Schweißtechnik

Literaturhinweis

Grundlagen des Schweißens

Schweißen ist ein Materialverbindungsprozess, bei dem zwei oder mehr Teile an ihren Kontaktflächen durch Anwendung von Wärme und/oder Druck zusammengefügt werden. Nach dem Zusammenbringen verbinden sich die zu verbindenden Flächen, sogenannte Stoßflächen, und bilden eine starke Verbindung. Metalle sind die bei diesem Verfahren am häufigsten verwendeten Materialien; Es können jedoch auch Kunststoffe eingesetzt werden. Um die Koaleszenz zu unterstützen, wird manchmal eine Füllsubstanz eingebracht. Als Schweißkonstruktion bezeichnet man die Endmontage verbundener Elemente. Das Schweißen kann allein mit Wärme, einer Kombination aus Wärme und Druck oder nur mit Druck ohne äußere Wärme erfolgen. Um unterschiedliche Metalle miteinander zu verschmelzen, können spezielle Schweißtechniken eingesetzt werden; Sie werden jedoch hauptsächlich zum Verbinden von Teilen verwendet, die aus demselben Metall bestehen.

Arten von Schweißprozessen

Schweißverfahren lassen sich in zwei Hauptgruppen einteilen: Festkörperschweißen und Schmelzschweißen.

Schmelzschweißen

Beim Schmelzschweißen wird Hitze zum Schmelzen der Grundmetalle eingesetzt, oft mit zusätzlichem Zusatzwerkstoff, um das Schmelzbad zu verbessern und die Schweißnaht zu verstärken. Wenn kein Zusatzwerkstoff verwendet wird, spricht man von einer autogenen Schweißnaht. Die beliebtesten Schweißtechniken fallen in die Kategorie Schmelzen und werden häufig in die folgenden Kategorien eingeteilt:

Lichtbogenschweißen (AW)

Lichtbogenschweißen ist eine Gruppe von Schweißtechniken, bei denen die Metalle mithilfe eines Lichtbogens erhitzt werden, wie unten gezeigt. Bei den meisten Lichtbogenschweißverfahren wird ein Zusatzwerkstoff verwendet, einige üben auch während des Prozesses Druck aus.

Literaturhinweis

Ein Lichtbogen entsteht, wenn ein elektrischer Strom über eine Stromkreislücke fließt, wodurch eine Gassäule thermisch ionisiert wird und den Lichtbogen aufrechterhält. Beim Lichtbogenschweißen (AW) kommt die Elektrode kurz mit dem Werkstück in Kontakt, bevor sie sich schnell trennt, um den Lichtbogen zu erzeugen. Durch die extreme Hitze dieses Lichtbogens, die Temperaturen von bis zu 10,000 °F (5500 °C) erreichen kann, kann jedes Metall geschmolzen werden. Schmelzendes Grundmetall und ggf. Zusatzwerkstoff bilden zusammen einen Pool geschmolzenen Metalls nahe der Elektrodenspitze. Normalerweise wird dieser Zusatzwerkstoff hinzugefügt, um das Volumen und die Festigkeit der Schweißverbindung zu verbessern. Das geschmolzene Schweißbad hinter der Elektrode härtet aus, während es sich entlang der Verbindung bewegt.

Der Schweißer kann die Position der Elektrode im Verhältnis zum Werkstück manuell steuern oder mechanische Techniken wie Maschinen-, Roboter- oder automatisches Schweißen verwenden. Die Lichtbogenzeit, auch Lichtbogen-Einschaltzeit genannt, ist das Verhältnis der tatsächlichen Schweißzeit zu den insgesamt aufgewendeten Stunden. Beim manuellen Lichtbogenschweißen hängt die Qualität der Schweißnaht stark von den Fähigkeiten und dem Engagement des Schweißers ab.

Die Lichtbogenzeit wird wie folgt berechnet: (Arbeitsstunden) / (Zeitbogen ist eingeschaltet).

