Schweißverfahren: Verfahrensnummern, Einsatzgebiete & Auswahl

Was ist Schweißen? Definition und Einordnung nach DIN 8580

Schweißen ist ein Fügeverfahren nach DIN 8580, bei dem Werkstücke durch Wärme und/oder Druck stoffschlüssig und dauerhaft verbunden werden, meist unter Verwendung von Zusatzwerkstoffen. Die Norm DIN 8580 ordnet Schweißen der Hauptgruppe 4 „Fügen" zu. Im Gegensatz zum Löten wird beim Schweißen die Schmelztemperatur des Grundwerkstoffs erreicht oder überschritten. Mechanisches Fügen wie Schrauben oder Nieten erzeugt dagegen keinen Stoffschluss.

Die Verbindung entsteht durch Verschmelzung der Fügeflächen oder durch Diffusion unter Druck. Schweißverfahren kommen vor allem bei metallischen Werkstoffen zum Einsatz, aber auch bei Kunststoffen und Keramiken. Die Wahl des Verfahrens hängt von Werkstoff, Bauteilgeometrie, Qualitätsanforderungen und Wirtschaftlichkeit ab.

Einteilung der Schweißverfahren: Schmelz-, Press- und Sonderverfahren

Schweißverfahren lassen sich in drei Hauptgruppen einteilen: Schmelzschweißen, Pressschweißen und Sonderverfahren. Beim Schmelzschweißen wird der Grundwerkstoff aufgeschmolzen, oft unter Zugabe von Schweißzusatzwerkstoff. Pressschweißen verbindet Bauteile unter hohem Druck, meist ohne vollständiges Aufschmelzen. Sonderverfahren wie Laser- oder Elektronenstrahlschweißen nutzen hochkonzentrierte Energiequellen.

Die Unterscheidung ist für die Verfahrenswahl entscheidend: Schmelzschweißverfahren eignen sich für komplexe Geometrien und Reparaturen, Pressschweißverfahren für hohe Stückzahlen in der Serienfertigung. Sonderverfahren ermöglichen höchste Präzision und Automatisierung.

Verfahrensnummern nach DIN EN ISO 4063

Die Norm DIN EN ISO 4063 ordnet jedem Schweißverfahren eine eindeutige Verfahrensnummer zu. Diese dreistelligen Nummern strukturieren die Verfahren nach physikalischem Prinzip und Energiequelle. Lichtbogenhandschweißen trägt beispielsweise die Nummer 111, MIG-Schweißen die 131, MAG-Schweißen die 135.

Die erste Ziffer bezeichnet die Hauptgruppe: 1 für Lichtbogenschweißen, 2 für Widerstandsschweißen, 3 für Gasschweißen, 4 für Pressschweißen, 5 für Strahl- und 7 für sonstige Schweißverfahren. Die zweite und dritte Ziffer spezifizieren das Verfahren weiter.

Warum Verfahrensnummern in der Praxis wichtig sind

Verfahrensnummern ermöglichen eine eindeutige Kommunikation zwischen Auftraggeber, Schweißbetrieb und Prüfstelle. Sie erscheinen in Schweißanweisungen, Prüfzeugnissen und Qualifikationsnachweisen. Bei der Ausschreibung von Schweißarbeiten verhindern sie Missverständnisse über das geforderte Verfahren.

Für die Schweißerprüfung nach DIN EN ISO 9606 ist die Verfahrensnummer entscheidend: Jede Prüfung gilt nur für das geprüfte Verfahren und definierte Werkstoffgruppen. Ein für WIG (141) geprüfter Schweißer darf ohne weitere Prüfung nicht MAG (135) schweißen. In der Dokumentation nach DIN EN 1090 für tragende Stahlbauten sind Verfahrensnummern verpflichtend anzugeben.

Schmelzschweißverfahren im Überblick

Schmelzschweißverfahren schmelzen den Grundwerkstoff an den Fügeflächen auf und verbinden ihn mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoff. Die wichtigsten Verfahren nutzen einen Lichtbogen als Wärmequelle. Sie unterscheiden sich in der Art der Elektrode, dem Schutz der Schmelze und dem Automatisierungsgrad.

Die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Schmelzschweißverfahren mit ihren Kennwerten:

Lichtbogenhandschweißen (E-Hand, MMA, Verfahren 111)

Lichtbogenhandschweißen nutzt eine umhüllte Stabelektrode, die gleichzeitig als Elektrode und Schweißzusatzwerkstoff dient. Die Umhüllung bildet beim Abbrand Schutzgas und Schlacke, die das Schmelzbad vor Oxidation schützen. Das Verfahren benötigt keine externe Schutzgasflasche und funktioniert auch bei Wind und Zugluft.

