Abbrennstumpfschweißen

Abbrennstumpfschweißen von Sägebändern für Bandsägen mit einer ukrainischen 'Chaika' FBWM-60 Maschine

© Sergey82, CC-BY-SA 4.0

Der Ablauf des Schweißverfahrens ist wie folgt:

Animation des Verfahrensablaufs beim Abbrennstumpfschweißen

© Chris Rogers, CC BY-SA 3.0

Die Teile werden zuerst in die als Spannbacken ausgeführten Elektroden eingespannt, dann werden diese über einen Schweißtransformator mit niedriger Spannung von normalerweise 5–15 V Volt beaufschlagt. Eines der Teile wird langsam mit der gewünschten Kollisionsgeschwindigkeit in Richtung des anderen Werkstücks verschoben, bis es dieses berührt.

Ab dem Zeitpunkt des ersten Kontakts werden die Bauteile mit einer leichten Druckkraft aufeinanderpresst. An einzelnen Punkten der Stirnflächen fließt ein Strom mit einer hohen Stromstärke von etwa 40–100 kA. Dadurch wird das Metall an den Kontaktstellen sofort auf den Schmelzpunkt erhitzt, wird flüssig und verdampft explosionsartig.

Durch die explosionsartige Verdampfung wird ein Teil des Metalls der Bauteile in Form von Funken und Spritzern aus der Fügestelle ausgestoßen. Die Spritzer entstehen so lange, bis sich eine gleichmäßig dicke Schicht geschmolzenen Metalls auf den Endflächen gebildet hat. Der Lichtbogen in der Funkenstrecke erwärmt das Metall der Bauteile aufgrund der Wärmeübertragung nur langsam.

Der Kontaktwiderstand zwischen den Bauteilen hängt von der Größe und Anzahl der Flüssigkeitsbrücken, den Eigenschaften der Oxidfilme auf ihrer Oberfläche, der Querschnittsflächengröße der Teile, den Eigenschaften des Schweißgutes usw. ab.  In der Anfangsphase werden bis zu 85-90% der zwischen den Bauteilen erzeugten Wärme wird in die Schmelze übertragen. Die Brenndauer des Lichtbogens beträgt bei Schienenschweißungen üblicherweise etwa 1 Minute.

In der letzten Phase des Schmelzens nimmt die Menge der flüssigen Schmelze zu, so dass der Strom besser durch den sich mit Schmelze füllenden Spalt geleitet wird. Der Eigenwiderstand der Teile steigt aber aufgrund der steigenden Temperatur kontinuierlich an. Daher trägt der elektrische Widerstand der Metallteile erst im Endstadium erheblich zur Erzeugung von Wärme bei. 

Nach dem Erhitzen der Teile auf die gewünschte Temperatur und dem Vorhandensein einer Schicht aus flüssigem Metall auf der gesamten Stirnflächen der Teile werden diese durch eine mit hoher Geschwindigkeit aufgebrachten Stauchkraft zusammengepresst. Während des Stauchvorgangs wird das flüssige Metall zusammen mit Oxiden und anderen Verunreinigungen aus der Verbindung in den Wulst gepresst. 

Die metallurgische Verbindung beginnt in der flüssigen Phase und endet nach der Erstarrung in der festen Phase. Das zusammengeschweißte Teil ist kürzer als die Gesamtläge der beiden unverschweißten Teile, weil ein Teil des Materials abbrennt, d.h. herausspritzt und in den Wulst gepresst wird. Der Längenverlust heißt Abbrand. Er kann vorteilhaft zur Regelung des Prozesses eingesetzt werden, anstatt diesen durch vorgegebene Zeiten zu steuern.^[2]

Der Wulst wird meist im noch warmen Zustand abgeschert und anschließend abgeschliffen. 

Abbrennstumpfschweißen weiterer Kettenglieder an die in einer Fabrik in Ramnäs, Sweden hängenden Ankerketten. 

  © Dependability, CC BY-SA 4.0

Das Abbrennstumpfchweißen wird verwendet, um in Stahlwerken Eisenbahnschienen zu langen geschweißten Schienen (Long Welded Rail, LWR) oder diese auf diese auf der Baustelle zu durchgehenden geschweißten Gleisen (Continuous Welded Rail, CWR) verbunden, die viel glatter als die formschlüssig verschraubten sind, da zwischen den Schienenabschnitten keine Lücken bestehen. Diese glattere Schiene reduziert den Verschleiß der Schienen selbst und reduziert effektiv die Häufigkeit von Inspektionen und Wartungen.

Durchgehend geschweißte Schienen werden aufgrund der Glätte des Schienenkopfs insbesondere auf Hochgeschwindigkeitsstrecken verwendet. Stoßlückengleise werden gemäß der Oberbauvorschrift DS 820 der Deutschen Bahn AG nur noch auf rutschgefährdetem oder ungleichmäßig nachgiebigem Untergrund, beispielsweise in Bergschadensgebieten, verwendet.

