FT1_15

Beim Pressstumpfschweißen wird die zur Verbindungsbildung notwendige Wärme mittels Widerstandserwärmung eingebracht. Dabei wird von den Kupferspannbacken die erforderliche Axialkraft aufgebracht und die Stromzuführung übernommen, Folie 6. Der Stromkreis wird über die Stoßflächen der beiden Fügeteile geschlossen, wo infolge des erhöhten Übergangswiderstandes die größte Wärmeentwicklung auftritt. Nach Erreichen der Schweißtemperatur, die unterhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffs liegt, wird der Stauchdruck aufgebracht und der Stromkreis unterbrochen. Dabei entsteht ein für dieses Verfahren typischer gratfreier, dicker Wulst. Um eine gleichmäßige Erwärmung der Stoßflächen zu gewährleisten, müssen diese in Querschnittsgröße und -form übereinstimmen und planparallel sein.

Da beim Pressstumpfschweißen kein Schmelzfluss auftritt, müssen die Fügeflächen frei von Verunreinigungen und Oxiden sein. Geschweißt werden un- und niedriglegierte Stähle. Das Schweißen von Aluminium- und Kupferwerkstoffen ist aufgrund der Oxidationsneigung sowie der guten Leitfähigkeit nur bedingt möglich. Geschweißt werden zumeist kleinere Querschnitte bis zu einer Fläche von 100 mm2. Anwendungsgebiete sind die Kettenfertigung sowie Verlängerung von Drähten in der Drahtzieherei 

Eine Abbrennstumpfschweißanlage gleicht im prinzipiellen Aufbau der Pressstumpfschweißanlage, Folie 7.

Während beim Pressstumpfschweißen die zu verbindenden Teile stets fest zusammengepresst werden, wird beim Abbrennstumpfschweißen während der Erwärmungsphase nur ein "Schmorkontakt" hergestellt. Beim Schweißvorgang werden die zu verschweißenden Werkstückenden solange angenähert, bis es an einzelnen Punkten zur Berührung kommt und der Stromkreis über diese Kontaktbrücken geschlossen wird. Aufgrund der hohen örtlichen Stromdichte an diesen Punkten kommt es zu einer raschen Erwärmung. Der Werkstoff wird örtlich verflüssigt und teilweise verdampft. Durch den Metalldampfdruck wird verflüssigtes Metall aus dem Spalt herausgeschleudert. Gleichzeitig bildet der Metalldampf eine Schutzgasatmosphäre, so dass mit Ausnahme der Rohrschweißungen ohne Schutzgas gearbeitet werden kann. 

Beim Abbrennstumpfschweißen wird grundsätzlich zwischen zwei verschiedenen Arbeitstechniken unterschieden. Beim Warmabbrennstumpfschweißen wird dem eigentlichen Abbrennvorgang ein Vorwärmvorgang vorangestellt, Folie 9. Die vorgeschaltete Widerstandserwärmung erfolgt durch "Reversieren", d. h. durch wechselndes Kurzschließen mit Anpressen der Fügeflächen und mechanisches Trennen im Rücklauf. Sind die Verbindungsenden genügend vorgewärmt, wird der Abbrennvorgang automatisch eingeleitet, und der weitere Prozess gleicht dem des Kaltabbrennstumpfschweißens. Das Warmabbrennstumpfschweißen hat gegenüber dem Kaltabbrennstumpfschweißen den Vorteil, dass zum einen mit gleicher Maschinenleistung 20 -mal größere Querschnitte verschweißt werden können und zum anderen ein kleineres Temperaturgefälle und somit eine geringere Abkühlgeschwindigkeit im Werkstück erreicht wird. Dies ist besonders bei Stählen, die aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung zur Aufhärtung neigen, von besonderer Bedeutung. Die Abkühlgeschwindigkeit kann auch durch eine konduktive Nachwärmung in der Maschine gesenkt werden. Eine glatte, saubere Oberfläche ist beim Abbrennstumpfschweißen nicht erforderlich. Weichen die Stoßflächen stark von der gewünschten Planparallelität ab, so kann ein Planbrennvorgang (kurzzeitiges Abbrennen mit niedriger Geschwindigkeit und hoher Energie) vorgeschaltet werden 

Das Gefüge einer Abbrennstumpfschweißung hat im Schweißbereich eine an Kohlenstoff und anderen Legierungselementen verarmte Zone, Bild 7.9. Zudem weisen alle Abbrennstumpfschweißverbindungen eine ausgeprägte Grobkornzone auf, wodurch die Zähigkeitseigenschaften der Schweißverbindung unter denen der Grundwerkstoffe liegen. Durch ein dem eigentlichen Schweißvorgang nachgeschaltetes Stoßnormalisieren in der Maschine können die Zähigkeitseigenschaften deutlich angehoben werden. Dabei wird die Schweißnaht durch ein- oder mehrmalige Stromstöße auf Temperaturen etwa 50°C oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Werkstoffs gebracht.

