blech mit blech verbinden - TRUMPF Werkzeugmaschinen

BLECH MIT BLECH
VERBINDEN
BLECH MIT BLECH VERBINDEN
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DRUM PRÜFE, WAS SICH WIE VERBINDET
Wegweiser zum passenden Verfahren
Feinschliff für die Fügestelle
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MECHANISCH VERBINDEN
Die gute alte Schraube
Clipsen und Einrasten
Ohne Niete kein Eiffelturm
Durchsetzfügen, Toxen, Clinchen
Ganz schön verwickelt: Falzen
180 |
THERMISCH VERBINDEN
WIG und Plasma
MIG und MAG
Punkt- und Buckelschweißen
Mit dem Laserstrahl
Nicht nur für Bastler: Löten
192 |
168
VON NUN AN UND FÜR ALLE ZEIT
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Drum prüfe, was sich wie verbindet
1
Ein Blechteil kommt selten allein. Fast immer wird es erst
befinden sich alte Bekannte wie das Schrauben oder das
Vom Teil zum Ganzen: Diese Getriebeteile sind lasergeschweißt.
WEGWEISER ZUM PASSENDEN VERFAHREN
in Verbindung mit anderen Teilen zum Bauteil, das seine
Nieten und konventionelle Schweißverfahren wie MIG- und
Konstrukteure müssen viele Faktoren berücksichtigen, um
Funktion erfüllen kann. Und selbst wenn es nur aus einem
MAG -Schweißen (Metall -Inertgas - und Metall -Aktivgas-
zu entscheiden, welches Verfahren das richtige ist. Leitfragen
Teil besteht, enthält es oft Stellen, an denen gefügt werden
Schweißen). Dazu gehören aber auch vergleichsweise junge
helfen bei der Auswahl des Verfahrens.
muss. Gehäuse oder Behälter werden beispielsweise an den
Verfahren wie das Laserschweißen oder Exoten wie das
Kanten verbunden.
Elektronenstrahlschweißen.
Wie gefügt wird, legt der Konstrukteur in Zusammenarbeit
Die Verbindung | Die ersten Fragen gelten den Anforde-
Für den Laien wirkt diese Vielfalt zunächst wie ein un-
rungen an die Verbindung: Soll sie lösbar oder unlösbar sein?
mit den Kollegen aus der Produktion fest. Dabei zeigt sich
durchdringlicher Dschungel. Für den Fachmann ist es ein
Lösbare Verbindungen lassen sich ausschließlich mit mechani-
die Vielfalt des Werkstoffs Blech noch von einer ganz ande-
Dschungel mit ausgetretenen Pfaden, die zu Standardanwen-
schen Verfahren herstellen. Sie werden immer dann benötigt,
ren Seite: Aufgrund der vielen verschiedenen Materialdicken
dungen leiten, und mit vielen Fährten, die zu ungewöhnlichen
wenn verdeckte Teile zugänglich bleiben sollen, zum Beispiel
und -arten stehen zig Fügeverfahren zur Auswahl. Darunter
Lösungen führen.
für Reparaturen.
Auf welche Weise und wie stark wird die Verbindung
belastet? Druck, Zug, Torsion oder Biegung – jede dieser
Belastungen kann sich mehr oder weniger stark auf die Fügestelle auswirken. Der Kraftfluss im Werkstück bestimmt, wie
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unempfindlich, wenn sie auf Druck belastet werden. Die Festig-
Viele Verfahren stoßen bei dicken Blechen an ihre Grenzen.
keit hängt vom Verfahren und vom Anbindungsquerschnitt ab.
Das gilt für einige Schweißverfahren und für mechanische
Zwei Niete halten mehr als einer, aber eine durchgezogene
Verfahren, die mit Umformvorgängen arbeiten.
Muss die Verbindung dicht sein? Dichte Verbindungen
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wenn die Teile auseinander gezogen werden, sind jedoch
Schweißnaht erweist sich als noch fester.
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empfindlich die Fügestelle ist. Schweißnähte können reißen,
erfordern entweder eine durchgezogene Schweißnaht oder
Verformung und Verzug | Wo sich das Werkstück beim
Schweißen stark erhitzt, verzieht es sich. Wo viele Umfor-
einen Falz. Feuerlöscher werden zum Beispiel lasergeschweißt,
mungen die Teile verbinden, verformt sich die Baugruppe
Falze verschließen Konservendosen.
möglicherweise aufgrund der mechanischen Belastung. Bei
Werkstoff und Dicke | Welches Verfahren in Frage kommt,
das sehr stark bemerkbar. Hier wendet man bevorzugt die
hängt auch vom Werkstoff und von der Blechdicke ab. Einige
Verfahren an, die das Teil nur minimal oder gar nicht belasten.
Präzisionsteilen oder besonders großen Teilen macht sich
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Werkstoffe und Werkstoffkombinationen lassen sich zum Beispiel nicht schweißen: Aluminium und Stahl werden deshalb
Viele Faktoren bestimmen, welches Fügeverfahren das richtige ist.
170 |
Blech mit Blech verbinden
Prozessbedingungen | Aufwand, Qualität, Kosten, Zeit,
miteinander verlötet oder durch Umformen verbunden. Kombi-
Produktivität und Automatisierbarkeit sprechen ebenfalls oft
nationen aus Kunststoff und Blech lassen sich ebenfalls nur
für oder gegen ein Verfahren. Diese Kriterien werden dann
mechanisch oder durch Kleben verbinden.
herangezogen, wenn mehrere Verfahren zur Auswahl stehen
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Eine Henne -Ei -Frage Wenn eine Baugruppe in Serie gefertigt wird, sind
Verfahren und Fügestelle genau aufeinander abgestimmt. Doch was stand
zuerst fest? Die Auswahl des Verfahrens und die Gestaltung der Fügestelle
hängen eng zusammen und beeinflussen sich gegenseitig. Verfahren
erfordern eine bestimmte Gestaltung der Fügestelle. Umgekehrt kann
auch die Geometrie der Fügestelle vorgegeben sein. Was zuerst
festgelegt wird, lässt sich nicht pauschal sagen – genau wie bei der
philosophischen Frage, ob zuerst die Henne oder das Ei existierte.
oder ein Prozess optimiert werden soll. Eine günstige Alternative zum Punktschweißen ist beispielsweise das Toxen, ein
WAS WANN WIE VERBINDEN?
mechanisches Durchsetzfügeverfahren.
Das Fügen steht weit hinten in der Prozesskette, die ein
Gesetzliche Vorschriften | Für einige Anwendungen gel-
Blechteil durchläuft. Welches Verfahren dabei angewandt wird,
ten gesetzliche Vorschriften wie die Lebensmittelverordnung.
entscheidet sich jedoch schon ganz am Anfang: beim Kon-
Verbindungen, die in Berührung mit Lebensmitteln kommen,
struieren. Der Konstrukteur entwirft das Bauteil anhand eines
müssen völlig frei von Bearbeitungsrückständen oder gesund-
Pflichtenheftes und muss dabei festlegen, was wie verbunden
heitsgefährdenden Stoffen sein. Deshalb werden beispielsweise
wird. Selten gibt es für das Fügen eine Patentlösung.
Konservendosen und Fässer durch Falzen verbunden.
