Schweißen [1]

[7] Schweißen, die Verbindung zweier Metallstücke in hocherhitztem, plastischen Zustand unter Druck oder Schlag.

Allgemeines. Meißens sind es Stücke gleichen Materials, die durch Schweißen vereinigt werden sollen; verschiedene Materialien lassen sich nur dann verschweißen, wenn sie ähnliche Eigenschaften besitzen. Am häufigsten findet das Verfahren Anwendung bei dem Eisen, und zwar läßt sich dieses um so leichter schweißen, je geringer sein Gehalt an Kohlenstoff und andern Fremdkörpern ist, am leichtesten also das Schmiedeeisen, das früher ausschließlich, jetzt immer seltener, durch Zusammenschweißen kleinerer Partien zu größeren Stücken dargestellt wurde (vgl. a. Schweißeisen). Weniger gut schweißbar ist der an Kohlenstoff reichere Stahl; Roh- und Gußeisen, das sich auch beim Erhitzen nicht in einen plastischen Zustand bringen läßt, sondern gleich flüssig wird, läßt sich gar nicht schweißen. (Beim Anschweißen [s.d.] werden die Verbindungsstellen bis zum Schmelzen erhitzt, die beiden Teile[7] also zusammen geschmolzen; vgl. a. Aluminothermie). Zink, Antimon, Wismut, Aluminium lassen sich ebenfalls nur durch Zusammenschmelzen vereinigen. Blei und Zinn können bei gewöhnlicher Temperatur durch starkes Aufeinanderpressen der metallisch reinen Stücke vereinigt werden. Gut schweißbar dagegen ist Platin (in einer Knallgasflamme), Nickel und Kupfer; über besondere Vorsichtsmaßregeln beim Schweißen des letzteren s. [1]. Im folgenden ist das Schweißen des schmiedbaren Eisens in erster Linie berücksichtigt.

Vorbereitungsarbeiten. Für das Gelingen einer Schweißung ist maßgebend:

1. Genügende Erhitzung der zu schweißenden Stellen, damit sie in den plastischen Zustand kommen, der das satte Zusammenschließen der Schweißfuge unter Hammerschlägen oder Druck ermöglicht. Diese sogenannte Schweißhitze ist für Schmiedeeisen die Weißglühhitze, bei der das Eisen zu sprühen anfängt; für Stahl die Rotglühhitze. Zu hoch erhitzter Stahl verbrennt leicht und weicht infolge zu großer Weichheit dem Schweißdruck aus. Beim Verschweißen von Stahl mit Schmiedeeisen (sogenanntes Verstählen, Anstählen, s. unten) genügt oft Dunkelrotglut des Stahles, der sich dann an dem weißglühenden Schmiedeeisen genügend weiter erhitzt. Verschiedene Stahlsorten haben meist auch verschiedene Schweißhitze. Ueber die Mittel zur Erzeugung der Schweißtemperaturen s. unten. – Je nach der Beschaffenheit der zu verschweißenden Stücke müssen dieselben in passender Weise vereinigt erhitzt werden. Beim Anschweißen von Köpfen an Bolzen wird zuerst ein Ring um das Bolzenende geschmiedet; einzelne Teile werden beim Erhitzen ineinander geklemmt, andre mit Draht u.s.w. zusammengehalten und gemeinschaftlich erhitzt. Nur beim Zusammenschweißen von Eisen und Stahl wird wegen der verschiedenen Schweißtemperaturen getrennt erhitzt.

2. Ist absolute Reinheit der Schweißstellen erforderlich. Bei der hohen Temperatur, auf welche die zu schweißenden Stücke gebracht werden müssen, ist die Verwandtschaft des Eisens zum Sauerstoff der Luft so groß, daß ersteres sich sofort mit einer Schicht von Eisenoxyduloxyd (Glühspan, Hammerschlag) überzieht, die eine Verschweißung unmöglich macht. Es ist daher die Bildung dieses Oxydationsproduktes durch richtige Behandlung des Feuers nach Möglichkeit zu verhindern oder für eine sorgfältige Beseitigung desselben vor dem Schweißen zu sorgen. Zu diesem Zweck versieht man die Schweißstellen mit einer schützenden Schlackenhülle, indem man sie mit Quarzsand (vorteilhaft mit geringem Tonerdegehalt) bestreut, der nicht nur dadurch, daß er sich mit dem Eisenoxyduloxyd gemäß der Formel SiO2 + 2FeO = SiO4Fe2 zu kieselsauerm Eisenoxydul, einer Schlacke, verbindet, die Eisenoberfläche schützend einhüllt, sondern auch durch Dünnflüssigkeit das Herausquetschen (Schweißen) dieser Schlacke aus der Schweißfuge erleichtert. Die aneinander zu schweißenden Stellen müssen so vorbearbeitet werden, daß bei fortschreitendem Aneinanderpressen der abfließenden Schlacke nicht der Weg versperrt wird. Stumpf aneinander zu schweißende Stäbe erhalten eine kugelig erhabene Stirnfläche nach Fig. 1, überlappt zu schweißende werden nach dem Vorgang der Fig. 2 bearbeitet. Bei Stahl verwendet man statt Sand gestoßenes Glas, Boraxpulver, dem häufig noch andre reduzierende oder schlackenbildende Substanzen, wie Kochsalz, Blutlaugensalz, Kolophonium, beigemengt sind. Auch solche Stoffe finden beim Schweißen von Stahl vorteilhaft Anwendung, die eine Entkohlung desselben beim Erhitzen verhindern. Um bei Stahl mit niederen Temperaturen arbeiten zu können, wird der Schlacke auch ein Flußmittel in Form von Kalk zugesetzt. Näheres über solche Schweißpulver s. [2]–[4].

3. Die Vereinigung muß möglichst rasch erfolgen und findet durch Hämmern mit Hand- oder mechanischen Hämmern oder unter Schmiedepressen (s. Bd. 7, S. 743) statt. Die Hammerschläge müssen zuerst leicht und schnell geführt werden, damit die Schlacke entweichen kann. Ueber das Schweißen von Blechen u.s.w., wobei kein Hämmern nötig ist, s. unten.

