Schweißen – Herstellen von Schweißbaugruppen

In unserem Haus haben wir eine eigene Abteilung zum Schweißen von Baugruppen bis zu einem Gesamtgewicht von 8 Tonnen. Das Schweißen kann durch verschiedene Verfahren wie MIG, MAG, WIG und Punktschweißen erfolgen. Unsere Mitarbeiter sind hervorragend ausgebildet und unterziehen sich regelmäßig Weiterbildungen.

Die Firma Rime ist nach DIN 18800-7 zertifiziert und erfüllt somit alle Voraussetzungen für das Schweißen und Konstruieren tragender Bauteile. Wir verfügen über eine breites Angebot in der Blechbearbeitung und können Einzelteile, die für das Schweißen von Baugruppen benötigt werden, im eigenen Haus herstellen. Dies erspart überflüssige Transportwege und Sie erhalten Ihre Bestellung dadurch schneller.

Unter Schweißen versteht man das Erstellen einer Verbindung zwischen einzelnen Metallteilen. Durch die Einwirkung extrem starker Hitze werden die zu verbindenden Materialkanten verflüssigt und im Zustand der Schmelze zusammengefügt. Beim Erkalten des Metalls verbinden sich die Bauteile unlösbar miteinander.

Die Anfänge

In dieser Epoche der Menschheitsgeschichte konnte die Entwicklung der verschiedenen Kulturen nicht unterschiedlicher sein. In einer Zeit, in der in Mitteleuropa die ersten Bauern sesshaft wurden und Tongefäße brennen konnten, blühten in Ägypten und Mesopotamien die ersten Hochkulturen, die schon das Wissen hatten, Waffen und Kultgegenstände aus Metall herzustellen. Am Anfang konnten nur weiche Metalle verarbeitet werden. Archäologische Funde belegen, dass Schmuckgegenstände aus Kupfer und Gold durch punktuelles Erhitzen verbunden wurden. Das Löten war die erste Methode zwei Metallteile miteinander zu verbinden.

Die Technik, Metallteile aus Eisen dauerhaft zu verschmelzen hat eine viele Jahrtausende alte Geschichte. Schon die Ägypter unter Pharao Thutmosis I. (1.493 – 1.482 v.Chr.) kannten und nutzten die Technik des Feuerschweißens. Um zwei Metallteile nur mit Hilfe eines Schmiedefeuers und einfachen Werkzeugen zu verbinden, war sehr viel Erfahrung nötig. Es verlangte viel Fingerspitzengefühl das Metall genau in dem Zeitpunkt aus dem Feuer zu nehmen, bei dem die richtige Temperatur zum Verschweißen erreicht war. Eine weitere Schwierigkeit lag in der Tatsache, dass zu Teile unbedingt vor Lufteinwirkung geschützt werden mussten. Bis zur Glut erhitztes Metall oxydiert sehr rasch an der Luft. Viele Jahrhunderte lang nutzte man dazu feinen Sand. 

Später gelang den Schmieden eine bessere Luftabschirmung durch das natriumhaltige Mineral Borax. Die Technik des Feuerschweißens verbreitete sich im Lauf der Zeit über die ganze Welt und hielt sich über 3.500 Jahre lang bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts. Zur Herstellung von Damaststahl wird dieses Verfahrung noch heute angewendet.

Das moderne Schweißen

Am Ende des 19. Jahrhunderts gab es die ersten Stahllegierungen, die mit der herkömmlichen Schweißmethode nicht mehr bearbeitet werden konnten. Um diese Stähle schweißen zu können, mussten immer höhere Temperaturen erzeugt werden. Die Industrialisierung verlangte außerdem nach schnelleren Produktionsmethoden, da es nicht mehr wirtschaftlich war komplette Metallteile in einem Schmiedefeuer zu erwärmen, um sie verschweißen zu können. Auch die wachsende Größe der Stahlteile verlangte nach anderen Schweißverfahren.

Im Jahr 1782 entdeckte der deutsche Naturforscher Georg Christoph Lichtenberg den Lichtbogen, den er Mittels seiner entwickelten Influenzmaschine erzeugte. Es dauerte aber noch fast 85 Jahre bis diese Leuchterscheinung gezielt zum Schweißen genutzt werden konnte.

1892 wurde das Gas Ethin entdeckt, welches besser unter der Bezeichnung Acetylen bekannt ist. Acetylen hat einen Heizwert von über 57.000 kJ pro Kubikmeter und erzeugt eine fast 3.200 °C heiße Flamme. Damit erreicht Acetylen die höchste Flammenleistung aller verfügbaren Schweißgase, zu denen auch Propan und Methan gehören.

