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Ausgefallene Schweißverfahren: Wenn es knallt, lasert und funkt

Schweißen ist eine der bedeutsamsten Methoden, um Materialien dauerhaft miteinander zu verbinden. Aber dazu gehört viel mehr, als mit Sauerstoff, Acetylen und Draht zu hantieren.

Das Schweißen gilt als wichtigste Gruppe aller Fügeverfahren.

nikkytok, Adobe Stock

Auf einer technischen Ebene klingt es unglaublich nüchtern: Durch Fügen hergestellte dauerhafte Verbindung von Werkstücken unter Anwendung von Wärme und/oder Druck. Nicht mehr und nicht weniger ist Schweißen.

Und obwohl es natürlich stimmt, dass dabei zwei Werkstücke an kontrollierten Stellen bis auf Schmelztemperatur gebracht und so, gegebenenfalls noch mit einem ebenfalls aufgeschmolzenen Zusatzwerkstoff, zu einer stoffschlüssigen Verbindung werden, steckt dahinter doch viel mehr.

Nein, Schweißen ist nicht nur das Betätigen des Abzugs an einem MIG/MAG-Gerät beim Schutzgasschweißen. Denn durch das einfache Prinzip verbergen sich dahinter auch spannendere Anwendungen. Einige ausgefallenere Verfahren zeigt der folgende Artikel.

Laserschweißen

Das große Problem des Schweißens, vor allem in industriellen Anwendungen, ist folgendes: Die Hitze ist bei vielen regulären Verfahren nur äußerst schwer im Zaum zu halten.

Gebraucht wird sie nur dort, wo es technisch für das Fügen notwendig ist. Tatsächlich jedoch strahlt sie auf das gesamte Bauteil aus. Die gravierendste Auswirkung dadurch ist es, dass die Wärme für Spannungen im Material sorgt.

Dadurch verziehen sich die Teile. Das kann zwar technisch zuvor anhand der Materialart und ihrer Stärke berechnet und somit eingeplant werden, es macht aber zusätzlichen Aufwand nötig.

An diesem Punkt kommt der Laser ins Spiel. Er ist die momentan präziseste Methode, um Energie zielgerichtet zu applizieren. Längst werden Laser industriell dafür eingesetzt, Bauteile höchstpräzise, wiederholgenau und mit geringstem Materialverschnitt zu trennen – da ist klar, dass es technisch gesehen nur ein Katzensprung ist, damit auch zu schweißen.

Der große Vorteil des Lasers ist es hier, dass er die notwendige Energie:

auf einen enorm kleinen, zehntelmillimeter-durchmessenden Punkt fokussieren kann
in Bruchteilen von Sekunden zur Verfügung wirkt

Mittlerweile ist die Technik so ausgereift, dass sich damit Schweißnähte in Serie herstellen lassen, die eine Präzision erreichen, die sich vom Mensch längst nicht mehr kopieren lässt. Und vor allem gibt es wesentlich weniger Probleme durch Verzug.

Bolzenschweißen

Vielfach dient Schweißen einem Zweck: Zwei Materialien so zusammenzufügen, dass keine anderen Verbindungen mehr notwendig sind.

Allerdings kann Schweißen auch nur ein Zwischenschritt sein. Etwa, wenn an einem Bauteil ein Gewindebolzen angeschweißt werden soll, der die eigentliche (und im Gegensatz zum Schweißen leicht lösbare) Verbindung realisiert.

Doch das Problem ist: Es ist mit den meisten Schweißtechniken unheimlich schwierig, viele Bolzen so anzuschweißen, dass sie immer im gleichen Winkel stehen und immer die gleiche Höhe haben.

Das ist vor allem in der Industrie kritisch; aber auch auf Baustellen und in Werkstätten. Um dieses Problem zu beseitigen, wurde das Bolzenschweißverfahren entwickelt. Dazu braucht es eine spezielle Schweißpistole sowie dazu passende Bolzen.