Neben der in Fig. 1 und 2 angedeuteten Weise werden die beiden Schweißhälften stets mit möglichst großen Berührungsflächen aneinander gebracht. Dünne Bleche werden nach Fig. 3 (stumpf), besser nach Fig. 4 (überlappt) geschweißt, die entstehende Verdickung wird durch Strecken ausgeglichen. Bei starken Blechen (über 20 mm) wird zwischen die abgeschrägten Kanten ein Quadrateisen oder Keil gelegt (Fig. 5). Besondere Vorsicht ist beim Verschweißen von Stahl mit Schmiedeeisen hinsichtlich einer satten Berührung beider Teile angezeigt: man spaltet das eine Stück auf und steckt das andre mit einem keilförmigen Ansatz in den Spalt (Fig. 6 Verstählen von Werkzeugen, Fig. 7 Hammerfinne und -bahn aus Stahl einzuschweißen). Aexte mit Stahlschneiden werden so geschmiedet, daß ein Flacheisen an beiden Enden ausgebreitet, dann zur Bildung der Haube in der Mitte zusammengebogen und die Stahlschneide nun zwischen den zangenartigen Enden eingeschweißt wird. Beim Zusammenschweißen zweier Stücke unter einem Winkel erhält das eine ein Loch oder einen Spalt, in den das andre gefleckt wird. Auch Schwalbenschwänze und andre Formen bewirken eine sichere Verschweißung. – Am schwierigsten ist eine Schweißung mit Beilage, die wie ein Keil in eine entsprechende Aussparung getrieben wird. Dies wird z.B. beim Einschweißen von Speichen in den Radreif von Eisenbahnrädern nötig. Muffen aus einem Grund zwei Stücke stumpf geschweißt werden, so werden Schläge in der Längsrichtung wie beim Stauchen gegeben. Rohre werden meist in der Weise geschweißt, daß das eine Ende in das aufgeweitete andre gefleckt wird und beide nach der Erhitzung zwischen vier Walzen kommen, die zusammen ein dem Rohrquerschnitt gleiches Kaliber bilden.[8]

Eine gute Schweißstelle ist im Schnitt gar nicht, beim Verschweißen von Stahl und Eisen nur an der ungleichen Farbe der beiden Metalle erkenntlich. Eine eingesprengte schwarze Linie deutet auf das Vorhandensein von nicht genügend ausgepreßter Schlacke, ein Zeichen mangelhafter Schweißung. – Ueber die Festigkeits- und Dehnungsverhältnisse geschweißter Bleche s. unten.

Erzeugung der Schweißtemperatur. Die Art und Weise, wie die zu schweißenden Teile auf die erforderliche Temperatur gebracht werden, ist sehr mannigfaltig. Allgemein unterscheidet man die Schweißverfahren nach der Art der Wärmeerzeugung in mechanische und elektrische Schweißverfahren.

Zur Durchführung der mechanischen Schweißung werden benutzt: 1. Kohlenfeuer, 2. Metallflüsse, 3. Aluminothermie (s.d.), 4. Erhitzung in einer Gasflamme.

Die elektrischen Schweißverfahren unterscheiden sich 1. in Lichtbogenverfahren und deren Abarten, 2. in Widerstandsverfahren.

Mechanische Schweißverfahren.

1. Kleinere Werkstücke werden im Schmiedefeuer erhitzt und auf dem Amboß zusammengeschweißt. Das Schweißen größerer Werkstücke mit besonderem Koksfeuer wird in der Regel von Hand ausgeführt und ist da am Platze, wo es auf eine besonders sorgfältige Behandlung der Schweißnaht ankommt, also beim Schweißen von Flammrohrschüssen, Wasserkammern u.s.w. Zylindrische Teile ruhen während der Erhitzung der Schweißstelle durch das unten befindliche mit Gebläse betriebene Koksfeuer anfangs auf zwei Rollen, mit Hilfe deren sie nach genügender Erhitzung um 180° so gedreht werden, daß die Schweißstelle nach Absenken der Rollen dann frei auf die Amboßwippe zu liegen kommt. Hierbei laufen sich die Nahtstellen gut vorwärmen, so daß die Gefahr des Blaubruches benachbarter Stellen ausgeschlossen ist. Nachteilig ist die Ungleichmäßigkeit der Erhitzung, die Unmöglichkeit, dieselbe zu beobachten sowie der meist recht große Brennstoffaufwand. Stahl, welcher vor Oxydation besonders geschützt werden soll, wird im Holzkohlenfeuer erhitzt.

2. Das Schweißen mit Hilfe von Metallflüssen wurde von Falk in Amerika zum Schweißen von Eisenbahnschienen eingeführt. Vgl. [5]. Hierbei werden die vorher von Oxyd (Rost) gut gereinigten Schienenstöße durch Umgießen mit dünnflüssigem, hocherhitztem Gußeisen auf Schweißtemperatur gebracht. Für das Umgießen einer Schienenlänge von 40–50 cm rechnet man etwa 70–80 kg Gußeisen, das in einem Kupolofen an Ort und Stelle geschmolzen wird. Das Schwinden (Zusammenziehen) des um den Schienenstoß gegossenen großen Eisenkörpers bewirkt ein kräftiges Aneinanderpressen der in Schweißhitze befindlichen Schienenenden. Nach einem andern amerikanischen Verfahren werden zweiteilige Flußeisenhüllen um den Schienenstoß gelegt und durch dazwischengegossenes Eisen fest mit den Schienen verbunden. Ein Nacharbeiten der Stöße wird mittels Schleifapparaten bewerkstelligt. Als ein Nachteil dieses Systems muß das Mitführen eines Kupolofens und Gebläses samt Antrieb sowie die große Bedienungsmannschaft bezeichnet werden. Näheres über das Umgießen mit flüssigem Eisen s. [6].

