Fertigungstechnik

Das Lichtbogenhandschweißen (EN ISO 4063: Prozess 111) ist einfach anzuwenden und gilt als eines der ältesten, aber auch immer noch der am häufigsten eingesetzten Schweißverfahren, auch wenn es sich über die Jahrzehnte leicht verändert haben mag. Das Lichtbogenhandschweißen gehört zu den Schmelzschweißverfahren. In der DIN Norm 8580 (Einteilung der Fertigungsverfahren) ist das Lichtbogenschweißen in der Hauptgruppe 4 (Fügen) zu finden, Fügen durch Schweißen DIN 8593 Teil 6.

Das Lichtbogenhandschweißen ist ein Verfahren mit Zusatzhilfstoff in Form von abschmelzender Stabelektrode. Der Anwendungsbereich im Rahmen des Fügens erstreckt sich auf metallische Werkstoffe mit einem maximalen Kohlenstoffanteil von 0,22%, beispielsweise aus dem Grundwerkstoff S235 JRG2 DIN EN 10025.

In den Anfängen des Lichtbogenhandschweißens wurden nackte Metallelektroden oder auch Kohleelektroden als Elektroden verwendet. Heute sind Stabelektroden um den Kernstab herum mit einem mineralischen Stoff ummantelt, welcher ein Schutzgas und Schlacke freisetzen soll.
Das durch die Hitze des Schweißprozesses aus der Hülle entstandene Schutzgas schirmt das aufgeschmolzene Metall des Kernstabendes und die Schweißstelle von der Umgebungsluft ab. Die Schlacke dient der Isolation der Schweißnaht bis zur Erkaltung.
Die Umhüllung erleichtert den Schweißprozess auch aus dem Grund enorm, dass die Umhüllung zur Stabilisierung des Kernstabs und des Lichtbogens beiträgt.
Der Lichtbogen selbst bildet sich vom Kernstab aus zum Werkstück.

Lichtbogenhandschweißen gehört auch heute noch zu den am häufigsten eingesetzten Schweißverfahren, insbesondere im Stahl- und Rohrleitungsbau. Die Anwendung gilt als relativ materialfehlertolerant und ist bei allen Witterungsbedingungen, sogar unter Wasser, einsetzbar. Neben dem Fügen ist auch das Beschichten (Auftragsschweißen) ein Anwendungsgebiet.

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Unter dem Begriff Schweißen wird das Fügen bzw. Beschichten von Werkstoffen verstanden. Die Werkstoffe können sich dabei im flüssigen oder plastischen Zustand befinden. Das fügende Schweißen erzielt die Schaffung einer haltbaren Stoffverbindung mit Hilfe von Wärme und/oder Druck mit oder auch ohne zusätzliche Hilfsstoffzuführung. Das Schweißergebnis ist eine unlösbare und stoffschlüssige Verbindung. Schweißhilfsstoffe können Schutzgas, Schweißpulver oder –paste sein.

Schweißverfahren werden weltweit, vor allem im Maschinenbau und Bauwesen eingesetzt, unter Erdatmosphäre, unter Wasser und im luftleeren Raum. Geschweißt wird mit immer kompakter werdenden Handschweißanlagen bis hin zur vollautomatisierten Schweißanlage.

Die Energieträger Strom, Bewegung, Strahlung und Strom können für Schweißverfahren genutzt werden. So kommt Energie durch Gasverbrennung, Plasmalichtbögen, elektrische Lichtbögen, Laser, Druckkraft oder Ultraschall oder eine Kombination aus diesen zum Einsatz. Schweißen ist eines von acht Fügeverfahren in der Fertigungstechnik und konkurriert unter bestimmten Voraussetzungen insbesondere mit dem Löten und Kleben.

Schweißen kann neben dem Zweck des Fügens auch andere Zwecke erfüllen. Laut Einteilung nach DIN Normen darunter beispielsweise auch das Beschichten durch Schweißen (5.5).

Technische Anforderungen an Bauteile steigen permanent, auch und insbesondere Bauteiloberflächen müssen auf neue Anwendungsfelder abgestimmt und an steigende Anforderungen angepasst werden. Weder Konstruktions- noch Funktionswerkstoffe können allen Oberflächen-Anforderungen alleine gerecht werden. Im Fokus der Bemühungen für den technologischen Fortschritt stehen Beschichtungen, welche speziellen Anforderungen gerecht werden und oftmals simultan mehrere Funktionen erfüllen.

