Einleitung
Das Bolzenschweißen zählt zu den wichtigsten Schweißverfahren in der modernen Metallverarbeitung. Es ermöglicht das schnelle, präzise und dauerhafte Fügen von Bolzen, Stiften oder Gewindeteilen mit metallischen Werkstücken. Besonders in der Bau-, Fahrzeug-, Maschinenbau- und Elektroindustrie ist das Verfahren weit verbreitet.
Seine große Stärke liegt in der Wirtschaftlichkeit und Prozesssicherheit: Bolzenschweißen ist nicht nur schnell, sondern erzeugt auch hochfeste Verbindungen – oft in nur wenigen Millisekunden.
In diesem ausführlichen Artikel erfährst du alles über das Prinzip des Bolzenschweißens, die verschiedenen Verfahrensarten, Anwendungsgebiete, Vorteile und Grenzen sowie die Zukunft der Technologie im Kontext von Automatisierung und Industrie 4.0.
1. Grundlagen des Bolzenschweißens
1.1 Was ist Bolzenschweißen?
Bolzenschweißen ist ein Lichtbogenschweißverfahren, bei dem ein Bolzen (z. B. ein Gewindebolzen, Stift oder Nagel) mit einem metallischen Grundwerkstoff verbunden wird. Dabei werden die Kontaktflächen des Bolzens und des Werkstücks kurzzeitig aufgeschmolzen und anschließend unter leichtem Druck zusammengefügt.
Das Ergebnis ist eine stoffschlüssige Verbindung, die in der Regel genauso fest oder sogar fester ist als das Grundmaterial selbst.
1.2 Ziel und Vorteile des Verfahrens
Ziel des Bolzenschweißens ist es, Bauteile ohne Bohrungen oder zusätzliche Verbindungselemente wie Schrauben oder Muttern zu befestigen.
Hauptvorteile:
- Kein Durchbohren oder Vorbereiten des Werkstücks notwendig
- Sehr kurze Schweißzeiten (Millisekunden)
- Hohe Festigkeit der Verbindung
- Automatisierbar und wirtschaftlich
- Keine oder minimale Nacharbeit erforderlich
1.3 Typische Materialien
Bolzenschweißen eignet sich besonders für:
- Stahl und Edelstahl
- Aluminium und Aluminiumlegierungen
- Kupfer und Messing (in bestimmten Verfahren)
2. Das Prinzip des Bolzenschweißens
Beim Bolzenschweißen wird ein Bolzen mithilfe einer Bolzenschweißpistole oder eines automatisierten Geräts auf die Werkstückoberfläche gesetzt. Zwischen Bolzen und Werkstück wird durch elektrischen Strom ein Lichtbogen erzeugt, der die Kontaktflächen schmilzt.
Nach der Aufschmelzung wird der Bolzen unter Feder- oder Magnetdruck in die Schmelze gedrückt, wodurch eine metallurgische Verbindung entsteht.
Der gesamte Vorgang dauert nur 0,001 bis 1 Sekunde – je nach Bolzendurchmesser und Verfahren.
3. Arten des Bolzenschweißens
Das Bolzenschweißen lässt sich in mehrere Verfahrensarten unterteilen, die sich durch die Art der Lichtbogenerzeugung und den Einsatz von Schutzmitteln unterscheiden.
3.1 Hubzündungs-Bolzenschweißen
Das Hubzündungsverfahren ist das meistverbreitete Verfahren für größere Bolzen (ab ca. 3 mm bis 25 mm Durchmesser).
Ablauf:
- Der Bolzen liegt auf dem Werkstück auf.
- Durch Anheben des Bolzens entsteht ein Lichtbogen, der beide Flächen aufschmilzt.
- Nach einer kurzen Haltezeit wird der Bolzen in die Schmelze zurückgeführt und verpresst.
Eigenschaften:
- Schweißzeit: 2–100 Millisekunden
- Hohe Energie, daher für dickere Bolzen geeignet
- Schutz durch Keramikring oder Schutzgas erforderlich
Vorteile:
- Tiefer Einbrand
- Hohe Verbindungsfestigkeit
- Ideal für Stahl und Edelstahl
Nachteile:
- Höherer Energiebedarf
- Sichtbare Schweißstelle
Anwendungsgebiete:
Maschinenbau, Schiffbau, Stahlbau, Brückenbau
3.2 Kurzzeit-Bolzenschweißen
Das Kurzzeit- oder Kondensatorentladungs-Bolzenschweißen (KE-Bolzenschweißen) wird vor allem für dünne Bleche (ab 0,5 mm) verwendet.
