"Faszination Blech": Thermisch verbinden (Kapitel 7)

Thermisch verbinden
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Früher schweißte man ausschließlich manuell.
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Automatisiert schweißen mit dem Laserstrahl
Alle thermischen Fügeverfahren nutzen Energie, um die Werk-
Laserschweißen durch. Punkt- und Buckelschweißen beste-
zu formulieren. Um das geeignete Verfahren zu finden, werden
stücke aufzuschmelzen und sie zu verbinden. Einst war das
chen dadurch, dass dabei allein mit Druck und elektrischem
folgende Faktoren berücksichtigt:
Schmiedefeuer die einzige Energiequelle dafür. Später ersetzte
Strom gearbeitet wird. Plasma- und Elektronenstrahlschwei-
der Gasbrenner die Feuerstelle. Gasschmelzschweißen – auch
ßen spielen eine eher untergeordnete Rolle. Sie werden für
Autogenschweißen genannt – zählte zu den ersten Schweiß-
Spezialanwendungen eingesetzt. In einigen Fällen wird auch
verfahren. Eine Gasflamme schmolz die beiden Metalle und
gelötet, zum Beispiel dort, wo Werkstoffe mit unterschiedlichen
den Zusatzwerkstoff auf. Die Schmelze erstarrte wieder und
•
•
•
Auswahl des Verfahrens | Thermische Verfahren haben
kommen heute standardmäßig MIG- und MAG- sowie WIG-
Darüber hinaus unterscheiden sie sich teilweise sehr stark,
Schweißen zum Einsatz. Daneben setzt sich zunehmend das
so dass es kaum möglich ist, allgemeine Anwendungsregeln
Toleranz | Wie genau können die Teile gefertigt und
Bördelnaht
positioniert werden?
Schmelzpunkten aufeinander treffen.
eines gemeinsam: Sie erzeugen unlösbare Verbindungen.
Werkstoff | Welches Verfahren ist für den verwendeten
Werkstoff überhaupt geeignet?
hinterließ die Schweißnaht.
Verfahren in der Blechfertigung | In der Blechfertigung
I-Naht
Verzug | Wie stark erhitzt sich das Werkstück beim
Schweißen? Wie stark verzieht es sich?
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Vorrichtung und Positionieren | Wie aufwendig sind
Kehlnaht
die Vorrichtung und das Positionieren der Bauteile für
das Verfahren?
•
Vorarbeit | Wie aufwendig ist es, den Prozess
einzurichten?
•
Ecknaht
Nacharbeit, Verschleifen | Muss die Naht nachgearbeitet werden?
Welches Verfahren angewandt wird, hängt auch von Investitionshöhe, Prozessgeschwindigkeit und Nahtqualität ab.
Überlappnaht
Die Naht | An der Fügestelle entsteht beim Schweißen und
Löten eine Naht. Wie sie aussieht, hängt davon ab, wie die
Kanten aufeinander treffen und welches Verfahren eingesetzt
Axialrundnaht
wird. Die Schweißnaht selbst kann ganz durchgezogen werden oder auch aus einzelnen Strichen, Punkten oder anderen
Formen bestehen.
Welche Nahtform und -art der Konstrukteur wählt, hängt
Radialrundnaht
auch von der geforderten Festigkeit der Verbindung ab. Als
Faustregel gilt: Die Festigkeit sollte mindestens so hoch sein
wie die des Grundwerkstoffs. Bei einer I -Naht bedeutet das,
die Einschweißtiefe muss der Blechdicke entsprechen, damit
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Blech mit Blech verbinden
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die Naht die geforderte Festigkeit bekommt.
Beispiele für Nahtgeometrien beim Laserschweißen
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Spülbecken mit WIG -geschweißten Kanten
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MIG - und MAG -Schweißen kennt man aus der Autowerkstatt.
Die Schweißraupe Bei vielen Schweißverfahren bildet sich eine
geschuppte Nahtoberfläche. Sie erinnert an die Körpersegmente
einer Raupe und wird daher als Schweißraupe bezeichnet.
Oberflächlich oder tief? | Die meisten Schweißverfahren
Das Verfahren kann für alle schmelzschweißbaren Werkstoffe
schmelzen das Material nur an der Oberfläche auf. Dieser Vor-
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gang wird als Wärmeleitungsschweißen bezeichnet. Typische
angewendet werden. Aus wirtschaftlichen Gründen wird es
vor allem bei Blechdicken unter 5 Millimetern eingesetzt.