Lichtbogen- und Acetylenschweißen waren sehr effektive Schweißverfahren, die jedoch durch die große Hitzeentwicklung eine starke Oxydation der Werkstoffe verursachten. Im Jahr 1940 kam zum ersten Mal ein Schutzgas zum Einsatz, welches die Reaktion des geschmolzenen Metalls mit der umgebenden Luft verhinderte. Das erste Schutzgas, welches zum Einsatz kam, war Helium. Das war die Geburtsstunde des noch heute gebräuchlichen WIG-Schweißens.

Am besten ist es natürlich, wenn man auf eine Schweißnaht verzichten kann. Bei vielen Konstruktionen ist es jedoch unumgänglich Materialteile durch Schweißen miteinander zu verbinden. Deshalb ist eine gute und gründliche Schweißnahtvorbereitung von elementarer Wichtigkeit.  Die Naht muss so vorbereitet werden, dass die Materialkanten aufgeschmolzen und der Nahtquerschnitt vollkommen gefüllt ist.

Ebenfalls muss durch statische Berechnungen die Trag- und Belastungsfähigkeit ermittelt werden. Nur so können hochwertige Schweißbaugruppen hergestellt werden.
Damit die Schweißer in der Fertigung alle notwendigen Anweisungen erhalten, wurden Symbole entwickelt. Durch diese Symbolsprache können Schweißstöße, die Art der Nähte sowie die Schweißverfahren gekennzeichnet werden. So können alle benötigten Informationen einwandfrei an die Produktion übermittelt werden.

Das Symbol für eine Schweißnaht ist ein Pfeil. Für jede Naht muss ein eigener Pfeil gezeichnet werden. Die Spitze zeigt direkt auf den Schweißstoß. Der waagerechte Teil zeigt symbolisch das Werkstück von der Vorderseite (1) und der Hinterseite (2).

Durch das Hinzufügen eines Symbols kann definiert werden, welche Schweißnaht zu fertigen ist. Es gibt insgesamt fast 30 solcher Symbole. Die wichtigsten sind in der folgenden Grafik zusammengefasst dargestellt.
Durch diese Symbolik weiß der Schweißer, welche Naht jeweils für die sichtbare und verdeckte Werkstückseite anzufertigen ist.

Auch die Form der Schweißnaht kann in symbolisch dargestellt werden. Die Anforderungen an die Formgebung unterscheiden sich von Werkstück zu Werkstück. In unserer CAD-Abteilung wird die optimale Nahtform ermittelt und den Schweißern vorgegeben. Auch das optische Erscheinungsbild ist wichtig und muss beachtet werden.

Die Tiefe der Naht wird ebenfalls bei der Schweißnahtvorbereitung festgelegt. Dieses Maß wird mit dem Buchstaben “s” abgekürzt. Die Angabe der Nahttiefe kann entweder durch das Höhenmaß “a” oder über die Schenkellänge “Z” erfolgen.

Es liegt auf der Hand, dass nicht jede Schweißnaht waagerecht und in Wannenposition geschweißt werden kann. Bei der Konstruktion von Baugruppen und Übergangskörpern können von Zeit zu Zeit  andere Schweißpositionen notwendig werden, da das Werkstück aufgrund seiner Form oder Große nicht in die gewünschte Position gebracht werden kann.

Um den Schweißern mitzuteilen, in welcher Lage das Werkstück geschweißt werden muss, wurden in den DIN-Normen DIN EN 6947 und EN 287 Kürzel eingeführt, aus denen eindeutig die Schweißposition abgelesen werden kann.

Anschaulicher werden die Schweißpositionen in diesem Schema verdeutlicht:

Im Brücken- und Schiffsbau wurde ein Schweißverfahren entwickelt, welches die Erstellung besonders stabiler Schweißnähte ermöglicht. Das Fügen von Metallteilen unter Verwendung einer Schweißbadsicherung bietet einige Vorteile.

Schweißbadsicherungen sind Bänder aus Stahl, Kupfer oder Keramik, die unter den Schweißspalt befestigt werden, um das verflüssigte Metall aufzufangen. Bei der Verwendung solcher Sicherungsbänder kann mit einem wesentlich höheren Schweißstrom gearbeitet werden, der das Material bis in die Wurzellage durchdringt. Dadurch wird mehr Material verflüssigt und die Metallteile verbinden sich dadurch komplett auf der gesamten Werkstückdicke.
Durch eine Schweißbadsicherung können Luftspaltbreiten bis zu 10 mm ausgeglichen werden. So können Differenzen in der Ausrichtung der Bleche zeitsparend korrigiert werden.

