Grundprinzipien des Schweißens

Eine Schweißnaht kann als eine Verschmelzung von Metallen definiert werden, die durch Erhitzen auf eine geeignete Temperatur mit oder ohne Anwendung von Druck und mit oder ohne Verwendung eines Füllmaterials entsteht.

Beim Schmelzschweißen erzeugt eine Wärmequelle ausreichend Wärme, um ein geschmolzenes Metallbad der erforderlichen Größe zu erzeugen und aufrechtzuerhalten.Die Wärmezufuhr kann über Strom oder eine Gasflamme erfolgen.Elektrisches Widerstandsschweißen kann als Schmelzschweißen betrachtet werden, da etwas geschmolzenes Metall entsteht.

Festphasenverfahren erzeugen Schweißnähte ohne Aufschmelzen des Grundmaterials und ohne Zugabe eines Zusatzwerkstoffes.Es wird immer Druck ausgeübt und im Allgemeinen wird etwas Wärme bereitgestellt.Beim Ultraschall- und Reibschweißen entsteht Reibungswärme, beim Diffusionsschweißen kommt üblicherweise eine Ofenerwärmung zum Einsatz.

Der beim Schweißen verwendete Lichtbogen ist eine Hochstrom-Niederspannungsentladung im Allgemeinen im Bereich von 10–2.000 Ampere bei 10–50 Volt.Eine Lichtbogensäule ist komplex, besteht aber im Großen und Ganzen aus einer Kathode, die Elektronen emittiert, einem Gasplasma zur Stromleitung und einem Anodenbereich, der durch den Elektronenbeschuss vergleichsweise heißer wird als die Kathode.Üblicherweise wird ein Gleichstromlichtbogen (DC) verwendet, es können jedoch auch Wechselstromlichtbögen (AC) verwendet werden.

Der gesamte Energieaufwand bei allen Schweißvorgängen übersteigt den zur Herstellung einer Verbindung erforderlichen Wert, da nicht die gesamte erzeugte Wärme effektiv genutzt werden kann.Die Wirkungsgrade variieren je nach Verfahren zwischen 60 und 90 Prozent;einige Sonderverfahren weichen stark von dieser Zahl ab.Wärme geht durch Leitung durch das Grundmetall und durch Strahlung an die Umgebung verloren.

Die meisten Metalle reagieren beim Erhitzen mit der Atmosphäre oder anderen Metallen in der Nähe.Diese Reaktionen können sich äußerst nachteilig auf die Eigenschaften einer Schweißverbindung auswirken.Beispielsweise oxidieren die meisten Metalle im geschmolzenen Zustand schnell.Eine Oxidschicht kann die ordnungsgemäße Verbindung des Metalls verhindern.Mit Oxid überzogene geschmolzene Metalltröpfchen bleiben in der Schweißnaht hängen und machen die Verbindung spröde.Einige wertvolle Materialien, die aufgrund bestimmter Eigenschaften hinzugefügt werden, reagieren an der Luft so schnell, dass das abgeschiedene Metall nicht mehr die gleiche Zusammensetzung hat wie ursprünglich.Diese Probleme haben zur Verwendung von Flussmitteln und inerten Atmosphären geführt.

Beim Schmelzschweißen hat das Flussmittel eine schützende Funktion, indem es eine kontrollierte Reaktion des Metalls ermöglicht und anschließend eine Oxidation verhindert, indem es eine Schicht über dem geschmolzenen Material bildet.Flussmittel können aktiv sein und den Prozess unterstützen oder inaktiv sein und lediglich die Oberflächen beim Fügen schützen.

Inerte Atmosphären haben eine ähnliche Schutzfunktion wie Flussmittel.Beim Metall-Lichtbogen- und Schutzgas-Wolfram-Lichtbogenschweißen strömt ein Inertgas – normalerweise Argon – in einem kontinuierlichen Strom aus einem Ringraum, der den Brenner umgibt, und verdrängt die Luft aus der Umgebung des Lichtbogens.Das Gas reagiert nicht chemisch mit dem Metall, sondern schützt es lediglich vor dem Kontakt mit dem Luftsauerstoff.

Die Metallurgie der Metallverbindung ist wichtig für die Funktionsfähigkeit der Verbindung.Die Lichtbogenschweißung veranschaulicht alle Grundmerkmale einer Verbindung.Durch den Durchgang eines Schweißlichtbogens entstehen drei Zonen: (1) die Schweißgut- oder Schmelzzone, (2) die Wärmeeinflusszone und (3) die unbeeinflusste Zone.Das Schweißgut ist der Teil der Verbindung, der beim Schweißen geschmolzen wurde.Die Wärmeeinflusszone ist ein Bereich neben dem Schweißgut, der nicht geschweißt wurde, dessen Mikrostruktur oder mechanische Eigenschaften sich jedoch aufgrund der Schweißwärme verändert haben.Das unbeeinträchtigte Material ist das Material, das nicht ausreichend erhitzt wurde, um seine Eigenschaften zu verändern.

Die Zusammensetzung des Schweißmetalls und die Bedingungen, unter denen es gefriert (erstarrt), haben erheblichen Einfluss auf die Fähigkeit der Verbindung, den Betriebsanforderungen gerecht zu werden.Beim Lichtbogenschweißen besteht das Schweißgut aus Zusatzwerkstoff und dem geschmolzenen Grundwerkstoff.Nach dem Durchgang des Lichtbogens kommt es zu einer schnellen Abkühlung des Schweißgutes.Eine One-Pass-Schweißnaht weist eine Gussstruktur mit säulenförmigen Körnern auf, die sich vom Rand des Schmelzbads bis zur Mitte der Schweißnaht erstrecken.Bei einer Mehrlagenschweißung kann diese Gussstruktur je nach dem zu schweißenden Metall verändert werden.

Das an die Schweißnaht angrenzende Grundmetall oder die Wärmeeinflusszone ist einer Reihe von Temperaturzyklen ausgesetzt, und seine Strukturveränderung steht in direktem Zusammenhang mit der Spitzentemperatur an einem bestimmten Punkt, der Einwirkungszeit und den Abkühlgeschwindigkeiten .Die Arten von Grundmetallen sind zu zahlreich, um sie hier zu diskutieren, aber sie können in drei Klassen eingeteilt werden: (1) Materialien, die von Schweißhitze nicht beeinflusst werden, (2) Materialien, die durch Strukturveränderung gehärtet werden, (3) Materialien, die durch Ausscheidungsprozesse gehärtet werden.

Beim Schweißen entstehen Spannungen im Material.Diese Kräfte werden durch Kontraktion des Schweißgutes und durch Ausdehnung und anschließende Kontraktion der Wärmeeinflusszone induziert.Das nicht erhitzte Metall übt eine Hemmung auf das oben Gesagte aus, und da die Kontraktion vorherrscht, kann sich das Schweißgut nicht frei zusammenziehen, und in der Verbindung baut sich eine Spannung auf.Dies wird im Allgemeinen als Eigenspannung bezeichnet und muss für einige kritische Anwendungen durch eine Wärmebehandlung der gesamten Fertigung entfernt werden.Eigenspannungen sind in allen geschweißten Strukturen unvermeidbar, und wenn sie nicht kontrolliert werden, kommt es zu Durchbiegungen oder Verformungen der Schweißkonstruktion.Die Kontrolle erfolgt durch Schweißtechnik, Vorrichtungen und Vorrichtungen, Herstellungsverfahren und abschließende Wärmebehandlung.