Einschweißtiefen liegen bei wenigen Millimetern.
WIG-Prinzip | In der Mitte des WIG-Brenners befindet sich
Einige Energiequellen dringen jedoch auch tief in das Material ein. Eine dieser Energiequellen ist der Laserstrahl. Er dringt
eine Elektrode aus Wolfram. Zwischen Werkstück und Elektrode
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bis zu 20 Millimeter in Stahlblech vor. Damit lassen sich
liegt beim Schweißen eine Spannung an. Die Elektrode ist
zum Beispiel tiefe I-Nähte und Überlappnähte durch mehrere
negativ gepolt, das Werkstück ist positiv gepolt.
Blechlagen schweißen. Die Festigkeit der tiefgeschweißten
Beim Schweißen bildet sich zwischen Elektrodenspitze und
Nähte ist höher als beim Wärmeleitungsschweißen. Außerdem
Werkstück ein Lichtbogen, dessen Energie Werkstück und
erreicht man beim Tiefschweißen mit dem Laserstrahl sehr
hohe Schweißgeschwindigkeiten.
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Zusatzdraht schmilzt. Aus einer Düse um die Elektrode tritt
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das Schutzgas aus. Es unterstützt zunächst die Bildung des
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Lichtbogens. Gleichzeitig schirmt es den Schweißprozess von
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WIG UND PLASMA
der Luft ab, damit das geschmolzene Metall nicht oxidiert.
Zum WIG -Schweißen wird vor allem Argon eingesetzt.
ein Lichtbogen. Beim Plasmastrahl-Plasmalichtbogenschwei-
Plasmaschweißen | Der Plasmabrenner arbeitet ebenfalls
Spannung. Dadurch bildet sich sowohl ein Lichtbogen zwi-
und wird in der Blechfertigung häufig zum Schweißen von
mit einer Wolframelektrode, nutzt jedoch zwei Gase für den
schen Elektrode und Werkstück als auch ein Plasmastrahl.
Sichtkanten an Edelstählen eingesetzt. Die Kanten verlaufen
Schweißprozess: den Plasmagasstrom und den Schutzgas-
WIG - und Plasmaschweißen sind verfahrenstechnisch eng
WIG-Schweißen: Der Lichtbogen schmilzt Werkstück und Zusatzdraht.
verwandt, haben jedoch unterschiedliche Anwendungen.
ßen stehen Elektrode, Plasmagasdüse und Werkstück unter
WIG -Schweißen steht für Wolfram -Inertgas -Schweißen
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sehr glatt und müssen oft nicht mehr nachbearbeitet werden.
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strom. Die Plasmagasdüse umgibt die Elektrode wie beim
WIG -Schweißen. Die Schutzgasdüse umgibt beide.
Beim Plasmastrahlschweißen ist die Wolframelektrode
Lichtbogen und Schutzgas. Sie unterscheiden sich vom
bleibt ohne Spannung. Der Lichtbogen bildet sich jetzt zwi-
WIG - und Plasmaschweißen dadurch, dass die Elektrode im
schen Wolframelektrode und Plasmagasdüse aus. Er ionisiert
Schweißbrenner aus einem Metalldraht besteht, der positiv
das Plasmagas, das die Elektrode umströmt. Das ionisierte Gas
gepolt ist und beim Schweißen schmilzt. Der Draht wird kon-
tritt als Plasmastrahl aus dem Brenner. Plasmastrahlschweißen
tinuierlich nachgeschoben.
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Blech mit Blech verbinden
Geschweißt wird meist manuell mit dem Handbrenner
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Der Begriff Plasmaschweißen umfasst neben dem Plasma-
oder per Roboter. MIG- und MAG-Schweißen sind Standard-
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strahlschweißen noch zwei weitere Verfahren: Plasmalichtbo-
verfahren, die für sehr viele verschiedene Teile angewendet
genschweißen und Plasmastrahl-Plasmalichtbogenschweißen.
werden. Ob MIG- oder MAG-geschweißt wird, hängt vom Werk-
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MIG- und MAG-Schweißen steht für Metall-Inertgas- und MetallAktivgas -Schweißen. Beide Verfahren arbeiten ebenfalls mit
negativ und die Plasmagasdüse positiv gepolt. Das Werkstück
wird oft zum Verbinden von Metallfolien eingesetzt.
