Was sind fortschrittliche Schweißtechnologien?
Die Entwicklung von Wissenschaft und Technik hat den kontinuierlichen Fortschritt in der Schweißtechnik vorangetrieben und zur Entstehung neuer Schweißverfahren geführt. Fortschrittliche Schweißtechnologien bezeichnen Fügeverfahren, die über konventionelle Verfahren (wie Lichtbogenhandschweißen, Unterpulverschweißen und konventionelles Metall-Schutzgasschweißen) hinausgehen. Die Entwicklung und Erforschung dieser fortschrittlichen Schweißverfahren resultiert aus der interdisziplinären Integration. Beispiele für fortschrittliche Schweißtechnologien sind Hochenergie-Strahlschweißen, Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen und Vakuumdiffusionsschweißen.RoboterschweißenSie finden Anwendung in der Elektronik, der Energiebranche, der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, der Nuklearindustrie und anderen Sektoren. Sie spielen eine entscheidende und unersetzliche Rolle beim Schweißen spezieller Werkstoffe und Strukturen und fördern so den sozialen und technologischen Fortschritt.
Das Schweißen von Hochleistungswerkstoffen ist eng mit der Entwicklung von Spitzentechnologien verbunden und erfüllt einzigartige und unersetzliche Funktionen. Nach der rasanten Entwicklung im 20. Jahrhundert hat sich die Schweißtechnik als wichtiges Bindeglied der modernen Industrie im 21. Jahrhundert zu einem ausgereiften System entwickelt und den Wandel von der manuellen Fertigung hin zu mechanisierter, automatisierter, informationsbasierter und intelligenter Produktion vollzogen. Dies markiert den Beginn einer neuen Ära in der Schweißwissenschaft und -technik.
(1) Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen
Die Hochenergie-Strahlbearbeitungstechnologie wird als die vielversprechendste Bearbeitungstechnologie des 21. Jahrhunderts gefeiert, von der man sich erhofft, dass sie „revolutionäre Veränderungen in der Materialbearbeitung und Fertigungstechnologie mit sich bringt“, und ist derzeit das am schnellsten wachsende und am intensivsten erforschte technische Gebiet.
Die Entwicklung vonSchweißgeräteDer Begriff „Großserienfertigung“ hat zwei Bedeutungen: Zum einen die Steigerung der Anlagenleistung, zum anderen die Vergrößerung der mit den Anlagen zu verschweißenden Teile. Aufgrund der hohen Investitionskosten für moderne Schweißanlagen, insbesondere Laser- und Elektronenstrahlschweißanlagen, können höhere Leistung, verbesserte Einbrandtiefe und höhere Stabilität des Schweißprozesses die Schweißkosten senken und somit die Industrie ansprechen. Daher hat die laserbasierte Hybrid-Schweißtechnologie an Bedeutung gewonnen. Tatsächlich wurde das Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen bereits in den 1970er-Jahren vorgeschlagen, doch stabile industrielle Anwendungen entstanden erst in den letzten Jahren. Dies ist vor allem der Weiterentwicklung der Lasertechnologie und der Lichtbogenschweißanlagen zu verdanken, insbesondere der Verbesserung der Laserleistung und der Lichtbogensteuerung. Beim Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen wird der Laser hauptsächlich mit dem Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG), dem Plasma-Lichtbogen und dem aktiven Lichtbogen kombiniert. Durch die Wechselwirkung von Laser und Lichtbogen werden die Nachteile der einzelnen Schweißverfahren überwunden, was zu einem guten Hybrid-Effekt führt.
Das Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen verbessert die Schweißeffizienz deutlich, hauptsächlich aufgrund zweier Effekte: Erstens führt die hohe Energiedichte zu einer höheren Schweißgeschwindigkeit und geringeren Wärmeverlusten am Werkstück; zweitens verstärkt sich der Effekt der Wechselwirkung beider Wärmequellen. Beim Stahlschweißen stabilisiert das Laserplasma den Lichtbogen; gleichzeitig dringt der Lichtbogen in das Keyhole des Schmelzbades ein, wodurch Energieverluste reduziert werden. Die Kombination von Laser und WIG kann die Schweißgeschwindigkeit deutlich erhöhen, etwa auf das Doppelte der reinen WIG-Schweißgeschwindigkeit. Der Verschleiß der Wolframelektrode wird ebenfalls stark reduziert, was ihre Lebensdauer erhöht; der Nahtwinkel kann deutlich verringert werden, und die Schweißnahtquerschnittsfläche ist vergleichbar mit der beim Laserschweißen. Im Vergleich zum Laser-Einfachlichtbogen-Hybridschweißen kann das Laser-Doppellichtbogen-Hybridschweißen den Wärmeeintrag um 25 % reduzieren und die Schweißgeschwindigkeit um etwa 30 % steigern.
