Schweißen und Löten

Schweißen bedeutet das unlösbare Verbinden von Bauteilen unter Anwendung von Wärme und/oder Druck ggf. unter Verwendung von Zusatzwerkstoffen. Das Schmelzschweißen bildet die größte Gruppe. Löten ist ein Verfahren, bei dem zwei oder mehr Metallteile durch das Schmelzen eines Lotes (eines Zusatzmetalls mit niedrigerem Schmelzpunkt als die Grundwerkstoffe) miteinander verbunden werden. Die zu verbindenden Teile selbst werden dabei nicht aufgeschmolzen, sondern nur das Lot, das die Teile nach dem Erkalten fest miteinander verbindet. Die Verbindung von Bauteilen durch Schweißen und Löten ist in der modernen Fertigung nach wie vor unverzichtbar. Durch die Vielzahl und Komplexität der Prozesse werden die Anforderungen an die zu verwendenden Komponenten immer höher. 

Beim Schutzgasschweißen schützt das Gas die Schweißstelle vor den Einwirkungen der atmosphärischen Luft. Die wichtigsten physikalischen Eigenschaften der Schutzgase sind die Ionisierungsenergie, die Wärmeleitfähigkeit und das chemische Reaktionsverhalten.

Die Ionisierungsenergie ist die Energiemenge, die nötig ist, um ein Elektron von einem Atom zu lösen und damit den Lichtbogen elektrisch leitfähig zu machen. Ist die Ionisierungsenergie gering, lässt sich der Lichtbogen leicht zünden und brennt stabil. Die Ionisierungsenergie, die verbraucht wird, um ein Elektron herauszulösen, wird am Werkstück durch Rekombination mit einem Elektron freigesetzt. Diese Energie steht dann für den Schweißprozess zur Verfügung. Gase, die aufgrund ihrer geringen Ionisierungsenergie einen stabilen Lichtbogen erzeugen, übertragen auf der anderen Seite die Energie nicht so gut auf das Werkstück.

Ein anderer Mechanismus der Energieübertragung ist die Wärmeleitung, die selbstverständlich von der Wärmeleitfähigkeit der Gase abhängt. Das chemische Verhalten der Gase unterteilt sich aus schweißtechnischer Sicht in inert, oxidierend oder reduzierend. Bei oxidierenden Gasen entsteht ein Abbrand von Legierungselementen, der jedoch bei richtiger Gaseauswahl in der Regel zu vernachlässigen ist.

Im Wesentlichen unterscheidet man zwischen Metall- und Wolfram-Schutzgasschweißen. Beim Metall-Schutzgasschweißen werden abschmelzende Drahtelektroden als Zusatzwerkstoff verwendet. Das Verfahren unterscheidet sich nach Art des verwendeten Gases in Metall-Aktivgas- (MAG) und Metall-Inertgas- (MIG) Schweißen. Im Gegensatz zur abschmelzenden Elektrode beim Metall-Schutzgasschweißen wird beim Wolfram-Schutzgasschweißen mit einer nicht abschmelzenden Wolframelektrode gearbeitet. Dieses Verfahren wird ebenfalls in zwei Arten unterteilt: in Wolfram-Inertgas- (WIG) Schweißen und Wolfram-Plasma- (WP) Schweißen.

Formieren

Formieren bezeichnet das Umspülen der Schweiß­naht­wurzel und der Wärme­einflußzone mit Schutz­gasen. Aufgabe der Gase ist es, die sauerstoffhaltige Atmosphäre zu verdrängen und eine hoch­wertige Oberfläche zu erzielen.

Dazu werden inerte Gase wie Argon oder reaktions­träge Gase wie Stickstoff sowie Gemische aus Stick­stoff und Wasser­stoff (Formiergase nach DIN EN ISO 14175) oder Argon und Wasserstoff ein­ge­setzt. Die Wahl des Schutzgases hängt ab von den Werk­stoffen, den Bauteil­formen, der Art der Gas­zu­füh­rung und den Schweiß­bedingungen. Be­son­ders viel­seitig kann Argon 4.6/4.8 zum For­mieren genutzt werden. Im Prinzip kann sich bei jedem Schutzgas-Schweiß­verfahren die Not­wen­dig­keit des Formierens ergeben. In der Praxis findet es jedoch über­wiegend beim WIG-Schweißen Anwendung.

