Lassen sich unterschiedliche Metalle durch Schweißen verbinden?
Diese Frage zu beantworten ist nicht ganz einfach. Es kommt darauf an, welche Metalle miteinander verbunden werden sollen. Generell gilt, dass zudem nicht alle Metalle überhaupt schweißbar sind. Einige reagieren bei Kontakt mit einem Lichtbogen derart heftig mit der Atmosphäre, dass sie entweder nicht schweißbar sind oder nur im Vakuum und unter Einsatz eines Schutzgases. Aber in der Tat gibt es Metalle, die sich durch Schweißen miteinander zu einem Werkstück verbinden lassen. Was beim Verschweißen unterschiedlicher Metalle zu beachten ist, ist das Thema dieses Heimwerker-Reports.
Um unterschiedliche Metalle durch Schweißen zu verbinden, kommt es darauf an, welche Metalle miteinander verbunden werden sollen.
Aus dem Betonpfeiler ragt Baustahl als Karbonstahl, welcher nun mit Edelstahl zur Konstruktion eines Vordaches verbunden werden soll. Dies ist eine tagtäglich auftretende Situation, die das Verbinden zweier unterschiedlicher Metalle zu einem Werkstück durch Schweißen erforderlich macht. Allerdings lassen sich in der Praxis nicht alle Metalle beliebig miteinander verschweißen. Beim Schweißen mit unterschiedlichen Materialien muss ein Schweißer mehrere Faktoren berücksichtigen, um eine starke, rissfreie Verbindung zu gewährleisten. Nicht nur die Art des Metalls spielt eine Rolle, sondern auch das Schweißmaterial und die Temperatur. Um eine solche Schweißarbeit durchführen zu können, bedarf es viel Erfahrung, Geschick und die umfassende Kenntnis der Eigenschaften der einzelnen Metalle.
Generell gilt beim Schweißen unterschiedlicher Metalle zu einem Werkstück:
Solange die fertige Schweißnaht eine ausreichende Festigkeit bietet, um Risse oder Versagen zu vermeiden, ist die Verbindung ein Erfolg. Die erforderliche Festigkeit einer Schweißnaht oder ihre Duktilität, ihrer Verformbarkeit kann sich jedoch je nach Verwendung des Schweißteils ändern.
Eine Schweißnaht sollte eine ausreichende Festigkeit bieten, damit die Verbindung hält.
Die Grundsätze beim Verschweißen von unterschiedlichen Metallen
Das Schweißen verschiedener Metalle bezieht sich auf das Verbinden von Materialien mit unterschiedlichen Legierungen. Das Füllmaterial und beide Metalle müssen fachkundig bewertet werden, bevor die beste Methode zum Verbinden der Metalle ausgewählt wird. Das Schmelzschweißen ist hierbei zwar eine beliebte Methode, funktioniert jedoch bei einigen Metallkombinationen nicht gut. Andere Verfahren können einen dauerhafteren Halt bieten, insbesondere für Anwendungen in Umgebungen mit hoher Belastung.
Faktoren die den Schweißprozess beeinflussen
Generell gilt: Soll ein Schweißer zwei unterschiedliche Materialien verbinden, muss er mehrere Faktoren berücksichtigen, bevor er sich für das beste Schweißverfahren und Werkzeuge entscheidet. Diese Faktoren hängen von der Zusammensetzung der Metalle ab, da sogar Legierungen desselben Metalls unter die Kategorie der unähnlichen Metalle fallen. Kohlenstoffstahl und Edelstahl haben beispielsweise unterschiedliche Eigenschaften und erfordern ebenso viel Planung wie das Zusammenschweißen von Metallen wie Kupfer und Aluminium.
Schmelzpunkt der zu verschweißenden Metalle
Schmelzpunkt und Wärmeausdehnungskoeffizient beeinflussen den Schweißprozess.
Da Schmelzschweißen typischerweise einige der beiden Basen schmilzt, spielen die Schmelzpunkte beider Metalle eine wichtige Rolle bei der Art des Schweißens und des verwendeten Zusatzmaterials. Der Schweißer muss eine Temperatur verwenden, die beide Metalle schmilzt. Hohe Hitze und schnelles Schweißen können ernsthafte Probleme mit der Integrität der fertigen Verbindung mildern. Die Verwendung von Techniken, die die Metalle nicht schmelzen, kann auch Schwierigkeiten aufgrund unterschiedlicher Schmelzpunkte überwinden. Allerdings besteht hierbei die Gefahr, dass die Verbindung nicht hoch belastbar ist.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Metalle
Der Wärmeausdehnungskoeffizient beschreibt die Art und Weise, wie sich die Größe eines Objekts ändert, wenn sich seine Temperatur ändert. Beim Schweißen unterschiedlicher Metalle sollten sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten der einzelnen Metalle nicht stark unterscheiden, um Probleme mit der fertigen Schweißnaht zu vermeiden.
