Geschichte des Schweißens

Nach der Entdeckung des elektrischen Lichtbogens und der industriellen Erzeugung von elektrischem Strom wird das Schmelzschweißen mit dem Lichtbogen möglich. Nikolai Nikolajewitsch Benardos und Stanisław Olszewski nutzten den Lichtbogen zwischen zwei Kohleelektroden[8].

Nikolai Gawrilowitsch Slawjanow ersetzte 1891 die bis dahin zum Lichtbogenschweißen üblichen Kohleelektroden durch einen Metallstab, der gleichzeitig Lichtbogenträger und Schweißzusatz war. Da die ersten Stabelektroden nicht umhüllt waren, war die Schweißstelle nicht vor Oxidation geschützt. Deshalb waren diese Elektroden schwierig zu verschweißen.

Oscar Kjellberg hatte 1907 die Idee, die metallischen Stabelektroden mit einer Umhüllung zu versehen, die dazu diente, die Lichtbogeneigenschaften zu verbessern und das Schweißbad vor Oxidation durch Luftsauerstoff zu schützen[9]. Es folgten Entwicklungen verschiedenster Elektrodenumhüllungen für die Verbesserung der Lichtbogenstabilität und der metallurgischen Eigenschaften des Schweißgutes. Das Lichtbogenhandschweißen mit umhüllten Stabelektroden wurde zum Standardschweißverfahren.

Auf der Suche nach einem Schweißverfahren für das Verbinden des leicht entzündlichen Magnesiums und seiner Legierungen erfand Russel Meredith von Northrop Aircraft ein Schweißverfahren mit einer Wolframelektrode und dem Schutzgas Helium[10]. Er nannte das Verfahren Heliarc. Wegen der Bezeichnung Wolfram für das Elektrodenmaterial und der Nutzung eines inerten Gases wurde es WIG-Schweißen (Wolfram-Inertgas-Schweißen) genannt. Der offizielle englische Begriff ist Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) nach der American Welding Society (AWS). In der Folgezeit wurden viele Verbesserungen am Brenner (Wasserkühlung, Schutzgasdüsen) und an der Zusammensetzung der Elektroden vorgenommen und es wurden die Stromquellen weiterentwickelt. Besonders die Überlagerung der Schweißspannung mit einer sogenannten Hochfrequenzspannung war ein wichtiger Schritt, um Aluminium mit Wechselstrom zu schweißen[11].

1935 wurde unter dem Titel Improvements in Electric Arc Welding ein Patent in Großbritannien angemeldet, in dem die Zufuhr einer Drahtelektrode von einer Spule durch einen Vorschubmotor beschrieben wird[12]. Das ist die Voraussetzung für das Metallschutzgasschweißen, das erstmals 1948 in den USA angewendet wurde und Perry J. Rieppel als Patent anmeldete[13]. In dem Patent werden als Schutzgase sowohl die Inertgase Argon und Helium genannt als auch Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid. Rieppel nennt das Verfahren Shielded Arc Welding, die Variante mit inerten Gasen wurde später auch als SIGMA-Schweißen (engl. shielded inert gas metal arc) bezeichnet. Die Nachteile der aktiven Gase, wie die toxische Wirkung und Entflammbarkeit von CO als auch Abbrand von Legierungselementen im Werkstoff werden im Patent nicht angesprochen.

Die sowjetischen Ingenieure K.V. Liubavskii und N.M. Novozhilov untersuchten in den frühen 1950er Jahren eingehend die metallurgischen Reaktionen beim Schweißen unter CO₂-Schutz[14]. Das führte zur Entwicklung spezieller Drähte mit entsprechenden Legierungseigenschaften, die den Abbrand ausglichen. Das machte das sogenannte CO₂- oder MAG-Schweißen (Metall-Aktivgas-Schweißen) mit ausreichender Qualität möglich.

Die Entwicklung spezieller Stromquellen mit Anpassungen an die Erfordernisse des MIG-/MAG-Schweißen folgten. Mit dem Aufkommen elektronisch gesteuerter Stromquellen ergab sich die Möglichkeit, den Abschmelzprozess gezielt zu steuern. Diese Entwicklungen hatten das Ziel, den Werkstoffübergang durch Stromimpulse zu steuern, den Wärmeeintrag in das Werkstück möglichst gering zu halten oder die Abschmelzleistung und damit die Produktivität zu erhöhen.

Der Werkstoffübergang beim traditionellen MIG/MAG-Schweißen mit dem Kurzlichtbogen war ungleichmäßig. Um die Ablösung des geschmolzenen Tropfens vom zugeführten Draht gezielt steuern zu können, wurde die sogenannte Impulsschweißung eingeführt. Durch ständig wiederholende Stromimpulse sollte gewährleistet werden, dass sich mit jeder Stromerhöhung ein Tropfen ablöst. Zu Beginn dieser Technologie wurde noch mit zwei Stromquellen gearbeitet[15], später übernahm eine steuerbare Stromquelle diese Aufgabe.