3. Das aluminothermische Verfahren, s. Aluminothermie.

4. Als Ersatz für die Erhitzung im Koksfeuer dient die Erhitzung auf Schweißtemperatur mittels Wassergas. Es ist dies ein kohlenoxydreiches Wasserstoffgemisch, das beim Ueberleiten von Wasserdampf über glühenden Koks entsteht. Aus dem Gaserzeuger gelangt das Wassergas in einen Behälter, von welchem aus es mittels Kompressor unter etwa 1000 mm Wassersäule Druck einer Düse zugeführt wird. Entweder ist jeder Gasdüse eine Luftdüse zugeordnet, oder Luft wird gleich in der Pumpe dem Gas beigemischt, für welchen Fall besondere Sicherheitsvorrichtungen gegen Explosionen am Pumpenzylinder nötig sind. Jedoch wird, um Oxydation der Schweißstelle zu vermeiden, Luftsauerstoff in verminderter Menge zugeführt, infolgedessen auch die Zunderbildung an der Schweißnaht gering ist. Vorteilhaft bei der Wassergasschweißung ist es ferner, daß unter Verwendung zweier Brenner die Schweißstelle von beiden Seiten erhitzt wird, also auch dicke Bleche genügend hoch erhitzt werden (Gefahr des Blaubruches bei ungenügender Erhitzung). Tatsächlich lassen sich mittels Wassergas Bleche bis hinauf zu 80 mm Stärke, und bei entsprechender Vorsicht bis herab zu 4 mm schweißen. Die höchste Leistungsfähigkeit einer Wassergasschweißerei wird erreicht bei Blechen von 8–12 mm Stärke. Bei entsprechender Einrichtung läßt sich bei 10 stündigem Betrieb eine Leistung bis zu 80 m bei einer Blechstärke von 8–12 mm erzielen. Ein weiterer Vorteil ist der, daß Wassergas eine ganz reine Flamme bildet, die eine stete gute Beobachtung der erhitzten Stelle gestattet. Schweißpulver sind entbehrlich. Wassergasschweißereien arbeiten entweder mit Handbetrieb, wobei die mittels Wassergas auf Schweißtemperatur gebrachten überlappten Bleche mittels Handhämmer zusammengeschweißt werden, oder mit Maschinenbetrieb. Bei letzterer Anordnung ruht das Werkstück (meist zylindrischer Form) auf einem Wagen mit entsprechenden Hebe- und Wendevorrichtungen, mit Hilfe dessen es nach der Erhitzung in die richtige Lage unter den Amboß eines mechanischen Hammers gebracht wird. Rundnähte werden unter beständigem Drehen des Schusses geschweißt. Ueber den Vergleich der Leistungen und Kosten verschiedener Schweißungen s. [7]. Infolge der hohen Anlagekosten einer besonderen Gaserzeugungseinrichtung hat die Wassergasschweißung nicht die der Güte ihrer Erzeugnisse entsprechende Ausbreitung gefunden. Näheres s.a. [8].

Ein erst in den letzten Jahren ausgebildetes, jedoch bereits in großem Umfang in der Praxis eingeführtes Verfahren hauptsächlich zum Schweißen von Blechen ist das autogene Schweißverfahren, autogen oder selbsterzeugend genannt, weil weder ein Schweißmittel noch eine mechanische Bearbeitung der Schweißstelle durch Hämmern oder Pressen zur Verbindung der Schweißenden erforderlich ist. Es wird vielmehr durch die Verbrennung eines Gases mit hohem Wärmegehalt (in erster Linie Wasserstoff und Acetylen, neuerdings auch Leuchtgas und Benzindampf) im reinen Sauerstoff eine derartig hohe Temperatur erzeugt, daß die zu verschweißenden[9] Stellen auf Schmelztemperatur gebracht und durch Zusammenschmelzen des eignen Materiales oder des Materiales eines besonderen Schweißstabes miteinander verbunden werden; es ist also die autogene Schweißung eigentlich ein Schmelzverfahren.