Sowohl einzelne Schweißer als auch automatisierte Arbeitsplätze können von dieser Idee profitieren. Die Lichtbogendauer beim Handschweißen beträgt in der Regel etwa 20 %, da der Vorgang unter anspruchsvollen Bedingungen eine erhebliche Hand-Auge-Koordination erfordert und Ruhepausen wichtig sind, um Ermüdung vorzubeugen. Abhängig von der jeweiligen Operation kann die Lichtbogenzeit beim Roboter-, automatischen und maschinellen Schweißen jedoch auf etwa 50 % ansteigen.

Widerstandsschweißen (RW)

Widerstandsschweißen, auch elektrisches Widerstandsschweißen (ERW) genannt, erreicht Koaleszenz durch die Anwendung von Wärme, die durch elektrischen Widerstand auf den Stromfluss zwischen den Stoßflächen zweier unter Druck zusammengehaltener Komponenten erzeugt wird. Die wichtigsten beim Widerstandsschweißen beteiligten Komponenten sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Sie zeigt einen Widerstandspunktschweißvorgang, der in dieser Kategorie am häufigsten verwendeten Methode.

Diese Komponenten bestehen aus den zu schweißenden Werkstücken (normalerweise Blechteile), zwei gegenüberliegenden Elektroden, einem Mechanismus zum Ausüben von Druck und Zusammendrücken der Teile sowie einer Wechselstromversorgung, die einen kontrollierten Strom liefert. Durch den Prozess entsteht ein verschmolzener Bereich zwischen den beiden Teilen, der beim Punktschweißen als Schweißklumpen bezeichnet wird. Im Gegensatz zum Lichtbogenschweißen sind beim Widerstandsschweißen keine Schutzgase, Flussmittel oder Zusatzmetalle erforderlich. und die Elektroden, die elektrische Energie liefern, sind nicht verbrauchbar. Widerstandsschweißen wird als eine Art Schmelzschweißen angesehen, da die aufgebrachte Wärme normalerweise die Stoßflächen schmilzt. Es gibt jedoch Ausnahmen. Bei einigen auf Widerstandserwärmung basierenden Schweißvorgängen werden Temperaturen unterhalb der Schmelzpunkte der Grundmetalle verwendet, wodurch eine Verschmelzung verhindert wird.

Autogenschweißen (OFW)

Das Autogenschweißen (OFW) umfasst eine Vielzahl von Schweißvorgängen, bei denen verschiedene Brennstoffe in Kombination mit Sauerstoff zur Durchführung von Schweißaufgaben verwendet werden. Der Hauptunterschied zwischen diesen Verfahren ist die Art des verwendeten Gases. OFW wird häufig auch in Schneidbrennern eingesetzt, um Metallplatten und andere Materialien zu durchtrennen und zu trennen. Das bedeutendste Verfahren dieser Gruppe ist das Autogenschweißen.

Autogenes Schweißen (OAW) ist eine Schmelzschweißtechnik, bei der eine Hochtemperaturflamme verwendet wird, die durch die Verbrennung von Acetylen und Sauerstoff erzeugt und von einem Schweißbrenner gesteuert wird. Ein Füllmetall kann hinzugefügt werden, und manchmal wird während des Prozesses Druck zwischen den Kontaktflächen ausgeübt. Wenn Füllmetall verwendet wird, liegt es normalerweise in Stabform vor, mit Durchmessern von 1.6 bis 9.5 mm (1/16 bis 3/8 Zoll). Die Zusammensetzung des Füllmetalls muss der der Grundmetalle genau entsprechen. Oft wird der Füllstab mit Flussmittel beschichtet, um die Oberflächen zu reinigen und Oxidation zu verhindern, was zu einer stärkeren Schweißverbindung führt. Acetylen (C2H2) ist der am meisten bevorzugte Brennstoff in der OFW-Gruppe, da es die höchsten Temperaturen erreichen kann, die bis zu 3480 °C (6300 °F) erreichen.

Elektronenstrahlschweißen (EB).

