Bolzenschweiẞen: Alles was Sie wissen müssen

Was – Wie – Worauf - Womit - 12 Fragen – 12 Antworten - die wichtigsten Themenblöcke geben Dir dazu schnell, kompakt und leicht verständlich einen informativen Einblick zum Thema Bolzenschweißens.

• Du willst eine Schraube oder einen Bolzen auf einem Blech befestigen und hast keine Idee?
• Du willst beim Schweißen Zeit und Geld sparen und die Schweißstelle soll nicht zu sehen sein?
  -> „Bolzenschweißen schafft unsichtbare Verbindungen“
• Bolzenschweißen? Wie geht das eigentlich und was brauche ich dazu?
• Was kann man eigentlich alles mit Bolzenschweißen fügen?
• Du weißt nicht welches Verfahren Deine Aufgabe am besten löst?
• Du willst wissen wie fest die Schweißverbindung ist?
• Du willst nicht viel Zeit und Aufwand in eine aufwendige Schweißerprüfung investieren – Bolzenschweißen kann jeder – Verfahren und Gerätetechnik sind schnell erlernbar und einfach zu beherrschen…
• Zeit ist Geld – aber wie lange dauert eigentlich der Schweißvorgang?
• Schweißbolzen? Welche Abmessungen und Formen gibt es da für meine Anwendung?

Du suchst nach neuen Wegen in Deiner Fertigung, benötigst mehr Effektivität und Effizienz in Deiner Produktion und brauchst eine hohe Qualität der Schweißverbindung? Wir bieten Dir für Deine Anwendung dazu die Lösungen – Schweißprozess – Schweißelement und Gerätetechnik.

Das Lichtbogen-Bolzenschweißen („Bolzenschweißen“) eignet sich als besonders wirtschaftliches Schweißverfahren für das Fügen von stiftförmigen metallischen Teilen (Bolzen / Schweißbolzen / Schweißelement) mit metallischen Werkstücken, wie Blechen, Profilen und Rohren. Täglich werden in vielen Bereichen der metallverarbeitenden Industrie Millionen von Schweißbolzen mit Bolzenschweißverfahren gefügt. Dabei hat die einfache Handhabung der Gerätetechnik einen nicht unwesentlichen Anteil an der Verbreitung des Bolzenschweißens. Entscheidend sind jedoch die konstruktiven und wirtschaftlichen Vorteile (siehe Tabelle 1) für die Verbindung „Schraube auf Blech“ gegenüber anderen Schweiß- und Befestigungsverfahren wie:

• Metall-Schutzgasschweißverfahren (MIG/MAG/WIG)
• Clinchen / Nieten
• Kleben

Bolzenschweißen ist damit in vielen Bereichen die ökonomischste Verbindungstechnik zum Befestigen von schrauben- oder stiftförmigen Bauteilen und oft die einzig technische Lösung zum Fügen von Verbindungselementen auf dünnen Blechen.

Bolzenschweißen kann überall im Metallbau und der metallverarbeitenden Industrie eingesetzt werden und hat sich seit Jahrzehnten bewährt, um Gewindebolzen, Innengewindebuchsen oder Stifte sicher und kostengünstig auf Blech zu befestigen - „Bolzenschweißen schafft unsichtbare Verbindungen“.

Der Anwendungsbereich erstreckt sich vom Stahl-, Brücken-, Verbund- und Fassadenbau über den Kraftwerks- und Industrieofenbau, den allgemeinen Maschinen- und Apparatebau, den Fahrzeug- und Schiffsbau, den Kessel-, Behälter- und Anlagenbau bis zur Haushalts- und Elektroindustrie.

Anwendungsbereiche im Metallbau

• Gehäuse-, Apparate- und Schaltschrankbau
• Elektroindustrie
• Warenautomaten (Getränke- und Zigarettenautomaten)
• Haushaltsgeräte, Großküchen, Lebensmittelindustrie
• Labor- und Medizintechnik
• Beschläge
• Fassadenbau
• Isoliertechnik (Klimaisolierung)
• „unbeschädigte Blechrückseite“
• Fahrzeugbau
• Türen-, Fenster und Fassadenbau
• Stahlbau
• Labor- und Medizintechnik
• Schiffbau
• thermische Isolierung

Definition

Unter Bolzenschweißen versteht man das Verbinden von stiftförmigen Teilen (Bolzen) mit flächigen Werkstücken durch einen Lichtbogen und unter Anwendung einer Presskraft. Das Vereinigen der Fügezonen erfolgt im flüssigen Zustand der Schweißzone. Es wird kein Zusatzwerkstoff verwendet.