a) Die autogene Schweißung mittels Sauerstoff-Wasserstoffflamme (hydrooxygene Selbstschweißung). 2 Teile Wasserstoff (H) verbrennen mit 1 Teil Sauerstoff (O) zu Wasser (H2O), wobei 1 kg H etwa 34000 WE. abgibt und theoretisch eine Temperatur von 6700° C. erzeugt würde, die jedoch durch Dissoziation des entstehenden Wasserdampfes und andre Einflüsse auf etwa 2300° herabgemindert wird. Damit das Gasgemisch nicht oxydierend auf die Schweißstelle wirkt, wird nicht das theoretische Verhältnis 2 : 1 eingehalten, sondern etwa 4–5 Teile Wasserstoff auf 1 Teil Sauerstoff verbrannt. Aus letzterem Grund ist es auch nicht möglich, das direkt von einer elektrolytischen Wasserzersetzungsanlage (vgl. a. [9]) im Verhältnis 2 : 1 gelieferte Gasgemisch zu verwenden, es müssen vielmehr, sofern der erzeugte Sauerstoff voll ausgenutzt werden soll, 2–3 Teile Wasserstoff noch anderweitig zugesetzt oder ein Teil des Sauerstoffes unbenutzt gelassen werden. Infolge dieses Umstandes und der hohen Anlagekosten haben sich solche elektrolytische Anlagen zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff (in Ausführungen von Schuckert, Garuti, Schoop, Schmidt, die entweder mit saurer oder alkalischer Lösung arbeiten, wobei das Hauptgewicht auf eine sorgfältige Trennung der beiden Zersetzungsprodukte bis kurz vor die Verbrauchsstelle gelegt ist, um Knallgasexplosionen zu vermeiden) nur für ortsfeste, größere Anlagen und für Massenfabrikation eingeführt. Die Hauptmengen von Wasserstoff und Sauerstoff werden vielmehr direkt aus chemischen Fabriken bezogen, und zwar in verdichtetem Zustand in leicht handlichen Stahlflaschen. Wasserstoff liefern hauptsächlich die Alkalizersetzungsanlagen (Chemische Fabrik Griesheim-Elektron allein täglich 15000 cbm); Sauerstoff wird größtenteils durch fraktionierte Verdampfung flüssiger Luft (nach Linde) gewonnen. Beide Gase werden auf 125–150 Atmosphären in Stahlflaschen verdichtet, und aus diesen vermitteln eines Reduzierventiles und beliebig langer Schläuche den Brennern zugeführt. Diese Reduzierventile sind mit einem Manometer, das den Füllungsdruck und damit den Gasinhalt der Flasche und einem, das die dem Ventil entströmende Gasmenge und damit die mit dieser Gasmenge zu schweißende Blechstärke in Millimetern anzeigt, ausgerüstet. Der Anschluß an die Wasserstoffflasche (mit rot angestrichenem Reduzierventil) erfolgt mit Linksgewinde, der Anschluß an die Sauerstoffflasche (mit schwarzem Ventil) mittels Rechtsgewinde. Die Mischung beider Gase erfolgte früher an der Spitze des Brenners (Danielscher Brenner); neuerdings werden in Anbetracht der Tatsache, daß das vor dem Austritt aus dem Brenner gemischte Gas eine höhere Temperatur erzeugt, die Gase bereits vor ihrer Entzündung gemischt. So strömt bei dem in Fig. 8 dargestellten Brenner der Drägerwerke Lübeck Wasserstoff und Sauerstoff durch zwei spitzwinklig zulaufende Kanäle a, b in eine kleine Mischkammer c; durch die saugende Wirkung, die beide Gase aufeinander ausüben, ist das Zurücktreten eines Gases in die Leitung des andern ausgeschlossen. Die aufschraubbaren Mundstücke haben Bohrungen mit einem der Gasmenge und Blechstärke entsprechenden Durchmesser. Die Austrittsgeschwindigkeit des Gasgemisches darf weder zu groß sein, da sonst der austretende Strahl das in Fluß befindliche Material stört noch darf sie zu klein sein, da sonst die Flamme in den Brenner zurückschlägt. Aus letzterem Grund muß die Zündgeschwindigkeit des Gemisches auch kleiner sein als dessen Austrittsgeschwindigkeit. Auch deshalb ist es angezeigt, Wasserstoff im Ueberschuß zu verwenden, wodurch die Zündgeschwindigkeit ermäßigt wird. – Bei Benutzung des Schweißbrenners wird zunächst die Wasserstoffflamme entzündet, dann Sauerstoff zugeleitet. Die Flamme hat ihren heißesten Teil (etwa 1900°), der an seiner bläulichen Farbe erkenntlich ist, etwa 10 mm vor der Brennerspitze. Mit dieser Stelle müssen auch die zu schweißenden Stellen bestrichen werden, um das Material zum Schmelzen zu bringen. Die einfachste Art der Schweißung, wobei die zu schweißenden Stellen (Blechkanten) nur gut passend aneinander gestoßen werden und ohne Lot, auch ohne Hammerschlag oder Pressung gearbeitet wird, ist für Bleche bis 3 mm Stärke anwendbar. Stärkere Bleche bis 8 mm erhalten abgeschrägte Kanten, um mit der Schweißflamme das ganze Blech zu durchdringen, die entstehende Nut wird mit einem geschmolzenen Schweißdraht ausgefüllt (s. Fig. 5), Bleche über 10 mm müssen vor dem Schweißen angewärmt werden, wodurch eine Zeit- und Gasersparnis bis 30% erzielt werden kann. Allgemein dürfte das rationellste Anwendungsgebiet der Sauerstoff-Wasserstoffschweißung bei Blechstärken von 0,3–6 mm liegen. Durch Beimischung von Stickstoff zu dem Sauerstoff läßt sich die Flammentemperatur erniedrigen, was beim Schweißen dünner Bleche (bis 0,2 mm) verwendet wird, um das Ausbrennen von Löchern zu vermeiden. Ueber die Abnahme der Festigkeit und Dehnung mit zunehmender Blechstärke s. unten. Sehr vorteilhaft ist es, die Schweißnaht warm auszuhämmern oder zu walzen, da sie eben aus geschmolzenem, nicht aus gewalztem Material besteht. – Näheres über die Kosten und Gasverbrauch dieser Schweißung s. [10].

Die Umkehrung des Verfahrens, mittels der Sauerstoff-Wasserstoffflamme zu schweißen, ist das autogene Schneiden mittels Wasserstoff und Sauerstoff. Hierbei wird die gewünschte Stelle zunächst mittels einer Sauerstoff-Wasserstoff (knallgas) flamme auf die Temperatur erhitzt, bei welcher das Eisen in reinem Sauerstoff lebhaft verbrennt, alsdann wird der Sauerstoff unter hohem Druck von 30 Atmosphären als seiner Strahl auf diese Stelle geleitet, worauf sofort das Eisen dieser Stelle mit dem Sauerstoff verbrennt. Durch den starken Strahl werden die Verbrennungsprodukte sofort beiseite geschleudert und stets neue Partien Eisen freigelegt. Auf diese Weise gelingt es, durch die Konzentrierung der Wärme auf eine kleine Stelle, an welcher die Wärmeabfuhr im Verhältnis zur Wärmezufuhr sehr gering ist,[10] in ganz kurzer Zeit Eisenblöcke zu durchbohren. Die zur Schmelzung nötige Wärme wird also nicht von außen zugeführt, sondern sie entsteht durch die Verbrennung des zu durchbohrenden Materials selbst. Ist die Verbrennung einmal eingeleitet, setzt sie sich von selbst fort, und zwar können durch die Verbrennungswärme von 1 kg Eisen weitere 4,5 kg geschmolzen werden, so daß also nur eine teilweise Verbrennung des Lochmaterials nötig wird. Durch langsames Fortbewegen des Brenners über eine Eisenfläche gelingt es bei entsprechender Form und Pressung des Sauerstoffstrahles, einen glatten Schnitt mit scharfbegrenzten Rändern, wie von einer Säge herrührend, zu erzeugen.