Das Elektronenstrahlschweißen (EBW) ist ein Schmelzschweißverfahren, bei dem Wärme erzeugt wird, indem ein hochfokussierter, intensiver Elektronenstrahl auf die Arbeitsoberfläche gerichtet wird. Die bei der EBW verwendeten Ausrüstung ähnelt der bei der Elektronenstrahlbearbeitung. Die Elektronenstrahlkanone arbeitet mit hohen Spannungen, typischerweise im Bereich von 10 bis 150 kV, um die Elektronen zu beschleunigen, während die Strahlströme niedrig bleiben, gemessen in Milliampere. Obwohl die Gesamtleistung bei EBW möglicherweise nicht außergewöhnlich hoch ist, ist die Leistungsdichte außergewöhnlich wichtig. Diese hohe Leistungsdichte wird durch die Fokussierung des Elektronenstrahls auf einen sehr kleinen Bereich der Arbeitsfläche erreicht.

Literaturhinweis

Die Leistungsdichte (PD) in EBW kann mit der Formel berechnet werden:

wobei PD die Leistungsdichte in W/mm² darstellt (durch Division durch 1055 in Btu/sec-in² umwandelbar), f₁ ist der Wärmeübertragungsfaktor (typische Werte für EBW liegen zwischen 0.8 und 0.95), E ist die Beschleunigungsspannung in Volt, I ist der Strahlstrom in Ampere und A ist die Arbeitsoberfläche in mm². Typische Schweißbereiche für EBW liegen zwischen 0.013 und 2.0 mm².

Laserstrahlschweißen

Beim Laserschweißen, auch Laserstrahlschweißen (LBW) genannt, werden die Materialien mithilfe einer konzentrierten Laserwärmequelle geschmolzen, sodass sie beim Abkühlen verschmelzen. Aufgrund der vom Laser erzeugten konzentrierten Wärme kann das Schweißen bei dünnen Materialien mit hohen Geschwindigkeiten (gemessen in Metern pro Minute) durchgeführt werden und kann bei dickeren Materialien schmale, tiefe Schweißnähte mit kantigen Teilen erzeugen.

Literaturhinweis

Die Abkürzung „Laser“ steht für Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission. Eine weitere Anwendung dieser Technologie ist die Laserstrahlbearbeitung. Um Oxidation zu vermeiden, wird LBW üblicherweise mit Schutzgasen wie Kohlendioxid, Argon, Stickstoff und Helium durchgeführt; Füllmetall ist normalerweise nicht enthalten. Ähnlich wie beim Elektronenstrahlschweißen erzeugt diese Methode hochwertige Schweißnähte mit tiefer Durchdringung und einer schmalen Wärmeeinflusszone. Daher werden LBW und EBW häufig verglichen.

Im Vergleich zu EBW hat LBW einige Vorteile: Es benötigt keine Vakuumkammer, setzt keine Röntgenstrahlen frei und seine Laserstrahlen können mithilfe von Spiegeln und optischen Linsen konzentriert und gelenkt werden. Im Gegensatz zu EBW kann LBW jedoch nicht die gleiche Tiefe und hohe Tiefen-Breiten-Verhältnisse erreichen. Während EBW Schweißtiefen von bis zu 50 mm (2 Zoll) erzeugen kann, sind beim Laserschweißen nur maximale Schweißtiefen von etwa 19 mm (0.75 Zoll) möglich. Bei LBW sind Tiefen-Breiten-Verhältnisse normalerweise auf etwa 5:1 beschränkt. LBW wird häufig zum Verbinden kleiner Komponenten eingesetzt, da die Energie im schmalen Strahlbereich des Lasers hochkonzentriert ist.

Festkörperschweißen

Das Festkörperschweißen umfasst eine Reihe von Verbindungstechniken, bei denen die Verschmelzung der Fügeflächen ohne Schmelzen durch Druck mit oder ohne zusätzliche Wärme erreicht wird. Zu den typischen Schweißverfahren dieser Kategorie gehören:

Diffusionsschweißen (DFW)

Beim Diffusionsschweißen (DFW) werden zwei Oberflächen unter Druck und hoher Temperatur zusammengehalten, wodurch die Teile durch Festkörperdiffusion zusammenwachsen.