E-Hand eignet sich für Baustellen, Montage und Reparaturen. Die Investitionskosten sind niedrig, die Schweißgeschwindigkeit jedoch gering. Schweißer müssen die Elektrode kontinuierlich nachführen und Schlacke entfernen. Das Verfahren erfordert hohe manuelle Geschicklichkeit.

MIG/MAG-Schweißen (Verfahren 131/135)

MIG-Schweißen (Metall-Inertgas) nutzt inerte Schutzgase wie Argon oder Helium für Aluminium, Edelstahl und Nichteisenmetalle. MAG-Schweißen (Metall-Aktivgas) verwendet aktive Gase wie CO₂ oder Argon-CO₂-Gemische für unlegierten und niedriglegierten Stahl. Eine kontinuierlich zugeführte Drahtelektrode schmilzt im Lichtbogen ab.

Beide Verfahren ermöglichen hohe Schweißgeschwindigkeiten und eignen sich für Serien- und Einzelfertigung. Die Automatisierung reicht von halbautomatischen Handschweißbrennern bis zu vollautomatischen Roboterzellen. MIG/MAG ist windanfällig und erfordert Windschutz im Freien.

Der Unterschied zwischen MIG und MAG liegt im Schutzgas: Inerte Gase reagieren nicht mit der Schmelze, aktive Gase beeinflussen die Schweißnahtchemie und Einbrandform. MAG ist wirtschaftlicher für Baustahl, MIG liefert höhere Qualität bei Aluminium und Edelstahl.

WIG-Schweißen (Verfahren 141)

WIG-Schweißen (Wolfram-Inertgas) nutzt eine nicht abschmelzende Wolframelektrode unter Argon- oder Heliumschutz. Der Schweißzusatzwerkstoff wird separat von Hand oder automatisch zugeführt. Das Verfahren erzeugt hochwertige, spritzerfreie Nähte mit geringem Verzug.

WIG eignet sich für dünnwandige Bauteile, Wurzellagen bei Rohrleitungen und Werkstoffe mit hohen Qualitätsanforderungen wie Edelstahl, Aluminium, Titan und Nickellegierungen. Die Schweißgeschwindigkeit ist niedriger als bei MIG/MAG, die Nahtqualität jedoch höher. WIG-Schweißen erfordert hohe Qualifikation und Erfahrung.

Für Aluminium wird Wechselstrom (AC) verwendet, für Stahl und Edelstahl Gleichstrom (DC). Moderne Stromquellen bieten Impuls- und Hochfrequenzzündung für bessere Lichtbogenstabilität.

Unterpulverschweißen (Verfahren 121)

Unterpulverschweißen führt eine oder mehrere Drahtelektroden unter einer Pulverschicht zu. Das Pulver schmilzt teilweise und bildet Schutzgas und Schlacke. Der Lichtbogen brennt unsichtbar unter dem Pulver. Das Verfahren ist vollautomatisch und erreicht hohe Abschmelzleistungen.

Unterpulverschweißen eignet sich für gerade und kreisförmige Nähte ab 5 mm Materialdicke. Typische Anwendungen sind Längs- und Rundnähte im Schiffbau, Großrohre, Druckbehälter und Windenergieanlagen. Die Schweißposition ist auf waagerecht und horizontal begrenzt.

Gasschmelzschweißen (Autogen, Verfahren 311)

Gasschmelzschweißen nutzt eine Acetylen-Sauerstoff-Flamme mit sehr hohen Temperaturen. Der Schweißzusatzwerkstoff wird manuell in die Flamme gehalten. Das Verfahren benötigt keinen Stromanschluss und eignet sich für Reparaturen an abgelegenen Orten.

Autogenschweißen wird heute vor allem für Installationsarbeiten, Reparaturen und dünne Bleche eingesetzt. Die Schweißgeschwindigkeit ist gering, der Wärmeeintrag hoch. Für tragende Konstruktionen ist das Verfahren weitgehend durch Lichtbogenverfahren ersetzt worden.

Pressschweißverfahren im Überblick

Pressschweißverfahren verbinden Werkstücke unter hohem Druck, oft ohne vollständiges Aufschmelzen. Die Verbindung entsteht durch Diffusion an den Grenzflächen. Pressschweißverfahren eignen sich für hohe Stückzahlen und kurze Taktzeiten in der Serienfertigung.

Widerstandspunktschweißen (Verfahren 21)

Widerstandspunktschweißen führt Strom durch die übereinanderliegenden Bleche. Der elektrische Widerstand an der Kontaktfläche erzeugt Wärme, die das Material aufschmilzt. Gleichzeitig pressen Elektroden die Bleche zusammen. Es entsteht ein punktförmiger Schweißpunkt.

