Schweißen

Die Evolution des Schweißens

Schweißen ist aus der modernen Industrie nicht mehr wegzudenken. Klassische Anwendungsgebiete finden sich im Schiff-, Rohr-, Werkzeug- und Gebäudebau. Auch im Anlagenbau und in der Fahrzeugindustrie ist Schweißen ein wesentliches Element. Besonders filigrane Formen des Schweißens finden sich in der Medizin- und Elektrotechnik. Beim Schweißen entsteht unter Zuführung von starken Energien eine unlösbare Verbindung, meist zwischen zwei Metallen oder gleichen Werkstoffen, aber auch Verschweißungen unterschiedlicher Materialien sind möglich.

Die Geschichte des Schweißens beginnt mit dem Zusammenlöten von Edelmetallen

Wann und wo die Geschichte des Schweißens ihren Anfang nahm, wird jedoch viele überraschen. Funde in sumerischen Königsgräbern belegen, dass bereits vor 5.000 Jahren im heutigen Irak Metalle über eine externe Wärmezufuhr miteinander verbunden wurden. Da es sich dabei aber um Schmuckgegenstände aus Gold, Kupfer und Silber handelte, sprechen wir nach heutigem Verständnis dabei nicht von Schweißen, sondern von Löten.

Ägypter und Schmiede des Mittelalters entwickelten die ersten Schweißprozesse

Die Alten Ägypter verbanden etwa 2.700 v.Chr. mit Hilfe des Feuerschweißens Kupferrohre miteinander, die in der städtischen Wasserversorgung zum Einsatz kamen. Auch an gefundenen Waffen, landwirtschaftlichen Geräten und Kunstgegenständen kann das Feuerschweißen über einen Zeitraum von mehr als 3.000 Jahren nachgewiesen werden. Während des Mittelalters wurden Waffen, Rüstungen und Kettenhemden hergestellt. Der Begriff Schweißen entstand in diesem Zusammenhang. Denn die einzelnen Teile wurden über das Schmiedefeuer zum „schwitzen“ gebracht und gingen in diesem Zustand eine Verbindung ein.

Die Erfindung des Gasschmelzschweißens revolutioniert das Feuerschweißen

Bis 1840 stellte das Feuerschweißen das einzige bekannte Schweißverfahren dar. Der entscheidende Schritt in der Verfeinerung des Schweißprozesses bestand in der Verbindung von Sauerstoff mit Brenngasen wie zum Beispiel Wasserstoff. Über diese Verbindung entsteht eine derart heiße Flamme, dass Stoffe allein mit der Flamme geschmolzen werden konnten. 1840 wurde ein solcher Schweißprozess das erste Mal durchgeführt. Das Verfahren wird als Gasschmelzverfahren bezeichnet. Die erzeugte Flamme erreichte eine Temperatur von etwa 2.500 oC.

Technische Verfeinerungen machen das Schweißen auf Baustellen möglich

Doch es sollte bis zur Großerzeugung von Ethin im Jahr 1897 dauern, bis der großflächige Einsatz von Gasgemischen zum mobilen Verschweißen genutzt werden konnte. Zusammen mit der Erfindung des Druckminderers und der Isolatioin von reinem Sauerstoff mündete die Evolution des Schweißens in die Entwicklung des Karbitentwicklers. Diese kleinen mobilen Metallbüchsen enthielten ein Gemisch aus Sauerstoff und Ethin und gelten als Vorläufer der heutigen Gasflaschen.
Mit ihnen wurde erstmals ein Gasgemisch zum Verschweißen für den Einsatz auf Baustellen verfügbar. Mit der Sauerstoff-Ethin-Flamme konnten Temperaturen von etwa 3.000 oC erreicht werden.

Das Lichtbogenschweißen markiert einen wichtigen Wendepunkt

Das Lichtbogenschweißen ist ein Schweißverfahren, das Temperaturen von 4.000 – 5.000 oC generiert. Es funktioniert über die Umwandlung von elektrischer- in thermische Energie. 1885 ließ der Russe Nikolai Nikolaijewitsch Bernados das erstmals von ihm entwickelte Verfahren patentieren. Bis heute gilt er als Vater des Lichtbogenschweißens. Seine Entdeckung wurde in mehreren kleinen Schritten verfeinert, bis das Lichtbogenschweißen Mitte der 1940er Jahre das Gasschmelzverfahren komplett ablöste.