Beim Bolzenschweißen wird zwischen einer Stirnfläche des Bolzens und dem Werkstück ein Lichtbogen gezündet. Beide Fügepartner werden dabei angeschmolzen und anschließend unter geringem Anpressdruck gefügt. Der Vorgang des Bolzenschweißens dauert meist weniger als eine Sekunde.

Das Bolzenschweißen kann für runde, aber auch rechteckige Querschnittsformen verwendet werden. Neben den vielfach verwendeten und in der DIN EN ISO 13918 genormten Bolzen finden sich in den unterschiedlichen metallverarbeitenden Branchen eine große Anzahl von Schweißelementen nach kundenspezifischen oder Werksnormen.

• eine spezielle (Schweiß-)Stromquelle -> Leistungseinheit
  In die Stromquelle ist die Steuerung zur Bereitstellung der Schweißenergie und Koordinierung der Bewegungsvorrichtung implementiert.
• eine spezielle Bewegungsvorrichtung -> Schweißpistole oder Schweißkopf
• Schweißstromkabel und Anschlussklemmen
• Bolzenhalter zur Aufnahme des Bolzens
• Schweißelement -> Bolzen
• technisches Zubehör (z.B. Stativ, Schutzgas oder Keramikringe)

Gerätetechnik und Verfahren sind leicht zu beherrschen

Der Prozess läuft automatisch ab. Es gibt in dem Sinne keinen „Schweißer“, sondern einen Bediener. Der Bediener hat keinen unmittelbaren Einfluss auf den Schweißablauf, wie etwa beim Elektroden-Hand- und MSG-Schweißen.

Wie bei allen Füge- und Schweißverfahren wird auch beim Lichtbogen-Bolzenschweißen das Erzielen einer ausreichenden Fügequalität von einer Vielzahl von Parametern beeinflusst. Es kommt daher neben einer gewissen Handfertigkeit und Ausbildung des Bedieners auf einen einwandfreien Prozessablauf und die Berücksichtigung der Schweißaufgabe an.

Zur Lösung der kundenspezifischen Schweißaufgabe „Bolzen auf Blech“ wird ein umfangreiches Sortiment an Bolzenschweißgeräten angeboten. Das Angebot reicht von einfachen, manuellen Geräten mit Bolzenschweißpistolen bis zu umfassenden CNC-Bolzenschweißanlagen.

Eine bestmögliche Basis zur Sicherstellung des Prozesses, der Qualität des geschweißten Produktes ist gegeben, wenn eine Systemlösung „Prozessverantwortung / Qualität = Gerätetechnik + Schweißelement“ durch den Lieferanten angeboten werden kann. Bei Fragen oder Problemen gibt es also nur einen Ansprechpartner für die qualitätsbeeinflussenden Kriterien Gerätetechnik und Schweißelement.

Die Produkthaftung der Hersteller kann sich aber nur auf die gelieferten Geräte und / oder Bolzen beziehen, nicht aber auf die Qualität des geschweißten Produktes (Bolzen auf Blech). Diese wird während des kundenspezifischen Schweißvorgangs von vielen Einflussfaktoren bestimmt.

In Abhängigkeit der Wärmeeinbringung haben sich verschiedene Verfahren und Prozessvarianten mit unterschiedlicher Bedeutung entwickelt. Die verschiedenen Verfahren des Lichtbogen-Bolzenschweißens können unterschieden werden nach:

Art der Lichtbogenzündung

• Bolzenschweißen mit Spitzenzündung
• Bolzenschweißen mit Hubzündung

Beide Verfahren unterscheiden sich in der Zündgeometrie der Bolzen, dem Verfahrensablauf, der Gerätetechnik und (teilweise) im Anwendungsgebiet Beide Verfahren verwenden Gleichstrom – aber unterschiedliche Energiequellen, siehe
Abbildung 2.

