schweißen geschichte

Schweißen – Geschichte und Entstehung

Während das Schweißen heutzutage nicht mehr aus dem Alltag vieler Arbeiten hinwegzudenken ist, musste es in der Geschichte zuerst einmal einen Anfang nehmen und dann verschiedene Stadien der Entwicklung durchlaufen. Nur so, mit Versuch und Fehler, wurde es zu dem, was wir heute kennen.

Dabei ist das Schweißen als ein Prozess, Werkstücke zu verbinden, wirklich nicht neu. Wir denken heute an die Automobilindustrie, den Schiffbau und den Maschinenbau, wenn es um das Schweißen geht. Früher gab es all das nicht, dennoch mussten auch damals Dinge verbunden werden und die Verbindung musste von guter Qualität und vor allem sehr haltbar sein.

Fundstücke aus den Gräbern der Sumerer beweisen, dass auch schon in dieser Zeit Materialien mit Schweißtechniken verbunden wurden. Dabei war das Schweißen natürlich nicht so klar entwickelt, wie heute. Es kann eher als eine Hartlötung von Gold, Silber und Kupfer angesehen werden. Das macht das Löten zu den ältesten bekannten thermischen Verbindungsverfahren. Auf das Hartlöten folgte das Feuerschweißen, mit dem Waffen, Werkzeuge, Kunstgegenstände und andere Dinge hergestellt wurden. Diese Technik wurde bereits vor 3.000 Jahren angewendet und ist der eigentliche Vorläufer dessen, was wir heute als Handschweißen kennen.

Feuerschweißen

Auch das Wort „Schweißen“ ist sehr wahrscheinlich auf das Feuerschweißen zurückzuführen. Schweißen kommt von Schweiß, von Schwitzen. Das Feuerschweißen wurde in einem Schmiedefeuer betrieben und dabei „schwitzte“ die Oberfläche der Werkstücke, was dann die Verbindung bewirkte. Tatsächlich sollte für eine sehr lange Zeit das Feuerschweißen die einzige Schweißmethode bleiben. Erst als mit Sauerstoff und Brenngasen Flammen erzeugt werden konnten, die eine viel höhere Energie aufwiesen, entwickelten sich neue Schweißmethoden. Während beim Feuerschweißen ein wenig Hitze und viel Druck zum Einsatz kamen, konnten die heißeren Flammen des neuen Schweißens auf den Druck verzichten. Damit war das Gasschweißen als eine erst Form des Schmelzschweißens geboren und wurde 1840 das erste Mal genutzt.

Brennschneiden

Das Brennschneiden kam in den Jahren von 1901 bis 1905 auf und setzte sich ebenfalls als wichtiges Verfahren durch. In den 1940 folgten das Lichtbogen- und das Widerstandsschweißen. Das Schutzgasschweißen setzte sich für Nichteisenmetalle durch.

Dazu kam das WIG-Schweißen im Jahre 1946, welches sich aus dem Kohle-Lichtbogenschweißen entwickelte. In 1948 kam das MIG-Schweißen auf und bis heute setzte sich das MAG Schutzgas Schweißen als eines der am meisten verbreiteten Schweißverfahren durch.

Das Schweißen existiert damit seit mehreren Jahrtausenden, wobei die Sumerer und Hethiter im 3. Jahrtausend vor Christus den Anfang machten. Seine rasante Entwicklung zu dem, was wir heute kennen, begann jedoch erst im 19. Jahrhundert, als mit dem allgemeinen Fortschritt die Voraussetzungen für die neuen Schweißverfahren entwickelt wurden.Das Feuer- und Hammerschweißen

Das Feuer- und Hammerschweißen

Das Feuer- und Hammerschweißen begann rund 1.500 Jahre vor Christus. Es lässt sich in dieser Zeit in Kleinasien nachweisen und wurde zum Fügen metallischer Werkstoffe genutzt. Nur dank dem Feuerschweißen was es mit Beginn der Eisenzeit bis zum 19. Jahrhundert möglich, Werkzeuge, Geräte für die Landwirtschaft, Waffen und Gitter in den Schmieden herzustellen.

Das Feuerschweißen wurde über die vielen Jahre zu einem Bestandteil sehr komplizierter Verfahren, die auch das Ausschmieden des Eisenschwamms, das Gärben, d.h. Reinigen des Eisens, und das mehrfache Falten von Eisen mit einschlossen. An diese Schritte schloss sich dann das Feuerschweißen an.

Das Gasschmelzschweißen

Acetylen wurde 1836 durch Edmund Davy entdeckt. Dazu entwickelte Carl von Linde 1895 eine Methode der Luftverflüssigung. Beides erlaubte es, sehr energiereiche Flammen zu erzeugen. Das wiederum brachte das Schweißen voran, indem nun das Schmelzschweißen möglich wurde.

