Einleitung
Das Bolzenschweißen ist eines der effizientesten und vielseitigsten Verfahren, um Bolzen, Gewindestäbe, Stifte oder Buchsen dauerhaft mit metallischen Werkstücken zu verbinden. Das Verfahren wird in nahezu allen Industriezweigen eingesetzt – vom Stahlbau über den Fahrzeugbau bis hin zur Elektrotechnik. Es zeichnet sich durch seine hohe Prozessgeschwindigkeit, Wirtschaftlichkeit und Reproduzierbarkeit aus.
In den letzten Jahrzehnten hat sich das Bolzenschweißen stetig weiterentwickelt. Moderne Geräte und Automatisierungstechnologien ermöglichen heute hochpräzise, digital überwachte Schweißverbindungen, die den wachsenden Qualitätsanforderungen in der Industrie gerecht werden.
Dieser Artikel gibt einen umfassenden Überblick über das Bolzenschweißen, erklärt die technischen Grundlagen, stellt die wichtigsten Verfahrenstypen vor, beleuchtet die Einsatzgebiete, die Normen und Sicherheitsvorschriften sowie die zukünftigen Entwicklungen dieses bedeutenden Fügeverfahrens.
1. Grundlagen des Bolzenschweißens
1.1 Was ist Bolzenschweißen?
Das Bolzenschweißen ist ein Lichtbogen-Schweißverfahren, bei dem ein metallischer Bolzen auf ein Werkstück geschweißt wird, ohne dass ein zusätzliches Schweißmaterial erforderlich ist. Der Bolzen und das Grundmaterial werden an ihren Kontaktflächen kurzzeitig aufgeschmolzen und anschließend ineinander verschmolzen, wodurch eine feste, stoffschlüssige Verbindung entsteht.
Das Besondere an diesem Verfahren ist die kurze Schweißzeit – je nach Verfahren nur wenige Millisekunden bis maximal eine Sekunde – und die hohe mechanische Festigkeit der Verbindung.
1.2 Funktionsprinzip
- Der Bolzen wird in einer Schweißpistole eingespannt und leicht auf das Werkstück aufgesetzt.
- Durch Anlegen einer Spannung entsteht ein elektrischer Lichtbogen zwischen Bolzenende und Werkstück.
- Dieser Lichtbogen schmilzt die Berührungsflächen beider Teile auf.
- Nach einer definierten Schweißzeit wird der Bolzen in das flüssige Schmelzbad gedrückt.
- Nach kurzer Abkühlung entsteht eine homogene metallische Verbindung.
Die Verbindung ist so stark, dass sie mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen standhält.
2. Historische Entwicklung
Das Bolzenschweißen wurde in den 1930er-Jahren in den USA entwickelt, um die Befestigung von Isoliermaterialien in Schiffsrümpfen zu erleichtern.
Während des Zweiten Weltkriegs fand das Verfahren breite Anwendung im Schiff- und Fahrzeugbau, da es eine schnelle und sichere Montage ermöglichte.
In den 1960er-Jahren wurde mit der Einführung des Kondensatorentladungs-Bolzenschweißens der Weg für den Einsatz bei dünnen Blechen geebnet.
Seit den 1990er-Jahren haben digitale Steuerungen, Mikroprozessoren und Sensorik die Qualität und Prozesssicherheit des Bolzenschweißens deutlich verbessert.
Heute gehört es zu den am häufigsten eingesetzten Verfahren in der Metallverbindungstechnik.
3. Verfahren des Bolzenschweißens
Das Bolzenschweißen wird in verschiedene Verfahrensarten unterteilt, die sich durch Zündmechanismus, Energiequelle und Schweißzeit unterscheiden. Die wichtigsten Typen sind:
3.1 Hubzündungs-Bolzenschweißen
Beim Hubzündungs-Bolzenschweißen (auch Lichtbogenbolzenschweißen mit Hubzündung genannt) wird der Bolzen zunächst leicht angehoben, wodurch ein Lichtbogen entsteht.
Dieser Lichtbogen schmilzt das Ende des Bolzens und die Werkstückoberfläche auf. Anschließend wird der Bolzen in das Schmelzbad gedrückt.
Merkmale:
- Schweißzeit: 5–1000 ms
- Bolzendurchmesser: 3–25 mm
- Anwendung: Baustahl, Edelstahl, Aluminium
- Schutz durch Keramikring oder Schutzgas
Vorteile:
- Hohe Festigkeit
- Tiefe Durchdringung
- Für mittlere bis dicke Werkstücke geeignet
Nachteile:
- Nicht ideal für sehr dünne Bleche (<1,5 mm)
- Relativ hoher Energiebedarf
3.2 Kondensatorentladungs-Bolzenschweißen
Dieses Verfahren nutzt elektrisch gespeicherte Energie in einem Kondensator, die innerhalb von Millisekunden entladen wird. Dadurch ist das Verfahren besonders schnell und eignet sich hervorragend für dünnwandige Bleche.