Ein von der chemischen Fabrik Griesheim-Elektron, Frankfurt a. M., gelieferter Schneidapparat besteht aus einer Flasche mit Wasserstoff und einer mit Sauerstoff, den dazugehörigen Reduzierventilen, Schläuchen und dem Brenner; letzterer besitzt ein Düsensystem, bestehend aus einer zentralen Düse für den Sauerstoff und einer Ringdüse für das Heizgas. Das Vorderende der Düse sitzt zwischen zwei Rollen, auf welchen der Brenner von Hand oder für besonders seine Schnitte mit maschineller Führung in einer Geraden oder in beliebigen Kurven bewegt werden kann. Die Schnittgeschwindigkeit beträgt etwa 18–25 cm/min und ist für alle Materialstärken (bis 120 mm) wenig verschieden. Die Breite der Schnittbahn beträgt 2 mm, bei sehr starken Stücken bis 4 mm. Das autogene Schneidverfahren zeichnet sich also durch Schnelligkeit, reinen Schnitt und geringe Arbeitskosten wesentlich aus. Anwendung findet dasselbe besonders in der Kesselschmiede zum Ausschneiden von Mannlöchern, Stutzenlöchern, Abwicklungskurven, zum Abfasen der Stemmkanten, im Eisenbau zum Schneiden geschweifter Knotenbleche, zum Abschneiden von Profileisen auf Länge und Herstellung beliebiger Ausklinkungen an solchen; in der Stahlgießerei zum Abtrennen der Steiger und Eingüsse, ferner im Schiffsbau zum Schneiden von Panzerplatten, womit eine 15–20fache Verkürzung der Bearbeitungszeit gewonnen ist, sowie bei schneller Demontage, zum Durchschneiden von Ankerschrauben, Kupplungsstücken, Schachtgestängen u.s.w. Bei dem Sauerstoffschneidverfahren der Deutschen Oxhydric-Gesellschaft Eller bei Düsseldorf sind die Düsen hintereinander angeordnet, Die vordere Düse dient zum Vorwärmen der Arbeitsstelle und wird gewöhnlich durch ein Sauerstoff-Wasserstoffgemisch gespeist. Die hintere, senkrecht zur Arbeitsfläche gerichtete Düse, die mit dem Sauerstoffventil in Verbindung steht, führt den eigentlichen Schnitt. Um gleichmäßigen Schnitt zu erhalten, muß die Schnittgeschwindigkeit mit dem Vorwärtsschreiten der Oxydation immer gleichen Schritt halten. Nach Eintritt der Eisenverbrennung kann der Heizgasstrom unterbrochen werden. Das Material wird beim Schneiden nur auf 1/4 mm Breite vom Sauerstoff und der Verbrennung chemisch und physikalisch beeinflußt. Mit diesen Schneidapparaten lassen sich Schnitte bis 300 mm Stärke und 2–4 mm Genauigkeit herstellen bei einer Schnittbreite von nur 2–5 mm. Vorteilhaft ist besonders, daß sich hartes Material ebenso leicht schneiden läßt wie weiches. Eine sehr wichtige Anwendung findet das autogene Schneidverfahren beim Durchbohren versetzter Abstichöffnungen, Wind- und Schlackenformen an Hochöfen, Stichlöchern von Siemens-Martin-Oefen, wo es sich darum handelt, ohne Zeitverlust die verstopfte Oeffnung frei zu bekommen, da sonst die Güte des Einsatzes geschädigt werden kann. Das Verfahren für diesen Zweck ist der Cöln-Müsener Bergwerks-A.-G. unter Nr. 137588 patentiert. Näheres s.a. [11] und Bd. 2, S. 474.