„Zuerst überlege ich, welches Verfahren ich einsetze und
welche Festigkeit notwendig ist. Dann gestalte ich die Füge-
FEINSCHLIFF FÜR DIE FÜGESTELLE
stelle“, sagt Jörg Heusel, Konstrukteur und Seminarleiter bei
Sobald der Konstrukteur das Verfahren ausgewählt hat, ge-
der TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG in Ditzingen.
staltet und optimiert er die Fügestelle. Dies ist ein Prozess,
„Oft brauche ich dazu mehrere Schleifen, in denen ich optimiere
der selten linear und oft in mehreren Schleifen abläuft.
und mich mit den Kollegen aus der Fertigung abstimme.“
Keine Frage: Fügeverfahren gibt es viele und jedes hat Vor-
Fügestelle ausarbeiten | Müssen sich die Teile über-
aussetzungen. Das lässt sich gut an einem Kasten oder
lappen? Stoßen sie stumpf aneinander? Werden Löcher oder
Gehäuse nachvollziehen.
Gewinde gebraucht? Wo sitzen Laschen, und wie viele sind
WIG oder Laser
Die Kanten werden in Ecknähten verschmolzen.
Laser-Tiefschweißen
I -Nähte halten Seitenteile
und Grundkörper zusammen.
Punktuell
Schweißpunkte verbinden
Laschen und Seitenwände.
Schrauben
Fest und doch wieder lösbar: Schraubverbindungen
Einrasten
Die Federn rasten in die
Nuten der Lasche ein.
Jörg Heusel: „Nehmen wir an, die Kanten eines Blech-
nötig? Mit solchen Fragen setzt sich der Konstrukteur aus-
kastens müssen gefügt werden, damit ein stabiles Gebilde
einander, wenn er die Fügestelle ausarbeitet. Dabei muss er
entsteht. Was passiert nun bei welchem Verfahren?“
sicherstellen, dass die Festigkeit der Verbindungen ausreicht,
Tiefschweißen mit dem Laser | Angenommen, der Kasten
Schrauben | Angenommen, der Kasten müsste sich immer
Maße und Toleranzen eingehalten werden und die Fügestelle
MIG oder MAG | Die Kanten können MIG- oder MAG-
wäre aus Aluminium und müsste gasdicht geschweißt sein,
wieder zerlegen lassen, weil er wartungsintensive Apparate
für die Bearbeitungswerkzeuge gut zugänglich ist.
geschweißt werden. Wer dabei Nacharbeiten reduzieren will,
dann käme Tiefschweißen in Frage. Dazu müssen die Kanten
enthält. Dann werden die Teile zusammengeschraubt. Dazu
schweißt von innen und gestaltet die Kanten so, dass sie
stumpf aufeinander stoßen. Da die Spalttoleranzen sehr klein
legt man Laschen an die Seitenflächen des Kastens und kantet
stumpf aufeinander treffen. Dann entfällt das Verschleifen.
sind, reduziert man die Zahl der Kantungen.
Bearbeitung optimieren | Mit der Gestaltung der Fügestelle beeinflusst der Konstrukteur die Bearbeitung. Deshalb
sie ab. Die Gewinde werden während der Flachbearbeitung
an der Stanzmaschine geformt.
sollte er darauf achten, negative Verfahrensmerkmale auszu-
WIG oder Laser | Bei einem Kasten aus Edelstahl, der als
Punktuell verbinden | Wenn an der Naht geringe Festig-
gleichen. Manche Schweißverfahren erhitzen das Werkstück
Gehäuse genutzt wird, bietet es sich an, die Kanten von außen
keiten genügen, reicht es, die Teile nur an einigen Punkten zu
Einrasten | Wenn der Kasten vergleichsweise klein ist, aus
so stark, dass es sich verzieht. Mit unterbrochenen Schweiß-
im WIG-Verfahren oder im Wärmeleitungsschweißen mit dem
verbinden. Dies geschieht entweder durch Punktschweißen
sehr dünnem Material besteht und keine besonderen Anfor-
nähten und einer optimierten Schweißreihenfolge lässt sich
Laser zu verbinden. Der Laser erzeugt dabei glatte, abgerun-
oder Durchsetzfügen, Toxen oder Clinchen. Für diese Verbin-
derungen an das Design gelten, genügt eine Rastverbindung.
der Verzug jedoch verringern. Bei der Montage schraubt es
dete Nähte, die nicht nachbearbeitet werden müssen.
dungsarten müssen sich die Seitenwände überlappen.
Hochstehende Federn rasten in Nuten ein.
sich schneller, wenn der Monteur die Gewinde gut erreicht.
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Blech mit Blech verbinden
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Mechanisch verbinden
Nieten und Schrauben, Falzen, Einrasten, Toxen, Clinchen –
DIE GUTE ALTE SCHRAUBE
1
Einschweißmuttern werden in einem vorgestanzten Kernloch befestigt.
2
Schneller fertig: Gewinde, die an der Stanzmaschine geformt werden
Gewindeformen | Deutlich schneller ist, wer das Gewinde
allein die Palette der mechanischen Verfahren, die in der
Bleche zu verschrauben ist sicher eines der bekanntesten Ver-
schon auf der Stanzmaschine formt. Die Stanzmaschine
Blechfertigung eingesetzt werden, ist bereits vielfältig. Mecha-
fahren und das einzige, das sehr feste Verbindungen erzeugt,
stanzt zunächst das Kernloch vor. In einem zweiten Arbeits-
nische Verbindungen entstehen entweder durch ein zusätz-
die sich trotzdem immer wieder lösen und schließen lassen.
schritt formt sie das Gewinde. Bei dünnen Blechen geschieht
liches Bauteil, das die einzelnen Blechteile zusammenhält,
Schrauben trifft man häufig da, wo Bereiche abgedeckt wer-
das oft in einem Durchzug. Das erhöht die Zahl der Gewinde-
zum Beispiel eine Schraube, oder indem die Blechteile so
den sollen, aber trotzdem zugänglich bleiben müssen. Zum
gänge und die Stabilität.
umgeformt werden, dass sie sich ineinander verhaken, zum
Beispiel das Gehäuse eines Computers oder die Rückwand
Beispiel beim Durchsetzfügen oder beim Falzen.
einer Waschmaschine.
Damit die Schraubverbindung hält, sollte das Gewinde
Mechanische Fügeverfahren kommen zum Einsatz, wenn
•
das Werkstück nicht thermisch belastet werden darf,
•
lösbare Verbindungen benötigt werden,
•
sich Materialien oder Materialkombinationen nicht
miteinander verschweißen lassen,
•
sie kostengünstiger sind als thermische Verfahren
Blindnietmuttern | Blindnietmuttern sind eine Alternative
zu Einpress- und Einschweißmuttern. Sie werden verwen-
mindestens so lang sein wie der zugehörige Durchmesser der
det, wenn nur eine Seite der Fügestelle zugänglich ist oder
Schraube. Wer Blech verschrauben will, kann das Gewinde
wenn Bauteile aus Aluminium bestehen. Die Blindnietmutter
auf verschiedenen Wegen herstellen und zwischen vielen
wird zusammen mit einer Schraube ins Kernloch eingeführt.
Schraubenarten wählen. Hier die gängigsten:
Anschließend wird die Schraube etwas nach oben gezogen.
Dabei verformt sich die Blindnietmutter: An der Unterseite
Einpress- oder Einschweißmuttern | Dort, wo das Ge-
der Fügestelle bildet sich ein Wulst. Die Schraube wird nun
winde sitzen soll, wird ein Loch vorgestanzt und anschließend
herausgeschraubt, die Blindnietmutter sitzt fest im Blech.
eine Mutter an das Blech geschweißt oder ins Blech einge-
All dies erledigt ein Setzwerkzeug, ein pistolenartiges Gerät,
Jedes Verfahren hat seine Vor- und Nachteile und stellt be-
presst. Damit lassen sich auch große Gewindedurchmesser
das pneumatisch oder elektrisch betrieben wird.
stimmte Anforderungen an die Gestaltung der Fügestelle.
in dünnen Blechen realisieren. Ist die Mutter mit dem Blech
Eines haben sie jedoch gemeinsam: Bei allen mechanischen
verbunden, braucht die Stelle nicht mehr von beiden Seiten
Verfahren überlappen sich die Bauteile an den Fügestellen.
zugänglich zu sein.
und die gleiche Festigkeit liefern.