Literaturhinweis

Die verwendeten Temperaturen liegen deutlich unter den Schmelzpunkten der Metalle und erreichen bis zu etwa 0.5 T_m (Schmelztemperatur), mit minimaler plastischer Verformung an den Oberflächen. Der primäre Bindungsmechanismus ist die Festkörperdiffusion, bei der Atome über die Grenzfläche der Kontaktflächen wandern. DFW wird häufig in der Luft- und Raumfahrt- und Nuklearindustrie eingesetzt, um hochfeste und feuerfeste Metalle zu verbinden. Es eignet sich zum Verbinden sowohl ähnlicher als auch unterschiedlicher Metalle, wobei häufig eine Füllmetallschicht zwischen verschiedenen Grundmetallen angebracht wird, um die Diffusion zu verbessern. Der Diffusionsprozess kann langwierig sein und manchmal mehr als eine Stunde dauern.

Rührreibschweißen (FSW)

Das Reibrührschweißen (FSW) ist eine Festkörperschweißtechnik, bei der sich ein rotierendes Werkzeug entlang der Verbindungslinie zwischen zwei Werkstücken bewegt, dabei durch Reibung Wärme erzeugt und das Metall mechanisch umrührt, um eine Schweißnaht zu erzeugen. Der Name des Prozesses geht auf den Rühr- oder Mischvorgang zurück. Im Gegensatz zum herkömmlichen Reibschweißen (FRW), bei dem die Teile selbst die Reibungswärme erzeugen, wird beim FSW zu diesem Zweck ein separates verschleißfestes Werkzeug verwendet.

Das beim FSW verwendete Werkzeug verfügt über eine zylindrische Schulter und eine kleinere Sonde, die sich darunter erstreckt. Während des Schweißens reibt die Schulter an den Oberflächen der beiden Teile und erzeugt dabei den größten Teil der Reibungswärme, während die Sonde zusätzliche Wärme hinzufügt, indem sie das Metall entlang der Verbindungslinie vermischt. Das Design der Sonde ist optimiert, um diese Mischwirkung zu verbessern. Die durch Reibung und Mischung erzeugte Wärme erweicht das Metall in einen hochplastischen Zustand, ohne es zu schmelzen. Während sich das Werkzeug entlang der Verbindung bewegt, drückt die Vorderkante der rotierenden Sonde das erweichte Metall um sich herum und schmiedet das Metall zu einer Schweißnaht. Die Schulter hilft dabei, das plastifizierte Metall um die Sonde herum einzudämmen.

Literaturhinweis

FSW wird häufig in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobil, Eisenbahn und Schiffbau eingesetzt. Häufige Anwendungen sind Stoßverbindungen an großen Aluminiumteilen. Dieses Verfahren kann auch bei Verbundwerkstoffen und Polymeren sowie anderen Metallen wie Titan, Stahl und Kupfer angewendet werden. Zu den Vorteilen von FSW gehören geringe Verformung oder Schrumpfung, ein ansprechendes Aussehen der Schweißnaht, hervorragende mechanische Eigenschaften der Schweißverbindung sowie die Entfernung schädlicher Dämpfe, Verformungen und Abschirmungsprobleme, die beim Lichtbogenschweißen häufig auftreten. Dennoch weist das Verfahren gewisse Nachteile auf, nämlich die Notwendigkeit einer starken Klemmung der Teile und die Entstehung eines Entweichungslochs beim Entfernen des Werkzeugs.

Ultraschallschweißen (USW)

Beim Ultraschallschweißen (USW) wird ein mäßiger Druck zwischen den beiden Komponenten ausgeübt und gleichzeitig eine oszillierende Bewegung mit Ultraschallfrequenzen in einer Richtung parallel zu den Kontaktflächen ausgeführt. Diese oszillierende Bewegungsmethode, die häufig beim Überlappschweißen eingesetzt wird, bricht Oberflächenbeschichtungen auf, um einen engen Kontakt und eine robuste metallurgische Verbindung zwischen den Oberflächen zu ermöglichen. Obwohl durch Grenzflächenreibung und plastische Verformung eine gewisse Erwärmung auftritt, bleiben die Temperaturen weit unter dem Schmelzpunkt, sodass keine Schutzgase, Füllmetalle oder Flussmittel erforderlich sind.

