Einleitung
Das Bolzenschweißen ist eines der wichtigsten Fügeverfahren in der modernen Metallverarbeitung. Es ermöglicht eine schnelle, wirtschaftliche und qualitativ hochwertige Verbindung von Schweißbolzen mit metallischen Grundwerkstoffen. Das Verfahren hat sich in zahlreichen Industriezweigen etabliert – von der Automobilindustrie über den Stahlbau bis hin zum Schiffbau und zur Elektroindustrie.
Der große Vorteil liegt in der hohen Festigkeit der Verbindung bei gleichzeitig minimaler Wärmeeinwirkung auf das Werkstück. Dadurch bleibt das Grundmaterial weitgehend spannungsarm und formstabil. In diesem Artikel werden die Grundlagen, Verfahrenstypen, Anwendungsgebiete, Vorteile, Werkstoffe und Qualitätsanforderungen des Bolzenschweißen ausführlich erklärt.
1. Grundlagen des Bolzenschweißens
1.1 Definition
Bolzenschweißen ist ein lichtbogenbasiertes Fügeverfahren, bei dem ein Bolzen aus Metall mit einer Werkstückoberfläche verschweißt wird. Dabei entsteht eine stoffschlüssige Verbindung, ohne dass zusätzliche Verbindungselemente wie Schrauben, Muttern oder Nieten erforderlich sind.
Der Bolzen dient häufig als Befestigungselement, beispielsweise für elektrische Kontakte, Halterungen, Gewindebolzen oder Verbindungspunkte in Stahlkonstruktionen.
1.2 Prinzip des Verfahrens
Beim Bolzenschweißen wird der Bolzen auf das Werkstück gesetzt, ein Lichtbogen gezündet und das Material sowohl am Bolzenende als auch an der Werkstückoberfläche aufgeschmolzen. Anschließend wird der Bolzen in das Schmelzbad gedrückt, wodurch nach dem Erstarren eine dauerhafte metallische Verbindung entsteht.
Wichtige Parameter sind:
- Schweißstrom und -zeit
- Bolzendurchmesser
- Werkstofftyp
- Schweißposition
- Schutzgas oder keramischer Schutzring
2. Geschichte und Entwicklung
Die Ursprünge des Bolzenschweißens gehen auf die 1930er Jahre zurück. Erste Verfahren wurden in den USA entwickelt, insbesondere für den Schiffbau. Die Technologie wurde bald auch im Stahlhochbau und in der Elektroindustrie eingesetzt.
Mit der Weiterentwicklung der Schweißtechnik und der Halbleitersteuerungen in den 1960er Jahren entstanden immer präzisere Bolzenschweißgeräte. Heute ermöglichen moderne Invertergeräte eine fein dosierte Stromregelung, wodurch auch empfindliche Materialien sicher verschweißt werden können.
3. Hauptverfahren des Bolzenschweißens
Das Bolzenschweißen ist ein Sammelbegriff für mehrere Unterverfahren, die sich hinsichtlich Energiequelle, Schutzmaßnahmen und Bolzengröße unterscheiden. Zu den wichtigsten zählen:
3.1 Hubzündungs-Bolzenschweißen
Dieses Verfahren ist besonders weit verbreitet.
- Der Bolzen wird in einer Halterung (Schweißpistole) positioniert.
- Durch eine kurze Hubbewegung wird der Bolzen angehoben und ein Lichtbogen gezündet.
- Nach dem Aufschmelzen des Materials wird der Bolzen in das Schmelzbad zurückgeführt.
Vorteile:
- Sehr saubere Schweißnaht
- Geringe Spritzerbildung
- Für beschichtete oder lackierte Oberflächen geeignet (nach Anrauen)
Typische Bolzendurchmesser: 3 bis 25 mm
Einsatzbereiche: Stahlbau, Maschinenbau, Behälterbau
3.2 Kurzzeit-Bolzenschweißen
Hierbei handelt es sich um ein Verfahren mit extrem kurzer Schweißzeit (1–3 ms), das bei kleinen Bolzen verwendet wird. Die Energie wird über Kondensatorentladung bereitgestellt.