1
Gewindeschneidschrauben | Wer kein Gewinde vorbereiten will, kann auf Gewindeschneidschrauben zurückgreifen.
2
Sie formen oder schneiden sich ihr Gewinde selbst und benötigen dazu nur ein Kernloch. Bohrschrauben gehen sogar
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noch einen Schritt weiter: Mit ihrer Spitze bohren sie sich
auch ihr Kernloch beim Einschrauben selbst. Bei der Montage
entstehen Späne, die das Teil verschmutzen. Es muss danach
gereinigt werden.
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Senkkopfschrauben | Überall, wo nach dem Schrauben
eine ebene Fläche zurückbleiben soll, werden Senkkopfschrauben eingesetzt. Ihr angeschrägter Kopf taucht beim
Einschrauben in die Werkstückoberfläche ein. Dazu muss im
Wer Bauteile mechanisch fügen will, hat mehrere Verfahren zur Auswahl, um lösbare oder unlösbare Verbindungen zu erzeugen.
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Blech mit Blech verbinden
Blech eine entsprechende Vertiefung, die Ansenkung, vorbereitet
Blindnietmuttern werden eingesetzt, wenn nur eine Seite zugänglich ist.
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1
Einfach verbinden ist intelligent: Manchmal genügen verdrehte Zapfen.
2
Bis der Eiffelturm stand, wurden 2,1 Millionen Niete verbraucht.
werden. Lange geschah dies ausschließlich spanend mit Bohr-
Niete: keine Nieten Ende des 19. Jahrhunderts wurden nahezu alle
großen Brücken und Stahlkonstruktionen genietet. Dazu gehört auch der
Eiffelturm: 2,1 Millionen Niete halten den über 300 Meter hohen Stahlkoloss zusammen. Heute würde man den Eiffelturm wohl eher schweißen.
Genietet wird dagegen zum Beispiel im Leichtmetallbau.
Das Nietprinzip | Niete sind bolzenförmige Teile. Sie wer-
kommen. Sie rasten hör- und fühlbar ein. Die Verbindung
oder Fräswerkzeugen. Mit der Stanzmaschine ist man jedoch
lässt sich vergleichsweise leicht lösen, zumeist von Hand
den durch Löcher in die zu verbindenden Teile gesteckt und
schneller und benötigt keinen zusätzlichen Fertigungsschritt.
und ohne Werkzeuge.
dann an beiden Enden gestaucht. Durchmesser und Zahl der
Die Ansenkung lässt sich durch Stauchen des Lochrandes
herstellen oder indem ein Napf geformt wird.
Clips- und Rastverbindungen kennt man vor allem von Ver-
Niete bestimmen die Festigkeit der Verbindung. Das Material,
schlüssen an Schachteln. Sie können aber auch bei Gehäusen
aus dem der Niet besteht, muss zum Material des Werkstückes
eingesetzt werden. Die Bauteile lassen sich dann manuell
passen. Chemische Reaktionen können sonst zu Korrosion
CLIPSEN UND EINRASTEN
einfach ineinander stecken. Clips- und Rastverbindungen
am Niet oder am Werkstück führen und die Festigkeit der
Clipsverbindungen werden häufig auch als Rastverbindun-
können auch zur Schweißvorbereitung dienen.
Verbindung beeinträchtigen.
Die traditionellen Niete findet man immer noch im Stahl-
gen bezeichnet. Sie kommen ursprünglich aus der Kunststofffertigung und nutzen dort die elastische Verformbarkeit
OHNE NIETE KEIN EIFFELTURM
des Werkstoffes.
Nieten ist eines der ältesten Fügeverfahren in der Metallbear-
nieten zu können, muss die Fügestelle von beiden Seiten
beitung. Stahl- und Kesselbau waren zunächst die wichtigsten
zugänglich sein. Außerdem lässt sich das Verfahren nur
Da sich dünne Bleche ebenfalls elastisch dehnen und
bau. Sie sind jedoch mit Einschränkungen verbunden. Um
spreizen lassen, funktionieren Clips- und Rastverbindun-
Einsatzgebiete. Von der Eisenbahnbrücke bis zum Eiffelturm
schwer automatisieren. Blindniete und Stanzniete werden
gen hier genauso. Dabei werden Teil und Gegenstück unter
nietete man Ende des 19. Jahrhunderts fast alles. Der klas-
daher in der Blechfertigung wesentlich häufiger eingesetzt.
Spannung so ineinander geschoben, dass Erhöhungen auf
sische Niet wird heute kaum mehr verwendet. Blindniete und
dem Teil unter den Vertiefungen im Gegenstück zum Liegen
Stanzniete sind dagegen weit verbreitet.
Blindniete | Blindniete bieten den Vorteil, dass nur eine
Seite der Fügestelle zugänglich sein muss und sich der Setz-
2
vorgang gut automatisieren lässt.
Der Nietstift steckt in einer Hülse. Die Hülse wird zunächst
in das Loch eingeführt. Anschließend wird der Nietstift ein
Stück herausgezogen. Dabei verformt sich das Ende der
Niethülse. Auf der anderen Seite des Loches entsteht ein
Wulst, der die Teile zusammenhält. Der Nietstift wird nach
dem Ziehvorgang abgebrochen. Das Werkstück wird dabei
kaum mechanisch belastet.
Nietprinzip: Der Niet wird von beiden Seiten gestaucht.
Eines der Hauptanwendungsgebiete von Blindnieten ist
die Luft- und Raumfahrttechnik, wo automatisiert gefügt wird,
nur eine Seite der Verbindung zugänglich ist und gleichzeitig
das Material nicht thermisch belastet werden darf.
Stanzniete | Ganz ohne Loch kommen Stanzniete aus. Das
untere Ende des Niets ist innen hohl. Der Niet durchstanzt die
1
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Blech mit Blech verbinden
oberen Materiallagen und wird in der letzten Lage durch die
Blindniete halten auch dort, wo nur eine Seite zugänglich ist.
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1
Elektrowerkzeug zum Durchsetzfügen
2
Falze verbinden die Blechbahnen einer Dachfläche.
Matrize aufgespreizt. Da diese Lage nicht durchstanzt wird, ent-
DURCHSETZFÜGEN, TOXEN, CLINCHEN
ineinander. Darüber hinaus gibt es auch Tox -Varianten, bei
steht eine gas- und flüssigkeitsdichte, punktförmige Verbindung.
Diese Verfahren nutzen die leichte Verformbarkeit von dünnen
denen die gegenüberliegende Seite flach bleibt oder bei der
Das Verfahren ist emissionsfrei. Es liefert eine hochfeste Ver-
Blechen. Für die Verbindung werden die Materiallagen umge-
ein Niet mit eingeführt wird und so beide Seiten flach sind.
bindung und lässt sich auch bei mehreren Lagen einsetzen.
formt und teilweise auch eingeschnitten.
Clinchen funktioniert im Prinzip genauso, nur dass die
Es eignet sich besonders gut für Materialkombinationen.