Ein Ultraschallwandler ist mit einer Sonotrode gekoppelt, die die Schwingbewegung auf das obere Werkstück überträgt. Mit einer Amplitude zwischen 0.018 und 0.13 mm (0.0007 bis 0.005 Zoll) wandelt dieser Wandler elektrische Energie in hochfrequente Vibrationsbewegungen um, normalerweise im Bereich von 15 bis 75 kHz. Die plastische Verformung ist geringer, da die USW-Spanndrücke wesentlich niedriger sind als beim Kaltschweißen. Normalerweise dauert der Schweißvorgang weniger als eine Sekunde.

Literaturhinweis

USW wird hauptsächlich für Überlappungsverbindungen an weichen Materialien wie Aluminium und Kupfer verwendet. Beim Schweißen härterer Materialien kann die Sonotrode schnell verschleißen. Die Werkstücke sollten relativ klein sein und typische Schweißdicken von weniger als 3 mm (1/8 Zoll) aufweisen. Zu den Anwendungen gehören Drahtanschlüsse und Spleißen in der Elektro- und Elektronikindustrie, wodurch das Löten entfällt, die Montage von Aluminiumblechplatten, das Schweißen von Rohren an Bleche in Solarmodulen und verschiedene Montageaufgaben für Kleinteile.

Automatisierung beim Schweißen

Aufgrund der mit dem manuellen Schweißen verbundenen Risiken und dem Wunsch, die Produktivität und Produktqualität zu steigern, sind verschiedene Formen der Mechanisierung und Automatisierung entstanden. Diese Kategorien umfassen Maschinenschweißen, automatisches Schweißen und Roboterschweißen.

Unter Maschinenschweißen versteht man maschinelles Schweißen mit Geräten, die unter ständiger Aufsicht eines Arbeiters arbeiten. Normalerweise wird ein stationäres Werkstück im Verhältnis zu einem Schweißkopf bewegt, der mechanisch bewegt wird, oder das Werkstück wird im Verhältnis zu einem stationären Schweißkopf bewegt. Um den Betrieb zu überwachen, muss ein menschlicher Arbeiter die Maschinen ständig überwachen und mit ihnen kommunizieren.

Wenn die Maschine die Aufgabe ohne menschliches Eingreifen erledigen kann, spricht man von automatischem Schweißen. Normalerweise ist ein menschlicher Mitarbeiter anwesend, der den Vorgang überwacht und Abweichungen von den Standardarbeitsanweisungen erkennt. Der Einsatz einer Schweißzyklussteuerung zur Steuerung der Lichtbogenbewegung und der Werkstückposition ohne ständige menschliche Aufsicht unterscheidet das automatisierte Schweißen vom Maschinenschweißen. Beim automatischen Schweißen muss das Werkstück mithilfe einer Schweißvorrichtung und/oder eines Positionierers relativ zum Schweißkopf positioniert werden. Darüber hinaus ist eine höhere Genauigkeit und Gleichmäßigkeit der Komponentenelemente erforderlich, die zum Schweißen verwendet werden. Aufgrund dieser Faktoren ist das automatische Schweißen nur in der Großserienfertigung sinnvoll.

Beim Roboterschweißen wird ein Industrieroboter oder ein programmierter Manipulator verwendet, um die Bewegung des Schweißkopfes in Bezug auf die Aufgabe autonom zu steuern. Aufgrund der anpassbaren Reichweite des Roboters und der Möglichkeit, ihn für verschiedene Teilekonfigurationen neu zu programmieren, ist diese Automatisierungsmethode für vergleichsweise kleine Produktionszahlen sogar mit relativ einfachen Vorrichtungen gerechtfertigt. Zwei Schweißvorrichtungen und ein menschlicher Monteur, der Teile lädt und entlädt, während der Roboter schweißt, bilden eine Standardzelle für das Roboterlichtbogenschweißen. Automobil-Endmontageunternehmen verwenden Industrieroboter nicht nur zum Lichtbogenschweißen, sondern auch zum Widerstandsschweißen von Karosserien.