Die Hauptvorteile des Laser-Lichtbogen- (oder Plasma-Lichtbogen-)Hybridschweißens liegen in der höheren Schweißgeschwindigkeit und größeren Einbrandtiefe. Durch die Lichtbogenerhitzung steigt die Metalltemperatur, wodurch die Reflexion des Metalls gegenüber dem Laserstrahl sinkt und die Absorption der Lichtenergie zunimmt. Dieses Verfahren wurde sowohl beim CO₂-Laserschweißen mit niedriger Leistung als auch beim 12-kW-CO₂-Laserschweißen und beim 2-kW-YAG-Laserschweißen mit Glasfaserübertragung erprobt und legte damit den Grundstein für das robotergestützte Laser-Lichtbogen- (oder Plasma-Lichtbogen-)Hybridschweißen. In den letzten Jahren hat die aus dem Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen hervorgegangene Hybridschweißtechnologie bedeutende Fortschritte erzielt, und ihre Anwendung bei komplexen Bauteilen in der Luft- und Raumfahrt, im Militärbereich und anderen Branchen findet zunehmend Beachtung. Aktuell zählt die Hybridschweißtechnologie, die Hochenergie-Laserstrahlen mit verschiedenen Lichtbögen kombiniert, zu den wichtigsten Forschungsgebieten im Bereich des Hochenergie-Strahlschweißens.
(2) Reibrührschweißen
Das Reibrührschweißen (FSW) ist eine patentierte Schweißtechnologie, die Anfang der 1990er Jahre vom Welding Institute (TWI) des Vereinigten Königreichs entwickelt wurde. Sie ermöglicht das Schweißen von Nichteisenmetallen, die mit herkömmlichen Schmelzschweißverfahren schwer zu schweißen sind.
Das Rührreibschweißen bietet Vorteile wie ein einfaches Fügeverfahren, feines Schweißkorn, gute Dauerfestigkeit, Zugfestigkeit und Biegefestigkeit, den Verzicht auf Schweißdrähte und Schutzgase, keine Lichtbogenbildung sowie geringe Eigenspannungen und Verformungen nach dem Schweißen. Es wird in der Luft- und Raumfahrtindustrie entwickelter Länder Europas und Amerikas eingesetzt und hat sich beim Schweißen dünnwandiger Druckbehälter aus Aluminiumlegierungen bei niedrigen Temperaturen bewährt. Dabei werden Stumpfstoßverbindungen von Längs- und Umfangsschweißnähten realisiert. Diese Technologie findet Anwendung im neuen Fahrzeugbau sowie in der Luft- und Raumfahrt, im Transportwesen, in der Automobilindustrie und weiteren Industriezweigen.
(3) Vakuumdiffusionsschweißen
Die kontinuierliche Entwicklung fortschrittlicher Werkstoffe stellt Fügetechnologien vor neue Herausforderungen. Das Fügen vieler neuer Materialien, wie z. B. hitzebeständiger Legierungen, Hightech-Keramiken, intermetallischer Verbindungen und Verbundwerkstoffe, insbesondere das Fügen ungleicher Werkstoffe, ist mit konventionellen Schmelzschweißverfahren schwierig. Daher haben sich Festphasendiffusionsschweißen und andere Technologien etabliert. Beispielsweise wurde die superplastische Umform-Diffusionsschweißtechnologie erfolgreich bei Titanlegierungs-Wabenstrukturen für Flugzeuge eingesetzt. Keramik und Metalle lassen sich durch Diffusionsschweißen verbinden; die Anwendung der transienten Flüssigphasendiffusionsschweißtechnologie hat viele schwierige Fügeprobleme harter Werkstoffe gelöst, die mit herkömmlichen Verfahren nicht zu bewältigen waren.Schmelzschweißenin der Vergangenheit.
