mini|hochkant=2.0|Verfahrensprinzip mini|hochkant=2.0|Gasschmelzschweißen. Links im Bild der Brenner, rechts der Zusatzwerkstoff. Der Stern besteht aus abspritzenden Schweißperlen. Das Gasschmelzschweißen oder Autogenschweißen ist ein Schweißverfahren aus der Gruppe des Schmelzschweißens. Als Wärmequelle dient dabei die Flamme eines Autogenschweißgerätes, die auch die Schmelze gegen Sauerstoff und somit gegen Oxidation schützt. Es ist eines der einfachsten und ältesten Schweißverfahren, wird aber wegen der relativ hohen Betriebskosten bzw. der geringen Produktivität nur noch selten genutzt. Insbesondere im Handwerk und auf Baustellen ist es wegen der geringen Anschaffungskosten der benötigten Geräte und der hohen Flexibilität im Einsatz. Es ist eng verwandt mit dem Autogenen Brennschneiden, sowohl hinsichtlich des Verfahrensprinzips als auch der Ausrüstung.
Der Brenner wird genutzt, um die zu verbindenden Werkstücke an den Fügestellen zu schmelzen. Außerdem wird meist Zusatzwerkstoff in Form von Schweißstäben in die Flamme gehalten und geschmolzen. Auch das Aufbringen einer Schicht (Auftragschweißen) ist möglich.
Anwendungen, Vor- und Nachteile Das Autogenschweißen wird genutzt zum Schweißen von Blechen, Karosserien, Kesseln, Rohren und Apparaten sowie zum Auftragschweißen. Bei letzterem sind sehr geringe Aufschmelzgrade von 10 % bis 5 % möglich. Die Wärmeleistung der Flamme ist relativ gering gegenüber anderen Schweißverfahren, was das Autogenschweißen langsam und unproduktiv macht. Die geringe Leistung ist jedoch bei dünnen Blechen von Vorteil. Bei Blechdicken ab 8 mm sind andere Verfahren wirtschaftlicher. Da der Zusatzwerkstoff getrennt von der Flammleistung zugeführt wird, ist es jedoch sehr flexibel. Außerdem sind die Anschaffungskosten für die benötigte Ausrüstung gering. Bauteile in Zwangslage können sehr gut geschweißt werden und es ist auch für schwer zugängliche Stellen geeignet. Im Gegensatz zu den meisten anderen Schweißverfahren wird keine elektrische Energiequelle benötigt. Die eingebrachten Eigenspannungen sind gering, die Wärmeeinflusszone aber groß. Daher kommt es zu relativ starkem Verzug des Bauteils und einer Vergröberung des Korns im Werkstoff, die zu geringeren Festigkeiten führt. Angewendet wird das Autogenschweißen daher insbesondere im Handwerk und auf Baustellen. Es ist eines der ältesten und einfachsten Schweißverfahren, hat aber nur noch geringe Bedeutung wegen der geringen Wirtschaftlichkeit.Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 11. Auflage. Springer, 2015, S. 142, 146 f.Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 – Schweiß- und Schneidtechnologien. 3. Auflage. Springer, S. 1.
Verfahrensprinzip Wie bei allen Schmelzschweißverfahren wird der Grundwerkstoff, also der Werkstoff der zu verbindenden Bauteile, an den Fügestellen aufgeschmolzen. Häufig wird noch ein Zusatzwerkstoff verwendet, der ebenfalls aufgeschmolzen wird und in der Fuge zwischen den beiden zu verbindenden Bauteilen erstarrt. Beim Autogenschweißen dient als Wärmequelle eine Flamme. Die Zufuhr des Zusatzwerkstoffes, meist in Form von Stäben, erfolgt unabhängig davon, während bei vielen anderen Schweißverfahren der Zusatzwerkstoff über den Brenner zugeführt wird. Beim Autogenschweißen kann der Schweißer daher die Zufuhr von Wärme und Zusatzwerkstoff leicht verändern und an die konkreten Erfordernisse anpassen.