Matrize sich während des Umformvorgangs weitet. Dabei
Eingeschnitten | Zum Durchsetzfügen werden die Bleche
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entsteht ebenfalls eine hochfeste und dichte Verbindung.
aufeinander gelegt. In einem kombinierten Stanz -Umform-
Beide Verfahren lassen sich gut automatisieren. Clinchen
Vorgang schneidet das Werkzeug einen Steg in beide Bleche
wird zunehmend in der Automobilindustrie eingesetzt und
und verformt ihn so, dass sich die Bleche ineinander fest
ersetzt dort teilweise das Punktschweißen.
verhaken.
GANZ SCHÖN VERWICKELT: FALZEN
Durchsetzfügen kann manuell mit Elektrowerkzeugen oder
automatisiert geschehen. Je nach Maschine ist die Verformung
Falzen ist ein bewährtes Fügeverfahren, das bei dünnen Ble-
mehr oder weniger stark sichtbar.
chen eingesetzt wird. Falzverbindungen sind luft- und flüssigkeitsdicht. Da lediglich die Ränder des Blechteils umgeformt
Umgeformt | Toxen und Clinchen nutzen ebenfalls ein Um-
werden, entstehen weder Abfälle noch Schadstoffe.
formprinzip. Beim Toxen drückt ein flacher, runder Dorn die
Das Verfahren spielt daher bei der Verpackung von Lebens-
Blechlagen in eine Matrize mit einer ringförmigen Vertiefung.
mitteln eine wichtige Rolle. Konservendosen sind ein bekanntes
Dabei werden beide Bleche umgeformt und verhaken sich
Stanzniete dringen in die Bleche ein und verhaken sich.
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Toxen: Die Bleche werden verformt und verhaken sich so ineinander.
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Blech mit Blech verbinden
1
2
Beispiel. Weitere typische Anwendungen sind Rohrsysteme
kommen an Ecken zum Einsatz. Meist werden die Teile ma-
von Klima- oder Lüftungsanlagen sowie Fassadenverkleidun-
schinell vorbereitet und dann ineinander gesteckt. Danach
gen oder Dächer. Je nachdem, ob die Kanten flächig oder
wird der Falz geschlossen. Bei den standardisierten Dosen
winklig aufeinander treffen, setzt man verschiedene Falzarten
geht das maschinell. Wenn Blechdächer oder Kanalsysteme
ein. Stoßbandverbindung, Langfalz und Doppelstehfalz ver-
gebaut werden, arbeitet man mit Handmaschinen, weil die
binden zwei flache Teile. Pittsburghfalz und Schnappfalz
Teile groß sind und jedes Teil andere Maße hat.
Falzarten: Stoßbandverbindung, Langfalz, Doppelstehfalz, Pittsburghfalz und Schnappfalz
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Thermisch verbinden
1
Früher schweißte man ausschließlich manuell.
2
Automatisiert schweißen mit dem Laserstrahl
Alle thermischen Fügeverfahren nutzen Energie, um die Werk-
Laserschweißen durch. Punkt- und Buckelschweißen beste-
zu formulieren. Um das geeignete Verfahren zu finden, werden
stücke aufzuschmelzen und sie zu verbinden. Einst war das
chen dadurch, dass dabei allein mit Druck und elektrischem
folgende Faktoren berücksichtigt:
Schmiedefeuer die einzige Energiequelle dafür. Später ersetzte
Strom gearbeitet wird. Plasma- und Elektronenstrahlschwei-
der Gasbrenner die Feuerstelle. Gasschmelzschweißen – auch
ßen spielen eine eher untergeordnete Rolle. Sie werden für
Autogenschweißen genannt – zählte zu den ersten Schweiß-
Spezialanwendungen eingesetzt. In einigen Fällen wird auch
verfahren. Eine Gasflamme schmolz die beiden Metalle und
gelötet, zum Beispiel dort, wo Werkstoffe mit unterschiedlichen
den Zusatzwerkstoff auf. Die Schmelze erstarrte wieder und
•
•
•
Auswahl des Verfahrens | Thermische Verfahren haben
kommen heute standardmäßig MIG- und MAG- sowie WIG-
Darüber hinaus unterscheiden sie sich teilweise sehr stark,
Schweißen zum Einsatz. Daneben setzt sich zunehmend das
so dass es kaum möglich ist, allgemeine Anwendungsregeln
Toleranz | Wie genau können die Teile gefertigt und
Bördelnaht
positioniert werden?
Schmelzpunkten aufeinander treffen.
eines gemeinsam: Sie erzeugen unlösbare Verbindungen.
Werkstoff | Welches Verfahren ist für den verwendeten
Werkstoff überhaupt geeignet?
hinterließ die Schweißnaht.
Verfahren in der Blechfertigung | In der Blechfertigung
I-Naht
Verzug | Wie stark erhitzt sich das Werkstück beim
Schweißen? Wie stark verzieht es sich?
•
Vorrichtung und Positionieren | Wie aufwendig sind
Kehlnaht
die Vorrichtung und das Positionieren der Bauteile für
das Verfahren?
•
Vorarbeit | Wie aufwendig ist es, den Prozess
einzurichten?
•
Ecknaht
Nacharbeit, Verschleifen | Muss die Naht nachgearbeitet werden?
Welches Verfahren angewandt wird, hängt auch von Investitionshöhe, Prozessgeschwindigkeit und Nahtqualität ab.
Überlappnaht
Die Naht | An der Fügestelle entsteht beim Schweißen und
Löten eine Naht. Wie sie aussieht, hängt davon ab, wie die
Kanten aufeinander treffen und welches Verfahren eingesetzt
Axialrundnaht
wird. Die Schweißnaht selbst kann ganz durchgezogen werden oder auch aus einzelnen Strichen, Punkten oder anderen
Formen bestehen.
Welche Nahtform und -art der Konstrukteur wählt, hängt
Radialrundnaht
auch von der geforderten Festigkeit der Verbindung ab. Als
Faustregel gilt: Die Festigkeit sollte mindestens so hoch sein
wie die des Grundwerkstoffs. Bei einer I -Naht bedeutet das,
die Einschweißtiefe muss der Blechdicke entsprechen, damit
1
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Blech mit Blech verbinden
2
die Naht die geforderte Festigkeit bekommt.
Beispiele für Nahtgeometrien beim Laserschweißen
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1
Spülbecken mit WIG -geschweißten Kanten
2
MIG - und MAG -Schweißen kennt man aus der Autowerkstatt.
Die Schweißraupe Bei vielen Schweißverfahren bildet sich eine
geschuppte Nahtoberfläche. Sie erinnert an die Körpersegmente
einer Raupe und wird daher als Schweißraupe bezeichnet.
Oberflächlich oder tief? | Die meisten Schweißverfahren
Das Verfahren kann für alle schmelzschweißbaren Werkstoffe
schmelzen das Material nur an der Oberfläche auf. Dieser Vor-
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gang wird als Wärmeleitungsschweißen bezeichnet. Typische
angewendet werden. Aus wirtschaftlichen Gründen wird es
vor allem bei Blechdicken unter 5 Millimetern eingesetzt.
Einschweißtiefen liegen bei wenigen Millimetern.
WIG-Prinzip | In der Mitte des WIG-Brenners befindet sich
Einige Energiequellen dringen jedoch auch tief in das Material ein. Eine dieser Energiequellen ist der Laserstrahl. Er dringt
eine Elektrode aus Wolfram. Zwischen Werkstück und Elektrode
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bis zu 20 Millimeter in Stahlblech vor. Damit lassen sich
liegt beim Schweißen eine Spannung an. Die Elektrode ist
zum Beispiel tiefe I-Nähte und Überlappnähte durch mehrere
negativ gepolt, das Werkstück ist positiv gepolt.
