer können Schadstoffen wie Blei, Quecksilber und Kohlenmonoxid ausgesetzt sein. Entlüftungsventile können die Ansammlung von Dämpfen im Arbeitsbereich verhindern.
So funktioniert Schweißen
Wir sind bereit, mit dem Schweißen zu beginnen. Die meisten Schweißverbindungen fallen heute in eine von zwei Kategorien: Lichtbogenschweißen und Gasschweißen.
Lichtbogenschweißen verwendet einen Lichtbogen, um die Arbeitsmaterialien sowie das Füllmaterial für die Schweißverbindungen zu schmelzen. Beim Lichtbogenschweißen wird ein Erdungsdraht am Schweißmaterial oder einer anderen Metalloberfläche befestigt. Der zweite Draht wird auf das zu verschweißende Material gelegt. Nachdem sich der Draht leicht vom Material gelöst hat, entsteht ein Lichtbogen. Es sieht aus wie wenn man die Zündkabel von der Batterie abzieht. Der Bogen verbindet dann die Werkstücke mit einem Füllmaterial, das dabei hilft, die Teile zusammenzuhalten.
Das Einbringen der Spachtelmasse in die Fuge erfordert eine ruhige Hand und ein Auge fürs Detail. Während der Stab schmilzt, muss der Schweißer mit kleinen, sicheren Bewegungen kontinuierlich weiteres Material in die Verbindung einbringen. Diese Bewegungen verleihen Schweißnähten ihr besonderes Aussehen. Zu schnelles oder zu langsames Bewegen oder das Halten des Lichtbogens zu nahe oder zu weit vom Material entfernt kann zu schlechten Schweißnähten führen.
REL-Schweißen, Schutzgasschweißen (allgemein bekannt als Metall-Inertgas-Schweißen oder MIG-Schweißen) und Wolfram-Lichtbogenschweißen (oft als Wolfram-Inertgas-Schweißen oder WIG-Schweißen bezeichnet) sind Lichtbogenschweißen.
Diese drei gängigen Methoden haben ihre Vor- und Nachteile. Das Elektrodenschweißen beispielsweise ist günstig und leicht zu erlernen. Außerdem ist sie langsamer und weniger vielseitig als einige andere Methoden. Im Gegensatz dazu ist das WIG-Schweißen schwer zu erlernen und erfordert spezielle Schweißgeräte. Das WIG-Schweißen erzeugt jedoch qualitativ hochwertige Schweißnähte und kann Materialien schweißen, die mit anderen Methoden nicht möglich sind.
Gasschweißen ist eine weitere beliebte Schweißmethode. Bei diesem Verfahren wird typischerweise ein Acetylen-/Sauerstoffbrenner zum Schmelzen des Arbeitsmaterials und des Schweißstabs verwendet. Der Schweißer steuert den Brenner und den Stab gleichzeitig und hat so die volle Kontrolle über die Schweißung. Während das Gasschweißen in der Industrie weniger verbreitet ist, wird es dennoch häufig für Wartungs- und Reparaturarbeiten sowie an Skulpturen eingesetzt (dazu später mehr).
„ Extreme Welding“
Rotglühende Lichtbögen und Brenner sind kein Kinderspiel, aber es gibt noch extremere Arten des Schweißens. Beim Explosionsschweißen wird der durch eine starke Explosion erzeugte Druck genutzt, um Metalle miteinander zu verbinden. Beim Laserstrahlschweißen werden leistungsstarke Laser eingesetzt, um Metalle miteinander zu verschmelzen. Beim Ultraschallschweißen werden hochfrequente Schwingungen eingesetzt, die Metallmoleküle in Schwingung versetzen und so miteinander verbinden.
Eine gute Schweißnaht ist schwer zu finden
Wir können uns an die Geschichte des Schweißens erinnern und daran, dass spröde, poröse Schweißnähte bei industriellen Anwendungen zu ernsthaften Sicherheitsproblemen geführt haben. Ein Großteil des Problems bei diesen ersten Schweißnähten ist auf Oxidation zurückzuführen. Mit der Weiterentwicklung der Schweißwissenschaft haben sich auch die Methoden zum Schutz der Schweißstelle vor Sauerstoff weiterentwickelt. Beim Elektrodenschweißen beispielsweise wird die Elektrode mit einer Schutzschicht überzogen. Dieser Schutz dient mehreren unterschiedlichen Zwecken, unter anderem soll er einen Gasschutz für die Schweißstelle schaffen. Beim MIG- und WIG-Schweißen werden Gastanks verwendet, die den Schweißpunkt kontinuierlich mit Schutzgasen umhüllen. Der Schutz der Schweißstelle vor Oxidation ist für die Bildung einer festen Schweißnaht unerlässlich.
Der Vorbereitungsprozess selbst ist vielleicht genauso wichtig für die Herstellung starker Schweißnähte. Die Sicherstellung, dass die Arbeitsmaterialien frei von Fett, Schmutz und Staub sind, ist nur der erste Schritt zur ordnungsgemäßen Vorbereitung der Schweißverbindung. Die Wahl des richtigen Verbindungstyps ist entscheidend für eine qualitativ hochwertige Schweißnaht.
Nach dem Schweißen können Sie die Qualität der Schweißnaht auf verschiedene Arten überprüfen. Eine Sichtprüfung kann ergeben, dass das Schweißgerät mit der falschen Geschwindigkeit oder Stromstärke gearbeitet hat, wodurch Risse und lange Unregelmäßigkeiten entstanden sind. Schweißer können ihre Arbeit auch durch Magnetpulverprüfung, Flüssigkeitseindringung, Ultraschallprüfung, Röntgenprüfung, Druckprüfung oder andere Methoden kontrollieren. Zur Bestimmung der Schweißqualität werden häufig auch zerstörende Prüfungen eingesetzt, bei denen die Schweißnaht zerstört wird.Unabhängig davon, welcher Test verwendet wird, ist die Sicherstellung, dass die Schweißnaht stark und sicher ist, ein wichtiger Schritt im Prozess.
Schweißen in Industrie und Kunst
Die meisten Schweißarbeiten stehen im Zusammenhang mit der Produktion in der Industrie. Automobilindustrie, Schiffbau, Gewerbebau, Brückenbau – die Liste der Schweißarbeiten lässt sich beliebig fortsetzen.
Obwohl die meisten Schweißer Männer sind, verdienen Tausende Frauen ihren Lebensunterhalt mit dem Schweißen. Schweißerinnen spielten während des Zweiten Weltkriegs eine Schlüsselrolle im Schiffbau.
Eine der interessanteren Anwendungen des Schweißens kommt aus der künstlerischen Gemeinschaft. Zu den ersten Beispielen des Schweißens überhaupt gehörten Kunstwerke, etwa die Eisensäule von Delhi, Indien, sowie goldene Schalen und Kappen, die mehr als 1.000 Jahre alt waren. Bauwerke wie die Bögen von St. Louis Gateway (192 Meter hoch und für eine Lebensdauer von 1.000 Jahren gebaut) und das Brüsseler Atomium veranschaulichen, wie weit die Kunst des Schweißens fortgeschritten ist.
Die Tradition des künstlerischen Schweißens bleibt stark, da durch Schweißen massive Skulpturen entstehen, die wiegen mehrere Tonnen. Obwohl Künstler nur einen kleinen Teil der Schweißbranche ausmachen, können sie Millionen anderen das Potenzial des Schweißens zeigen.