Die Flamme dient nicht nur als Wärmequelle zum Schmelzen der Werkstoffe, sondern auch als Schutz der Schmelze vor unerwünschten Gasen. Im Brenner verbrennt das Brenngas üblicherweise nur unvollständig. Der Sauerstoff, der zur weiteren Verbrennung benötigt wird, wird der Umgebung entnommen, sodass dieser die Schmelze nicht mehr oxidieren kann. Daher stammt auch die Bezeichnung Autogenschweißen, da der Prozess autogen, also selbsttätig abläuft. Bei anderen Schmelzschweißverfahren sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich um die Oxidation der Schmelze zu verhindern, beispielsweise Schutzgase beim Schutzgasschweißen, die Ummantelung der Drähte beim Lichtbogenhandschweißen oder das Pulver beim Unterpulverschweißen.Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 11. Auflage. Springer, 2015, S. 142.
Verwendete Gase Zum Einsatz kommen Brenngase und Sauerstoff.
Brenngase Grundsätzlich können alle Brenngase genutzt werden, darunter Methan, Propan, Wasserstoff oder Erdgas.Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung. 5. Auflage. Springer, 2014, S. 8.Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 – Schweiß- und Schneidtechnologien. 3. Auflage. Springer, S. 2. Fast immer wird jedoch Acetylen (chemisch Ethin, C2H2) genutzt, wegen der hohen Flammleistung, sowie der hohen Flammtemperatur von bis zu 3200 °C.
Acetylen wird in speziellen Acetylenflaschen aufbewahrt. Eine 40-Liter-Acetylenflasche enthält dabei in der Regel 8 kg Acetylen, was einem Volumen von etwa 7 m3 unter Normaldruck entspricht. Bei höheren Drücken und Temperaturen ab 300 °C neigt es zum Zerfall (Explosion).Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung. 5. Auflage. Springer, 2014, S. 8 f.Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 11. Auflage. Springer, 2015, S. 143 f. Sachgemäßer Umgang mit den Acetylenflaschen ist daher von besonderer sicherheitstechnischer Bedeutung: Durch falschen Umgang kommt es immer wieder zu Todesfällen.Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 – Schweiß- und Schneidtechnologien. 3. Auflage. Springer, S. 9 f.
Sauerstoff Sauerstoff wird zur Benutzung auf Baustellen ebenfalls in Flaschen gefüllt. Es sind jedoch wesentlich höhere Drücke von 200 bis 300 bar möglich, sodass eine einzelne Flasche deutlich mehr Volumen speichern kann als die Acetylenflaschen. In Betrieben mit größerem Bedarf ab etwa 3000 m³ wird auch eine flüssige Lagerung und Kaltvergasung genutzt.Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung. 5. Auflage. Springer, 2014, S. 9 f.Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 – Schweiß- und Schneidtechnologien. 3. Auflage. Springer, S. 1 f.
Einstellen der Flamme mini|Schematische Darstellung der neutralen Flamme: a) Kaltzone/Flammkern, b) Arbeitszone heißeste Stelle c) Streuflamme
Bei der Flamme werden drei Varianten unterschieden:Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 11. Auflage. Springer, 2015, S. 143. Bei der aufkohlenden Flamme wird nur wenig Sauerstoff zugeführt und bei der Verbrennung entsteht Kohlenstoff, der insbesondere beim Schweißen von Eisenwerkstoffen in den Werkstoff gelangen kann. Bei Stahl ist dies unerwünscht und führt zur Versprödung. Der Kohlenstoff senkt die Schmelztemperatur und führt zu einer dünnflüssigen Schmelze, die in der Naht durchhängt. Die aufkohlende Flamme entzieht der Umgebung jedoch sehr viel Sauerstoff, sodass der Schutz der Schmelze vor Oxidation sehr gut ist. Sie wird genutzt zum Schweißen von Gusseisen, zum Auftragschweißen und zum Hartlöten. Bei der neutralen Flamme mit ausgewogenem Verhältnis von Sauerstoff zu Brenngas entsteht kein Kohlenstoff mehr. Der aus dem Brenner zugeführte Sauerstoff reicht jedoch nicht aus, um das Brenngas vollständig zu verbrennen. Es entzieht der Umgebung daher Sauerstoff und schützt damit die Schmelze vor Oxidation Bei der oxidierenden Flamme liegt ein Überschuss an Sauerstoff vor. Das Brenngas wird vollständig verbrannt, aber die Schmelze ist nicht mehr vor Oxidation geschützt.