Blechlagen schweißen. Die Festigkeit der tiefgeschweißten
Beim Schweißen bildet sich zwischen Elektrodenspitze und
Nähte ist höher als beim Wärmeleitungsschweißen. Außerdem
Werkstück ein Lichtbogen, dessen Energie Werkstück und
erreicht man beim Tiefschweißen mit dem Laserstrahl sehr
hohe Schweißgeschwindigkeiten.
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Zusatzdraht schmilzt. Aus einer Düse um die Elektrode tritt
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das Schutzgas aus. Es unterstützt zunächst die Bildung des
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Lichtbogens. Gleichzeitig schirmt es den Schweißprozess von
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WIG UND PLASMA
der Luft ab, damit das geschmolzene Metall nicht oxidiert.
Zum WIG -Schweißen wird vor allem Argon eingesetzt.
ein Lichtbogen. Beim Plasmastrahl-Plasmalichtbogenschwei-
Plasmaschweißen | Der Plasmabrenner arbeitet ebenfalls
Spannung. Dadurch bildet sich sowohl ein Lichtbogen zwi-
und wird in der Blechfertigung häufig zum Schweißen von
mit einer Wolframelektrode, nutzt jedoch zwei Gase für den
schen Elektrode und Werkstück als auch ein Plasmastrahl.
Sichtkanten an Edelstählen eingesetzt. Die Kanten verlaufen
Schweißprozess: den Plasmagasstrom und den Schutzgas-
WIG - und Plasmaschweißen sind verfahrenstechnisch eng
WIG-Schweißen: Der Lichtbogen schmilzt Werkstück und Zusatzdraht.
verwandt, haben jedoch unterschiedliche Anwendungen.
ßen stehen Elektrode, Plasmagasdüse und Werkstück unter
WIG -Schweißen steht für Wolfram -Inertgas -Schweißen
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sehr glatt und müssen oft nicht mehr nachbearbeitet werden.
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strom. Die Plasmagasdüse umgibt die Elektrode wie beim
WIG -Schweißen. Die Schutzgasdüse umgibt beide.
Beim Plasmastrahlschweißen ist die Wolframelektrode
Lichtbogen und Schutzgas. Sie unterscheiden sich vom
bleibt ohne Spannung. Der Lichtbogen bildet sich jetzt zwi-
WIG - und Plasmaschweißen dadurch, dass die Elektrode im
schen Wolframelektrode und Plasmagasdüse aus. Er ionisiert
Schweißbrenner aus einem Metalldraht besteht, der positiv
das Plasmagas, das die Elektrode umströmt. Das ionisierte Gas
gepolt ist und beim Schweißen schmilzt. Der Draht wird kon-
tritt als Plasmastrahl aus dem Brenner. Plasmastrahlschweißen
tinuierlich nachgeschoben.
182 |
Blech mit Blech verbinden
Geschweißt wird meist manuell mit dem Handbrenner
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Der Begriff Plasmaschweißen umfasst neben dem Plasma-
oder per Roboter. MIG- und MAG-Schweißen sind Standard-
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strahlschweißen noch zwei weitere Verfahren: Plasmalichtbo-
verfahren, die für sehr viele verschiedene Teile angewendet
genschweißen und Plasmastrahl-Plasmalichtbogenschweißen.
werden. Ob MIG- oder MAG-geschweißt wird, hängt vom Werk-
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1
MIG- und MAG-Schweißen steht für Metall-Inertgas- und MetallAktivgas -Schweißen. Beide Verfahren arbeiten ebenfalls mit
negativ und die Plasmagasdüse positiv gepolt. Das Werkstück
wird oft zum Verbinden von Metallfolien eingesetzt.
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MIG UND MAG
Beim Plasmastrahlschweißen überträgt der Plasmastrahl die Energie.
Beim Plasmalichtbogenschweißen stehen Elektrode und Werk-
stoff ab: Bauteile aus Aluminium und Edelstahl werden MIG-
stück unter Spannung. Wie beim WIG -Schweißen bildet sich
geschweißt, Bauteile aus Stählen werden MAG-geschweißt.
183
Ein Strahl von Elektronen Elektronenstrahlschweißen ist in der Blechfertigung sehr selten. Geschweißt wird mit einem Strahl aus Elektronen,
der sich sehr fein fokussieren lässt und daher hohe Einschweißtiefen erzielt.
Das Verfahren ist vergleichsweise teuer, weil es nur im Vakuum die
besten Ergebnisse liefert. Es wird vor allem bei Materialien mit Dicken
über 20 Millimetern angewendet. Für die gängigen Blechanwendungen
hingegen wird der Laserstrahl eingesetzt.
Prinzip | Im MIG - oder MAG -Brenner liegt die Spannung
Eigenschaften und Einsatzgebiete | Der Vorteil dieser
zwischen Drahtelektrode und Werkstück an. Die Elektrode ist
Verfahren liegt darin, dass sie sowohl manuell als auch mit dem
buckel geprägt. Die Oberfläche der Elektroden ist eben. Wo die
schweißen kommen ohne Zusatzstoffe wie Gas oder Draht aus.
positiv gepolt, weil sich der positive Pol beim Lichtbogen-
Roboter nutzbar sind, und dass der Zusatzwerkstoff nicht extra
Buckel das Gegenstück berühren, fließt der Strom durch das
Die Vorbereitung für das Buckelschweißen ist aufwendiger
schweißen stärker erhitzt als der negative. Der Draht schmilzt
geführt werden muss.
Werkstück. Dort entstehen die Schweißpunkte. Über die Form
als die für das Punktschweißen. Die Schweißbuckel müssen
Beim Buckelschweißen sind in einer Werkstückfläche Schweiß-
Vorteile und Voraussetzungen | Punkt- und Buckel-
Der Verzug ist allerdings höher als bei anderen Verfahren,
des Buckels lässt sich die Form der Verbindung und damit
beispielsweise während der Flachbearbeitung an der Stanz-
Beim MIG-Schweißen wird Argon als Schutzgas eingesetzt.
weil sehr viel Energie ins Werkstück eingebracht wird. Wenn
auch die Festigkeit beeinflussen. Es gibt auch ringförmige
maschine eingeprägt werden. Für beide Schweißverfahren
oder längliche Buckel.
muss die Fügestelle von beiden Seiten zugänglich sein.
so besser.
Der geschmolzene Draht gelangt dabei in kleinen Tropfen auf
viele Schweißnähte im Werkstück sind, muss die Schweißrei-
das Werkstück. Beim MAG-Schweißen enthält das Schutz-
henfolge so gewählt werden, dass die Wärme sich gleichmäßig
gas Argon Anteile von Kohlendioxid oder Sauerstoff. Dadurch
im ganzen Werkstück verteilt. MIG - und MAG -geschweißte
schmelzen größere Tropfen vom Draht ab. Je nachdem, wie
Sichtkanten müssen anschließend verschliffen werden.
Darüber hinaus lassen sich immer nur zwei Bleche mitein�����
dem müssen sich die Werkstücke überlappen. Bei Nähten
weit der Draht aus der Düse ragt und welchen Abstand er zur
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Werkstückoberfläche hat, bilden sich kurze oder lange Licht-
PUNKT - UND BUCKELSCHWEISSEN
bögen aus, in denen der Draht unterschiedlich abschmilzt.