Das Verfahren ist vollautomatisch und erreicht Taktzeiten unter einer Sekunde. Es dominiert im Karosseriebau: Ein modernes Fahrzeug kann mehrere tausend Schweißpunkte enthalten. Widerstandspunktschweißen benötigt keine Zusatzwerkstoffe und erzeugt keine Schweißspritzer.

Reibschweißen und Reibrührschweißen (Verfahren 42/43)

Reibschweißen rotiert ein Werkstück gegen das andere unter hohem Anpressdruck. Die Reibungswärme erweicht das Material, ohne es vollständig aufzuschmelzen. Nach dem Abbremsen entsteht unter Druck eine stoffschlüssige Verbindung. Das Verfahren eignet sich für rotationssymmetrische Bauteile wie Wellen, Rohre und Ventile.

Reibrührschweißen (Friction Stir Welding) nutzt ein rotierendes Werkzeug, das entlang der Fügenaht geführt wird. Das Werkzeug erweicht das Material durch Reibung und Druck, ohne es aufzuschmelzen. Das Verfahren erzeugt hochwertige Nähte in Aluminium und Magnesium ohne Schweißfehler wie Poren oder Risse. Typische Anwendungen sind Rumpfschalen in der Luft- und Raumfahrt sowie Wagenkästen im Schienenfahrzeugbau.

Diffusionsschweißen

Diffusionsschweißen verbindet Werkstücke unter hohem Druck und Temperatur im Vakuum oder unter Schutzgas. Die Atome diffundieren über die Grenzfläche, ohne dass das Material schmilzt. Das Verfahren eignet sich für hochfeste und hochschmelzende Werkstoffe wie Titan, Nickellegierungen und Keramiken.

Die Prozesszeiten liegen typisch zwischen mehreren Stunden und einem Tag, die Investitionskosten sind hoch. Diffusionsschweißen wird in der Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik und Halbleiterindustrie eingesetzt, wo höchste Festigkeit und Reinheit gefordert sind.

Sonderverfahren: Laser, Plasma und Elektronenstrahl

Sonderverfahren nutzen hochkonzentrierte Energiequellen für präzise und schnelle Schweißungen. Laserschweißen (Verfahren 52) bündelt Laserstrahlung auf einen Durchmesser von 0,1 bis 1 mm. Die hohe Energiedichte schmilzt das Material mit geringem Wärmeeintrag und minimalem Verzug.

Laserschweißen eignet sich für Automatisierung und Serienfertigung. Typische Anwendungen sind Karosseriebau, Batteriefertigung für Elektrofahrzeuge, Medizintechnik und Elektronik. Die Investitionskosten sind hoch, die Schweißgeschwindigkeiten erreichen mehrere Meter pro Minute.

Laserstrahl-MSG-Hybridschweißen kombiniert Laser und MIG/MAG in einem Prozess. Der Laser erzeugt eine tiefe Einschweißung, der Lichtbogen füllt die Fuge und stabilisiert den Prozess. Das Verfahren ermöglicht hohe Schweißgeschwindigkeiten bei großen Materialdicken und Spalten. Es wird im Schiffbau, Pipelinebau und für Windenergieanlagen eingesetzt.

Plasmaschweißen (Verfahren 15) nutzt einen eingeschnürten Lichtbogen mit sehr hohen Temperaturen. Das Verfahren eignet sich für präzise Nähte in dünnen Blechen und für Wurzellagen. Elektronenstrahlschweißen (Verfahren 51) beschleunigt Elektronen im Vakuum auf das Werkstück. Es erzeugt tiefe, schmale Nähte in dicken Querschnitten und wird in der Luft- und Raumfahrt sowie im Turbinenbau eingesetzt.

Auswahlkriterien für Schweißverfahren in der Praxis

Die Verfahrenswahl richtet sich nach Werkstoff, Materialdicke, Schweißposition, Qualitätsanforderungen, Automatisierungsgrad, Stückzahl und verfügbarer Qualifikation. Keine Einzelentscheidung, sondern eine Abwägung mehrerer Faktoren bestimmt das optimale Verfahren.

Werkstoff und Materialdicke grenzen die möglichen Verfahren ein. Aluminium erfordert MIG oder WIG, Baustahl lässt sich mit fast allen Lichtbogenverfahren schweißen. Dünne Bleche unter 2 mm benötigen WIG oder Laserschweißen, dicke Querschnitte über 20 mm eignen sich für MAG, Unterpulver oder Elektronenstrahl.