Neutrale Flamme Bei der neutralen Flamme erfolgt die Verbrennung von Acetylen (C2H2) in einem dreistufigen Prozess. In der ersten Stufe, die in der Kaltzone abläuft, wird das Acetylen wegen der dortigen Hitze von 400 °C gespalten und reagiert anschließend mit dem Sauerstoff zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff.
Das Verhältnis aus Brenngas zu Sauerstoff beträgt daher 1:1. In der Praxis wird ein leichter Sauerstoffüberschuss eingestellt mit einem Verhältnis von bis zu 1:1,2.Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung. 5. Auflage. Springer, 2014, S. 13.
Die dabei entstehenden Produkte werden in der Streuflamme weiter oxidiert, wobei der dafür nötige Sauerstoff aus der Umgebungsluft entnommen wird und somit nicht mehr die Schmelze erreicht.
Die Gase wurden damit vollständig verbrannt. Die heißeste Stelle der Flamme liegt in der Kernflamme, etwa 2 bis 4 mm vor dem Flammkegel. Deshalb wird dieser Bereich zum Schweißen genutzt.
Wird die Kernflamme in die Schmelze getaucht,Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 11. Auflage. Springer, 2015, S. 142 f. dann nimmt diese die Gase auf: Der Kohlenstoff führt zu einer Versprödung, der Wasserstoff bleibt bei schneller Abkühlung als Porosität zurück, und durch den einströmenden Sauerstoff verbrennen erwünschte Legierungselemente (beim Schweißen von legiertem Stahl).
Oxidierende Flamme Bei einem Sauerstoffüberschuss ergibt sich eine oxidierende Flamme. Sie ist kurz, hart und bläulich-violett (bei Acetylen) mit einem spitzen Flammkegel. Bereits in der ersten Stufe wird das Acetylen vollständig verbrannt:
Da mehr Energie frei wird, ist die Flamme heißer, es fehlt aber der Schutz der Schmelze gegen Oxidation. Beim Schweißen von Stählen ergibt sich eine raue Nahtoberfläche, die leicht oxidiert ist. Außerdem sind Einschlüsse von Schlacke enthalten. Sie wird zum Schweißen von Messing genutzt.Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung. 5. Auflage. Springer, 2014, S. 14.
Aufkohlende Flamme Bei einem Sauerstoffmangel ergibt sich eine aufkohlende Flamme. Der Sauerstoff reicht dann nicht aus, um den gesamten Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid zu verbrennen. In der Ersten Stufe wird in der Hitze Acetylen gespalten in reinen Kohlenstoff und Wasserstoff:
Der Kohlenstoff kann in den Werkstoff gelangen, was vor allem bei Gusseisen erwünscht ist.Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung. 5. Auflage. Springer, 2014, S. 5.Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 11. Auflage. Springer, 2015, S. 142.
Einstellen der Flammleistung Die durch die Flamme eingebrachte Wärme kann auf verschiedene Arten reguliert werden:Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 – Schweiß- und Schneidtechnologien. 3. Auflage. Springer, S. 7. Wahl des Schweißeinsatzes. Dies ist der Vordere Teil des Schweißbrenners, der in verschiedenen Größen vorhanden ist. Sie werden üblicherweise nach der Blechdicke ausgewählt. Zum Beispiel ist Größe 1 für (Stahl-)Bleche mit Dicken von 0,5 bis 1 mm, Größe 6 für 9 bis 14 mm. Beim Schweißen von Aluminium müssen die Schweißeinsätze zwei Größen höher gewählt werden, da Aluminiumwerkstoffe eine größere Wärmeleitfähigkeit haben als Stahl. Die Ausströmgeschwindigkeit der Gase. Sie liegt meist im Bereich von 80 m/s (weiche Flamme) bis 160 m/s (harte Flamme) Anpassung der Arbeitstechnik. Je nachdem, ob die Flamme direkt auf die Arbeitsstelle gehalten wird oder nur in die Nähe, ergibt sich ein unterschiedlicher Wärmeeintrag.
Ausrüstung und Betriebsmittel
Als Betriebsmittel werden Schweißbrenner benötigt, sowie an den Flaschen Ventile, Sicherungen und Schläuche.Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung. 5. Auflage. Springer, 2014, S. 10–15.
Schweißbrenner mini|links|Eine Brennschneiddüse zum Brennschneiden|alternativtext=
Die Schweißbrenner bestehen aus einer Düse, einem Griffstück und der Zuführung der Gase.
Armaturen