Die Schweißverbindung

Es gibt fünf grundlegende Arten von Verbindungen, mit denen zwei Teile zum Zusammenfügen zusammengefügt werden. Diese Verbindungsarten sind nicht nur beim Schweißen, sondern auch bei anderen Verbindungs- und Befestigungsmethoden anwendbar. Die fünf Gelenktypen sind wie folgt definiert:

Stoßverbindung: Bei dieser Verbindungsart werden die Teile in einer Ebene ausgerichtet und an ihren Kanten zusammengefügt.

Eckverbindung: Die Teile bilden einen rechten Winkel und werden an der Ecke zusammengefügt.

Überlappungsverbindung: Bei dieser Verbindung überlappen sich zwei Teile.

T-Verbindung: Ein Teil steht senkrecht auf dem anderen und ähnelt so der Form des Buchstabens „T“.

Kantenverbindung: Die Teile sind parallel mit mindestens einer gemeinsamen Kante und die Verbindung erfolgt entlang dieser Kante.

Arten von Schweißnähten

Jede der oben genannten Verbindungen kann durch Schweißen hergestellt werden. Es ist wichtig, zwischen der Art der Verbindung und der Methode, mit der sie geschweißt wird – der sogenannten Schweißart – zu unterscheiden. Die Unterschiede zwischen den Schweißarten liegen in ihrer Geometrie (Verbindungsart) und dem verwendeten Schweißverfahren.

Kehlnaht

Wie unten zu sehen, wird eine Kehlnaht verwendet, um die Ränder von Platten zu füllen, die durch T-, Überlapp- und Eckverbindungen gebildet werden. Um einen Querschnitt zu erzeugen, der ungefähr einem rechtwinkligen Dreieck ähnelt, wird Füllmetall verwendet. Da nur die grundlegenden quadratischen Kanten der Teile zur Kantenvorbereitung verwendet werden müssen, ist dies die beliebteste Schweißart beim Lichtbogen- und Autogenschweißen. Kehlnähte können einfach, doppelt, durchgehend oder unterbrochen sein – das heißt, sie können durchgehend über die gesamte Länge der Verbindung oder mit ungeschweißten Lücken dazwischen geschweißt werden.

Nutschweißnähte

Bei Nutschweißnähten ist es in der Regel erforderlich, die Kanten der Teile in eine Nut zu formen, um die Schweißnahtdurchdringung zu verbessern. Diese Rillen können quadratisch, abgeschrägt, V-, U- oder J-förmig sein und können auf einer oder beiden Seiten angebracht werden, wie unten dargestellt. Füllmetall, das im Allgemeinen durch Lichtbogen- oder Autogenschweißen aufgetragen wird, füllt die Verbindung. Obwohl diese Kantenvorbereitung über die grundlegende quadratische Kante hinaus mehr Bearbeitung erfordert, wird sie häufig zur Verstärkung der Schweißverbindung oder beim Schweißen dickerer Teile durchgeführt. Während Nutschweißnähte am häufigsten mit Stumpfverbindungen in Verbindung gebracht werden, werden sie bei allen Verbindungsarten mit Ausnahme von Überlappungsverbindungen verwendet.

Lochschweißungen und Schlitzschweißungen

Zur Verbindung flacher Bleche werden Lochschweißungen und Schlitzschweißungen eingesetzt. Bei diesem Vorgang werden ein oder mehrere Löcher oder Schlitze in der oberen Platte erzeugt, die dann mit Zusatzmetall gefüllt werden, um die beiden Teile miteinander zu verbinden.

Für Überlappungsverbindungen werden üblicherweise Punktschweißungen und Nahtschweißungen verwendet. Bei einer Punktschweißung handelt es sich um einen kleinen, verschmolzenen Bereich zwischen den Oberflächen zweier Bleche oder Platten, wobei häufig mehrere Punktschweißungen erforderlich sind, um die Teile effektiv zu verbinden. Diese Technik wird am häufigsten mit dem Widerstandsschweißen in Verbindung gebracht. Eine Nahtschweißung ähnelt einer Punktschweißung, besteht jedoch aus einem durchgehenden oder nahezu durchgehenden verschmolzenen Abschnitt zwischen den beiden Blechen oder Platten.