Neben dem Lichtbogen gibt es weitere Arten, die zum Schwei-
Außerdem beeinflusst der Winkel, in dem der Brenner zum
ßen notwendige Energie ins Werkstück einzubringen, zum Bei-
Werkzeug steht, das Nahtergebnis. Damit kann der Schweißer
spiel durch elektrischen Strom kombiniert mit Druck. Zu diesen
die Nahttiefe und das Aussehen der Naht variieren – von flach
Verfahren gehören das Punkt- und Buckelschweißen.
bis tief und von glatt bis geschuppt.
ander verbinden, und die Blechdicke ist eingeschränkt. Außer-
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Laserschweißen stieß erst in den 1970er Jahren zur Familie
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der Fügeverfahren. Der Laser ist sehr flexibel einsetzbar: Mit
ihm lassen sich feine Schweißpunkte von einem Millimeter
wo dünne Blechteile verbunden werden sollen und keine
Durchmesser ebenso wie meterlange tiefgeschweißte Nähte
durchgängige Naht erforderlich ist. Beide Verfahren sind ein-
fertigen. Dabei entstehen sehr schlanke Nahtgeometrien mit
fach zu handhaben und lassen sich gut automatisieren. In der
einem großen Tiefe -Breite -Verhältnis. Der Verzug ist minimal.
Punktschweißen: Strom schmilzt die Bleche lokal auf.
Automobilindustrie wird beispielsweise viel punktgeschweißt.
Ein weiterer Vorteil: Der Laser schweißt enorm schnell.
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Auf Laserschweißnähte und -schweißpunkte trifft man
Prinzip | Punkt - und Buckelschweißen funktionieren nach
daher an ganz verschiedenen Stellen: in Kreuzfahrtschiffen,
dem gleichen Prinzip: Zwei Elektroden nehmen das Werkstück
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in die Zange. Sie greifen es von beiden Seiten und drücken
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es zusammen. Dann fließt ein kurzer, hoher Schweißstrom
von Elektrode zu Elektrode durch das Werkstück. Das Metall
erwärmt sich durch den elektrischen Widerstand und schmilzt
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auf. Dabei entsteht eine punktförmige Verbindung mit linsen-
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184 |
Blech mit Blech verbinden
Strom gezielt an eine Stelle.
röhren, und, und, und.
Prinzip | Beim Laserschweißen dient der fokussierte Laserstrahl als Energiequelle. Der Laserstrahl wird im Schweißkopf
mit Hilfe eines Spiegels oder einer Linse gebündelt. Dafür,
förmigem Querschnitt.
dass kein Schmutz auf den Spiegel oder die Linse gelangt,
sorgt der Crossjet, ein Gasstrom, der quer durch den Laser-
eben. Elektroden mit einer gewölbten Oberfläche leiten den
Beim MIG - und MAG -Schweißen schmilzt die Drahtelektrode.
ICE-Zügen, Getriebeteilen von Pkw und Lkw, Airbaghülsen,
Herzschrittmachern, elektronischen Bauteilen, Fernsehbild-
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Beim Punktschweißen sind die Flächen der Werkstücke
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MIT DEM LASERSTRAHL
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Punkt- und Buckelschweißen bieten sich überall dort an,
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mit hoher Festigkeit sind sehr viele Punkte nötig, hier sinkt
die Prozessgeschwindigkeit deutlich.
Buckelschweißen: Wo die Schweißbuckel sind, entsteht die Verbindung.
kopf fließt.
185
Preisfragen Manche Verbindungen dürfen viel kosten, andere fast gar
nichts. Die Schweißnaht, die den 5 Zentimeter dicken Stahlkörper eines
Abklingbeckens in einem Atomreaktor zusammenhält, kostet mehrere
Zehntausend Euro. Die Laserschweißpunkte in der Halogenglühlampe
eines Autos kosten dagegen weniger als 1 Cent.
Wo der gebündelte Laserstrahl auf das Werkstück trifft, schmilzt
er es auf. Fokusdurchmesser, Fokuslage, Laserleistung und
LOSGRÖSSE EINS – AUCH BEIM LASERSCHWEISSEN
Schweißgeschwindigkeit sind die wesentlichen Parameter, die
Nahttiefe und -breite bestimmen.
leitungsschweißen mit dem Festkörperlaser in einer Roboterzelle sowie Tiefschweißen mit dem CO2- Laser in einer koordi-
Komplexe Technik, wenig flexibel, lohnt sich nur bei hohen
natengeführten 3D -Laserschweißanlage.“
Während der Bearbeitung wird die Schweißnaht in der
Stückzahlen – das denkt so manch einer vom Laserschweißen.
Jürgen Herre geht voraus. „Beginnen wir mit dem Tief-
Regel durch ein Schutzgas vor Reaktionen mit der Luft ge-
Zu Unrecht! „Alles Vorurteile, die durch Informationslücken
schweißprozess. Auf dieser 3D -Anlage werden Maschinen-
schützt. Weitere Gase – die so genannten Arbeitsgase – können
entstehen“, meint einer, der es wissen muss: Jürgen Herre,
komponenten im Tiefschweißverfahren geschweißt: komplexe
den Schweißprozess unterstützen und steuern. Je nach-
Leiter der Blechfertigung bei der TRUMPF Werkzeugmaschinen
Blechbaugruppen mit bis zu 150 Schweißnähten, die insgesamt
dem, welche Nahtart geschweißt werden soll, und wie groß
GmbH + Co. KG in Ditzingen. Zwar stimmt es, dass Laser-
bis zu 70 Meter lang sind.“ Auf der Anlage werden rund 15
der Spalt zwischen den Bauteilen ist, wird mit Zusatzwerk-
schweißen lange ausschließlich bei speziellen Teilen in der
unterschiedliche Baugruppen und Varianten geschweißt:
stoffen gearbeitet.
Großserie eingesetzt wurde, aber nun erobert das Verfahren
Querträger von Flachbettlaserschneidanlagen, Ausleger von
die flexible Blechfertigung.
3D -Anlagen und Pinolen.
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„Flexible Blechfertigung bedeutet, unterschiedliche Bau-
Um so flexibel fertigen zu können, bedarf es einiger Vorbe-
gruppen in unterschiedlichen Losgrößen herzustellen“, erläutert
reitung: Die Konstruktionen wurden für das Laserschweißen
Herre beim Gang durch die Produktionshalle. „Wir setzen bei
optimiert, Spannvorrichtungen konstruiert. Gespannt wird an
uns die beiden typischen Laserschweißprozesse ein: Wärme-
einem separaten Arbeitsplatz, Checklisten an der Wand zeigen
Ein Festkörperlaser schweißt die Abdeckhaube eines CO2- Lasers.
die richtige Reihenfolge. „Das vereinfacht die Sache und sichert
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die Qualität“, kommentiert Herre. Vereinfachen auch beim
Die Kanten der Haube werden per Wärmeleitungsschweißen
Positionieren. Meterlange Bauteile auf den Zehntelmillimeter
verschmolzen. Auch hier zeigen sich die Vorteile des Laser-
genau auszurichten ist kaum möglich. Damit der feine Laser-
schweißens deutlich: 60 Minuten manuelles WIG-Schweißen
strahl trotzdem die Naht trifft, misst ein Sensor den Naht-
wurden durch 6 Minuten Laserschweißen ersetzt. Das Ergebnis:
verlauf. Anschließend wird das NC -Programm mit den neuen
abgerundete Kanten in konstanter Qualität, die nicht mehr
Werten automatisch aktualisiert. Nun beginnt der Laserstrahl
nachbearbeitet werden müssen. „Wir haben mit beiden Anlagen
seine Arbeit. Jürgen Herre schildert die Vorteile gegenüber dem
sehr gute Erfahrungen gemacht“, freut sich der Fertigungs-
Anlagenvorgänger, einem MAG -Roboter: „Höhere Schweiß-
leiter. Deshalb heißt das Ziel, nach und nach alle Baugruppen
geschwindigkeit, weniger Verzug und keine Nacharbeit sind
auf Laserschweißen umzustellen.
die wichtigsten Vorteile des Laserschweißens.“ Ohne die Nach-
Bleibt nur noch die Frage: Wer sollte den Einstieg wagen?
arbeit fallen auch Liege- und Transportzeiten weg. Laserschwei-
„In jedem Unternehmen, in dem viel geschweißt wird, lohnt es
ßen macht die Maschinenkomponenten zudem leichter, weil sie
sich zu prüfen, ob sich Laserschweißen rechnet“, empfiehlt
jetzt in Leichtbauweise konstruiert sind.
