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6.2 Fügeverfahren

Der Begriff „Fügen“ ist als eines der Fertigungsverfahren über die Normung festgelegt (siehe Kapitel 1.2.), DIN 8580 Hauptgruppe 4 Fügen:

„Fügen ist das auf Dauer angelegte Verbinden oder sonstigen Zusammenbringen von zwei oder mehr Werkstücken geometrisch bestimmter fester Form oder von ebensolchen Werkstücken mit formlosem Stoff. Dabei wird der Zusammenhalt örtlich geschaffen und im Ganzen vermehrt."

Diese genormte Definition wird auch hier in der Materialbearbeitung mit Laserstrahlen verwendet, also in der Bearbeitung von Stoffen allgemein, da sich eben nur Stoffe fügen lassen, von denen mindestens einer fest ist. Nach dieser Normung umfasst das Fügen (DIN 8593) die Verfahren

4. Fügen
1. Zusammensetzen
2. Füllen
3. An- und Einpressen
4. Fügen durch Urformen
5. Fügen durch Umformen
6. Fügen durch Schweißen
7. Fügen durch Löten
8. Kleben
9. Textiles Fügen

Im Rahmen der Materialbearbeitung mit Laserstrahlen sind die Verfahren 4.4 bis 4.8 von Interesse. In 4.5 bis 4.7 wird der Laserstrahl ausschließlich zum Erwärmen der Fügepartner im Stoßbereich eingesetzt; in 4.4 und 4.8 findet er auch als Lieferant von Photonen zum Einleiten oder auch zum Ermöglichen von chemischen Reaktionen beim Aushärten von Polymeren Verwendung. Das Fügen durch Urformen (4.4) ergibt sich aus den Verfahren des Urformens (Kapitel xxx), die heute auch als Rapid Prototyping oder 3-D-Drucken bezeichnet werden. Zum Verstehen des Hintergrundes zum Verfahren 4.4 Fügen durch Umformen reichen die Ausführungen im Kapitel yyy Umformen. Dieses Verfahren ist industriell noch nicht verwirklicht, lässt aber vorteilhafte Anwendungen erwarten, wenn Entwickler oder Ingenieure sich dieser Möglichkeit bewusst werden.

Als erstes zu klären ist nun der Unterschied zwischen den thermischen Verfahren 4.5 Fügen durch Schweißen und 4.6 Fügen durch Löten. In beiden Fällen wird Wärmeergie in den Stoßbereich eingebracht. Zum Löten wird immer ein Zusatzstoff eingebracht; beim Schweißen kann ein Zusatz verwendet werden, ist aber nicht in allen Fällen nötig. Der Unterschied ist dann über die Liquidustemperatur des Zusatzstoffes definiert.  Liegt diese unterhalb der Liquidustemperatur der beiden zu vereinigenden Teile liegt, dann ist dies thermische Fügeverfahren das Löten.

Die Anforderungen beim Schweißen und beim Löten an die Ausführenden und an die Anlagen sind besonders hoch, da in die Verbindung  nicht hineingeschaut werden kann und somit nicht durch Augenschein wahrgenommen werden kann, ob die Werkstücke überhaupt verbunden sind, geschweige denn ob die Verbindung so ist, wie sie sein sollte. Aus diesem Grund wurden die Verfahren mit den dazugehörenden Begriffen sehr früh genormt. Schweißtechniker verwenden eine eindeutige präzise Sprache mit festgelegten Begriffen, so dass aus der Begrifflichkeit heraus nicht zusätzliche Probleme entstehen. Aus diesem Grund ist in den folgenden Ausführungen auch Wert auf die Normung gelegt.

Zu 4.6 Fügen durch Schweißen

Definition laut DIN 1910


1. Grundbegriff

Schweißen ist die Vereinigung von Werkstoffen in der Schweißzone unter Anwendung von Wärme oder Kraft und Wärme mit oder ohne Schweißzusatz. Es kann durch Schweißhilfsstoffe wie Schutzgase, Schweißpulver oder Pasten ermöglicht oder erleichtert werden. Die zum Schweißen notwendige Energie wird von außen zugeführt. Begriff „Schweißzone“ siehe DIN 1910 Teil 11 Begriff „Schweißzusatz“ und „Schweißhilfsstoff“ siehe DIN 8571

2. Einteilung der Schweißverfahren

Die Schweißverfahren werden eingeteilt nach der Art des von außen auf das Werkstück einwirkenden Energieträgers, der Art des Grundwerkstoffs, dem Zweck des Schweißens, dem physikalischen Ablauf des Schweißens und der Art der Fertigung. DIN 1910 unterscheidet zwischen Press-Verbindungsschweißen und Schmelz-Verbindungsschweißen, Bild 1, schwarze Schrift.

DIN 1910 wird hier ergänzt, da mit den Strahlschweißverfahren (Schweißen durch Laserstrahl, Elektronenstrahl und Plasmastrahl) der physikalische Ablauf über Diffusion (Press-Verbindungsschweißen) und Schmelzen (Schmelzverbindungsschweißen) erweitert wird durch das Verdampfen. Die Verfahren werden nach dem überwiegenden physikalischen Vorgang gekennzeichnet; denn selbstverständlich ist auch über einer Schmelze und sogar über einem Festkörper Dampf des Körpers vorhanden. Für eine Dampfbildung sind hohe Leistungsdichten des Energieträgers vorausgesetzt, die ohne die Strahlverfahren nicht erzielbar sind. Auch das bisher konventionell betrachtete Press-Verbindungs-schweißen wird mit den neuen Schweißmöglichkeiten "Schweißen durch Strahl" ergänzt.






