Schmelzschweißen

Schmelzschweißen verbindet Metallteile, indem ihre Ränder zusammengeschmolzen werden, meist mit etwas Zusatzwerkstoff, sodass sie beim Abkühlen ein einziges Stück bilden. Bronzegießer taten das schon im 7. oder 6. Jahrhundert v. Chr., indem sie geschmolzene Bronze zwischen die gegossenen Teile großer Statuen gossen, in Südarabien und dann in Griechenland. Später kam die Wärme von einer Gasflamme oder einem Lichtbogen: Benardos und Olszewski patentierten 1885 das Lichtbogenschweißen mit Kohleelektrode, Fouché und Picard bauten um 1903 einen Acetylen-Sauerstoff-Brenner, und umhüllte Elektroden, dann gasgeschützte Lichtbögen verbreiteten das Schweißen in der Industrie.

Was es ist

Schmelzschweißen verbindet zwei Metallteile, indem sie dort geschmolzen werden, wo sie aneinanderstoßen. Die Ränder und meist etwas Zusatzwerkstoff fließen zu einem Bad zusammen, und wenn das Bad erstarrt, sind die beiden Teile über die Fuge hinweg ein einziges Stück Metall.

Links eine Lötverbindung: Nur das Lot schmilzt. Rechts eine Schweißnaht: Die Platten selbst sind verschmolzen.

Zwei andere Arten, Metall zu verbinden, sehen ähnlich aus und funktionieren anders. Beim Löten benetzt ein Zusatzmetall mit viel niedrigerem Schmelzpunkt die Flächen und erstarrt zwischen ihnen, während die Teile selbst fest bleiben. Beim Feuerschweißen, der alten Methode des Schmieds, werden zwei Eisenstücke im Feuer erhitzt und gehämmert, bis sie sich verbinden, ohne zu schmelzen. Schmelzschweißen braucht eine Wärmequelle, die stark genug ist, die Teile örtlich zu schmelzen, heute meist einen Lichtbogen oder eine Gasflamme.

Ein typisches Lichtbogenschweißgerät aus der Mitte des 20. Jahrhunderts ist um einen Transformator aufgebaut. Ein Kabel führt vom Gerät zum Elektrodenhalter, der einen umhüllten Metallstab hält, die Elektrode. Ein zweites Kabel endet in einer Masseklemme am Werkstück. Der Lichtbogen brennt zwischen der Elektrodenspitze und der Fuge über einem kleinen Bad aus geschmolzenem Metall und hinterlässt eine Schweißnaht, während der Schweißer weiterrückt. Der Schweißer schaut durch den dunklen Filter eines Schildes. Bei der fertigen Stumpfnaht füllt die Naht den Spalt, und die Schmelzzone reicht in beide Platten hinein.

Wie es funktioniert

Bringt man die Elektrode nahe an das Werkstück, überspringt der Strom den kleinen Spalt durch eine Säule aus heißem, ionisiertem Gas, den Lichtbogen. Der Lichtbogen ist heiß genug, die Elektrodenspitze und die Ränder der Fuge zu schmelzen. Metalltropfen der Elektrode gehen durch den Lichtbogen ins Bad über, sodass sich die Elektrode verbraucht, während die Naht wächst. Ihre Umhüllung schmilzt ebenfalls und gibt Gas und eine Schlackenschicht ab, die das flüssige Metall bedecken und von der Luft abschirmen; die Schlacke wird nach dem Abkühlen von der Naht abgeklopft. Der Stromkreis führt vom Gerät über den Halter, den Lichtbogen, das Werkstück und die Masseklemme zurück zum Gerät.

Eine Gasschweißanlage: Sauerstoff und Acetylen mischen sich im Brenner.

Beim Gasschweißen dient eine Flamme als Wärmequelle. Sauerstoff und Acetylen kommen aus zwei Flaschen über Druckminderer und Schläuche und mischen sich im Brenner. 1895 erhielt Henri Le Chatelier durch Verbrennen der beiden Gase eine Flamme von etwa 3000 °C. Der Schweißer schmilzt die Ränder der Fuge mit der Flamme und führt von Hand einen Schweißstab ins Bad. Anders als der Lichtbogen braucht das Gasschweißen keinen Strom.

Spätere Lichtbogenverfahren schützen das Bad mit einem Gas statt mit einer Umhüllung. Beim WIG-Schweißen, 1941 ausgereift, erzeugt eine nicht abschmelzende Wolframelektrode den Lichtbogen unter einem Strom aus Inertgas, und der Zusatzwerkstoff wird getrennt zugeführt. Beim MIG-Schweißen, 1948 entwickelt, ist ein stetig durch einen Brenner vorgeschobener Draht zugleich Elektrode und Zusatzwerkstoff.