Herre. „Je nach Baugruppe setzen wir Laserschweißen schon
Danach geht es weiter zur Roboterzelle: Dort schweißt ein
Rund 150 Tiefschweißnähte halten den Querträger zusammen.
Festkörperlaser Abdeckhauben für CO2 -Laser zusammen.
bei Stückzahlen von 30 Baugruppen pro Jahr und Losgrößen
ab Stückzahl 1 ein.“
Laserschweißen mit Schutzgas und Zusatzdraht
186 |
Blech mit Blech verbinden
187
1
Wärmetauscher sind häufig lasergeschweißt.
2
Typische Aufgabe: Laserschweißen von Getriebeteilen
3
Querschliff einer Laserschweißnaht unter dem Mikroskop
Infrarot und beträgt 10,6 Mikrometer. Typische Ausgangs-
Industrierobotern interessant. Besondere Bedeutung haben
leistungen zum Schweißen beginnen bei etwa 1 Kilowatt und
Festkörperlaser in der Automobilindustrie. Dort schweißen
reichen bis zu 20 Kilowatt und mehr. CO2-Laser bewähren
Industrieroboter Karosserieteile mit Festkörperlasern, die im
sich vor allem dann, wenn hohe Leistungen im Dauerstrich-
Dauerstrichbetrieb arbeiten.
betrieb bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten erforderlich
Festkörperlaser werden auch zum Wärmeleitungsschweißen
sind, zum Beispiel beim Schweißen von Rohren, beim Dicht-
eingesetzt, etwa bei Sichtkanten an Edelstahlteilen. Weitere
schweißen von Wärmetauschern oder beim Tiefschweißen
Einsatzgebiete finden sich dort, wo es filigran wird, zum Bei-
von Getrieben.
spiel in der Feinwerktechnik und in der Elektronik. Hier kommen
Festkörperlaser haben eine Wellenlänge von 1,06 Mikrometern. Sie liegt sehr nahe am sichtbaren Bereich und bietet
gepulste Festkörperlaser zum Einsatz, die sehr kurze Pulse
mit hohen Leistungen von 25 Kilowatt und mehr erzeugen.
zwei Vorteile. Zum einen wird der Laserstrahl gut von Bunt-
1
und Edelmetallen absorbiert. Deshalb wird der Festkörperlaser
Vorteile und Anwendungen | Geringer Verzug, hohe Pro-
häufig in der Schmuckindustrie eingesetzt. Zum anderen
zessgeschwindigkeiten, Flexibilität und feine Schweißnähte,
lässt sich der Laserstrahl in Laserlichtkabeln flexibel und
das sind die Vorteile des Laserschweißens. Laserschweißnähte
geschützt führen. Das macht ihn für die Automatisierung mit
müssen in der Regel nicht nachbearbeitet werden und sind
darüber hinaus gas- und flüssigkeitsdicht. Geschweißt werden
Tiefschweißen | Der Laserstrahl kann sowohl flache Nähte
vor allem metallische Werkstoffe wie Baustahl und Edelstahl,
(Wärmeleitungsschweißen) als auch tiefe Nähte (Tiefschweißen)
Aluminium und Aluminiumlegierungen, Titan und Titanlegie-
erzeugen. Zum Tiefschweißen werden sehr hohe Leistungs-
rungen sowie Bunt- und Edelmetalle.
dichten von über 1 000 Kilowatt pro Quadratzentimeter benötigt.
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Das eröffnet dem Laserschweißen ganz unterschiedliche
Dann verdampft ein Teil des Metalls. Der abströmende Dampf
Anwendungsbereiche: angefangen bei den feinen Schweiß-
übt Druck auf die Schmelze aus und verdrängt sie teilweise.
punkten in einer Halogenglühlampe über die Schweißnaht im
Das Werkstück schmilzt tiefer auf. Ein schmales, dampfgefülltes Loch bildet sich: die Dampfkapillare, die auch als
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Keyhole (englisch für Schlüsselloch) bezeichnet wird. Sie ist
von Metallschmelze umgeben. Wenn sich der Laserstrahl
über die Fügestelle bewegt, bewegt sich die Dampfkapillare
Feuerlöscher bis hin zu meterlangen Schweißnähten in Maschinen oder Flugzeugen.
Laserschweißen geschieht meist automatisiert in Laser-
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schweißanlagen oder mit Hilfe von Schweißrobotern. Kleinere
Schweißaufgaben mit einzelnen Schweißpunkten oder kurzen
durch das Material. Die Schmelze erstarrt an der Rückseite.
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Nähten können auch an Handschweißplätzen erledigt werden.
Welcher Laser wofür? | Zum Laserschweißen werden
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Voraussetzungen | Der Durchmesser des Laserstrahls be-
meist CO2-Gaslaser und Festkörperlaser eingesetzt. Sie unter-
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scheiden sich in Wellenlänge, Strahlführung und Anwendungsbereichen. Die Wellenlänge des CO2-Lasers liegt im fernen
188 |
Blech mit Blech verbinden
2
trägt im Fokus nur wenige Zehntelmillimeter. Zwischen den
Bauteilen, die verbunden werden, darf nur ein minimaler Spalt
Wärmeleitungsschweißen (links) und Tiefschweißen (rechts)
bleiben. Außerdem sollte die Spaltbreite nicht schwanken.
3 mm
3
189
1
Schweißroboter mit Laserlichtkabel
2
Gemeinsam schweißen Laser und MIG-Brenner riesige Schiffsdecks.
3
Diese Heckklappe eines Pkw wird lasergelötet.
4
Lötnähte verbinden auch unterschiedliche Werkstoffe problemlos
und haben sehr glatte Oberflächen.
„Der Laserstrahl nimmt’s sehr genau. Wenn das Werkstück nicht auf den
Zehntelmillimeter genau positioniert ist, kann das bedeuten, dass er die
schmale Nahtstelle nicht trifft. Deshalb arbeiten Sensoren mit der Steuerung
zusammen. Bevor geschweißt wird, fährt der Schweißkopf die Naht ab.
Dabei misst der Sensor Position und Verlauf der Naht und leitet die Daten
an die Steuerung weiter. An diese Daten wird das NC-Programm automatisch angepasst.“ Jürgen Herre, Blechfertigung
Daher sind die Vorbereitung der Werkstücke und das Positionieren beim Laserschweißen vergleichsweise aufwendig.
Für konstante Qualität sorgen Sensoren. Sensoren, die
Prinzip | Beim Löten werden zwei Kanten miteinander durch
einen Zusatzwerkstoff, das so genannte Lot, verbunden. Die
Schmelztemperaturen des Lotwerkstoffes und der Bauteil-
den Nahtverlauf verfolgen, erkennen Abweichungen vom pro-
werkstoffe liegen weit auseinander. Deshalb schmilzt bei der
grammierten Verlauf und regeln die Position des Laserstrahls.