Die Schweißposition beeinflusst die Verfahrenswahl: Unterpulverschweißen funktioniert nur waagerecht, E-Hand und WIG eignen sich für alle Positionen. Die Zugänglichkeit der Schweißstelle entscheidet, ob automatische Verfahren möglich sind.

Qualitätsanforderungen und Normvorgaben definieren zulässige Verfahren. Tragende Stahlbauten nach DIN EN 1090 erfordern qualifizierte Verfahren und dokumentierte Schweißanweisungen. Druckbehälter nach AD 2000 oder EN 13445 schreiben WIG-Wurzellagen vor.

Automatisierungsgrad und Stückzahl bestimmen die Wirtschaftlichkeit. Für Einzelstücke und Reparaturen sind manuelle Verfahren wie E-Hand oder WIG wirtschaftlich. Ab mittleren Serien lohnen halbautomatische MIG/MAG-Anlagen, ab Großserien vollautomatische Roboterzellen oder Widerstandsschweißen.

Investitions- und Betriebskosten umfassen Stromquelle, Brenner, Schutzgas, Schweißzusatzwerkstoffe und Wartung. E-Hand hat niedrige Investitions-, aber hohe Lohnkosten. Laserschweißen erfordert hohe Investitionen, senkt aber Lohn- und Nacharbeitskosten.

Die Verfügbarkeit qualifizierter Schweißer begrenzt die Verfahrenswahl. WIG-Schweißer sind knapp und teuer, MAG-Schweißer leichter verfügbar. Automatisierung reduziert die Abhängigkeit von Fachkräften.

Die folgende Auswahlmatrix zeigt typische Verfahren nach Werkstoff und Materialdicke (vereinfachte Übersicht – konkrete Verfahrenswahl erfordert Berücksichtigung weiterer Parameter):

Vergleich MIG/MAG, WIG und E-Hand: Kosten, Geschwindigkeit und Qualität

Die drei wichtigsten manuellen und halbautomatischen Lichtbogenverfahren unterscheiden sich in Investitionskosten, Schweißgeschwindigkeit, Nahtqualität und Flexibilität. Die folgende Tabelle vergleicht die Kennwerte:

E-Hand eignet sich für wechselnde Einsatzorte ohne Infrastruktur. MAG bietet das beste Preis-Leistungs-Verhältnis für Werkstattfertigung. WIG liefert höchste Qualität für anspruchsvolle Anwendungen.

Schweißerprüfung und Qualifikation nach DIN EN ISO 9606

Jeder Schweißer muss für das eingesetzte Verfahren, die Werkstoffgruppe und die Schweißpositionen geprüft und qualifiziert sein. Die Norm DIN EN ISO 9606 regelt Prüfungsumfang, Prüfstücke und Gültigkeitsbereiche. Eine Schweißerprüfung gilt nur für das geprüfte Verfahren und definierte Parameter.

Die Prüfung umfasst eine praktische Schweißaufgabe und die zerstörende oder zerstörungsfreie Prüfung des Prüfstücks. Geprüft werden Nahtaussehen, Bindefehler, Risse, Poren und mechanische Eigenschaften. Bei bestandener Prüfung erhält der Schweißer ein Prüfzeugnis mit Gültigkeitsbereich.

Die Gültigkeit beträgt in der Regel zwei Jahre bei kontinuierlicher Tätigkeit im geprüften Bereich. Ohne Nachweis der Schweißtätigkeit oder bei Unterbrechung über sechs Monate erlischt die Qualifikation. Betriebe müssen die Gültigkeit überwachen und dokumentieren.

Für tragende Stahlbauten nach DIN EN 1090 ist zusätzlich eine Schweißaufsicht nach DIN EN ISO 14731 erforderlich. Je nach Ausführungsklasse (EXC2, EXC3, EXC4) muss ein Schweißfachmann, Schweißtechniker oder Schweißfachingenieur die Schweißarbeiten planen, überwachen und dokumentieren.

Die folgende Tabelle zeigt Prüfungsumfang und Gültigkeit:

Schweißen unter besonderen Bedingungen

Besondere Einsatzbedingungen erfordern angepasste Verfahren und Qualifikationen. Unterwasserschweißen wird für Reparaturen an Schiffen, Offshore-Anlagen, Brücken und Schleusen eingesetzt. Man unterscheidet Nassschweißen direkt im Wasser und Trockenschweißen in einer Druckkammer.

Beim Nassschweißen wird überwiegend Lichtbogenhandschweißen mit speziellen wasserfesten Elektroden eingesetzt. Das Wasser kühlt die Schweißnaht schnell ab und erschwert die Qualitätssicherung. Nassschweißen eignet sich für Reparaturen ohne hohe Festigkeitsanforderungen.