Durch das Abbrennstumpfschweißen lassen sich Stähle, Aluminium-, Nickel- und Kupferlegierungen wirtschaftlich verschweißen. Durch die Unterstützung der Axialkraft ist beim Abbrennstumpfschweißen die Schrumpfung so gering, dass nur sehr niedrige Schweißeigenspannungen entstehen. So ist es möglich, auch Stähle mit höherem Kohlenstoffgehalt zu verbinden. 

Das Reibschweißen ist ein Pressschweißverfahren, bei dem die zur Verbindungsbildung notwendige Wärme durch mechanische Reibung erzeugt wird. Diese wird in der Regel durch eine Relativbewegung zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Fügeteil unter Einwirkung einer Axialkraft erzeugt, Folie 11. Wurden die Stoßflächen genügend erwärmt, wird die Relativbewegung aufgehoben und die Reibkraft auf Stauchkraft erhöht. Es entsteht ein gleichmäßiger, lippenförmiger Wulst, der durch Zusatzvorrichtungen sofort in der Schweißanlage abgedreht werden kann. Er wird oftmals als erstes Qualitätskriterium herangezogen. 

guckst du...

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In Folie 15 sind die zeitlichen Verläufe der wichtigsten Prozessgrößen beim Reibschweißen mit kontinuierlichem und Schwungradantrieb aufgezeigt. Die auftretenden Momentenmaxima lassen sich dabei wie folgt deuten. Das erste Maximum zu Beginn des Reibkontaktes erklärt sich durch das Entstehen von lokalen Verschweißungen und dem Abscheren derselben im Bereich niedriger Temperaturen. Dann fällt das Drehmoment infolge der mit zunehmender Plastifizierung erhöhten Temperatur und des damit verringerten Formänderungswiderstandes ab. Das zweite Maximum entsteht während der Abbremsphase vor dem Stillstand der Spindel. Es erklärt sich durch den erhöhten Formänderungswiderstand bei fallender Temperatur. Der Temperaturabfall im Bereich der Fügezone ist durch die mit fallender Drehzahl verringerte Energieeinbringung sowie die verstärkte radiale Verdrängung hocherhitzten Materials in den Schweißwulst zu erklären. 

Man unterscheidet im Wesentlichen drei Ausführungsarten beim Reibschweißen:

a) Reibschweißen mit Rotation eines Fügeteiles und Translation des anderen;
b) Reibschweißen mit Rotation und Translation eines Fügeteiles und Stillstand des anderen;
c) Rotation und Translation zweier Fügeteile gegen ein feststehendes Zwischenstück. 

Das Sekundärgefüge entlang einer Reibschweißverbindung zeigt Folie 19. Im Bereich der Fügezone hat sich ein extrem feinkörniges Gefüge (Schmiedegefüge) eingestellt. Dieses für eine Reibschweißverbindung typische Gefüge weist hohe Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften auf. 

- saubere und gut kontrollierbare Wulstbildung

- geringe Wärmebeeinflussung der Fügeteile

- bessere Steuerung und Kontrolle der Wärmeeinbringung

- keine Entmischungserscheinungen in der Bindezone

- durch Warmverformung ständige Erholungs- und Rekristallisationsvorgänge an der Schweißstelle, dadurch Entstehung eines sehr feinkörnigen Gefüges mit guten Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften (Schmiedegefüge)

-  geringe Fehleranfälligkeit, extrem gute Reproduzierbarkeit in weiten Parametergrenzen

-  meist kürzere Schweißzeiten

- größerer Freiheitsgrad in der Wahl der verschweißbaren Werkstoffe und Werkstoffkombinationen 

- drehmomentensichere Einspannung erforderlich

- maschinenbedingt kleinere maximal verschweißbare Querschnitte

- Empfindlichkeit gegenüber nichtmetallischen Einschlüssen

- hoher Aufwand nötig bei erforderlichen hohen Fertigungstoleranzen

- hohe Investitionskosten der Maschine 

Das Pressschweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen, "Magnetarc- Schweißen", ist ein Lichtbogen-Pressschweißverfahren zum Verbinden von geschlossenen Hohlprofilen, Folie 25. Die verschweißbaren Wanddicken liegen zwischen 0,7 und 5 mm, der verschweißbare Durchmesserbereich liegt zwischen 5 und 300 mm. Bei dem Verfahren wird ein zwischen den Stoßflächen brennender Lichtbogen durch äußere Magnetkräfte zum Rotieren gebracht. Dies wird durch ein Spulensystem erreicht, das ein magnetisches Feld erzeugt. Das Zusammenwirken dieses Feldes in Verbindung mit dem Magnetfeld des Lichtbogens bewirkt eine tangentiale Kraft auf den Lichtbogen. Die Rotation des Lichtbogens führt zur Erwärmung und Anschmelzung der Stoßflächen. Sind diese ausreichend erwärmt, werden die beiden Werkstückhälften durch Zusammenpressen verschweißt. Dabei entsteht ein gleichmäßiger Schweißwulst, der in der Regel nicht abgearbeitet wird. Bei dem Verfahren wird mit Schutzgas (zumeist CO2) gearbeitet. Dabei hat das Schutzgas nicht die Aufgabe, die Schweißstelle vor der Atmosphäre zu schützen, sondern zur Stabilisierung des Lichtbogens beizutragen. Damit wird die Reproduzierbarkeit des Zünd- und Laufverhaltens des Lichtbogens und die Gleichmäßigkeit des Wulstes verbessert. 