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MIG UND MAG
Beim Plasmastrahlschweißen überträgt der Plasmastrahl die Energie.
Beim Plasmalichtbogenschweißen stehen Elektrode und Werk-
stoff ab: Bauteile aus Aluminium und Edelstahl werden MIG-
stück unter Spannung. Wie beim WIG -Schweißen bildet sich
geschweißt, Bauteile aus Stählen werden MAG-geschweißt.
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Ein Strahl von Elektronen Elektronenstrahlschweißen ist in der Blechfertigung sehr selten. Geschweißt wird mit einem Strahl aus Elektronen,
der sich sehr fein fokussieren lässt und daher hohe Einschweißtiefen erzielt.
Das Verfahren ist vergleichsweise teuer, weil es nur im Vakuum die
besten Ergebnisse liefert. Es wird vor allem bei Materialien mit Dicken
über 20 Millimetern angewendet. Für die gängigen Blechanwendungen
hingegen wird der Laserstrahl eingesetzt.
Prinzip | Im MIG - oder MAG -Brenner liegt die Spannung
Eigenschaften und Einsatzgebiete | Der Vorteil dieser
zwischen Drahtelektrode und Werkstück an. Die Elektrode ist
Verfahren liegt darin, dass sie sowohl manuell als auch mit dem
buckel geprägt. Die Oberfläche der Elektroden ist eben. Wo die
schweißen kommen ohne Zusatzstoffe wie Gas oder Draht aus.
positiv gepolt, weil sich der positive Pol beim Lichtbogen-
Roboter nutzbar sind, und dass der Zusatzwerkstoff nicht extra
Buckel das Gegenstück berühren, fließt der Strom durch das
Die Vorbereitung für das Buckelschweißen ist aufwendiger
schweißen stärker erhitzt als der negative. Der Draht schmilzt
geführt werden muss.
Werkstück. Dort entstehen die Schweißpunkte. Über die Form
als die für das Punktschweißen. Die Schweißbuckel müssen
Beim Buckelschweißen sind in einer Werkstückfläche Schweiß-
Vorteile und Voraussetzungen | Punkt- und Buckel-
Der Verzug ist allerdings höher als bei anderen Verfahren,
des Buckels lässt sich die Form der Verbindung und damit
beispielsweise während der Flachbearbeitung an der Stanz-
Beim MIG-Schweißen wird Argon als Schutzgas eingesetzt.
weil sehr viel Energie ins Werkstück eingebracht wird. Wenn
auch die Festigkeit beeinflussen. Es gibt auch ringförmige
maschine eingeprägt werden. Für beide Schweißverfahren
oder längliche Buckel.
muss die Fügestelle von beiden Seiten zugänglich sein.
so besser.
Der geschmolzene Draht gelangt dabei in kleinen Tropfen auf
viele Schweißnähte im Werkstück sind, muss die Schweißrei-
das Werkstück. Beim MAG-Schweißen enthält das Schutz-
henfolge so gewählt werden, dass die Wärme sich gleichmäßig
gas Argon Anteile von Kohlendioxid oder Sauerstoff. Dadurch
im ganzen Werkstück verteilt. MIG - und MAG -geschweißte
schmelzen größere Tropfen vom Draht ab. Je nachdem, wie
Sichtkanten müssen anschließend verschliffen werden.
Darüber hinaus lassen sich immer nur zwei Bleche mitein�����
dem müssen sich die Werkstücke überlappen. Bei Nähten
weit der Draht aus der Düse ragt und welchen Abstand er zur
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Werkstückoberfläche hat, bilden sich kurze oder lange Licht-
PUNKT - UND BUCKELSCHWEISSEN
bögen aus, in denen der Draht unterschiedlich abschmilzt.