Art der verwendeten Energiequelle

• Kondensatorentladung
• Trafo / Gleichrichter, Inverter

der Länge der Schweißzeit

• ca. 1 - 3 ms -> Spitzenzündung
• ca. 5 - 100 ms -> Kurzzeithubzündung (Short-Cycle)
• > 100 ms -> Hubzündung

oder dem verwendeten Schweißbadschutz

• ohne Schweißbadschutz (NP – No Protection)
• mit Schutzgas (SG – Shielding Gas)
• mit Keramikring (CF – Ceramic ferrule)

Je nach Kunden-, Bauteil-, Werkstoff- und Prozessanforderung können unterschiedliche Bolzenschweißverfahren zum Einsatz kommen und ihre qualitätsentscheidenden Kriterien ausnutzen, Die optimalen Arbeitsbereiche der unterschiedlichen Bolzenschweißverfahren unterscheiden sich u.a. im Durchmesser des Schweißelements, in den verwendeten Werkstoffen und Bauteiloberflächen, der Blechdicke und Arbeitsposition, den erforderlichen Anschlussleistungen sowie den Prozessanforderungen (Automation, Qualität und Reproduzierbarkeit, Werkstatt- oder Baustellenbedingungen) etc.

Bei einer sorgfältig, sach- und fachgerecht ausgeführten Schweißung kann man davon ausgehen, dass die Schweißverbindung eine größere statische Beanspruchung ertragen kann, als der Bolzen oder das Bauteil. Der Bruch erfolgt also bei Überschreitung der Belastungsgrenze außerhalb der Schweißzone im Bolzen oder im Blechgrundmaterial.

Für die Festigkeitsberechnung sind daher die charakteristischen Werte von Bolzen und Blech maßgebend; das Tragvermögen der Schweißung braucht rechnerisch nicht berücksichtigt werden.

Die Bruchkraft kann damit aus der Mindestzugfestigkeit der Werkstoffe berechnet werden, siehe auch Hinweise zur Berechnung von Bolzenschweißverbindungen im Merkblatt DVS 0967.

Bei der Berechnung von Bolzenschweißverbindungen muss je nach Einsatzfall und mitgeltendem Regelwerk unterschieden werden. Unterschieden werden u.a. die Beanspruchungen statisch oder dynamisch, Druck, Zug, Biegung oder Torsion. Die Bemessung der Bolzen hat daher so zu erfolgen, dass die die Gebrauchstauglichkeit und Tragsicherheit des gesamten Bauteiles gewährleistet werden.

Für Bolzen nach DIN EN ISO 13918 sind die charakteristischen Werte zur Berechnung - die Streckgrenze (R_p / f_y,b,k) und die Zugfestigkeit (R_m / f_u,b,k) in den mitgeltenden Werkstofftabellen festgelegt.

Als handelsübliche Schweißelemente zum Bolzenschweißen werden prinzipiell 3 Bolzentypen als Standardtypen nach DIN EN ISO 13918 angeboten, die sich in hinsichtlich der Bolzenfunktion in Ihrer Geometrie unterscheiden.

Für den Schweißvorgang sind die geometrische Ausprägung außerhalb der Schweißebene sowie die Bolzenlänge ohne Bedeutung.

Die Gestaltung der erforderlichen Schweißgeometrie bzw. Bolzenspitze richtet sich nach dem verwendeten Schweißverfahren. Je länger die Schweißzeit ist und damit das Anschmelzvolumen, desto kegeliger wird die Bolzenspitze ausgeführt. So ist beispielsweise der Zündkegel bei Schweißelementen für die Spitzenzündung flacher als bei Schweißelementen für die Hubzündung.

Die Bolzenbezeichnung setzt sich dann aus der Kombination „Kennbuchstabe Geometrie“ und „Kennbuchstabe Verfahren“ zusammen.

So ist also beispielsweise ein PT-Bolzen ein Gewindebolzen (Außengewinde) für die Spitzenzündung.