In Österreich wurde bis 2005 das CMT-Schweißen (cold metal transfer) serientauglich entwickelt, bei dem der Schweißstrom gepulst wird und Zusatzdraht mit hoher Frequenz vor und zurück bewegt wird, um eine gezielte Tropfenablösung bei geringer Wärmeeinbringung zu erreichen[16].

Das gleiche Ziel der Reduzierung des Wärmeeintrags wird durch das sogenannte ColdArc-Verfahren erreicht, das ebenfalls im Jahre 2005 auf den Markt gebracht wurde. Alle Prozesseingriffe wirken direkt von der Stromquelle bei konstantem Drahtvorschub und mit Nutzung gewöhnlicher Schweißbrenner.[17]

Von J. G. Church und H. Imaizumi wurde untersucht, inwieweit sich die Abschmelzleistung des Schutzgasschweißens mit abschmelzendem Draht ohne Qualitätsverlust dadurch erhöhen lässt, dass man spezielle Gasgemische einsetzt[18]. Auf der Basis ihrer Ergebnisse wurde der T.I.M.E.-Prozess (Transferred Ionized Molten Energy) und die daraus abgeleiteten Varianten entwickelt.

Durch den Einsatz unterschiedlicher Ausrüstungskomponenten können die Schweißverfahren optimiert an die jeweiligen Aufgaben angepasst werden. Will man zum Beispiel besonders dicke Bleche schweißen, ist hierfür in der Regel eine aufwendige Nahtvorbereitung in Form einer V-Fuge erforderlich. Mit Hilfe der Engspalttechnik kann der Aufwand für die Nahtvorbereitung erheblich reduziert werden. So können Bleche bis zu 300 mm Stärke bei mit nahezu parallelen Flanken geschweißt werden. Durch den stark reduzierten Öffnungswinkel entfällt zum einen aufwendige Nahtvorbereitung, zum anderen können Zusatzwerkstoff und Schutzgasmenge reduziert werden. Außerdem sind wesentlich weniger Schweißraupen erforderlich, was zusätzlich die Schweißzeit verringert. Dadurch wird das Bauteil weniger Wärme ausgesetzt und der Verzug minimal gehalten. Das rotierende Kontaktrohr erlaubt es, sowohl pendelnde Schweißlagen als auch Strichraupen zu schweißen. Das Engspalt-Schwert wird über den Lichtbogensensor in der Mitte der Fuge geführt. Das bis an die Gasdüse wassergekühlte Schwert erlaubt ununterbrochene Schweißzeiten über mehrere Stunden.[19]

Erste Versuche wurden bereits 1915 bis 1918 von Harold Martin in England durchgeführt und 1920 zum Patent angemeldet[20]. Entsprechen der Erfindungsbeschreibung wird ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer Metallplatte und einem Bolzen gezündet. Dieser wird über eine einstellbare Zeit gehalten. Am Ende des Prozesses wird der Bolzen durch mechanische, pneumatische oder elektrische Kraft in die Schmelze getaucht.

In den frühen 1940er Jahren hatte ein Schweißer namens Ted Nelson die Idee, Schraubverbindungen zur Befestigung von Holzplanken an Stahlplatten zu vereinfachen. Er ersetzte das bisher übliche Kehlnahtschweißen dadurch, dass er den Gewindebolzen direkt durch einen Lichtbogen aufschmelzen ließ und ihn durch eine Vorrichtung in das Schmelzbad eintauchte. Um den Bolzen mit konstanter Geschwindigkeit zur Lichtbogenzündung anzuheben und eine konstante Lichtbogenlänge zu gewährleisten, entwickelte er eine Vorrichtung mit geeignetem Spannfutter und einem Elektromagneten zum Anheben des Bolzens. Über einen Zeitgeber wurde die Schweißzeit eingestellt[21][22].

1970 wurde im technischen Ausschuss des Deutschen Verbands für Schweißtechnik e. V. die Arbeitsgruppe „Bolzenschweißen“ gegründet.

1942 wurde durch J. W. DAWSON in den USA ein Patent angemeldet, das das Prinzip des Stumpfschweißens mit einem im radialen Magnetfeld rotierenden Lichtbogen als Wärmequelle beschreibt[23]. Das Verfahren wurde in den 1950er und 1960er Jahren besonders in der Sowjetunion, in den 1970er Jahren auch in Deutschland industriell entwickelt und genutzt. Statt des Stumpfschweißens mittels eines rotierenden Lichtbogens kam das Schmelzschweißen mit einer ringförmigen Hilfselektrode zum Einsatz[24].

Heute wird es als MBP-Schweißen (Pressschweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen) bezeichnet.