Funktionsprinzip:
- Ein Kondensator wird aufgeladen.
- Beim Entladen wird ein kurzer, intensiver Lichtbogen erzeugt.
- Der Bolzen und das Werkstück schmelzen oberflächlich auf.
- Der Bolzen wird in die Schmelze gedrückt und verbindet sich.
Schweißzeit: 1–3 Millisekunden
Vorteile:
- Keine Verfärbung oder Verformung des Blechs
- Keine Durchschmelzung – ideal für dünne Materialien
- Keine Schutzatmosphäre erforderlich
Nachteile:
- Nur für kleine Bolzen (bis ca. 8 mm Durchmesser)
- Eingeschränkte Werkstoffkombinationen
Anwendungsbereiche:
Blechverarbeitung, Elektrogeräte, Automobilbau, Gehäusebau
3.3 Bolzenschweißen mit Schutzgas
Hier wird die Schweißzone während des Vorgangs mit einem Schutzgas (z. B. Argon oder CO₂) umspült, um Oxidation zu verhindern.
Vorteile:
- Keine Keramikringe erforderlich
- Saubere Schweißnaht
- Geeignet für automatisierte Prozesse
Nachteile:
- Zusätzlicher Gasaufwand
- Windempfindlich bei Außenanwendungen
Anwendung:
Industrieanlagen, Serienfertigung, Edelstahlkomponenten
3.4 Bolzenschweißen mit Keramikring
Bei größeren Bolzendurchmessern wird häufig ein Keramikring verwendet, der die Schweißzone abschirmt und den Schmelzfluss kontrolliert.
Aufgaben des Keramikrings:
- Schutz vor Luftsauerstoff
- Formgebung der Schweißnaht
- Wärmestau zur besseren Durchschmelzung
Nach dem Schweißen wird der Ring entfernt.
Typische Einsatzgebiete:
Schwermaschinenbau, Stahlkonstruktionen, Brückenbau
4. Ausrüstung und Komponenten
4.1 Bolzenschweißgeräte
Bolzenschweißgeräte liefern den nötigen Strom (Gleich- oder Wechselstrom) und steuern den Schweißprozess.
Man unterscheidet:
- Kondensatorentladungsgeräte (für Kurzzeitschweißen)
- Transformator- oder Invertergeräte (für Hubzündungsverfahren)
4.2 Bolzenschweißpistolen
Die Pistolen dienen zum präzisen Ansetzen und Führen des Bolzens. Sie enthalten Mechanismen für:
- Bolzenhub
- Federdruck
- Lichtbogenzündung
4.3 Bolzenarten
Es gibt eine Vielzahl von Bolzentypen je nach Anwendung:
- Gewindebolzen (M4–M24)
- Stifte und Bolzen ohne Gewinde
- Isolierbolzen
- Erdungsbolzen
- Spezialbolzen für Aluminium oder Edelstahl
5. Vorbereitung und Durchführung
5.1 Oberflächenvorbereitung
Eine saubere Oberfläche ist entscheidend:
- Entfernen von Öl, Fett, Rost oder Farbe
- Kein Zunder oder Oxidfilm
- Bei Aluminium: leichtes Anschleifen
5.2 Aufsetzen des Bolzens
Der Bolzen wird senkrecht aufgesetzt, um eine gleichmäßige Schweißlinse zu erzeugen.
5.3 Schweißprozess
Der gesamte Vorgang läuft automatisch nach Auslösung des Startsignals ab. Moderne Geräte überwachen Parameter wie:
- Stromstärke
- Lichtbogendauer
- Bolzenhub
6. Qualitätsprüfung beim Bolzenschweißen
Qualität spielt beim Bolzenschweißen eine zentrale Rolle, besonders in sicherheitskritischen Bereichen.
6.1 Sichtprüfung
- Prüfung der Schweißlinse auf Gleichmäßigkeit und Form
- Kontrolle auf Spritzer oder Risse
6.2 Mechanische Prüfungen
- Abreißprüfung: Festigkeitstest der Verbindung
- Biegeversuch: Überprüfung der Duktilität
- Drehmomenttest: Für Gewindebolzen
6.3 Zerstörungsfreie Prüfungen (ZfP)
- Ultraschallprüfung
- Magnetpulverprüfung
- Wirbelstromprüfung
7. Anwendungsgebiete des Bolzenschweißens
Das Bolzenschweißen ist in vielen Branchen unverzichtbar geworden.
7.1 Bauwesen
- Befestigung von Bewehrungsstäben
- Montage von Stahlträgern
- Befestigung von Dämmstoffhaltern