Merksatz:

• Das Schweißverfahren bestimmt die Schweißgeometrie.
• Die Zündgeometrie des Bolzens beeinflusst durch seine Form das Verfahren.
• Die Bauteilfunktion bestimmt die Außengeometrie.

Bolzentypen für die Hubzündung mit Keramikring weisen an der Spitze eine eingepresste Aluminiumkugel auf, um den Lichtbogen leichter zu zünden und das Schweißbad zu desoxidieren.

Ein Keramikring wird verwendet

• bei Bolzen größer 12 mm Durchmesser (Schweißdurchmesser)
• beim Schweißen in Zwangslagen (senkrechte Wand, Überkopf)
• beim Schweißen unter Baustellenbedingungen
• Nachteil: nicht geeignet für die automatisierte Serienfertigung

Der Keramikring ist passend zum Bolzen auszuwählen und wird prinzipiell immer durch den Lieferanten als passende Einheit zum Schweißelement mitgeliefert.

Achtung vor Verwechslung / zentrierte, reibungsfreie Ausrichtung erforderlich

Daneben gibt es eine Vielzahl von nicht genormten, branchenspezifischen Schweißelementen. Hierbei wird die Schweiß- und Funktionsflächengeometrie entsprechend der Applikation gestaltet. Beispiele dafür finden sich im Automobilbau, wo millionenfach Befestigungselemente mit Grobgewinde oder Lacknut verwendet werden, im Schaltschrank- und Gerätebau bei geschweißten Erdungswinkeln oder im Kraftwerks- und Anlagenbau bei Befestigungselementen für die thermische Isolierung.

Die Bolzenlänge wird über folgende Kriterien eingeschränkt:

Minimale Bolzenlänge:
Die minimale Bolzenlänge ergibt sich aus der erforderlichen Einstecktiefe zur ausreichenden Fixierung des Bolzens im Bolzenhalter zuzüglich des erforderlichen Überstandes für die erforderliche Bildung der Schweißwulst sowie einer werkstoff- und durchmesserabhängigen Sicherheitstoleranz.

Maximale Bolzenlänge:
Die maximale Bolzenlänge ist theoretisch unbegrenzt, richtet sich aber nach der zum Schweißen erforderlichen Ausrüstung. Das Stativ muss lang genug sein, um den Bolzen ausreichend abzustützen und die Pistole muss das (höhere) Bolzengewicht der Schweißaufgabe entsprechend bewegen können.

Verhältnis Bolzenlänge zu Bolzendurchmesser:
Insbesondere bei Applikationen, die eine automatische Vereinzelung und Zuführung verlangen, darf das Verhältnis Bolzendurchmesser bzw. Flanschdurchmesser zu Bolzenlänge nicht 1:1 sein, um ein Drehen des Bolzens während der Vereinzelung oder Zuführung zu vermeiden.

Bolzenabmessungen: siehe HBS Produktkatalog Schweißelemente

Prinzipiell gelten bei den Werkstoffen die gleichen Regeln wie bei konventionellen Lichtbogenschweißverfahren.

• Es sollten immer artgleiche Materialien verschweißt werden
• Aufgrund der extrem schnellen Temperaturanstiegs- und Abkühlverläufe (Lichtbogenbrennzeit < 1s) besteht bei Stahl die Gefahr der Aufhärtung durch Versprödung. Der Kohlenstoffgehalt C der zu verschweißenden Werkstoffe (Bolzen und Grundwerkstoff) sollte daher < 0,17% betragen.

Im Vergleich zu den erforderlichen Handlings- oder Zuführzeiten für das Bauteil ist der eigentliche Schweißvorgang sehr kurz.

Die Oberfläche der Werkstoffe muss sauber und metallisch blank sein.

Die elektrische Leitfähigkeit muss insbesondere an den Kontaktstellen – Bolzen / Bauteil sowie Masseklemme / Bauteil gegeben sein.

Schichten von Farbe, Rost, Zunder, Fett bzw. Öl oder andere schweißungeeignete Schichten (z.B. Eloxal) müssen von der Schweißstelle entfernt werden (mechanisch oder chemisch).

Insbesondere verzinkte Bauteiloberflächen sind auf Ihre Schweißbarkeit zu prüfen.