Mit einer Flamme, die von Acetylen und Sauerstoff gespeist wurde, konnten Temperaturen von mehr als 3.000 °C erreicht werden. Das war 500 °C heißer, als es mit einer Flamme aus einem Gemisch von Sauerstoff und Wasserstoff möglich wurde. Das ebnete den Weg zum Schweißbrennen, mit dem das Gasschmelzschweißen begann, auch wenn es am Anfang noch als Autogenschweißen bezeichnet wurde.

In der Folge entwickelten die Chemische Fabrik Griesheim-Elektron und das Drägerwerk Lübeck, Heinr. & Berh. Dräger, die Technik des Gasschmelzschweißens weiter. Daraus entstand der Leuchtgasbrenner zum Schweißen und Schneiden im Jahre 1896 und danach der Dräger Knallgas-Schweißbrenner in den Jahren 1900 und 1901. In Kooperation mit Ernst Wiss von der Chemischen Fabrik Griesheim-Elektron wurde eine Arbeitsgemeinschaft gegründet, die in der Folge die Schweiß- und Schneidtechniken weiterentwickelte.

Das Lichtbogenschweißen

Ein weiterer Fortschritt machte das Entstehen des Lichtbogenschweißen bzw. das E Schweißen möglich. Dieser bestand aus der Entdeckung eines elektrischen Lichtbogens, sowie dem Beginn der industriellen Erzeugung von Strom. Das erlaubte es, diesen Strom und den Lichtbogen, der damit erzeugt wurde, für das Schmelzschweißen zu verwenden.

Es waren Nikolai Nikolajewitsch Benardos, sowei Stanislaw Olszewski, die den Lichtbogen zum Schmelzschweißen zum ersten Mal verwendeten. Dabei setzten sie zwei Kohleelektroden ein, mit denen sich die entsprechenden Temperaturen für den Lichtbogen erzeugen lassen.

In der Folge brachte Nikolai Gawrilowitsch Slawjanow das Verfahren weiter. Im Jahre 1891 begann er, die Kohleelektroden durch einen Metallstab zu ersetzen. Dieser war nicht nur der Lichtbogenträger, er diente zugleich auch als Schweißzusatz. Die Stabelektroden, die so entstanden, waren jedoch zu beginn nicht umhüllt. Damit war es nicht einfach, die Schweißstelle vor der Luft und der damit verbundenen Oxidation zu schützen. Das machte diese Form des Schweißens am Anfang noch immer ein wenig zu einer Herausforderung.

Dem wurde 1907 von Oscar Kjellberg abgeholfen. Er hatte die Idee, die Eigenschaften des Lichtbogens mit einer Umhüllen der metallischen Stabelektroden zu verbessern. Das führte auch zugleich dazu, dass das Schweißbad vor dem Luftsauerstoff geschützt wurde.

Daraus entwickelten sich verschiedene Umhüllungen für das Schweißen mit Elektroden, die auch den metallurgischen Eigenschaften des Werkstoffes entsprachen. Das führte dazu, dass sich das Lichtbogenhandschweißen unter Einsatz umhüllter Stabelektroden als Standardschweißverfahren durchsetzte.

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Das WIG-Schweißen

Mit all dem Schweißen, das seiner Zeit entwickelt wurde, gab es dennoch ein großes Problem. Damit konnte niemand Magnesium schweißen, denn dieses Metall war leicht entzündlich. Es blieb auch so, wenn es sich in einer Legierung befand. Daher versuchte Russel Meredith aus dem Unternehmen Northrop Aircraft ein verfahren zu entwickeln, dass das Entzünden des Magnesiums verhinderte.

Für sein Schweißverfahren nutzte er eine Elektrode aus Wolfram und Helium als WIG Schutzgas. Von Meredith als Heliarc bezeichnet, setzte sich jedoch WIG-Schweißen, von Wolfram-Inertgas-Schweißen, als Bezeichnung durch.

Über die Jahre hinweg wurde an vielen Verbesserungen für das WIG-Schweißen gearbeitet. Dazu gehörte eine Kühlung mit Wasser und der Einsatz von Schutzgasdüsen. Auch wurden die Zusammensetzung der Elektroden und die Stromquellen verbessert. Gerade Letzteres führte zu einer Überlagerung der Schweißspannung mit einer Hochfrequenzspannung. Das erlaubte es auch, Aluminium mit Hilfe von Wechselstrom zu schweißen.