Neben dem Lichtbogen gibt es weitere Arten, die zum Schwei-
Außerdem beeinflusst der Winkel, in dem der Brenner zum
ßen notwendige Energie ins Werkstück einzubringen, zum Bei-
Werkzeug steht, das Nahtergebnis. Damit kann der Schweißer
spiel durch elektrischen Strom kombiniert mit Druck. Zu diesen
die Nahttiefe und das Aussehen der Naht variieren – von flach
Verfahren gehören das Punkt- und Buckelschweißen.
bis tief und von glatt bis geschuppt.
ander verbinden, und die Blechdicke ist eingeschränkt. Außer-
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Laserschweißen stieß erst in den 1970er Jahren zur Familie
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der Fügeverfahren. Der Laser ist sehr flexibel einsetzbar: Mit
ihm lassen sich feine Schweißpunkte von einem Millimeter
wo dünne Blechteile verbunden werden sollen und keine
Durchmesser ebenso wie meterlange tiefgeschweißte Nähte
durchgängige Naht erforderlich ist. Beide Verfahren sind ein-
fertigen. Dabei entstehen sehr schlanke Nahtgeometrien mit
fach zu handhaben und lassen sich gut automatisieren. In der
einem großen Tiefe -Breite -Verhältnis. Der Verzug ist minimal.
Punktschweißen: Strom schmilzt die Bleche lokal auf.
Automobilindustrie wird beispielsweise viel punktgeschweißt.
Ein weiterer Vorteil: Der Laser schweißt enorm schnell.
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Auf Laserschweißnähte und -schweißpunkte trifft man
Prinzip | Punkt - und Buckelschweißen funktionieren nach
daher an ganz verschiedenen Stellen: in Kreuzfahrtschiffen,
dem gleichen Prinzip: Zwei Elektroden nehmen das Werkstück
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in die Zange. Sie greifen es von beiden Seiten und drücken
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es zusammen. Dann fließt ein kurzer, hoher Schweißstrom
von Elektrode zu Elektrode durch das Werkstück. Das Metall
erwärmt sich durch den elektrischen Widerstand und schmilzt
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auf. Dabei entsteht eine punktförmige Verbindung mit linsen-
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Blech mit Blech verbinden
Strom gezielt an eine Stelle.
röhren, und, und, und.
Prinzip | Beim Laserschweißen dient der fokussierte Laserstrahl als Energiequelle. Der Laserstrahl wird im Schweißkopf
mit Hilfe eines Spiegels oder einer Linse gebündelt. Dafür,
förmigem Querschnitt.
dass kein Schmutz auf den Spiegel oder die Linse gelangt,
sorgt der Crossjet, ein Gasstrom, der quer durch den Laser-
eben. Elektroden mit einer gewölbten Oberfläche leiten den
Beim MIG - und MAG -Schweißen schmilzt die Drahtelektrode.
ICE-Zügen, Getriebeteilen von Pkw und Lkw, Airbaghülsen,
Herzschrittmachern, elektronischen Bauteilen, Fernsehbild-
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Beim Punktschweißen sind die Flächen der Werkstücke
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MIT DEM LASERSTRAHL
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Punkt- und Buckelschweißen bieten sich überall dort an,
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mit hoher Festigkeit sind sehr viele Punkte nötig, hier sinkt
die Prozessgeschwindigkeit deutlich.
Buckelschweißen: Wo die Schweißbuckel sind, entsteht die Verbindung.
kopf fließt.
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Preisfragen Manche Verbindungen dürfen viel kosten, andere fast gar
nichts. Die Schweißnaht, die den 5 Zentimeter dicken Stahlkörper eines
Abklingbeckens in einem Atomreaktor zusammenhält, kostet mehrere
Zehntausend Euro. Die Laserschweißpunkte in der Halogenglühlampe
eines Autos kosten dagegen weniger als 1 Cent.
Wo der gebündelte Laserstrahl auf das Werkstück trifft, schmilzt
er es auf. Fokusdurchmesser, Fokuslage, Laserleistung und
LOSGRÖSSE EINS – AUCH BEIM LASERSCHWEISSEN
Schweißgeschwindigkeit sind die wesentlichen Parameter, die
Nahttiefe und -breite bestimmen.
leitungsschweißen mit dem Festkörperlaser in einer Roboterzelle sowie Tiefschweißen mit dem CO2- Laser in einer koordi-
Komplexe Technik, wenig flexibel, lohnt sich nur bei hohen
natengeführten 3D -Laserschweißanlage.“
Während der Bearbeitung wird die Schweißnaht in der
Stückzahlen – das denkt so manch einer vom Laserschweißen.