Jede Form des Schweißens ist gefährliche Arbeit. Der Lichtbogen sendet ultraviolettes Licht aus, das Augen und Haut verbrennt; deshalb hat der Schild einen dunklen Filter, und Schweißer tragen Handschuhe und bedeckende Kleidung. Der Rauch aus geschmolzenem Metall und Umhüllung verursacht Krebs: Die Internationale Agentur für Krebsforschung stufte Schweißrauch 2017 als krebserregend für den Menschen ein, und die britische Arbeitsschutzbehörde verlangt seit Februar 2019, ihn an der Entstehungsstelle abzusaugen. Lichtbogengeräte bergen die Gefahr eines Stromschlags, Gasflaschen und Schläuche können Brände nähren, und Funken und heißes Metall entzünden alles in der Nähe. Schweißgeräte werden von ausgebildeten Schweißern benutzt, mit Rauchabsaugung, Schutzwänden und Brandschutz.

Geschichte und Entwicklung

Benoît Mille hat Schmelzschweißungen an Hawtar’athat erkannt, einer großen Bronzestatue aus Südarabien, die ihre Inschrift in das späte 7. oder die erste Hälfte des 6. Jahrhunderts v. Chr. datiert. In Griechenland finden sich die ältesten bisher erkannten Schmelzschweißungen an großen Bronzen. Statuen in Lebensgröße oder größer wurden im Wachsausschmelzverfahren in mehreren Teilen gegossen und dann verbunden, und Aurélia Azéma und ihre Kollegen datieren die ältesten griechischen Schweißungen in das späte 6. oder frühe 5. Jahrhundert v. Chr., die Zeit der ersten großen Bronzestatuen. Die Gießer gossen geschmolzene Bronze in eine entlang der Fuge ausgeschnittene Rinne oder in einen Spalt zwischen den beiden Teilen, sodass sie deren Ränder anschmolz und mit ihnen verschmolz.

Ovale Mulden entlang des Armansatzes, wo geschmolzene Bronze eingegossen wurde.

An manchen Statuen, etwa den Bronzen von Riace, zeigen sich die Schweißungen als Reihe ovaler Mulden entlang der Fuge. Angelini, Artioli und ihre Kollegen haben die Bleiisotope von Proben aus den Schweißungen der Bronzen von Riace untersucht. In Laborversuchen gelang es Azémas Team nicht, eine Naht von mehr als einigen Zentimetern zu erzeugen, während manche antike Schweißungen bis zu einem Meter lang sind; die Forscher vermuten, dass die Gießer einen Zusatz verwendeten, der als Flussmittel wirkte. Metall wurde schon lange vorher verbunden, ohne es zu schmelzen. Miller und TWI erwähnen beide kleine Goldschachteln der Bronzezeit mit geschweißten Fugen, die nach Miller durch Zusammenpressen überlappender Ränder entstanden. Heißes Eisen wurde durch Feuerschweißen verbunden, indem man zwei Stücke hämmerte, bis sie zusammenhielten: Nurcan Küçükarslan berichtet von Spuren davon an mittelbronzezeitlichen Eisenobjekten aus Kaman-Kalehöyük in Anatolien, und TWI hält fest, dass Eisen bis ins 19. Jahrhundert meist so geschweißt wurde.

Der Lichtbogen machte neue Arten des Schweißens möglich. Humphry Davy zeigte zu Beginn des 19. Jahrhunderts einen Lichtbogen zwischen Kohleelektroden; TWI datiert ihn auf 1800, Miller auf 1809. 1881 verband Auguste de Méritens mit der Wärme eines Lichtbogens die Bleiplatten von Akkumulatoren. Nikolai Benardos und Stanislaus Olszewski ließen sich das Schweißen mit Kohleelektrode 1885 in Großbritannien und 1887 in den Vereinigten Staaten patentieren. Nikolai Slawjanow in Russland 1888 und C. L. Coffin in den Vereinigten Staaten 1890 verwendeten eine Metallelektrode, die in die Fuge abschmolz.

Das Gasschweißen entwickelte sich daneben. Nach Le Chateliers Arbeiten über die Acetylen-Sauerstoff-Flamme entwickelten die französischen Ingenieure Edmond Fouché und Charles Picard einen Brenner für die beiden Gase, den Metinvest auf 1903 datiert. Miller setzt einen für Niederdruck-Acetylen geeigneten Brenner um 1900 an. Zwischen 1907 und 1914 erfand der Schwede Oscar Kjellberg die umhüllte Elektrode. Der Rüstungsbedarf des Ersten Weltkriegs verbreitete das Schweißen in der Industrie, und Ende der 1930er-Jahre schweißten Werften automatisch mit einem Lichtbogen unter einer Schicht Pulver.