Merkmale:
- Geringe Wärmeeinflusszone
- Kein Schutzgas oder keramischer Ring erforderlich
- Geeignet für Dünnbleche (ab 0,5 mm)
Einsatzgebiete:
Elektroindustrie, Haushaltsgerätebau, Feinmechanik
3.3 Bolzenschweißen mit keramischem Schutzring
Bei diesem klassischen Verfahren wird um den Bolzen ein keramischer Ring gelegt, der den Schweißbereich schützt und den Lichtbogen stabilisiert. Nach dem Schweißen wird der Ring entfernt.
Vorteile:
- Vermeidung von Sauerstoffeinwirkung
- Formstabile Naht
- Geeignet für größere Bolzendurchmesser (bis 25 mm)
3.4 Bolzenschweißen mit Schutzgas
Statt eines keramischen Rings kann ein Schutzgas (z. B. Argon oder CO₂) eingesetzt werden. Das Verfahren ist besonders für automatisierte Prozesse geeignet.
Vorteile:
- Wiederverwendbare Werkzeuge (kein Verbrauchsmaterial)
- Sauberer Schweißbereich
- Automatisierbar
4. Werkstoffe für das Bolzenschweißen
Beim Bolzenschweißen kommen verschiedene Metallwerkstoffe zum Einsatz. Wichtig ist, dass Bolzen und Grundwerkstoff eine ähnliche chemische Zusammensetzung und Schmelztemperatur besitzen.
Häufig verwendete Materialien:
| Werkstofftyp | Beispiele | Bemerkungen |
|---|---|---|
| Unlegierter Stahl | S235, S355 | Standardwerkstoff im Stahlbau |
| Edelstahl | A2, A4 | Korrosionsbeständig, für Außenbereiche |
| Aluminium | AlMg3, AlSi1 | Erfordert spezielle Stromregelung |
| Kupfer | Cu, CuZn | Für elektrische Kontakte geeignet |
| Messing | CuZn37 | Dekorative Anwendungen |
5. Ausrüstung und technische Komponenten
Ein typisches Bolzenschweißsystem besteht aus:
- Bolzenschweißgerät – liefert Schweißstrom und steuert den Prozess.
- Schweißpistole oder -kopf – hält den Bolzen, führt ihn und regelt den Hub.
- Massekabel – stellt elektrischen Kontakt zum Werkstück her.
- Schutzgasversorgung oder Keramikringe – schützt die Schweißzone.
Moderne Systeme sind oft mikroprozessorgesteuert und verfügen über automatische Überwachung von Strom, Spannung und Zeitparametern.
6. Prozessparameter und Qualitätssicherung
Die Qualität der Schweißverbindung hängt stark von den gewählten Prozessparametern ab.
Wichtige Parameter:
- Schweißstrom (je nach Bolzendurchmesser)
- Schweißzeit
- Hubhöhe
- Anpresskraft
- Schweißatmosphäre
Zur Sicherstellung der Qualität werden folgende Prüfmethoden eingesetzt:
- Visuelle Kontrolle der Schweißnaht
- Biegeprüfung (z. B. 30°-Test)
- Zugversuche
- Rissprüfung mittels Farbeindringverfahren
Normen wie DIN EN ISO 14555 regeln Anforderungen, Prüfverfahren und Qualitätskriterien für das Bolzenschweißen.
7. Automatisiertes und robotergestütztes Bolzenschweißen
Mit dem Fortschritt in der Industrieautomation wird das Bolzenschweißen zunehmend in robotergestützte Produktionslinien integriert.
Vorteile der Automatisierung:
- Konstante Schweißqualität
- Hohe Produktivität
- Reduzierte Fertigungskosten
- Rückverfolgbarkeit durch digitale Prozessdaten
Besonders in der Automobilproduktion oder bei der Herstellung von Schaltschränken kommen automatisierte Anlagen zum Einsatz.
8. Vorteile des Bolzenschweißens
Das Verfahren bietet eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber anderen Fügemethoden:
- Schnelligkeit: Ein Schweißvorgang dauert nur wenige Millisekunden bis Sekunden.
- Festigkeit: Die Verbindung erreicht nahezu Grundmaterialfestigkeit.
- Wirtschaftlichkeit: Kein Bohren, Gewindeschneiden oder Schrauben notwendig.
- Sauberkeit: Kein Zusatzmaterial erforderlich.
- Vielseitigkeit: Für viele Metalle und Werkstoffkombinationen geeignet.
- Oberflächenfreundlich: Nur minimale thermische Verformung.
- Automatisierbarkeit: Einfach in Fertigungslinien integrierbar.