Die Pistole hält den Bolzen und versorgt ihn via Schweißinverter mit Spannung. Wie er mit dem Metall verbunden wird, hängt von der Technik ab:

Beim Hubzündungsbolzenschweißen hebt die Pistole den unten flachen Bolzen bei Betätigung auf einen einstellbaren Abstand vom Trägermaterial weg. Dadurch entsteht ein Lichtbogen, der beide Materialien aufschmilzt und verbindet.
Beim Spitzenzündungsbolzenschweißen hat der Bolzen an seiner Unterseite einen Nippel und wird in einem ebenfalls voreinstellbaren Abstand zum Trägermaterial gehalten. Betätigt man den Stromfluss, zündet ein Lichtbogen, der den Nippel samt Bolzenunterseite und Trägermaterial aufschmilzt.

Damit ist es möglich, dutzende Bolzen pro Minute zu verschweißen, wo jedes andere Verfahren ungleich mehr Zeit benötigen würde.

Sprengschweißen

Schweißen benötigt immer zwingend Hitze, die groß genug ist, um beide zu verbindende Materialien aufzuschmelzen? Häufig, allerdings nicht immer.

Wie bereits angemerkt, kann auch Druck im Spiel sein. Und das bringt uns zur wohl imposantesten Variante des Schweißens, dem Sprengschweißen.

Bevor wir tiefer in die Technik eingehen, muss man zunächst erklären, warum es überhaupt so ein Verfahren gibt. Das liegt daran, dass herkömmliches Schweißen verunmöglicht wird, wenn Materialien verbunden werden sollen, die stark unterschiedliche Schmelztemperaturen aufweisen. Etwa Titan, das erst bei 1670°C aufschmilzt und Kupfer, welches bereits bei 1083°C schmilzt.

Normale Schweißtechniken würden hier das Kupfer großflächig wegschmelzen, bevor das Titan auch nur glühen würde.

An dem Punkt greift Sprengschweißen. Es umgeht die notwendige Hitze. Stattdessen werden die zu verschweißenden Materialien durch eine Sprengladung so stark beschleunigt und „aufeinander geschossen“, dass sie sich beim Kontakt durch den hohen Druck praktisch auf atomarer Ebene miteinander verkeilen.

Einzige Limitierung: Das Verfahren kann nur bei großflächigen Bauteilen eingesetzt werden, wo die Detonation die Einzelteile nicht durch die Druckwelle beschädigt.

Thermitschweißen

Wir kommen zu einem Verfahren, das heute weitestgehend durch andere Methoden abgelöst wurde und tatsächlich großmaßstäblich nur noch eine einzige Aufgabe hat. Allerdings ist Thermitschweißen vor allem wegen seiner Technik und seiner Optik mehr als imposant.

Eingesetzt wird es heute praktisch ausschließlich noch dafür, um die einzeln verlegten Eisenbahnschienen zu einem geschlossenen, überall gleichbelastbaren Band zu verbinden. Eine technisch anspruchsvolle Aufgabe, denn die Nähte müssen schon durch das Gewicht der Züge enorme Dauerbelastungen aushalten.

Dadurch hat Thermitschweißen auch etwas sehr Archaisches an sich:

Die beiden Schienenstöße werden durch einen Schneidbrenner auf einen präzisen Abstand zueinander gebracht
Eine Gießform, gefüllt mit ähnlichen Materialien wie beim Hochofenbau, wird aufgesetzt
Ein Brenner wird aufgesetzt, der die Schienenstöße auf über 1000°C vorheizt
Anschließend wird ein Schmelztiegel über die Stelle bugsiert. Er ist mit mehreren Kilogramm Thermit befüllt, einem Gemisch aus feinem Aluminium- und Eisenoxidpulver
Das Thermit wird durch eine „Zündkerze“ aus einer Bariumperoxid-Magnesium-Mischung gezündet, denn nur diese liefert die notwendigen hohen Temperaturen

Dadurch wird eine spektakuläre exotherme Reaktion gestartet: Das Thermit reagiert in kürzester Zeit und sorgt dafür, dass beide Inhaltsstoffe auf weit über 1500°C kommen und flüssig werden.

Weil das Eisen schwerer ist, sinkt es auf den Boden des Tiegels. Von dort kann es automatisch in den vorbereitenden Schienenstoß laufen wo es durch seine Hitze auch die beiden Stöße anschmilzt und zu einer durchgängigen Schiene werden lässt.