Mit dem Abbrennstumpfschweißen können auch unterschiedliche Metalle, einschließlich Nichteisenmetalle verschweißt werden. Das ermöglicht unter Verwendung eines Edelstahlzwischenstücks das kosteneffektive Verschweißen von Kohlenstoffstahlschienen mit den Herzstücken von Weichen und Kreuzungen, die im Allgemeinen aus hochmanganhaltigem Stahl bestehen, an eine, wobei die gewünschten mechanischen Eigenschaften sowohl der Schienen als auch der Kreuzungen intakt bleiben.

Das Herstellen von Kettengliedern und Bandsägebändern sind typische Anwendungen des Verfahrens. In der Metallbauindustrie werden damit Stahlprofile zu Trägern verschweißt. Die Aluminium verarbeitende Industrie nutzt das Verfahren bei der Herstellung von Aluminium-Fensterrahmen von Schienenfahrzeugen.

Abbrennstumpfschweißen wird auch verwendet, um Aluminium, Stahl und Kupfer zu stromführenden Leitern zu verbinden, die als Sammelschienen (oder Busbars) bezeichnet werden. Der Stahl wird für die Festigkeit verwendet, das Kupfer wird für die Leitfähigkeit verwendet und das Aluminium wird für die Kombination von Kosten und Leitfähigkeit verwendet.^[1]

Mehrere Parameter haben einen Einfluss auf die Qualität des Endprodukts. Beim Abbrennstumpfschweißen von Eisenbahnschienen werden normalerweise 40–100 kA Stromstärke bei 6–15 V Spannung verwendet.

Die "Flash Time" ist die Zeit, in der der Lichtbogen brennt. Die "Stauchzeit" ist die Zeit, die beiden Teile zusammengepresst werden:

• Die Flash Time muss lang genug sein, um das Metall ausreichend zu erwärmen, bevor es zusammengestaucht wird. Wenn sie jedoch zu lang ist, schmilzt zu viel des Grundmaterials.
• Die Stauchzeit ist entscheidend für die Erzeugung der gewünschten mechanischen Eigenschaften der fertigen Schweißnaht. Während der Stauchung werden alle Verunreinigungen von der Fügestelle in den Wulst herausgedrückt, wodurch eine hochbelastbare Schweißnaht entsteht. Wenn die Stauchzeit zu kurz ist, können einige der Verunreinigungen im Grundmetall verbleiben und eine fehlerhafte Schweißnaht verursachen.
• Die Stauchzeit ist auch entscheidend für die Festigkeit der fertigen Schweißnaht, da in die Koaleszenz zwischen den beiden Metallstücken auftritt. Wenn die Stauchzeit zu kurz ist, verbinden sich die beiden Metallteile möglicherweise nicht vollständig.

Im Allgemeinen ist die Stauchlänge wichtiger als die für das Stauchen benötigte Zeit. Daher wird Stauchung meist über eine vorgegebene Abbrandlänge geregelt, d.h. die Verkürzung der Bauteile nach dem ersten Kontakt. Dabei wird das Abbrennstumpf­schweißen durch die Messung des Abbrands anstelle der Messung der Zeit gesteuert, so dass der Lichtbogen für eine vorbestimmte Länge, beispielsweise 5 mm, aufrecht erhalten wird, bevor der Stauchzyklus beginnt.

Am Ende des Stauchens gibt es üblicherweise eine "Haltezeit", während der die Verbindung stillgehalten wird, damit die Verbindung abkühlen und die beiden Metallstücke vollständig miteinander verbunden werden können.^[1]
   

Folgende Parameter können als Anhaltswert für das Schienenschweißen genommen werden:^[4]

Tabelle 1: Fehlerarten beim Abbrennstumpfschweißen nach Fahrenwaldt, Schuler und Krause: ^[5]

• Sichtprüfung
• • Begutachtung der Grat- bzw. Wulstausbildung
  • Begutachtung des Wärmebildes (Anlauffarben)
  • Begutachtung von Oberflächenfehlern
  • Maßkontrolle von Formabweichungen
       
• Zerstörungsfreie Prüfung
• • Magnetpulverprüfung
  • Wirbelstromprüfung
  • Farbeindringprüfung
  • Ultraschallprüfung
  • Durchstrahlungsprüfung
  • Nachfolgende Prüfungen, z.B. Wasserdruckprobe bei Rohren, Auf-Maß-Recken von Ketten, Umformen
       
• Zerstörende Prüfung
• • Metallographie
  • Zugversuch
  • Technologischer Biegeversuch
  • Kerbschlagbiegeversuch
  • Tiefungsversuch

• Merkblatt DVS 2901-1 (03/2012): Abbrennstumpfschweißen – Schweißen von Stahl
      
• Merkblatt DVS 2901-2 (09/2014): Abbrennstumpfschweißen von Aluminium, Magnesium und deren Legierungen
     
  
• Merkblatt DVS 2901-3 (06/2016): Abbrennstumpf- und Pressstumpfschweißen Anwendungsbeispiele
     
• Merkblatt DVS 2922 (07/2019): Prüfen von Abbrennstumpf-, Pressstumpf- und MBP-Schweißverbindungen