Bei sehr kurzen Schweißzeiten von < 50 ms ist die Oberfläche besonders sorgfältig zu reinigen.

Bei Aluminium sollten vorhandene Oxidschichten entfernt werden.

Rückseitenmarkierungen

Selbst bei so kurzen Schweißzeiten wie bei der Spitzenzündung lassen Verformungen bzw. Markierungen auf nichtrostendem Stahl oder Aluminium bis zu einer Blechdicke von 4 mm oft nicht vermeiden. Die Sichtbarkeit ist stark von der Rückseitenstruktur abhängig, speziell auf hochglanzpolierten oder glanzlackierten Blechen. Im Blechdickenbereich von 0,6 mm tritt aufgrund der Schrumpfung des Schweißbades immer ein thermisch bedingter Einzug auf.

Thermische Rückseitenmarkierungen wie beispielsweise Anlauffarben treten üblicherweise nicht bei der Spitzenzündung auf, sondern nur bei der Hubzündung, wo die Schweißzeiten deutlich länger sind. Ausprägung und Sichtbarkeit hängen hierbei u.a. von der Materialdicke, dem zeitlichen Energieeintrag / Bolzendurchmesser und dem Werkstoff ab.

Der Wunsch des Anwenders nach Kostenreduzierung bei gleichzeitiger Steigerung der Produktqualität und Prozessreproduzierbarkeit führt schnell zum Thema einer Automation.

Neben den in der Tabelle 8 aufgeführten Kriterien ist es erforderlich, in einer der Spezifikation für eine Automationsanlage kundenspezifische Merkmale fest zu definieren, wie

• Bolzenabmessungen und Bolzengeometrien
• Anzahl unterschiedlicher Bolzen (Abmessung, Werkstoff)
• Anzahl (unterschiedlicher) Bauteile (Anzahl, Abmessung, Störkonturen)
• Verfahrgeschwindigkeiten, Positions- und Wiederholgenauigkeit
• Maschinensicherheit (Einhausung, Lärmschutz)
• Arbeitsplatzanforderungen und Bedienkomfort

HBS - alles aus einer Hand

HBS liefert ein komplettes Programm - von der Handschweißpistole mit automatischer Bolzenzuführung über halbautomatische Systeme bis hin zu vollautomatischen Bolzenschweißanlagen und Roboteranwendungen; von der technischen Beratung bis zum Service vor Ort, vom Bolzen bis zum Gesamtsystem.

Fordern Sie die HBS-Produktübersicht „Automatik-Bolzenschweißanlagen“ an.

[1] DIN EN ISO 13918 (1998)
Schweißen - Bolzen und Keramikringe zum Lichtbogenbolzenschweißen

[2] DIN EN ISO 14555 (2007)
Schweißen Lichtbogenbolzenschweißen von metallischen Werkstoffen

[3] DIN EN ISO 14175 (alt: DIN EN 439)
Schweißzusätze – Schutzgase zum Lichtbogenschweißen und Schneiden

[4] Merkblatt DVS 0902
Lichtbogenbolzenschweißen mit Hubzündung
DVS-Verlag, Düsseldorf

[5] Merkblatt DVS 0903
Kondensatorentladungs-Bolzenschweißen mit Spitzenzündung
DVS-Verlag, Düsseldorf

[6] Merkblatt DVS 0904
Hinweise für die Praxis – Lichtbogenbolzenschweißen
DVS-Verlag, Düsseldorf

[7] Merkblatt DVS 0967
Berechnung von Bolzenschweißverbindungen
DVS-Verlag, Düsseldorf

[8] R. Trillmich; W. Welz
Bolzenschweißen, Grundlagen und Anwendung
DVS Fachbuchreihe Schweißtechnik, Band 133,
DVS-Verlag, Düsseldorf, 1997 / DVS Media GmbH, Düsseldorf, 2014

[9] N.N.
Firmenunterlagen
HBS Bolzenschweiss-Systeme GmbH & Co.KG, 85221 Dachau

[10] SFI aktuell. (2015). SFI aktuell, DVS Media GmbH, Düsseldorf

[11] Klier, R.; Nitschke-Pagel,Th; Parsi, A.
WEKA Media - Praxiswissen Schweißaufsicht