• Einsetzbare Schutzgase: Argon, Argon/Wasserstoff-Gemische, Stickstoff, Stickstoff/Wasserstoff-Gemische
• Werkstoffe / Anwendungsbereiche: Apparatebau, Rohrleitungsbau, Kesselbau

Laserhandschweißen als Alternative zum WIG-Schweißen

Beim Laser­hand­schweißen werden dünne Bleche mit minimalem Verzug manuell durch eine handgeführte Schweiß­pistole gefügt. Der Laser dient dabei als Energie­quelle und wird entlang der Schweißkante präzise geführt, bei Bedarf ergänzt durch Zusatzdraht. Um eine saubere Schweiß­naht zu gewährleisten, schützt ein parallel geführtes Schutzgas — meist Argon oder Stickstoff — effektiv vor Oxidation. Dabei kann die Auswahl und Einstellung des Schutz­gases die Nahtqualität, den Prozess­verlauf und die Material­verträglichkeit erheblich beeinflussen.
Das Verfahren eignet sich besonders für Präzisions­schweißungen, kleine Stückzahlen und unterschiedlichste Metalle, darunter un- und legierte Stähle, Aluminium-, Nickel-, Titan- oder Kupfer­legierungen. Typische Anwendungen sind Schweiß­verbindungen wie T-, Überlapp- und Eckstöße. Die Einschweiß­tiefe richtet sich nach Werkstoff, Nahtform, Prozess­parametern und der Laserleistung.

Plasmaschweißen 

Beim Plasmaschweißen schnürt eine Kupferdüse den Lichtbogen ein, der zwischen der Wolframelektrode und dem Werkstück brennt.

• Einsetzbare Schutzgase: Argon, Helium, Argon/Helium-Gemische, Argon/Wasserstoff-Gemische
• Werkstoffe / Anwendungsbereiche: Behälterbau, Apparatebau

Neue Varianten des MIG/MAG Schutz­gas­schweiß­verfahrens – Ideale Kombination für den Metall-3D-Druck

Der 3D-Druck von Metallen kann mit unterschiedlichen Verfahren erfolgen. Draht­basierte Ansätze arbeiten, indem sie Schweiß­draht mithilfe eines Schweiß­prozesses abschmelzen und das Werkstück Schicht für Schicht aufbauen. Damit dabei nicht zu viel Wärme in das Werkstück eingebracht wird, müssen diese Prozesse möglichst energiearm gestaltet sein. Dabei hat sich vor allem der auf dem MIG/MAG-Verfahren basierende Kalt­schweiß­prozess bewährt. 
Hierbei wirkt ein besonders „kühler“ Kurz­licht­bogen­prozess, der trotz hoher Abschmelz­leistung den Wärme­eintrag minimiert und sich dadurch optimal für das additive Schweißen eignet.
Eine entscheidende Rolle für die Qualität des additiven Fertigungs­prozesses spielt jedoch auch das eingesetzte Schutzgas. Ein geeignetes Schutzgas schützt die Schweiß­zone zuverlässig vor schädlichen Einflüssen aus der Umgebungs­luft und sorgt für einen stabilen Lichtbogen sowie eine hochwertige Naht. Für Kaltschweißprozesse kommen meist Mischgase auf Argon-Basis zum Einsatz, die gezielt auf das jeweilige Metall abgestimmt werden. Besonders beim 3D-Druck von Aluminium oder Nickel­basis­legierungen sind Argon oder Argon-Helium-Gemische weit verbreitet, da sie eine optimale Schutz­wirkung und sehr gute Schweiß­eigenschaften bieten. 

Hartlöten

Hartlöten ist ein Lötverfahren, bei dem Metalle mit einem Lot verbunden werden, das bei Temperaturen zwischen 450 °C und 900 °C schmilzt. Die Grundwerkstoffe werden nicht aufgeschmolzen, sondern lediglich das Lot, wodurch eine feste und dauerhafte Verbindung entsteht. Typische Anwendungen sind der Rohrleitungsbau und die Kälte- und Klimatechnik. Es kommen Brenngase wie Acetylen, Propan oder Wasserstoff zum Einsatz, meist in Kombination mit Sauerstoff. Selten wird aber auch unter reinem Wasserstoff gelötet. Diese Gase erzeugen die hohen Temperaturen, die für das Hartlöten erforderlich sind. 

Beim MSG-Löten wird als Zusatzwerkstoff ein Lot verwendet. Es können die gleichen Anlagen wie für das MSG-Schweißen eingesetzt werden.