Das Lichtbogenschweißen ist Grundlage der heutigen Schweißtechnik

Bernados nutzte zwei Kohlestäbe, an die er jeweils eine elektrische Spannung anlegte. Nachdem der Stromkreis durch das Berühren der Stäbe geschlossen wurde, entsteht beim anschließenden Entfernen der beiden Kohlestäbe der sogenannte Kohlelichtbogen. Er brennt bläulich-violett und wurde mithilfe eines Zusatzdrahtes als Werkstoffzusatz zum Schweißen genutzt.

Der Russe Nikolai Gawrilowitsch Slawjanow entwickelte die Variante seines Landsmannes weiter und legte damit den Grundstein für den großflächigen Einsatz des Lichtbogenschweißens. Er verband das Werkstück selbst mit einer Anode und erzeugte den Lichtbogen zwischen dem Werkstück und einer zugeführten Stabelektrode, die zugleich Werkstoffzusatz war. Da diese Elektroden nicht umhüllt waren, konnte die Schweißnaht nicht vor Oxidation geschützt werden.

Die Verbesserung der Stabelektroden etablierte das Lichtbogenschweißen

Erst nachdem zu Beginn des 20. Jahrhunderts umhüllte Stabelektroden entwickelt wurden, verbreitete sich das Verfahren. 1931 gelang ein weiterer Meilenstein: Den Schweißern standen die ersten Elektroden zur Verfügung, die mit den heutigen Fülldrahtelektroden vergleichbar waren. Damit stand das Lichtbogenschweißen auch kleineren Handwerksbetrieben zur Verfügung und das Lichtbogenhandschweißen etablierte sich als Standartschweißverfahren.

Eine rasante Weiterentwicklung zeichnet sich ab den 1940er Jahren ab

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts setzte eine rasante Weiterentwicklung des Schweißens ein: 1946 entstand das WIG-Schweißen, 1948 das MIG Schweißverfahren. MIG steht für Metal-Inertgas und bezeichnet ein Schweißverfahren, bei dem inerte Schutzgase wie Argon oder Helium Verwendung finden. Diese erhöhen den Schutz der Schweißnaht und auch des Lichtbogens vor den Einflüssen des Luftsauerstoffs. Die Elektrode besteht aus einem Draht, der auf einer Spule aufgewickelt ist und in seiner Funktion als Zusatzwerkstoff beim Schweißvorgang kontinuierlich schmilzt.

Das MAG-Schweißen wurde in etwa im selben Zeitraum entwickelt und erweitert das MIG-Verfahren um den Einsatz von aktiven Gasen wie Kohlendioxid und Sauerstoff und dient hauptsächlich dem Schweißen von nicht-legierten Metallen.

Das Ultraschallschweißen ist ein weiteres Schweißverfahren, dass zu Beginn des zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelt wurde. Mit dessen Hilfe können bestimmte Kunststoffe über Ultraschallwellen miteinander verschweißt werden.

1957 kam es zum Einsatz der ersten industriellen Elektroschweißanlagen und 1960 zur Vorstellung des ersten Schweißroboters.

In den 1960er Jahren entstand das Laserschweißen und in den Jahrzehnten danach die Impulsschweißung. Damit sollte der Werkstoffübergang von der Elektrode auf die Schweißnaht gleichmäßiger erfolgen. Über sich beständig wiederholende Stromimpulse konnte dies umgesetzt werden.

In den 1990er Jahren kamen die Hochleistungsvarianten des MAG-Schweißens auf den Markt.

Die stete Verfeinerung der Grundlagen des 19. Jahrhunderts

Festzuhalten ist bis hierher, dass die grundlegenden Erfindungen des 19. Jahrhunderts beibehalten, entwickelt, umgedeutet, verfeinert und letztlich miteinander kombiniert wurden. Im Laufe der zunehmenden Digitalisierung von Arbeitsprozessen münden sie aktuell ins digitale CMT-Schweißverfahren. Dass es in den kommenden Jahren zu Erneuerungen und vielleicht auch ganz neuen Impulsen kommen kann, ist trotz dieser Entwicklung nicht auszuschließen.

Foto: Das moderne Schweißen entwickelte sich innerhalb von etwa 150 Jahren, Fotolia ©anekoho

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