Bearbeitung nur das Lot. Es fließt in den Kantenzwischen-
Sie gleichen Kanten- und Positionierungenauigkeiten aus.
raum und verbindet sich mit der Oberfläche des Werkstücks
Andere Sensoren messen die Ausdehnung des Schmelzbades
(Diffusionsverbindung). Die Festigkeit der Verbindung ent-
und erkennen so, ob der Schweißprozess in den definierten
spricht der des Lotwerkstoffs. Mit Hartloten, zum Beispiel
Grenzen abläuft. Darüber hinaus können weitere Sensoren
aus Kupfer und Zink, lassen sich ähnlich hohe Festigkeiten
eingesetzt werden, die die erstarrte Schweißnaht prüfen und
wie beim Schweißen erzielen.
gute von schlechten Nähten unterscheiden können.
Zum Löten eignen sich Laser sowie MIG- und Plasmabrenner. Dabei setzt sich immer öfter der Laser durch, weil er
Laser plus X | Bei Spezialanwendungen kommt der Laser-
hohe Lötgeschwindigkeiten erzielt und hochwertige Lötnähte
strahl zusammen mit anderen Schweißverfahren zum Einsatz.
erzeugt. Zum Laserlöten werden neben Festkörperlasern auch
Solche Kombinationen nennt man Hybridverfahren.
Hochleistungsdiodenlaser eingesetzt.
Ein Beispiel: Im Schiffsbau werden große Blechplatten mit
bis zu 20 Meter Länge und 15 Millimeter Dicke verschweißt.
1
Vorteile und Anwendungen | Beim Löten muss nur eine
Die Spaltabstände sind so hoch, dass der Laserstrahl sie allein
Seite zugänglich sein. Der dünne Spalt zwischen den Bauteilen
nicht überbrücken kann. In diesem Fall kombiniert man MIG -
wirkt wie eine Kapillare. Das flüssige Lot wird dadurch in den
Schweißen und Laserschweißen. Der Laser liefert die Energie
Spalt gezogen.
für hohe Einschweißtiefen. Er erlaubt hohe Schweißgeschwin-
Die Oberfläche des Lots wird sehr glatt und sauber. Sie
digkeiten und reduziert so den Verzug. Der MIG -Brenner
bildet geschwungene Übergänge zum Werkstück. Die Lötnaht
überbrückt den Spalt und schließt die Fuge. Insgesamt ist
muss nicht mehr nachbearbeitet werden. Diesen Vorteil nutzt
das Hybridverfahren schneller als das reine MIG -Schweißen,
man in der Automobilindustrie. Lötnähte finden sich an Heck-
und die Teile verziehen sich weniger. Um das optimale Hybrid-
klappen oder an Autodächern. Vor dem Lackieren wird das
verfahren zu finden und den Prozess einzufahren, wird häufig
Karosserieteil lediglich gereinigt.
viel Zeit und Geld investiert.
3
Ein anderer Anwendungsbereich für das Löten ist die
Mischbauweise. Werkstücke aus unterschiedlichen Materia-
2
190 |
Blech mit Blech verbinden
NICHT NUR FÜR BASTLER: LÖTEN
lien lassen sich oft schlecht oder gar nicht miteinander ver-
Lötkolben findet man nicht nur in Hobbykellern passionierter
schweißen, zum Beispiel Verbindungen von Aluminium mit
Bastler. Auch Blechbauteile lassen sich durch Löten verbinden.
Stahl. Die Werkstoffe haben unterschiedlich hohe Schmelz-
Anders als beim Schweißen wird dabei nicht das Werkstück,
punkte und unterschiedlich viskose Schmelzen. Löten ist die
sondern nur der Zusatzwerkstoff geschmolzen.
passende Alternative, weil nur das Lot schmilzt.
0,5 mm
4
191
Von nun an und für alle Zeit
Verbindungen sollen möglichst lange halten. Das können
Angemessener Aufwand | Für die meisten produzieren-
Jahrzehnte oder Jahrhunderte sein – wie beim Eiffelturm.
den Unternehmen lautet der größte aller Trends, Kosten zu
Manchmal genügen auch wenige Jahre. Ähnlich ist es bei den
sparen bei hoher Qualität und Funktionalität der Verbindung.
Fügeverfahren. Einige halten sich als Standardverfahren über
Dazu werden Arbeitsgänge optimiert und automatisiert sowie
viele Jahrzehnte hinweg, andere werden für spezielle Anwen-
aufwendige Verfahren, wo möglich, durch günstigere ersetzt.
dungen entwickelt und bleiben unter Umständen Exoten. Bei
Zwei Beispiele:
einem derart facettenreichen Thema fällt es schwer, allge-
1
PC -Gehäuse – ein Schweißteil, das jeder kennt
2
Mit dem Laser geschweißt: ein Kreuzfahrtschiff
Bei einem Maschinenhersteller wurde die Abdeckhaube
meine Aussagen über zukünftige Entwicklungen zu treffen.
eines Lasers lange Zeit abgekantet und an den Sichtkanten
WIG -geschweißt. Jetzt fertigt man alle Flächen einzeln, positioniert diese mit Vakuum -Saugern an einer Vorrichtung und
schweißt dann mit dem Festkörperlaser. Allein die Entwicklung
der Vorrichtung nahm mehrere Monate in Anspruch. Trotzdem
rechnet sich diese Vorgehensweise. Der Festkörperlaser
schweißt schneller und produziert noch hochwertigere Kanten.
Die einzelnen Teile müssen nicht mehr abgekantet werden,
sondern kommen direkt von der Stanzmaschine.
Andere gehen den umgekehrten Weg und beweisen: Hightech heißt nicht immer Schweißen. In der Automobilindustrie
wird zum Beispiel das Punktschweißen an einigen Stellen
durch Durchsetzfügeverfahren ersetzt.
2
Kleben | Kleben ergänzt die mechanischen und thermischen
Fügeverfahren und gewinnt in vielen Branchen an Bedeutung.
Bei der Verbindung Blech mit Blech dient das Kleben mehr
des Klebstoffs bestimmen die Eigenschaften der Verbindung.
In Bewegung | Unter den neueren Fügeverfahren verzeich-
der Arbeitsvorbereitung und wird als Ergänzung zu anderen
Kleber können hart, flexibel oder zäh sein.
net das Laserschweißen hohe Zuwachsraten. Diese Entwick-
Verfahren eingesetzt, etwa in Kombination mit Punktschweißen.
Kleben bringt jedoch nicht nur Vorteile: Für feste Ver-
Auf weitere Anwendungen stößt man, wenn man über die
bindungen braucht es vergleichsweise große Klebeflächen.
reine Verbindung von Blechen hinausblickt. Wo Metall auf
Außerdem muss sichergestellt sein, dass der Kleber hohen
Kunststoff trifft, wird ebenfalls häufig geklebt.
Betriebstemperaturen standhält und durch Verschmutzungen
und mit ihnen verschieben sich die prozentualen Anteile der
nicht angegriffen wird. Das Recycling geklebter Teile kann
eingesetzten Fügeverfahren. Für den Lohnfertiger sind Stan-
werden so genannte Konstruktionskleber eingesetzt. Sie sind
auch umständlich sein, da der Kleber die Metalle chemisch
dardverfahren wichtig, die er flexibel handhaben kann. Für den,
in der Lage, Kräfte zu übertragen, und halten daher Belastungen
verunreinigt. Deshalb werden Klebstoffe die anderen Füge-
der ein Teil in großen Stückzahlen fertigt, sind es die speziell
wie Scherung, Torsion oder Schälung stand. Die Eigenschaften
verfahren nicht ersetzen, sondern sie weiterhin ergänzen.
für die Anwendung optimierten Verfahren.
Für Verbindungen, die mechanisch beansprucht werden,
1
192 |
Blech mit Blech verbinden
lung wird sich weiter fortsetzen, da das Verfahren sich immer
einfacher handhaben lässt.
Blechdicken, Werkstoffe und Teile verändern sich ständig,
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