Lichtbogenbolzenschweißen

Bolzenschweißpistole von Ted Nelson (Patent 2,413,189 - 24. Dezember 1946)

Lichtbogenbolzenschweißen (Kurzform: Bolzenschweißen, engl.: stud welding) gehört zu den Lichtbogenpressschweißverfahren, es gleicht dem Thermokompressionsschweißen in der Mikroelektronik (ein Verfahren des Drahtbondens).

Ziel des Bolzenschweißens ist das dauerhafte Verbinden von bolzenförmigen Elementen (z. B. Gewindebolzen, Stifte, Buchsen, Haken, Ösen) mit größeren Bauteilen (z. B. Karosseriebleche, Gehäuse, Heizkörper).

Geschichte

Erste Versuche wurden bereits 1915 bis 1918 durch Ing. Harold Martin in England durchgeführt. Es wurde versucht das umständliche Bohren und Befestigen von Bolzen an Schiffsbolzen zu vereinfachen.
Der erste industrielle Einsatz erfolgte in Amerika um 1938. Ein Schweißer der US-Marine sah die Schwierigkeiten bei der Holzbeplankung der Stahldecks an Flugzeugträgern. Man löste die Aufgabe durch Bolzenschweißen. Es wurden durch die vorgebohrten Hölzer Gewindebolzen auf die Stahldecks geschweißt. Die US-Marine sparte durch diese neue Technik während des Krieges 50 Millionen Mannstunden an Arbeitszeit.
1945 erfolgte das erste Patent für Kondensatorentladungsschweißen (Spitzenzündung). 1970 wurde im technischen Ausschuss des Deutschen Verbands für Schweißtechnik e. V. die Arbeitsgruppe "Bolzenschweißen" gegründet.

Prinzip

Beim Bolzenschweißen wird zwischen einer Stirnfläche des Bolzens und dem Werkstück ein Lichtbogen gezündet, beide Teile werden dabei lokal angeschmolzen und anschließend unter geringem Anpressdruck gefügt. Das Lichtbogen-Bolzenschweißen wird nach der Art der Lichtbogenzündung unterteilt in Bolzenschweißen mit Hubzündung und Bolzenschweißen mit Spitzenzündung. Beide Verfahren unterscheiden sich in der Schweißflächengeometrie der Bolzen, dem Verfahrensablauf, der Gerätetechnik und teilweise im Anwendungsgebiet. Die sogenannte Blaswirkung kann sich wie bei anderen Lichtbogenschweißverfahren störend bemerkbar machen.

Die wichtigsten Standards zum Bolzenschweißen sind:

• DIN EN ISO 14555 - Lichtbogenbolzenschweißen von metallischen Werkstoffen
• DIN EN ISO 13918 - Bolzen und Keramikringe zum Lichtbogenbolzenschweißen
• Merkblatt DVS 0901 - Lichtbogenbolzenschweißen
• Merkblatt DVS 0902 - Lichtbogenbolzenschweißen mit Hubzündung
• Merkblatt DVS 0903 - Lichtbogenbolzenschweißen mit Spitzenzündung
• Merkblatt DVS 0904 - Lichtbogenbolzenschweißen, Hinweise für die Praxis

Die wichtigsten Schweißparameter beim Lichtbogenbolzenschweißen sind bei der Hubzündung:

• Schweißstrom
• Schweißzeit
• Hub (Lichtbogenlänge)
• Überstand (Eintauchmaß)

Die wichtigsten Schweißparameter beim Lichtbogenbolzenschweißen sind bei der Spitzenzündung:

• Ladespannung
• Kapazität
• Schweißzeit
• Spalt
• Eintauchgeschwindigkeit/Schweißzeit

Unterschiedliche Verfahren

Unterscheidung nach Art der Zündung

Hubzündungsbolzenschweißen

Beim Hubzündungsbolzenschweißen wird der Lichtbogen durch Anheben des Bolzens vom Bauteil unter Stromfluss erzeugt.

