Schmelzschweißen vs. Festkörperschweißen: Wichtige Unterschiede erklärt

Die Notwendigkeit, zwei oder mehr Bauteile zu verbinden, ist der Fertigung inhärent. Es gibt verschiedene Fügetechniken, um eine Vielzahl von Materialien auf unterschiedlichste Weise zu montieren. Einige dieser Verfahren erzeugen dauerhafte Verbindungen, andere lösbare. Wie Nieten, Kupplungen und Kleben ist auch das Schweißen ein dauerhaftes Fügeverfahren. Per Definition ist das Schweißen eines der Fügeverfahren, bei denen zwei oder mehr feste Bauteile durch Koaleszenzbildung dauerhaft verbunden werden – mit oder ohne Anwendung von äußerem Druck, Wärme und Zusatzwerkstoff. Daher sind weder Wärme noch Druck zwingend für das Schweißen erforderlich; sie werden vielmehr alternierend eingesetzt. Bei manchen Schweißverfahren wird äußere Wärme zugeführt, bei anderen äußerer Druck. Auf dieser Grundlage lassen sich Schweißverfahren grob in zwei Gruppen einteilen: Schmelzschweißen und Festkörperschweißen.

Schmelzschweißen

Bei allen Schweißverfahren, bei denen ausreichend Wärme von einer externen Quelle zugeführt wird, um die Stoßflächen der Grundwerkstoffe zum Schmelzen zu bringen und einen Schweißnaht zu bilden, handelt es sich um Schmelzschweißverfahren. Druck ist bei diesen Verfahren in der Regel nicht erforderlich. Alle Lichtbogenschweiß-, Gasschweiß- und Widerstandsschweißverfahren fallen unter das Schmelzschweißen. Erwähnenswert ist, dass das Schmelzen der Stoßflächen durch direkte Wärmezufuhr und nicht als Folge von Druck, Reibung etc. erfolgt.

Festkörperschweißen

Beim Festkörperschweißen wird keine Wärme direkt zugeführt; stattdessen wird in den meisten Fällen ausreichend Druck ausgeübt. Als Folge des Drucks kann sich im Kontaktbereich Wärme entwickeln; diese Temperatur liegt jedoch meist deutlich unter dem Schmelzpunkt der Grundwerkstoffe. Diffusionsschweißen, Schmiedeschweißen, Explosionsschweißen, Druckschweißen, Reibschweißen etc. sind Beispiele dieser Kategorie. Die wichtigsten Unterschiede zwischen Schmelz- und Festkörperschweißen sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

Schmelzschweißen	Festkörperschweißen
Die Stoßflächen der Grundwerkstoffe schmelzen auf, um die Schweißnaht zu bilden.	Kein Aufschmelzen; die Temperatur der Stoßflächen bleibt stets unter dem Schmelzpunkt des Grundwerkstoffs.
Wärme wird direkt von extern zugeführt; Druck ist nicht erforderlich.	Keine direkte Wärmezufuhr; stattdessen wird in den meisten Fällen ausreichend Druck ausgeübt.
Externer Zusatzwerkstoff kann bei Bedarf leicht zugeführt werden.	Festkörperschweißverfahren sind überwiegend autogen; Zusatzwerkstoff lässt sich nur schwer einbringen.
Breitere Wärmeeinflusszone (WEZ) um die Schweißnaht aufgrund hoher Wärmeeinbringung.	WEZ ist schmal, da kein Schmelzen erfolgt; oft vernachlässigbar und für die Schweißkonstruktion unproblematisch.
Durch intensives Erhitzen und Aufschmelzen werden diverse mechanische und metallurgische Eigenschaften beeinflusst.	Mechanische und metallurgische Eigenschaften werden nicht gravierend verändert.
Fügen ungleicher Metalle ist beim Schmelzschweißen einfacher.	Fügen ungleicher Metalle ist beim Festkörperschweißen sehr schwierig.
Hohe Verzugsneigung durch übermäßige Wärmeeinbringung; geeignete Vorrichtungen sind erforderlich.	Geringer Verzug, der meist keine Vorsichtsmaßnahmen erfordert.
Alle Lichtbogen-, Gas-, Widerstands- und Hochenergiestrahlschweißverfahren sind Schmelzschweißen.	Diffusions-, Druck-, Walz-, Kalt-, Reib- und Schmiedeschweißen etc. sind Beispiele für Festkörperschweißen.

Aufschmelzen der Stoßflächen

Wie der Name andeutet, werden beim Schmelzschweißen die Stoßflächen des Grundwerkstoffs verschmolzen, um Schweißnaht oder Koaleszenz zu erzeugen. Wird Zusatzwerkstoff eingesetzt, schmilzt dieser ebenfalls und mischt sich mit dem geschmolzenen Grundwerkstoff. Beim Festkörperschweißen findet hingegen keine Schmelze statt; die Verbindung erfolgt im festen Zustand. Zwar kann die Temperatur durch gleichzeitigen Druck und Reibung ansteigen, bleibt jedoch stets unter dem Schmelzpunkt des Grundwerkstoffs – dies ist der Hauptunterschied zwischen beiden Schweißarten.