Wenn die Metalle erhebliche Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, können Temperaturänderungen um die Schweißverbindung herum eine übermäßige Belastung der Schweißnaht verursachen. Insbesondere konzentrieren sich die Spannungen auf die intermetallische Zone, in der sich die beiden Metalle mit dem Füllmaterial vermischen. Die Schweißverbindung besitzt in dieser intermetallischen Zone eine größere Wahrscheinlichkeit auf thermische Ermüdung, insbesondere wenn das Werkstück häufigen Temperaturwechseln unterworfen ist.
Metalle mit unterschiedlicher Elektrochemie
Unterschiede in der Metallelektrochemie beziehen sich auf die Anfälligkeit gegenüber Korrosion. Metalle, die auf der elektrochemischen Skala näher beieinander liegen, ermöglichen einen einfacheren Schweißprozess als weit voneinander entfernte.
Löslichkeit der Metalle
Die Löslichkeit der Metalle bestimmt die Stärke der Schweißnaht. Idealerweise sind die Metalle untereinander interpolierbar.
Einer der wichtigsten Faktoren für eine starke Schweißnaht zwischen verschiedenen Materialien ist die Löslichkeit jedes Metalls. Die Metalle sollten idealerweise untereinander interpolierbar sein. Einige Metalle sind jedoch auf diese Weise nicht kompatibel. In diesen Fällen kann die Verwendung eines dritten Metalls, welches mit beiden löslich ist, helfen, eine feste, haltbare Schweißnaht zu erzeugen.
Beispielsweise kann die Verwendung von Nickel als Zwischenmetall auf beiden Oberflächen dazu beitragen, die gewünschte Festigkeit zu erzielen. So werden Stahl und Kupfer vor dem Zusammenschweißen mit einer Nickelschicht versehen. Da Nickel sowohl für Kupfer als auch für Stahl ein lösliches Metall ist, haftet es gut an jeder Seite der Verbindung.
Einsatz der Schweißkomponenten
Schließlich sollten Anwendungen für das geschweißte Bauteil bei der Wahl der Schweißverfahren für unterschiedliche Materialien berücksichtigt werden. Beispielsweise kann ein geschweißtes Teil, das in einem Kessel verwendet wird, mehreren thermischen Zyklen unterzogen werden, die die Festigkeit der Schweißnaht testen. Zyklen bei kalten Temperaturen belasten eine Schweißverbindung stärker als heiße Zyklen.
Darüber hinaus benötigen Schweißverbindungen, die in Kontakt mit Elektrolytflüssigkeiten verwendet werden, ein Füllmaterial mit einer Korrosionsbeständigkeit, die beide Grundmetalle übertrifft. Die Wahl eines Füllmaterials mit geringerer Korrosionsbeständigkeit kann die galvanische Korrosion beschleunigen.
Ein weiterer Anwendungsfall, der die für eine Schweißverbindung verwendeten Komponenten betrifft, ist das Hinzufügen von abriebfesten Platten an schweren Baumaschinen. Das Füllmetall muss die Rissbildung reduzieren und gleichzeitig die Belastung der Verbindung vermindern können.
Die endgültige Verwendung ist auch dann wichtig, wenn ein Grundmetall nicht die gleichen Temperaturänderungen erfährt wie ein anderes. In einem Kessel kann ein Grundmetall thermischen Zyklen ausgesetzt sein, während das andere dies nicht tut, weil es sich außerhalb des Kessels befindet. Um in diesem Fall Schäden zu vermeiden, ist ein Füllmaterial erforderlich, das sowohl vor thermischer Ermüdung schützt als auch Spannungen abbaut.
Um unterschiedliche Materialien zu verbinden reichen die standardisierten Schweißverfahren oft nicht mehr aus.
Wie unterschiedliche Metalle verschweißt?
Das Schweißen unterschiedlicher Metalle ist nicht mit einem einfachen, standardisierten Verfahren verbunden, das für alle Situationen gilt. Die Verwendung von nicht standardmäßigen Schweißmethoden oder das Hinzufügen von Übergangsmaterialien zu den Oberflächen können die Schritte sein, die ein Schweißer für eine erfolgreiche Schweißung unternehmen muss.
Bei diesem Spezialschweißverfahren spielen derart viele Faktoren eine Rolle, dass die Durchführung des Fügens individuell zu wählen ist.