Spitzenzündungsbolzenschweißen

Beim Spitzenzündungsbolzenschweißen weist der Bolzen auf der zu verschweißenden Seite eine definierte und eng tolerierte Zündspitze auf. Der Lichtbogen wird an dieser Spitze gezündet. Diese Zündspitze schmilzt explosionsartig (Knall) und verdampft zu einem geringen Teil. Die Induktionsspannung, die durch das Öffnen des Stromkreises entsteht, zündet einen Lichtbogen, der dann die ganze Bolzenstirnfläche erfasst. Die starke aber kurze Hitzeentwicklung erbringt ein flächenmäßig kleines Schweißbad, das aber ausreicht, um das Werkstück mit dem Schweißbolzen dauerhaft zu verbinden. Aufgrund der geringen Einbrenntiefe, bedingt durch die kurze Schweißzeit, ist es möglich Bolzen auf relativ dünne Materialien (1,5 - 3 mm) zu bringen.

• Spaltverfahren: Der Bolzen wird aus einer bestimmten Höhe (Spaltmaß) auf das Bauteil zubewegt. Die Zündung des Lichtbogens erfolgt durch Kontakt der Zündspitze mit dem Bauteil.
• Kontaktverfahren: Der Bolzen hat bereits zu Beginn der Schweißung Kontakt mit dem Bauteil. Sonst ist der Vorgang der gleiche wie beim Spaltverfahren.

Unterscheidung nach der Art des Schweißbadschutzes

• Bolzenschweißen mit Keramikring
• Bolzenschweißen mit Schutzgas
• Bolzenschweißen ohne Schweißbadschutz

Unterscheidung nach der Energiequelle

• Bolzenschweißen mit Schweißgleichrichter (Transformator) oder Inverterstromquelle
• Kondensatorentladungsbolzenschweißen

Unterscheidung nach der Schweißzeit

• Kurzzeitbolzenschweißung (Short-Cycle)
• "Normalzeit"-Bolzenschweißung

Spezialverfahren

Hülsenschweißen mit magnetisch bewegtem (rotierendem) Lichtbogen - MARC

Die Abkürzung MARC steht für Magnetic Rotating Arc. Das Schweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen erweitert das Einsatzgebiet des Bolzenschweißens. Das Verfahren ist im Ablauf dem Hubzündungsbolzenschweißen ähnlich, jedoch wird mit einem rotierenden Lichtbogen gearbeitet. Der MARC-Prozess ist eine äußerst wirtschaftliche Verbindungstechnik. Die Vorteile des MBL(MBP)-Schweißens (Steuerung des Wärmeeintrages für hülsenförmige Bauteile durch einen magnetisch bewegten Lichtbogen) werden mit denen des Lichtbogenbolzenschweißens mit Hubzündung (einfache und preiswerte Gerätetechnik, Schweißzeiten im Bereich von Millisekunden liegen) kombiniert. Die Möglichkeit der Verschiebung der Lichtbogensäule durch ein äußeres Magnetfeld ist die Grundlage des MARC-Verfahrens. Das Schweißverfahren zeichnet sich durch sehr kurze Schweißzeiten, geringe Wärmebelastung, niedrigen Energiebedarf, genaues Endmaß und eine hohe Wirtschaftlichkeit aus. Die Rotation des Lichtbogens, und damit ein konzentrierter und gleichmäßiger Energieeintrag über die Schweißfläche, wird durch ein separates Magnetfeld im Schweißspalt erzielt. Es ermöglicht das verzugsarme und spritzerfreie Verschweißen von Hülsen und Muttern bis zu 30 mm Außendurchmesser, vorzugsweise aus hochlegierten rostfreien Stählen mit ebener Anschweißfläche bis 5 mm Werkstückdicke. Es sind gas- und druckdichte Schweißungen auf gelochten und ungelochten Bauteilen möglich.

Andere Möglichkeiten zum Verschweißen von Bolzen

• Widerstandsbolzenschweißen
• Reibbolzenschweißen
• Kaltpressbolzenschweißen

Weblinks

• Bolzenschweißen in Übereinstimmung mit DIN EN ISO 14555 (Trillmich, KÖCO), PDF-Datei (413 kB)
• 12 Fragen und Antworten zum Bolzenschweißen (HBS Bolzenschweiss-Systeme)
• Bolzenschweißen im Bauwesen (Trillmich, KÖCO, PDF-Datei (494 kB)