Anwendung von Wärme und Druck

Offensichtlich muss beim Schmelzschweißen Wärme von extern zugeführt werden. Die Wärmequelle kann unterschiedlich sein: Elektrischer Lichtbogen (Lichtbogenschweißen), Verbrennung von Sauerstoff-Brennstoffgas (Gasschweißen), elektrischer Widerstand (Widerstandsschweißen) oder intensive Energiestrahlen wie Plasma, Laser oder Elektronenstrahl (Plasma-, Laser- oder Elektronenstrahlschweißen). Beim Festkörperschweißen wird meist Druck appliziert. Keine direkte Wärmezufuhr ist erwünscht; Wärme kann jedoch als Folge von Druck, Reibung etc. entstehen.

Einsatz von Zusatzwerkstoff

Zusatzwerkstoff dient zum Ausfüllen des Stoßspalts zwischen den Grundwerkstoffen. Je nach Einsatz und Zusammensetzung des Zusatzes lassen sich drei Kategorien unterscheiden: autogen, homogen und heterogen. Ist der Stoßspalt sehr klein, ist kein Zusatz nötig (autogen). Festkörperschweißen erfolgt meist autogen. Wird Zusatz zugegeben und dessen Zusammensetzung entspricht dem Grundwerkstoff, spricht man von homogenem Schweißen; weicht sie ab, von heterogenem. Schmelzschweißen lässt sich in allen drei Modi vorteilhaft einsetzen; heterogenes Fügen erfordert jedoch besondere Vorsicht und optimale Parameter.

Vorhandensein der WEZ

Die Wärmeeinflusszone (WEZ) ist der schmale Bereich um die Schweißnaht, in dem das Material nicht geschmolzen ist, aber physikalische und mechanische Eigenschaften durch Erhitzen und Abkühlen verändert wurden. Sie gilt als Schwachstelle, da sie anfällig für mechanische und chemische Versagen ist. Durch extreme Erhitzung über dem Schmelzpunkt entsteht beim Schmelzschweißen eine breitere WEZ; beim Festkörperschweißen ist sie schmal (manchmal vernachlässigbar), da weniger Wärme entsteht.

Veränderungen mechanischer und metallurgischer Eigenschaften

Metallurgische Eigenschaften wie Kornorientierung, Gefüge, Atomfehler etc. werden beim Schweißen meist beeinflusst. Mechanische Eigenschaften wie Festigkeit, Härte, Zähigkeit etc. ändern sich als Folge metallurgischer Veränderungen. Solche Änderungen korrelieren mit dem Erhitzungs- und Abkühlgrad. Beim Schmelzschweißen führen hohe Wärmeeinbringung und Aufschmelzen zu gravierenden Eigenschaftsänderungen. Beim Festkörperschweißen sind Änderungen gering und meist im akzeptablen Bereich.

Fähigkeit zum Fügen ungleicher Metalle

Einer der größten Vorteile des Schweißens unter allen Fügeverfahren ist das leckagefreie, feste Verbinden ungleicher Werkstoffe. Nicht jedes Schweißverfahren eignet sich jedoch dafür. Da das Fügen ungleicher Metalle im Grunde heterogenes Schweißen ist, können nur wenige Schmelzschweißverfahren dies leisten – und auch dann nur mit äußerster Sorgfalt und optimalen Parametern. Festkörperschweißen eignet sich überhaupt nicht für das Fügen ungleicher Metalle.

Verzugsgrad in Schweißkonstruktionen

Durch ungleichmäßige Ausdehnung und Kontraktion beim Erhitzen und Abkühlen verziehen sich die gefügten Strukturen in eine andere Ebene – ein Schweißfehler. Dieser Verzug führt zu Maßungenauigkeiten und Ausschuss. Die Verzugsneigung steigt mit der Wärmeeinbringung. Wird keine geeignete Vorrichtung oder Verzugsminimierungstechnik (z. B. Sprungschweißen, Vorspannen in Gegenrichtung) angewendet, zeigen schmelzgeschweißte Teile höheren Verzug als festkörpergeschweißte, da die Wärmeeinbringung beim Ersteren höher ist.

Beispiele der Verfahren

Zu den Schmelzschweißverfahren zählen alle Lichtbogenschweißverfahren (MMAW, GMAW, WIG, UP, FCAW, ESW etc.), Gasschweißverfahren (OAW, OHW, AAW, PGW etc.), Widerstandsschweißverfahren (RSW, RSEW, PW, PEW, FW etc.) und Hochenergiestrahlschweißverfahren (PAW, LBM, EBW). Beispiele für Festkörperschweißen: Diffusionsschweißen (DFW), Druckschweißen (PW), Walzschweißen (ROW), Kaltschweißen (CW), Reibschweißen (FRW), Schmiedeschweißen (FOW) etc.

Dieser Artikel stellt einen wissenschaftlichen Vergleich zwischen Schmelz- und Festkörperschweißen dar. Der Autor empfiehlt folgende Quellen zur Vertiefung:

1. Unterschied zwischen Schmelz- und Festkörperschweißen von difference.minaprem.com.
2. Schweißfehler von M. Preto (1. Auflage, Aracne).
3. Physikalische Chemie des Schmelzschweißens von G. F. Deyev und D. G. Deyev (1. Auflage, DGD Press).