Fusionsschweißen
Das Schmelzschweißen umfasst traditionelle Schweißverfahren wie Gas-Wolfram-Lichtbogen und Gas-Metall-Lichtbogen. Das Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen ist auch als Wolfram-Inertgas-(WIG)-Schweißen bekannt. Das Metall-Schutzgasschweißen wird auch als Metall-Inertgas-(MIG)-Schweißen bezeichnet. Diese Prozesse verwenden einen Füllstoff, um die Schweißnaht zu erzeugen. Im Vergleich zu anderen Fügeverfahren fügen Schmelzschweißnähte mehr Füllstoff hinzu. Hier erfährst Du mehr wodurch sich das MIG und MAG Schweißverfahren unterscheiden.
Regel hierbei ist:
Wähle bei der Verwendung von Schmelzschweißnähten einen Füllstoff, der der Festigkeit des schwächeren Metalls entspricht, um die Wahrscheinlichkeit von Rissen zu verringern. Wenn ein Zusatzwerkstoff verwendet wird, der eine deutlich höhere Zugfestigkeit als die schwächeren Metalle hat, kann eine übermäßige Belastung des schwächeren Metalls zu Schweißfehlern führen.
Bei der Verwendung von Schmelzschweißnähten sollte unbedingt ein Füllstoff verwendet werden, der der Festigkeit des schwächeren Metalls entspricht.
Die Berücksichtigung der Vorwärmanforderungen beider Metalle trägt dazu bei, eine erfolgreichere Schmelzschweißung sicherzustellen. Wenn beispielsweise ein Metall eine Vorwärmtemperatur von 300 Grad Celsius erfordert und das andere nur 100 Grad Vorwärmung benötigt, muss eine Anpassungen vorgenommen werden. Wenn sich wie in diesem Szenario die höhere Temperatur stark von der niedrigeren unterscheidet, könnte das Metall mit einem geringeren Vorwärmbedarf Schaden nehmen. Um dies zu verhindern ist eine Vorwärmtemperatur auf halbem Weg zu wählen, in diesem Fall rund 200 Grad.
Schweißen mit geringer Verdünnung
Wenn das Schmelzschweißen nicht ausreicht, kann das Schweißen mit geringer Verdünnung als Alternative helfen. Diese Verfahren umfassen die Verwendung einer Laserschweißung, einer Impulslichtbogenschweißung oder eines Elektronenstrahls, um Materialien ohne die Notwendigkeit eines Füllstoffs zu verbinden. Die beiden Schweißflächen schmelzen im Vergleich zu anderen Verfahren nicht so stark. Bei speziellen Anwendungen oder produktionsintensiven Prozessen wird bei ungleichen Metallen häufiger das Niedrigverdünnungsschweißen als das Schmelzschweißen verwendet.
Das Nichtschmelzfügen
Das Nichtschmelzschweißen funktioniert hervorragend beim Verbinden von Stahl mit Aluminium oder Kupferlegierungen und dem Metallpaar Edelstahl und Nickellegierungen.
Das Nichtschmelzfügen umfasst Verfahren wie Reibschweißen, Diffusionsschweißen, Löten und Explosionsschweißen. Reibschweißen schmilzt nur wenig von einer der Grundflächen. Da der Schweißer den geschmolzenen Anteil verwirft, werden Mischmetalle und der intermetallische Bereich reduziert.
Diese Art des Nichtschmelzschweißens funktioniert gut beim Verbinden der folgenden Metallpaare:
- Stahl und Aluminium
- Stahl und Kupferlegierungen
- Edelstahl und Nickellegierungen
Unterschiedliche Metallarten verschweißen – Schlussgedanken
Es ist in der Tat möglich, unterschiedliche Metallarten und Legierungen durch Schweißen dauerhaft und haltbar miteinander zu verbinden. Allerdings nur, wenn sich diese Metalle in ihren Eigenschaften möglichst ähnlich sind. Gehen sich Metalle beispielsweise stark unterschiedlich bei Wärme aus, reißt die Schweißnaht oder das Werkstück verbiegt sich. Da umfangreiche Kenntnisse und Fähigkeiten zum Schweißen unterschiedlicher Metalle notwendig sind, ist es ratsam bei derartigen Schweißaufgaben den Rat eines Fachmanns einzuholen. Auf der anderen Seite macht es ungemeinen Spaß, sich selbst an einer solch kniffeligen Aufgabe zu versuchen. Auch wenn du mehrfach probieren und neu schweißen musst. Gelingt dir das Vorhaben schlussendlich, ist das Gefühl es geschafft zu haben, unbeschreiblich intensiv.