Jürgen Herre geht voraus. „Beginnen wir mit dem Tief-
Regel durch ein Schutzgas vor Reaktionen mit der Luft ge-
Zu Unrecht! „Alles Vorurteile, die durch Informationslücken
schweißprozess. Auf dieser 3D -Anlage werden Maschinen-
schützt. Weitere Gase – die so genannten Arbeitsgase – können
entstehen“, meint einer, der es wissen muss: Jürgen Herre,
komponenten im Tiefschweißverfahren geschweißt: komplexe
den Schweißprozess unterstützen und steuern. Je nach-
Leiter der Blechfertigung bei der TRUMPF Werkzeugmaschinen
Blechbaugruppen mit bis zu 150 Schweißnähten, die insgesamt
dem, welche Nahtart geschweißt werden soll, und wie groß
GmbH + Co. KG in Ditzingen. Zwar stimmt es, dass Laser-
bis zu 70 Meter lang sind.“ Auf der Anlage werden rund 15
der Spalt zwischen den Bauteilen ist, wird mit Zusatzwerk-
schweißen lange ausschließlich bei speziellen Teilen in der
unterschiedliche Baugruppen und Varianten geschweißt:
stoffen gearbeitet.
Großserie eingesetzt wurde, aber nun erobert das Verfahren
Querträger von Flachbettlaserschneidanlagen, Ausleger von
die flexible Blechfertigung.
3D -Anlagen und Pinolen.
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„Flexible Blechfertigung bedeutet, unterschiedliche Bau-
Um so flexibel fertigen zu können, bedarf es einiger Vorbe-
gruppen in unterschiedlichen Losgrößen herzustellen“, erläutert
reitung: Die Konstruktionen wurden für das Laserschweißen
Herre beim Gang durch die Produktionshalle. „Wir setzen bei
optimiert, Spannvorrichtungen konstruiert. Gespannt wird an
uns die beiden typischen Laserschweißprozesse ein: Wärme-
einem separaten Arbeitsplatz, Checklisten an der Wand zeigen
Ein Festkörperlaser schweißt die Abdeckhaube eines CO2- Lasers.
die richtige Reihenfolge. „Das vereinfacht die Sache und sichert
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die Qualität“, kommentiert Herre. Vereinfachen auch beim
Die Kanten der Haube werden per Wärmeleitungsschweißen
Positionieren. Meterlange Bauteile auf den Zehntelmillimeter
verschmolzen. Auch hier zeigen sich die Vorteile des Laser-
genau auszurichten ist kaum möglich. Damit der feine Laser-
schweißens deutlich: 60 Minuten manuelles WIG-Schweißen
strahl trotzdem die Naht trifft, misst ein Sensor den Naht-
wurden durch 6 Minuten Laserschweißen ersetzt. Das Ergebnis:
verlauf. Anschließend wird das NC -Programm mit den neuen
abgerundete Kanten in konstanter Qualität, die nicht mehr
Werten automatisch aktualisiert. Nun beginnt der Laserstrahl
nachbearbeitet werden müssen. „Wir haben mit beiden Anlagen
seine Arbeit. Jürgen Herre schildert die Vorteile gegenüber dem
sehr gute Erfahrungen gemacht“, freut sich der Fertigungs-
Anlagenvorgänger, einem MAG -Roboter: „Höhere Schweiß-
leiter. Deshalb heißt das Ziel, nach und nach alle Baugruppen
geschwindigkeit, weniger Verzug und keine Nacharbeit sind
auf Laserschweißen umzustellen.
die wichtigsten Vorteile des Laserschweißens.“ Ohne die Nach-
Bleibt nur noch die Frage: Wer sollte den Einstieg wagen?
arbeit fallen auch Liege- und Transportzeiten weg. Laserschwei-
„In jedem Unternehmen, in dem viel geschweißt wird, lohnt es
ßen macht die Maschinenkomponenten zudem leichter, weil sie
sich zu prüfen, ob sich Laserschweißen rechnet“, empfiehlt
jetzt in Leichtbauweise konstruiert sind.
Herre. „Je nach Baugruppe setzen wir Laserschweißen schon
Danach geht es weiter zur Roboterzelle: Dort schweißt ein
Rund 150 Tiefschweißnähte halten den Querträger zusammen.
Festkörperlaser Abdeckhauben für CO2 -Laser zusammen.
bei Stückzahlen von 30 Baugruppen pro Jahr und Losgrößen
ab Stückzahl 1 ein.“
Laserschweißen mit Schutzgas und Zusatzdraht
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Blech mit Blech verbinden
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