Merkmale:
- Schweißzeit: 1–3 ms
- Bolzendurchmesser: bis 10 mm
- Keine oder minimale Verfärbung der Oberfläche
- Keine Durchbrandgefahr
Vorteile:
- Ideal für dünne Bleche
- Sehr saubere Schweißflächen
- Keine Nachbearbeitung erforderlich
Nachteile:
- Nur für kleine Bolzen geeignet
- Empfindlicher gegenüber Oberflächenverunreinigungen
3.3 Kurzzeit-Bolzenschweißen
Hierbei handelt es sich um eine Variante mit sehr kurzer Lichtbogendauer (1–10 ms), die eine besonders geringe Wärmeeinflusszone erzeugt. Das Verfahren kommt häufig in der Automobilindustrie zum Einsatz.
3.4 Schutzgas- und Keramikringverfahren
Zur Vermeidung von Oxidation wird das Schmelzbad entweder mit Inertgasen (z. B. Argon) oder durch einen Keramikring geschützt.
Der Keramikring verhindert das Austreten von Schmelze, formt das Schweißbad und unterstützt die gleichmäßige Abkühlung.
4. Materialien und Bolzentypen
Das Bolzenschweißen kann auf verschiedenen metallischen Werkstoffen angewendet werden. Wichtige Materialien sind:
- Unlegierte und legierte Stähle
- Edelstähle (A2, A4)
- Aluminium und Aluminiumlegierungen
- Kupfer und Messing
Die Bolzen selbst bestehen meist aus Stahl, Edelstahl oder Aluminium und sind in vielen Formen erhältlich:
- Gewindebolzen
- Gewindehülsen
- Isolierbolzen
- Glatte Bolzen
- Spezialbolzen für Automobil- oder Elektrotechnik
5. Vorbereitung und Durchführung
5.1 Werkstückvorbereitung
Eine saubere, metallisch blanke Oberfläche ist entscheidend. Öl, Rost, Farbe oder Oxid sollten entfernt werden, um Porenbildung und fehlerhafte Schweißnähte zu vermeiden.
5.2 Positionierung
Bolzen werden meist mit Schweißpistolen oder automatisierten Vorrichtungen exakt positioniert. Moderne Anlagen verfügen über Laser- oder Kamerasysteme zur präzisen Ausrichtung.
5.3 Nachbearbeitung
In der Regel ist keine mechanische Nachbearbeitung nötig. Nur in optisch sensiblen Bereichen (z. B. sichtbare Oberflächen) kann ein leichtes Schleifen erfolgen.
6. Qualitätskontrolle und Normen
Die Qualität von Bolzenschweißverbindungen wird nach internationalen Standards geprüft und dokumentiert.
Wichtige Normen sind:
- DIN EN ISO 14555 – Lichtbogenschweißen von Bolzen
- DIN EN ISO 4063 – Prozessklassifikation
- DIN EN ISO 13918 – Bolzen und Buchsen für das Bolzenschweißen
Prüfverfahren:
- Sichtprüfung (Oberflächenfehler, Verfärbung, Risse)
- Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) mit Ultraschall oder Röntgen
- Zug- und Scherprüfung zur Festigkeitsbestimmung
- Biegeprüfung zur Kontrolle der Verbindungsqualität
7. Anwendungen des Bolzenschweißens
Das Bolzenschweißen wird in vielen Industrien eingesetzt, insbesondere dort, wo schnelle, sichere und dauerhafte Verbindungen erforderlich sind.
7.1 Bauwesen
Im Stahl- und Brückenbau werden Bolzen als Verankerungselemente für Beton oder Stahlträger verwendet.
7.2 Fahrzeug- und Maschinenbau
In der Automobilindustrie ist Bolzenschweißen ein Standardverfahren zur Befestigung von Blechen, Haltern und Verstärkungen.
7.3 Schiffbau
Hier wird es zur Befestigung von Isoliermaterialien, Haltern und Konsolen auf Stahlrümpfen genutzt.
7.4 Elektro- und Gerätebau
Zur Montage von Leiterplatten, Isolatoren und Kabelhaltern auf dünnen Blechen.
7.5 Haushalt und Möbel
Auch in der Produktion von Haushaltsgeräten, Leuchten und Metallmöbeln ist das Verfahren weit verbreitet.
8. Vorteile und Grenzen
Vorteile:
- Hohe Wirtschaftlichkeit – kein Bohren, Nieten oder Schrauben notwendig.
- Kurze Schweißzeit – ideal für Serienproduktion.
- Hohe Festigkeit – Verbindung oft stärker als Grundmaterial.
- Keine Verformung – minimale Wärmeeinflusszone.
- Automatisierbar – ideal für Roboterschweißsysteme.
- Breite Materialvielfalt – Stahl, Edelstahl, Aluminium etc.
Grenzen:
- Nur für elektrisch leitfähige Werkstoffe geeignet.
- Oberfläche muss metallisch sauber sein.
- Begrenzter Einsatz bei sehr dünnen Materialien (je nach Verfahren).