Zu 4.7 Fügen durch Löten




Schweißen

Das wahrscheinlich älteste thermische Fügeverfahren zum Verbinden von Teilen über den Stoffschluss ist das Schweißen im festen Zustand. Dies gilt insbesondere für das Schweißen von Eisenwerkstoffen, der heute noch wichtigsten Gruppe metallischer Werkstoffe. Schon in alten Sagen wird dies beschrieben. Helden wie „Wieland der Schmied“ haben diese Kunst angewendet.

Grund dafür, dass ein Fügen über Stoffschluss erstmals im festen Zustand verwirklicht wurde, liegt in der Schweißmöglichkeit; denn erst seit etwa dem 16. Jahrhundert waren Menschen in der Lage, derart hohe Temperaturen zu erzeugen, dass auch Eisenwerkstoffe schmelzen konnten. (Dies führte dann zur kostengünstigen Massenproduktion von Gusseisen, die in eine Vielzahl von neuen Waffen – insbesondere auch Kanonenkugeln – umgesetzt wurde und somit auch viele Kriege zur Folge hatte.) Über einen Zeitraum von mehr als dreitausend Jahren reichten die Möglichkeiten gerade aus, um Kupfer oder Bronze zu schmelzen. Hohe Temperaturen allein reichen allerdings nicht aus, um auch Schmelz-Verbindungsschweißungen zu verwirklichen. Eine weitere Bedingung dafür ist, dass die hohe Schmelztemperatur auch räumlich eng begrenzt werden kann. Das wiederum erfordert eine hohe Konzentration der Leistung (hohe Leistungsdichte) zum Erwärmen. Diese konnte erst mit der Massenproduktion von Azetylen zum Autogenschweißen und mit dem elektrischen Lichtbogen erreicht werden, also seit etwa 100 Jahren.

Stoffschlüssig gefügt wurde bis dahin mit dem Verfahren Feuerschweißen. Dies ist ein Pressschweißen, bei dem beide Teile im Stoßbereich auf hohe Temperaturen erwärmt und dann durch Einwirken einer Kraft verbunden wurden. Die Kraft wurde mit einem Hammerschlag eingebracht, Bild 1. Sie dient dazu, die Atome der beiden Teile in möglichst dichten Kontakt zu bringen und Verunreinigungen aus Umgebungsstoffen (Luft, Oxide, Wasser) zu entfernen. Im dichten Kontakt (geringe Abstände der Atome zwischen den Fügepartnern) können die Atome von einer Seite des Stoßes in die andere diffundieren und damit die Stoffe zusammenführen. Hohe Temperaturen beschleunigen den Diffusionsvorgang, erleichtern somit das Schweißen oder machen es überhaupt erst möglich. Sie können zusätzlich auch Verunreinigungen auf der Oberfläche verflüssigen, die dann über die Krafteinwirkung seitlich aus dem Stoß herausgedrückt werden.



Der Begriff Schweißen leitet sich gerade aus diesem Verfahren zum Fügen von Stahl ab. Die zu fügenden Teile wurden im Fügebereich in Holzkohlen- oder Koksglut gelegt, die über ein Gebläse (früher Blasebalg) ausreichend hohe Temperatur erreichte. Die Temperatur zum Pressschweißen war dann erreicht, wenn der Stahl an der Oberfläche flüssige Perlen zeigte, die Schweißperlen ähnelten. Die Teile wurden dann kurz in Quarzsand gesteckt, wobei der Sand auf der Oberfläche der Teile einen Schmelzfilm bildete. Der schützte die heißen Teile vor Oxidation an der Luft und wurde der vor dem Aufeinanderlegen der Teile abgeschleudert. Damit waren diese im Stoßbereich sauber. Ein Hammerschlag führte dann zum Verbinden. Etwaige Schmelzereste wurden herausgepresst.

Zum Pressschweißen ist eine Schmelze nicht nötig, vielmehr hinderlich und somit zu vermeiden; denn in einer Schmelze können Ungänzen wie Poren, Lunker, Risse (heiß und kalt) und intermetallische Phasen auftreten, die auch zu Schweißfehlern führen. Da einige „Schweißfachleute“ verbreiten, dass zum Pressschweißen immer eine Schmelze nötig sei, die sich beispielsweise auch durch Druckerhöhung aus dem festen Zustand bildet, ist hier zu erwähnen, dass durch Pressen dicht unter Schmelztemperatur sich die Werkstoffe nicht verflüssigen! Dies Phänomen tritt nur bei Stoffen auf, die im festen Zustand eine geringere Dichte aufweisen als in der Schmelze, wie Wasser (Schlittschuhlaufen) oder Wismut. Die anderen Stoffe erstarren dagegen aus der Schmelze bei Druckerhöhung. Das geht aus den Zustandsdiagrammen der Werkstoffe hervor. Zum anderen kann eine nicht vollständig eingeschlossene Schmelze keinen Druck aufnehmen, sie wird seitlich ausgepresst.

Genau das war eine Überlegung, die zum Laserstrahl-Press­schweißen führte; denn dadurch wird Schmelze, die nach dem Erstarren Poren beinhalten kann oder eine unregelmäßige Oberfläche zeigt, in einer Schweißnaht vermieden. Je höher die Temperatur ist, desto schneller läuft die Verbindung über Diffusion ab. Daher die Praxis, bis an die Solidustemperatur zu erwärmen und dabei auch partielles Schmelzen in Kauf zu nehmen. Hervorzuheben ist, dass dies Pressschweißen ohne Schweißzusatz üblich war. Beim Pressschweißen von Polymeren dagegen kann auch ein Schweißzusatz verwendet werden, Bild 2, der dann ein Fügen im Stumpfstoß erleichtert. Kapitel Schweißmöglichkeit