Beschichtungen sind als ergänzende Fertigungsverfahren zu sehen, welche einen Konstruktionswerkstoff um Eigenschaften ergänzt und/oder negative Eigenschaften ausgleicht. Die Beschichtung ist die abtrennende Grenze zwischen Konstruktionswerkstoff und der Umwelt.

Beschichten ist ein Fertigungsverfahren durch Aufbringen einer haftenden Schicht aus formlosen Stoff auf der Werkstückoberfläche, näher definiert durch die DIN 8580. Beschichtungen erhöhen die Anwendungsmöglichkeiten von Werkstücken durch Anpassung der Werkstoffoberfläche an die einsatzbedingten Anforderungen. Dabei können Beschichtungen hauchdünn (kleiner als 1μm) oder auch sehr dick sein. In der technologischen Evolution steht die Menschheit sehr wahrscheinlich noch am Anfang des Möglichen. Die Nanotechnologie wird zukünftig entscheidende Beiträge zu Beschichtungsverfahren leisten und nahezu grenzenlose Möglichkeiten schaffen.

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Kleben ist ein stoffschlüssiges Fügeverfahren und gehört damit in die Hauptgruppe Fügen der DIN 8580. Die Verbindung der Werkstoffe der Fügeteile wird über einen zugegebenen Werkstoff – der Klebstoff – geschaffen. Die fügende Verbindung entsteht durch den Klebstoff und physikalische und chemische Wechselwirkungen, durch welche der Klebstoff aushärtet und die Fügeteile zusammenhält.

In einigen Anwendungsgebieten konkurriert das Fügen durch Kleben mit dem Fügen durch Schweißen. In den letzten Jahren konnte sich in manchen Fällen das Kleben jedoch gegenüber dem Schweißen durchsetzen.

Klebstoffe sind vor dem eigentlichen Fügen im flüssigen Aggregatzustand. Physikalische/chemische Prozesse, welche durch unterschiedliche Auslösemechanismen geschehen, sorgen für eine Umwandlung in feste Zustände (Aushärtung).

Konkret einzuleitende Auslösemechanismen kennen die Reaktionsklebstoffe (Epoxidharze, Acrylat, Cyanacrylat und Polyurethan Klebstoffe), welche als Monomere appliziert werden und bei Vermischung chemisch reagieren. Bekanntestes Beispiel sind die Epoxidharze (Zweikomponentenkleber).

Monomer A + Monomer B -> Polymer AB

Andere Klebstoffe binden sich physikalisch bereits beim Hersteller und müssen nur noch aushärten und gegebenenfalls hierfür (z. B. durch Temperatur) unterstützt werden.

Die meisten Klebstoffsysteme haben eine Topfzeit (Zeit der kritischen Aushärtung), nach welcher der Klebstoff nicht mehr verarbeitet werden darf.

Klebstoffe in Natur und Technik

Klebstoff ist eines der ältesten Werkstoffe. Die Menschheit entdeckte die Nutzbarkeit von natürlichen Klebstoffen sehr schnell, um Unterkünfte, Werkzeuge und Waffen zu bauen. Vor etwa 5000 Jahren nutzten Ägypter bereits Leime aus tierischen und pflanzlichen Stoffen. Natürliche Klebstoffe kommen in der Natur in vielfältiger Form vor.

Natürliche Klebstoffformen:

• Pflanzensäfte
• Wachse
• Harze (insbesondere von Nadelbäumen)
• Eiweiße
• Kohlenhydrate

Natürliche Klebstoffe sind nur begrenzt einsatzfähig hinsichtlich Haftung, Lebensdauer, Zerfall und Qualitätsstandard. Die Menschheit hat daher künstliche Klebstoffe entdeckt und für die technische Anwendung nutzbar gemacht. Verbreitete künstliche Klebstoffe sind Silikone, Epoxidharze, Polyarcylate und Polyurethane. Im Bereich der Klebstoffe ist jedoch noch lange kein Ende der Innovation zu erwarten, jährlich werden bestehende Klebstoffe verbessert und neue Klebstoffe entdeckt oder erschaffen.

Heutzutage wird Klebstoff vermehrt benutzt, auch in Anwendungsbereichen mit hohen mechanischen Belastungen, zum Beispiel in der Luftfahrt (der Rumpf vom Airbus A 380 ist zum Teil geklebt) oder im Automobilbau.

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