b) Neben der autogenen Sauerstoff-Wasserstoffschweißung ist die autogene Sauerstoff-Acetylenschweißung die wichtigste. Sie findet neuerdings besonders dort ausgedehnte Anwendung, wo der verdichtete Wasserstoff nicht so leicht bezogen werden kann. Die mit Acetylen erzeugte Verbrennungstemperatur ist bedeutend höher als die mit Wasserstoff erzeugte. Le Chatelier fand für Verbrennung von Acetylen (C2H2) in reinem Sauerstoff (O) 4000° C. 1 cbm C2H2 entwickelt bei seiner Verbrennung 14500 WE. gegen 3100 WE. des Wasserstoffs. Bei den ursprünglichen Versuchen, Acetylen mit Sauerstoff in einem Lötrohr zu verbrennen, ergab sich der Uebelstand, daß sich infolge der hohen Temperatur an der Mündung des Brenners das Acetylen schon vor seiner Verbrennung in Wasserstoff und Kohlenstoff zersetzte, der sich als Graphit an der Mündung absetzte und diese verstopfte. Um die Verbrennungstemperatur zu vermindern, wurden dem Acetylen andre Kohlenwasserstoffe (z.B. Petroläther) beigemengt, jedoch ohne Erfolg. Der Verwendung verflüssigten Acetylens stellte sich dessen Explosivität in den Weg, die man durch Aceton zu vermindern suchte. In dem Brenner von Fouché (Fig. 9) sind die Uebelstände der Graphitausscheidung und des Zurückschlagens der Flamme in die Leitung bei zu geringer Ausströmgeschwindigkeit umgangen. Hierbei saugt der unter einer Pressung von 1–2 Atmosphären austretende Sauerstoff durch eine injektorartige Einschnürung Acetylengas an und sorgt gleichzeitig für eine gute Mischung der Gase. Das in einem Gasentwickler aus Calciumkarbid erzeugte Acetylengas passiert zunächst eine Wasserabsperrvorrichtung und gelangt in einen Gasometer, aus diesem sodann durch den Reiniger und einen Wasserverschluß zu den Brennern. Zum Ausgleich der Schwankungen in der Gasentnahme wird der Gasentwickler automatisch wirkend konstruiert. Um ein Zurückschlagen der Flamme in die Acetylenleitung zu vermeiden, ist die Ausströmgeschwindigkeit zu 100–300 m/sec gewählt und die Acetylenzuleitung in ein Bündel enger Röhren zerlegt, in denen die zurückschlagende Flamme infolge der hohen Widerstände sofort erstickt würde. Die durch ein drittes Rohr und den äußeren Mantel des Brenners zugeführte Luft dient einerseits zur Kühlung der Brennerspitze und zur Verhinderung der Graphitausscheidung, anderseits zum Vorwärmen größerer Arbeitsstücke durch den großen äußeren Flammenkegel. An Stelle von Luft kann besonders für letzteren Zweck auch Leuchtgas zugeführt werden. Die Verbrennung des Acetylens erfolgt in dem inneren kleineren Flammenkegel von hellgrüner Farbe, an dessen Spitze eine [11] Temperatur von 3000–3600° C. herrscht und mittels welcher die eigentliche Schmelzung bewirkt wird. In der Einhaltung der richtigen Form und Farbe dieses Schweißkegels liegt gleichzeitig die Gewähr für eine richtige Mischung der Gase, da bei größeren Brennern durch Erwärmung der Brennerköpfe das Mischungsverhältnis zwischen Acetylen und Sauerstoff leicht verändert wird. Die sehr heiße, auf kleinen Raum zusammengedrängte Schweißflamme ermöglicht es, Bleche von größeren Stärken als bei der Sauerstoff-Wasserstoffschweißung zu schweißen (noch bis 20 mm), und die Schweißhitze sehr genau an der gewünschten Stelle zu erzeugen. Um auch hier eine Oxydation der Schweißstelle zu vermeiden, wird eine reduzierend wirkende Flamme verwendet, indem Acetylen im Ueberschuß zugeführt wird, und zwar auf 1 Teil Acetylen 1,7 Teile Sauerstoff, statt 2,5 Teile. Eine Beeinflussung des Eisens durch den Kohlenstoffgehalt der Flamme findet in bemerkenswertem Grade nicht statt. Im vorteilhaften Gegensatz zur hydrooxygenen Schweißung erstreckt sich die Anlaufstelle nur etwa 20 mm weit von der Schweißstelle seitwärts gegen 50 mm bei den andern. Es ist dies auf die höhere Temperatur der Acetylenflamme zurückzuführen, die infolge ihrer schnelleren Wirkung eine weitere Ausbreitung der Wärme in das Material verhindert. Von wesentlicher Bedeutung ist es, daß der verwendete Sauerstoff und das Acetylen rein von sonstigen Beimischungen, besonders Arsen und Phosphor sind, die das Eisen brüchig machen. Da für verschiedene zu schweißende Blechstärken verschiedene Gasmengen nötig sind, anderseits aber die Austrittsgeschwindigkeiten an enge Grenzen gebunden sind, sind für Bleche von 0,5–25 mm Stärke 10 verschiedene Brenner konstruiert. Starke Bleche werden auch hier mittels eines Schweißdrahtes geschweißt, der tropfenförmig in die durch Abschrägung der Blechkanten entstandene Kerbe eingeschweißt wird. Am geeignetsten hierfür ist kohlenstoffärmstes Eisen (schwedischer Draht mit 0,05 C). Besonderes Gewicht ist darauf zu legen, daß die unteren Partien der Schweißkerbe (Fig. 5) dort, wo die Bleche aneinander flößen, gut verschweißt werden. Vorteilhaft ist es, auch die Unterseite zu überschweißen. Das Hämmern der Schweißnaht hat bei Flußeisen, Flußstahl, Stahlguß stets eine wesentliche Erhöhung der Schweißnahtfestigkeit und -dehnung zur Folge. Ebenso wirkt ein gleichmäßiges Ausglühen der Schweißnaht sehr günstig. Auffällig tritt auch hier die Erscheinung zutage, daß die Fertigkeit und Dehnung der Schweißnaht mit wachsender Blechstärke abnehmen. So zeigten Flußeisenstäbe und -platten die in beistehender Tabelle gegebenen Mittelwerte für Fertigkeit und Dehnung [12].


Schweißen [1]

Versuche haben gezeigt, daß sich die autogene Schweißung mit Acetylen-Sauerstoffgemisch praktisch für Gußeisen, Temperguß und Nickelstahl nicht eignet. Die Schweißnaht wird hierbei sehr hart, die Fertigkeit nimmt stark ab, die Dehnbarkeit verschwindet unter Umständen ganz. Auch bei diesem System ist das autogene Schneiden möglich, wobei sich eine Erhöhung der Fertigkeit und Abnahme der Dehnung erweist. Ueber den Vergleich der Fertigkeiten der Wasserstoff- und Acetylenschweißung s. [13].

Das Anwendungsgebiet der autogenen Schweißung ist sehr ausgedehnt. Sie kann insbesondere dort Anwendung finden, wo bisher die Verbindung durch Nietung erfolgte, der sie zwar an Größe der Fertigkeit und Dehnung nachsteht, die sie aber durch den Vorteil der Material-, Gewichts-, Zeit- und Kostenersparnis übertrifft. Die durch Schweißung hergestellten Hohlkörper weisen eine glatte Oberfläche auf, halten dauernd dicht, was ihre Anwendung zur Herstellung von Rohren (von 200 mm Durchmesser an aufwärts), von Windkesseln, Rohrleitungsformstücken, Krümmern, Abzweigrohren, Dampfsammlern, Cellulosekochern, Wellenrohren, Masten, Raaen, Spieren, Bootsdavits, Behältern für komprimierte Gase, Gasbojen, Tanks u.s.w. berechtigt. Rationellerweise wird jedoch die autogene Schweißung auf Blechstärken bis zu maximal 12 mm beschränkt sein.

Elektrische Schweißverfahren.

Das elektrische Schweißen beruht auf der Verwendung des elektrischen Stromes zur Erhitzung der zu verbindenden Metallstücke.