Flanschschweißnähte

Flanschschweißnähte und Oberflächenschweißnähte sind unten dargestellt. Eine Flanschschweißnaht entsteht an den Kanten von zwei oder mehr Teilen, typischerweise Blech oder dünnen Platten. Andererseits ist eine Auftragsschweißung nicht zum Verbinden von Teilen gedacht, sondern zum Auftragen von Zusatzwerkstoff auf die Oberfläche eines Basisteils mithilfe einer oder mehrerer Schweißraupen. Diese Schweißraupen können in einer Reihe überlappender paralleler Durchgänge aufgetragen werden und große Bereiche des Basisteils abdecken, um dessen Dicke zu erhöhen oder eine schützende Oberflächenbeschichtung bereitzustellen.

Physik des Schweißens

Den zu verschmelzenden Oberflächen wird hochdichte Wärmeenergie zugeführt, was zu einem lokalen Schmelzen der Grundmetalle führt, um die Verschmelzung zu erreichen. Die Hitze muss außerdem hoch genug sein, um eventuell verwendetes Zusatzmetall zu schmelzen. Die Leistungsdichte (W/mm² oder Btu/sec-in²) ist die Maßeinheit zur Beschreibung der Wärmedichte. Bei der Bestimmung der Schmelzzeit hängt es umgekehrt von der Leistungsdichte ab. Niedrige Leistungsdichten führen dazu, dass das Schmelzen langsamer erfolgt, da die Wärme sofort nach der Zugabe verschwindet und so ein Schmelzen vermieden wird. Die meisten Metalle können beim Schweißen mit einer Mindestleistungsdichte von etwa 10 W/mm² (6 Btu/sec-in²) geschmolzen werden. Mit steigender Wärmedichte verkürzt sich die Schmelzzeit. Allerdings verdampft das Metall aufgrund der hohen Temperaturen, wenn die Leistungsdichte etwa 10⁵ W/mm³ (60,000 Btu/sec-in³) überschreitet. Damit das Schweißen effektiv ist, muss die Leistungsdichte in einem bestimmten Bereich gehalten werden. Die Schweißgeschwindigkeit und die Größe des schweißbaren Bereichs werden durch Variationen in den Schweißmethoden beeinflusst.

Obwohl das Sauerstoff-Brenngasschweißen viel Wärme erzeugt, weist es eine geringe Dichte auf, da es einen großen Bereich abdeckt. Oxyacetylen, der heißeste OFW-Brennstoff, verbrennt bei etwa 3500 °C (6300 °F). Im Gegensatz dazu erreicht das Lichtbogenschweißen lokale Temperaturen zwischen 10,000 °F und 12,000 °F (oder 5500 °C bis 6600 °C) und liefert gleichzeitig enorme Energie auf einer kleineren Fläche. Hohe Leistungsdichten sind oft wünschenswerter, da es aus metallurgischer Sicht vorteilhaft ist, Metall mit möglichst wenig Energie zu schmelzen.

Die Leistungsdichte wird berechnet als die in die Oberfläche eintretende Leistung dividiert durch die Oberfläche:

PD = P/A

Dabei ist PD die Leistungsdichte (W/mm² oder Btu/sec-in²), P die in die Oberfläche eintretende Leistung (W oder Btu/sec) und A die Oberfläche, auf die die Energie angewendet wird (mm² oder in²). Diese Berechnung wird durch Faktoren wie die Bewegung der Stromquelle (z. B. des Schweißlichtbogens) erschwert, die den Bereich vor und den Bereich dahinter nachheizt. Darüber hinaus ist die Leistungsdichte nicht gleichmäßig über die betroffene Oberfläche verteilt, sondern variiert je nach Fläche.

Referenzen

Groover, MP, 2010. Grundlagen der modernen Fertigung: Materialien, Prozesse und Systeme. 4. Aufl. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.