Die Nähte, die mit einer Badsicherung geschweißt wurden, sind von hervorragender Qualität. Nach dem Entfernen der Sicherung wird die Nahtunterseite sichtbar, die so gut wie nie nachbearbeitet werden muss und qualitativ sowie optisch allen Anforderungen gerecht wird. Dadurch kann wertvolle Arbeitszeit gespart werden.

Als Lichtbogenschweißen bezeichnet man im Allgemeinen alle Schweißverfahren, bei denen das Material mittels eines Lichtbogens aufgeschmolzen wird. Lichtbögen sind in ihrer Entstehung an zwei Voraussetzungen gebunden. Dabei spielen die Höhe der Spannung und der Abstand der Elektroden zueinander eine wesentliche Rolle. Umso größer die Spannung, desto größere Abstände können vom Lichtbogen überwunden werden.

Beim Schweißen wird der Lichtbogen zwischen einer Elektrode und dem Werkstück erzeugt. Durch das Heranführen der Schweißelektrode an das Material wird ab einer gewissen Entfernung das Gas ionisiert. Dadurch wird die Luft leitfähig und die Spannung kann den Abstand von der Elektrode zum Werkstück überspringen. Durch die Ionisierung entsteht ein Plasma, welches heiß genug ist, Stahl zu schmelzen und somit zu verschweißen.
In der Anfangszeit dieses Schweißverfahrens war die Elektrode aus einfachem Stahl, welche aber durch die starke Hitze während des Schweißvorganges abschmolz.

Nachteilig daran war der direkte Luftkontakt, wodurch es zu starken Reaktionen mit dem Sauerstoff der Atemluft kam. Der Sauerstoff führte zu Schlackebildung und Abbrand und verringerte die außerdem die Qualität der Schweißnaht, weil beim Verschweißen Sauerstoff in das Schweißbad eingebracht wurde. Dieser Sauerstoff reagierte dann im Lauf der Zeit mit dem Material und bildete Rost, wodurch Schweißnähte durchaus brechen konnten.

In der Weiterentwicklung dieses Verfahrens wurden die Schweißelektronen mit Zusatzstoffen ausgestattet, die durch die Einwirkung des Plasmas verdampften und ein Schutzgas um das Schweißbad bildeten. Durch das Abschmelzen wurden die schützenden Stoffe auch in das flüssige Metall eingebracht, wodurch sich die Qualität der Schweißnähte deutlich erhöhte.

Das Schweißen mit Elektroden hat Vorteile. Zum Beispiel kann dieses Verfahren praktisch bei jedem Wetter und sogar unter Wasser durchgeführt werden. Das Schweißen mit Elektroden ist im Vergleich zu anderen Schweißverfahren langsamer, wodurch aber auch das Schweißbad langsamer abkühlen kann. Dadurch kommt es zu geringeren Verspannungen und erhöht die spätere Maßhaltigkeit des Bauteils.

Wir verwenden schon seit einigen Jahren das patentierte Spannsystem der Firma Demmeler. Diese “Demmelertische” sind modulare Systeme, mit dem wir Werkstücke extrem schnell und effizient eingespannt werden können.

Vorteile des Tisches

Die Vorteile sind sehr vielfältig. Die Tische verfügen über ein regelmäßiges Raster von Aussparungen, in denen passende Spannelemente befestigt werden können. Das ist vor allem in der Serienfertigung von Vorteil. Der Tisch muss nur ein Mal an das Werkstück angepasst werden. Danach lässt sich jedes weitere Teil innerhalb weniger Augenblicke fixieren.

Auch kompliziert geformte Teile können zügig auf dem Tisch befestigt werden. Passend zu diesem System gibt es unter anderem Anschläge, Spannwinkel, Schraubzwingen und Montagehebegabeln, die das Schweißen deutlich erleichtern.

Bei den modernsten Demmelertischen kann sogar die Tischplatte dreidimensional bis 180° kippen und zusätzlich frei drehen. Das hat den Vorteil, dass der Schweißer immer in der günstigen Wannenposition (PA) schweißen kann.
Wir konnten durch den Einsatz der Demmeler-Spanntechnik die Bearbeitungszeiten beim Schweißen auf ein Minimum reduzieren und sind nun bei der Konstruktion von Schweißbaugruppen wesentlich schneller und präziser als andere Firmen