Das Metallschutzgasschweißen

Im Jahre 1935 wurde ein wichtiges Patent unter dem Namen „Improvements in Electric Arc Welding“ in Großbritannien angemeldet. Dabei wurde ein Vorschubmotor genutzt, um eine Spule zu betreiben, welche gleichmäßig eine Drahtelektrode nachführte.

Darauf baute Perry J. Rieppel sein Patent, welches er 1948 in den USA anmeldete. Er verband das Lichtbogenschweißen mit der elektrischen Spule und Nachführung der Elektrode mit einem Schutzgas. Dabei wurden Inertgase, wie Argon und Helium, verwendet. Daher wird auch vom Argon Schweißen bzw. dem Helium Schweißen gesprochen.

Rieppel selbst verwendete „Shielded Arc Welding“ als Bezeichnung für sein Verfahren. Daraus wurde dann die Bezeichnung SIGMA-Schweißen, für „Shielded inert gas metal arc“, solange inerte Gase verwendet wurden.

Am Anfang konnten keine aktiven Gase verwendet werden. Diese zeigten eine toxische Wirkung. Ebenso war CO entflammbar und es kam zum Abbrand von Elementen in den Legierungen der Werkstoffe.

In der Sowjetunion beschäftigten sich die Ingenieure N.M. Novozhilov und K.V. Liubavskii mit diesem Problem unter der Verwendung von CO2 als Schutz. Das führte dazu, dass sie in den 1950er Jahren spezielle Drähte entwickelten, deren Eigenschaften den Abbrand ausglichen. Damit war das CO2- bzw. das MAG-Schweißen, das Metall-Aktivgas-Schweißen, möglich geworden, welches nun eine entsprechende Qualität der Schweißnähte erlaubte.

Das Metallschutzgasschweißen wurde in der Folge weiterentwickelt. So erlaubten gesteuerte Stromquellen die gezielte Steuerung des Abschmelzprozesses. Dabei steuerten Stromimpulse den Werkstoffübergang. Das erlaubt es, beim Schweißen mit Schutzgas den Wärmeeintrag in die Werkstoffe zu verringern bzw. die Abschmelzleistung zu erhöhen, was die Produktivität verbesserte.

Das Impulsschweißen

Das MIG/MAG-Schweißen führt zu einem ungleichmäßigen Werkstoffübergang, wenn ein Kurzlichtbogen verwendet wird. Damit die Ablösung der Tropfen des geschmolzenen Werkstoffes gezielt gesteuert werden kann, wurde das Impulsschweißen eingeführt. Hier werden Stromimpulse verwendet, bei denen sich durch die Stromerhöhung jeweils ein Tropfen ablöst.

Am Anfang kamen für dieses Verfahren zwei Stromquellen zum Einsatz. Mit dem Aufkommen von steuerbaren Stromquellen konnte jedoch eine einzige solcher Quellen die gesamte Aufgabe übernehmen.

Auch hier wiederum bliebt die Entwicklung nicht stehen. So wurde in Österreich im Jahre 2005 das CMT-Schweißen, das „Cold metal transfer“, zur Einsatzbereitschaft entwickelt. Dabei wird der Schweißstrom gepulst und der Zusatzdraht vor und zurückbewegt, wobei eine hohe Frequenz eingehalten wird. Dies erlaubt es, eine gezielte Tropfenablösung zu gewährleisten. Zugleich wird der Energiebedarf verringert und die Wärmeeinbringung in den Werkstoff reduziert.

Ebenfalls im Jahre 2005 wurde das ColdArc-Verfahren entwickelt. Auch hier geht es um einen geringeren Wärmeeintrag. Dabei wirken alle Prozesseingriffe von der Stromquelle. Dazu kommt eine konstanter Drahtvorschub zum Einsatz. Es können dafür gewöhnliche Schweißbrenner genutzt werden.

Das T.I.M.E.-Schweißen

Das T.I.M.E.-Schweißen, welches für „Transferred ionized molten energy“ steht, dient der Erhöhung der gesamten Abschmelzleistung. Es nutzt das Schutzgasschweißen mit einem abschmelzenden Draht als Grundlage. Mit besonderen Gasgemischen wird eine gleichbleibende Qualität sichergestellt, während die Produktivität dank höherer Abschmelzleistung steigt.

Das Widerstandsschweißen

Das Widerstandsschweißen wurde das erste Mal 1766 erwähnt. Dabei wurde versucht, Flintkugeln mittels einer Kondensatorentladung zu verschweißen. Daran schloss sich 1782 das Verschweißen einer Uhrfeder mit einer Messerklinge mittels sogenannter künstlicher Elektrizität an.

Erst 1857 kommt es wieder zum Widerstandsschweißen, was von James Prescott Joule als Verbindungsverfahren aufgezeigt wurde. Das führte zu den Arbeiten von Elihu Thomson, welcher 1877 mit seinen Arbeiten begann und 1886 zwei Patente anmeldete, die sich um das Stumpfschweißen von Metalldrähten drehten.