1. Beim Lichtbogenverfahren, das in erster Linie zur Schweißung von Längsnähten angewendet wird, wird die hohe Temperatur des zwischen zwei Elektroden sich bildenden Davyschen Lichtbogens zur Erhitzung der Schweißstellen benutzt. Dieser Lichtbogen entsteht dadurch, daß infolge des hohen Widerstandes, den der Luftzwischenraum zwischen den beiden Elektroden dem Strom entgegensetzt, die Enden der Elektroden in lebhaftes Glühen kommen. Die hierbei erzeugte Wärme ist proportional dem Widerstand und dem Quadrat der Stromstärke. Die Temperatur des Lichtbogens zwischen Kohlen fand Weber zu 2030° C. Hierbei kann die eine Elektrode das Schweißstück selbst sein. Dieses schon von Siemens angewendete Verfahren ist von Bernardos weiter ausgebildet. Bernardos legt den negativen Pol einer Dynamomaschine an das Werkstück, der positive wird mit einem Kohlenstab verbunden, der möglichst nahe über der Schweißstelle so geführt wird, daß der einmal entstandene Lichtbogen stets erhalten bleibt; es erfordert dies große Geschicklichkeit in der Bedienung. Nachteilig wirkt die Kohlung der Schweißstelle durch die im Lichtbogen übergehenden Kohlenteilchen, wodurch die Schweißnaht sehr hart und kristallinisch wird. Näheres über das Schweißverfahren[12] von Bernardos s. [14] D.R.P. Nr. 38011. Neuerdings kommt das letzterwähnte Verfahren wieder zum Schienenschweißen (Pahdi) auf. Hierbei werden durch den zwischen der Schiene und einer Kohlenelektrode erzeugten Lichtbogen Flußeisenstücke in eine Kerbe am Schienenstoß eingeschmolzen. Dabei gelangt Gleichstrom von 65 Volt Spannung zur Verwendung, der unter Zwischenschaltung eines Gleichstromumformers womöglich direkt aus der Oberleitung und einer zur Ausgleichung der Stromstärke dienenden Pufferbatterie entnommen wird. Slavianoff ersetzt die Kohlenelektrode durch einen Eisenstab, der unter Einwirkung der Lichtbogentemperatur tropfenweise abschmilzt, der andre Pol liegt am Werkstück, das aus Gußeisen, Stahl, Schmiedeeisen, Kupfer, Bronze u.s.w. bestehen kann. Da die Entfernung beider Elektroden sich durch das Abschmelzen der einen stets ändert, ist eine automatische Regulierung des Lichtbogens vorgesehen (vgl. darüber [15]), die im wesentlichen aus einem in den Stromkreis gelegten Solenoid besteht, das die Stellung der Eisenelektrode regelt. Da die am positiven und negativen Pol entstehenden Wärmemengen sich wie 2 : 1 verhalten, wird an den positiven Pol stets die Elektrode angeschlossen, welche rasch abschmilzt oder so tief wie möglich aufgeschmolzen werden soll. Es hat sich das Verfahren von Slavianoff besonders zur Ausbesserung gebrochener Gußstücke bewährt, wobei der positive Pol mit dem abzuschmelzenden Eisenstab verbunden wird. Um weiches graues Gußeisen an der Fehlstelle zu erhalten, wird um die Schweißstelle eine Form aus Retortenkoks gelegt, in der das Eisen aufgeschmolzen wird. Erforderlich ist ein Anwärmen der Schweißstücke auf etwa 500° C. Beim Schmelzen von Schmiedeeisen und Stahl wird dieses an den positiven Pol gelegt. Zur Vermeidung der Oxydation des flüssigen Materials muß auf dessen Oberfläche eine Schlacke gebildet werden. Auch hier empfiehlt sich Aushämmern der Schweißstellen. An Stromstärke ist für den Quadratmillimeter Querschnittsfläche 7,5–8 Ampère nötig. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, daß eine Kohlung des Schweißgutes nicht eintritt, eine vollständige Schmelzung und gute Verbindung der Metalle (auch zweier verschiedenartiger) eintritt, und die Wärmeausnutzung des Lichtbogens eine gute ist.

Bei dem Lichtbogenschweißverfahren von Zerener wird der zwischen zwei parallelen oder spitzwinklig zueinander gerichteten, auch konzentrischen Kohlenelektroden auftretende Lichtbogen als unabhängige, vom Schweißgut getrennte Wärmequelle benutzt. Durch eine genügend hohe spezifische Strombelastung der Elektroden wird ein genügendes Hervortreten der Flamme erreicht oder es wird der Lichtbogen durch ein magnetisches Feld zu einer Stichflamme ausgebildet. Näheres s. [16]. Diese Schweißapparate arbeiten mit 15–50 Ampère bei 65 Volt Spannung.

Ueber den Voltex-Prozeß, bei welchem die senkrecht zueinander gestellten Elektroden aus Kohle bestehen, die mit leicht reduzierbaren Metalloxyden (Eisenoxyd) gemischt sind s. [17], Weiteres über Lichtbogenschweißung vgl. [18].