Festkörperfügeverfahren lassen sich in zwei Kategorien unterteilen. Die erste Kategorie umfasst Fügeverfahren mit niedriger Temperatur, hohem Druck und kurzer Fügezeit, die durch lokale plastische Verformung einen engen Kontakt der Werkstückoberfläche und das Aufbrechen der Oxidschicht fördern. Die plastische Verformung ist der dominierende Faktor bei der Verbindungsbildung. Zu diesen Fügeverfahren gehören:ReibschweißenExplosionsschweißen, Kaltpressschweißen und Heißpressschweißen werden üblicherweise als Druckschweißen bezeichnet. Ein weiteres Verfahren ist das Diffusionsschweißen, das bei hoher Temperatur, niedrigem Druck und relativ langer Zeit durchgeführt wird, in der Regel unter Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum. Bei diesem Fügeverfahren tritt nur eine minimale plastische Verformung auf, und die Grenzflächendiffusion ist der dominierende Faktor für die Verbindungsbildung. Zu diesen Fügeverfahren zählen insbesondere Diffusionsschweißen wie Vakuumdiffusionsschweißen, Diffusionsschweißen in transienter flüssiger Phase, Heißisostatisches Pressdiffusionsschweißen und Superplastisches Umformen-Diffusionsschweißen.
Neben der ständigen Entwicklung fortschrittlicher Schweißverfahren und neuer Prozesse (die oben genannten Beispiele verdeutlichen dies nur) verbessert sich auch der Mechanisierungsgrad und die Automatisierung verschiedener Schweißverfahren kontinuierlich. Fortschritte in der Elektronik, Sensorik, Computertechnik und Steuerungstechnik haben die Entwicklung der Schweißtechnik maßgeblich vorangetrieben und die Schweißautomatisierung hin zu intelligenter Steuerung geführt. Insbesondere die großflächige Einführung von Schweißrobotern hat die traditionelle, starre Automatisierung des Schweißens aufgebrochen, einen neuen, flexiblen Automatisierungsmodus eröffnet und der Schweißtechnologie ein breiteres Entwicklungsfeld eröffnet. Schweißen ist zu einem unverzichtbaren Bearbeitungsverfahren in der modernen Fertigung geworden. Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technik sowie der sozioökonomischen Entwicklung werden sich die Anwendungsbereiche fortschrittlicher Schweiß- und Fügeverfahren weiter ausdehnen.
(4) Automatisiertes und intelligentes Schweißen
Mechanisierung und Automatisierung sind wichtige Mittel zur Steigerung der Schweißproduktivität, zur Sicherstellung der Produktqualität und zur Verbesserung der Arbeitsbedingungen. Die Automatisierung der Schweißproduktion ist die zukünftige Entwicklungsrichtung der Schweißtechnik. Die Verbesserung der Effizienz und Qualität der Schweißproduktion stößt jedoch allein aus Sicht der Schweißprozesse an ihre Grenzen. Schweiß- und Fügeverfahren wie Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißen und Rührreibschweißen stellen hohe Anforderungen an die Nahtgeometrie und die Montagequalität. Nach dem automatisierten Schweißen ist die gesamte Schweißkonstruktion sauber, präzise und ästhetisch ansprechend, wodurch die in der Vergangenheit in Schweißwerkstätten üblichen Nachteile manueller Bearbeitung überwunden werden.
Als eines der wichtigsten Symbole für die Entwicklung moderner Fertigungstechnologien und einer aufstrebenden Technologiebranche haben Roboter einen bedeutenden Einfluss auf verschiedene Bereiche der Hightech-Industrie. Die Komplexität von Schweißprozessen und die hohen Anforderungen an die Schweißqualität, gepaart mit dem oft unzureichenden Niveau der Schweißtechnik und den oft schwierigen Arbeitsbedingungen, führen dazu, dass automatisierte und intelligente Schweißverfahren besondere Beachtung finden. Weltweit werden derzeit 30 bis 40 % der Roboter in der Schweißtechnik eingesetzt. Schweißroboter wurden zunächst hauptsächlich in Punktschweißanlagen der Automobilindustrie verwendet und finden seit einigen Jahren zunehmend auch in anderen Produktionsbereichen Anwendung.
Der erste Entwicklungsschwerpunkt vonintelligentes SchweißenDas Bildverarbeitungssystem ist entscheidend. Aktuell entwickelte Bildverarbeitungssysteme ermöglichen es Robotern, die Schweißbrennerbewegung während des Schweißvorgangs automatisch an spezifische Bedingungen anzupassen, und einige können die Prozessparameter zeitnah an die Nutgröße anpassen.
Veröffentlichungsdatum: 20. August 2025