Die Rissanfälligkeit der Verbindungen ist im Allgemeinen aufgrund der symmetrischen Wärmeeinbringung, des anschließenden Ausstauchens der flüssigen Phase sowie des Abkühlens unter Druck relativ gering. Dies wirkt sich besonders beim Schweißen von hochkohlenstoffhaltigen Stählen und Automatenstählen positiv aus. Die Stoßflächen der Fügeteile müssen frei von Verunreinigungen wie Rost und Zunder sein. Zur Erzielung einer fehlerfreien Schweißung ist normalerweise ein einfacher Sägeschnitt als Stoßflächenvorbereitung ausreichend. 

Vorteile:

• geringerer Energiebedarf

• Werkstoffeinsparung durch geringere Längenverluste

• maßgenaueres Fügen besonders bei geringen Wandstärken

• gegenüber dem Reibschweißen weniger bewegliche Teile (nur axiale Bewegung eines Fügeteils beim Stauchen)

• keine Beschränkung in der freien Einspannlänge

• ein kleinerer und gleichmäßigerer Schweißgrat

• keine Spritzerbildung

  Nachteile:

• nur zum Verschweißen von kleinen Wandstärken geeignet

• (maximale Wandstärke 4 bis 5 mm)

• Schweißparameter müssen in engen Grenzen eingehalten werden - problemlose Anwendung nur bei magnetisierbaren Stählen 

Beim Friction-Stir-Welding (Rührreibschweißen) bewegt sich ein Werkzeug mit einer rotatorischen Eigenbewegung zwischen zwei Blechen, die im Stumpfstoß auf einer festen Unterlage gespannt werden. Das Werkzeug besteht aus einem Stift (oder auch Pin genannt), welcher in der Werkzeugschulter befestigt wird. Durch die resultierende Reibungswärme wird der Grundwerkstoff erweicht, ohne dass der Schmelzpunkt erreicht wird. Das plastifizierte Material wird durch die Vorschubbewegung des Dornes verdrängt und hinter das Werkzeug transportiert, wo sich eine Längsnaht ausbildet. Vorteile des Verfahrens, welches überwiegend für Aluminiumlegierungen eingesetzt wird, sind in der geringen thermischen Belastung der Bauteile zu sehen, die ein Fügen mit minimalem Verzug und Schrumpfung ermöglicht. Es entstehen keine Schweißrauche und die Verwendung von Zusatzwerkstoff oder Schutzgasen ist nicht erforderlich. 

In Folie 30 ist schematisch ein Rührreibschweißprozess mit der entsprechenden Wärmeführung dargestellt. Das Werkszeug wird in diesem Fall stechend geführt. Im Wesentlichen wird die notwendige Prozesswärme über die Werkzeugschulter in das Bauteil eingebracht.

Die Rotationsrichtung des Werkzeuges und seine Translationsbewegung (Vorschub) überlagern sich. Auf der einen Seite der Fügelinie sind die Bewegungsvektoren gleichgerichtet auf der anderen Seite wirken sie entgegengesetzt zueinander. Die Seite, bei der Rotations- und Translationsbewegung die gleiche Richtung aufweisen, wird als Advancing-Side bezeichnet.

Wirken die beiden Bewegungsrichtungen gegeneinander, so wird diese Seite Retreating-Side genannt. 

- Hohe reproduzierbare Nahtgüte
- Keine Porenbildung
- Geringe Schweißeigenspannungen, geringer Verzug
- Keine spezielle Nahtvorbereitung erforderlich (Entfetten)
- Keine Nacharbeit erforderlich
- Keine Zusatzwerkstoffe, keine Hilfsstoffe (Gase, Pulver)
- Keine Umweltbelastungen durch Stäube, Rauche, Gase
- Niedriger Energieverbrauch, hohe Produktivität

- Einwandfreie Durchschweißungen im I-Stoß bis 20 mm in einer Lage

- Verbinden von nicht schmelzschweißbaren Al-Legierungen

- Herstellen von Mischverbindungen

- Verbinden unterschiedlicher Erzeugnisformen

- Große Auswahl von Verbindungsgeometrien

- Besondere Eignung für sehr lange Nähte

- Eingeschränkte Werkstoffpalette (nur „weiche“ Metalle)
- Aufwendige Spanntechnik
- Begrenzt in Richtung geringer Wanddicken
- Geringe Schweißgeschwindigkeit gegenüber konventionellen Verfahren bei einlagigen Schweißungen