2. Eines der vollkommensten elektrischen Schweißverfahren ist das Widerstandsverfahren von E. Thomson. Dasselbe beruht auf der Wärmeerzeugung, hervorgerufen durch Harke, niedergespannte Ströme infolge des an der Berührungsstelle zweier zu verschweißender Körper auftretenden großen Uebergangswiderstandes. Sobald die Schweißstellen der stumpf aneinander gestoßenen Teile auf Schweißtemperatur gebracht sind, werden dieselben nach Abschalten des Stromes aneinander gepreßt, wodurch die Schweißung bewirkt wird; die Stirnflächen der beiden Teile sind derart vorgearbeitet, daß sie sich zuerst im Innern berühren und die Schweißung von innen nach außen fortschreitet. Hierdurch ist die Schweißstelle auch vor der schädlichen Einwirkung der Luft, Oxydation u.s.w. und infolge der Möglichkeit, die Erhitzung richtig beurteilen zu können, vor Verbrennung geschützt. Die elektrische Energie wird in Form von Wechselstrom von 40–125 Perioden in der Sekunde benutzt, der auf 1–3 Volt Betriebsspannung herabtransformiert wird; die Stromstärke beträgt 2000–4000 Ampère und mehr. Näheres über die Stromerzeuger, Schweißtransformatoren, Reguliertransformatoren, Schalter u.s.w. einer solchen Schweißanlage s. [19]. Zum Aneinanderpressen der Schweißstücke dienen besondere Klemmvorrichtungen, deren Futter aus wassergekühlten Kupferblöcken bestehen. Es werden auch Spezialmaschinen zum Schweißen von Rohren, dünnen Kupferdrähten, zum Schweißen unter einem rechten Winkel, von Reisen aus Bandeisen, zum Einschweißen der Speichen in Naben metallener Räder, zum Schweißen von Schraubenköpfen an Rundeisen bis 45 mm Durchmesser und zum Kettenschweißen verwendet. Auch Schienen werden nach dem Thomsonschen Verfahren geschweißt. Ueber die Kosten dieser Schweißung s. [20], ferner a. [21].

Im Gegensatz zu Thomson werden bei dem Schweißverfahren von Lagrange-Hoho [22] schwache Ströme von hoher Spannung verwendet. In einem Bad mit leitender Flüssigkeit (10–20% Pottasche- oder Sodalösung von 70° C.) wird als positive Elektrode eine große Bleiplatte, als negative das Werkstück eingebracht. Beim Durchleiten des Stroms von 0,5–5 Ampère und 110 Volt Spannung für eine Oberfläche von 5 qcm (je 10 Volt mehr für jede weitere 5 qcm große Oberfläche) findet eine Elektrolyse des leitend gemachten Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff statt. Ersterer lagert sich als Gashülle um das negative Werkstück und setzt damit dem Strom einen so großen Widerstand entgegen, daß das Werkstück in Glühhitze gerät und nun unter dem Hammer oder der Presse zusammengeschweißt werden kann. Die Vorteile dieses Widerstandsverfahrens sind: Verwendung von Gleichstrom geringer Stärke und normaler Spannung, reduzierende Wirkung der Wasserstoffhülle, damit Reinheit der Schweißstelle, die Möglichkeit, nach Abschalten des Stromes direkt im Bade härten zu können. Näheres darüber [23]. Ueber elektrisches Schweißen vgl. ferner auch [24].


Literatur: [1] Dingl. Polyt. Journ., Bd. 190, S. 170. – [2] Ledebur, A., Lehrbuch der mechan. metallurg. Techn., 2. Aufl., Braunschweig 1897. – [3] Hoyer, E., Verarbeitung der Metalle und des Holzes, Wiesbaden 1906. – [4] Fischer, H., Mechan. Technologie, Leipzig 1888/89. – [5] Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1895, S. 1391. – [6] Ebend. 1896, S. 162; 1899, S. 72; 1901, S. 1723. – [7] Dicke, H., Ueber Wassergas, Sonderdruck aus »Stahl und Eisen« 1907; Diegel, C.,[13] Das Schweißen und Hartlöten mit besonderer Berücksichtigung der Blechschweißung, Berlin 1909. – [8] Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1899, S. 1409; 1904, S. 491; 1906, S. 47. – [9] Ebend. 1906, S. 220. – [10] Ebend. 1906, S. 52; über Sauerstoff-Wasserstoffschweißung vgl. a. Gießerei-Zeitung 1906, S. 109, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1908, S. 66, und Dingl. Polyt. Journ. 1908, S. 161. – [11] Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1904, S. 1353. – [12] Hilpert, A., Die Verwendbarkeit der Acetylen-Sauerstoffschweißung im Maschinenbau, München 1908 (Dissertation), daselbst auch Näheres über Kosten u.s.w. – [13] Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1906, S. 53 und 707. – [14] Ebend. 1887, S. 863; 1894, S. 1002. – [15] Glasers Annalen 1895, S. 30; Eisenbahntechn. Zeitschr. 1905, S. 306. – [16] Glasers Annalen 1907, S. 48; Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1905, S. 986. – [17] Feildens Magazine 1900, S. 387–400 und S. 677–684. – [18] »Glückauf« 1902, Nr. 9; Zeitschr. f. Elektrotechnik 1900, S. 559. – [19] Glasers Annalen 1907, S. 63; Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1899, S. 1469. – [20] Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1894, S. 1080. – [21] »Stahl und Eisen« 1891, S. 153, 243, 931. – [22] Ebend. 1893, S. 530, 539; 1901, S. 590. – [23] Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1893, S. 1587; 1894, S. 1081. – [24] Cassiers Magazine 1904, S. 225–232 (E. Thomson); Schiffbau 1904, 12. Oktober; Eisenzeitung 1904, Nr. 2, 3; Zeitschr. f. Dampfkessel und Maschinenbetrieb 1904, Nr. 51; Engineering Review 1904, S. 119–126 (Taylor), Berg- und Hüttenmännische Zeitschr. 1903, Nr. 3; Iron age 1902, S. 24–25, 2. Januar; 1902, S. 14–17, 25. September; Dingl. Polyt. Journ. 1901, Nr. 7, S. 114; »Stahl und Eisen« 1889, S. 632, 969; 1890, S. 171, 263; 1891, S. 421; 1893, S. 213, 436, 1060; 1897, S. 1020; 1901, S. 478; 1902, S. 681; 1903, S. 349; 1904, S. 1456; 1905, S. 693; 1906, S. 1204, 1334; Zeitschr. f. Werkzeugmaschinen und Werkzeuge 1900, S. 301; 1897, S. 27; 1907, S. 31.

E. Treiber.

Fig. 1., Fig. 2.
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Fig. 3 und 4.
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Fig. 5., Fig. 6., Fig. 7.
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Fig. 8.
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Fig. 9.
Fig. 9.
Quelle:
Lueger, Otto: Lexikon der gesamten Technik und ihrer Hilfswissenschaften, Bd. 8 Stuttgart, Leipzig 1910., S. 7-14.
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