Henry F.A. Kleinschmidt verhalf dann im Jahre 1897 dem Widerstandsschweißen mit Hilfe von Kupferelektroden zum Durchbruch. Dazu kam die Idee, mit Schweißbuckeln für das Widerstandsschweißen Laschen an Schienen zu schweißen. Daraus entwickelte sich 1910 die Widerstandsbuckel- und Rollennahtschweißmethode. Damit wurde ab 1930 das Widerstandsschweißen in der Industrie in großem Umfang verwendet.

Das Engspaltschweißen

Das Engspaltschweißen dient dem Verschweißen besonders dicker Bleche. Normalerweise bedürfen diese eine umfangreiche und dadurch aufwendige Nahtvorbereitung. Dabei wird eine V-Fuge erstellt, die das Verscheißen der gesamten Kante ermöglicht.

Für die Engspalttechnik ist zwar noch immer eine Nahtvorbereitung nötig, doch diese lässt sich deutlich reduzieren. Das liegt daran, dass kein ausgeprägtes V mehr erforderlich ist. Die Flanken können fast parallel zueinander liegen. So können Bleche mit einer Stärke von bis zu 300 mm geschweißt werden.

Der auf diese Weise stark verkleinerte Öffnungswinkel reduziert nicht nur die Vorbereitung der Nahr. Er spart auch an Zusatzwerkstoffen und der Menge des Schutzgases, das nötig ist. Auch werden so weniger Schweißraupen gebraucht. Das wiederum verringert die Zeit, die für den Schweißprozess aufgewendet werden muss.

In der Folge erhitzt sich das Bauteil weniger, so dass der Verzug ebenfalls verringert wird. Ein rotierendes Kontaktrohr macht es möglich, pendelnde Schweißlagen bzw. Strichraupen zu setzen. Mit dem Engspalt-Schwert wird in der Mitte der Fuge geführt, wofür der Lichtbogensensor verwendet wird. Dabei erfolgt eine Wasserkühlung bis an die Gasdüse. Damit wird es möglich, mehrere Stunden ununterbrochen zu schweißen.

Das Lichtbogenbolzenschweißen

Die Arbeiten, die zum Lichtbogenbolzenschweißen führten, begann bereits 1915 durch Harold Martin in Großbritannien. Dieser meldete 1920 ein Patent an, nach dem ein elektrischer Lichtbogen zwischen einem Bolzen und einer Metallplatte erzeugt wird. Der Lichtbogen wird für eine bestimmte Zeit, die sich einstellen lässt, gehalten. Am Ende wird dann der Bolzen durch eine elektrische, mechanische oder pneumatische Kraft in das Schmelzbad getaucht.

In den 1940er dann arbeitete Ted Nelson daran, Schraubverbindungen zu vereinfachen, mit denen Holzplanken direkt an Stahlplatten befestigt wurden. Bis dahin wurde das Kehlnahtschweißen dafür verwendet. Er ersetzte dies durch einen Gewindebolzen, der mit einem Lichtbogen aufgeschmolzen wurde. Die Schweißvorrichtung tauchte ihn dann in das Schmelzbad. Mit einem Spannfutter und Elektromagneten wurde der Bolzen angehoben und so gehalten, dass eine konstante Lichtbogenlänge entstand. Die Schweißzeit wurde mittels eines Zeitgebers eingestellt.

Der magnetisch bewegte Lichtbogen

In den USA meldete J.W. Dawson 1942 ein Patent an, welches das Stumpfschweiße mit einem rotierenden Lichtbogen als Wärmequelle in einem radialen Magnetfeld beschrieb. Dieses Verfahren fand in den 1950er und 1960er Jahren vor allem in der Sowjetunion einen breiten Einsatz. Danach wurde es in den 1970er Jahren auch innerhalb Deutschlands genutzt. Dabei wurde jedoch der rotierende Lichtbogen als Wärmequelle für das Stumpfschweißen durch eine ringförmige Hilfselektrode ersetzt und als MBP-Schweißen bezeichnet.

Fazit

Das Schweißen begann bereits als Hartlötverbindungen bei den Sumerern und Hethitern. Dem folgte das Feuerschweißen, welches für tausende von Jahren die einzige Methode war, Werkzeuge, Kunstgegenstände und Waffen aus Metall herzustellen.

Dann, mit der raschen industriellen Entwicklung im 19. Jahrhundert, kam es zu einer breiteren Anwendung neuerer und ausgeklügelter Schweißprozesse. Dies reicht bis zu den Entwicklungen der heutigen Tage.

 

 

 

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