Trockenschweißen nutzt eine mit dem Meeresboden verbundene Kammer, die um die Schweißstelle gesetzt wird. Nach dem Auspumpen des Wassers kann unter Atmosphärendruck mit konventionellen Verfahren geschweißt werden. Die Nahtqualität entspricht Überwasserschweißungen.

Schweißen auf Baustellen erfordert Windschutz für MIG/MAG und WIG. Bei höheren Windgeschwindigkeiten kann das Schutzgas weggeblasen werden. E-Hand ist windunempfindlich. Die Stromversorgung muss über Aggregate oder Netzanschluss sichergestellt sein.

Schweißen von Aluminium erfordert MIG oder WIG mit Wechselstrom. Die Oxidschicht auf Aluminium muss vor dem Schweißen mechanisch oder durch Wechselstrom-Lichtbogen entfernt werden. Aluminium hat hohe Wärmeleitfähigkeit und erfordert höhere Schweißleistung als Stahl.

Edelstahl wird bevorzugt mit WIG oder MIG geschweißt, um Anlauffarben und Oxidation zu vermeiden. Die Wurzelseite muss mit Formiergas (Argon oder Stickstoff) geschützt werden. MAG mit speziellen Edelstahl-Schutzgasen ist für dickere Querschnitte wirtschaftlich.

Gefährdungen und Arbeitsschutz beim Schweißen

Schweißen birgt Gefahren durch UV-Strahlung, Schweißrauch, Funkenflug, elektrischen Strom und Lärm. Elektroschweißen (Lichtbogenschweißen) ist gefährlich, wenn Schutzmaßnahmen fehlen. UV-Strahlung des Lichtbogens verursacht Verblitzungen der Augen und Hautverbrennungen. Schweißrauch enthält Metalloxide und kann Atemwegserkrankungen auslösen.

Die persönliche Schutzausrüstung umfasst Schweißhelm mit geeignetem Filterglas (je nach Verfahren und Stromstärke), Schweißschutzkleidung aus schwer entflammbarem Material, Schweißerhandschuhe und Sicherheitsschuhe. Moderne Schweißhelme haben automatische Verdunkelungsfilter, die sich beim Zünden des Lichtbogens in Millisekunden verdunkeln.

Absaugung und Lüftung sind nach DGUV Regel 109-002 erforderlich, wenn Grenzwerte für Schweißrauch überschritten werden. Erfassungseinrichtungen müssen möglichst nah an der Entstehungsstelle angebracht werden. Bei Schweißen in engen Räumen ist Zwangslüftung vorgeschrieben.

Die Gefährdungsbeurteilung nach Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG) muss vor Aufnahme der Schweißarbeiten durchgeführt und dokumentiert werden. Sie bewertet Gefahren durch Schweißverfahren, Werkstoffe, Beschichtungen und Arbeitsbedingungen. Daraus leiten sich Schutzmaßnahmen und Betriebsanweisungen ab.

Elektrische Gefährdungen entstehen durch Berührung spannungsführender Teile. Schweißstromquellen müssen regelmäßig nach DGUV Vorschrift 3 geprüft werden. Bei Arbeiten in engen Räumen oder auf leitfähigen Böden sind Stromquellen mit reduzierter Leerlaufspannung vorgeschrieben.

Checkliste: So wählen Sie das passende Schweißverfahren

Die systematische Verfahrensauswahl folgt diesen Schritten:

1. Werkstoff und Werkstoffgruppe bestimmen: Baustahl, Edelstahl, Aluminium, Kupfer oder Sonderwerkstoffe? Werkstoffgruppe nach DIN EN ISO 15608 ermitteln.
2. Materialdicke und Nahtform festlegen: Stumpfnaht, Kehlnaht, Überlappstoß? Materialdicke bestimmt Energieeintrag und Lagenanzahl.
3. Schweißposition prüfen: Waagerecht (PA), horizontal (PB), senkrecht (PF, PG), Überkopf (PE)? Nicht alle Verfahren eignen sich für alle Positionen.
4. Qualitätsanforderungen klären: Welche Normen gelten? Sind zerstörungsfreie Prüfungen vorgeschrieben? Welche Bewertungsgruppen nach DIN EN ISO 5817?
5. Stückzahl und Taktzeit ermitteln: Einzelfertigung, Kleinserie oder Großserie? Wirtschaftlichkeitsrechnung über Lohn-, Material- und Investitionskosten.
6. Verfügbare Qualifikation prüfen: Welche Schweißer sind qualifiziert? Ist Nachschulung oder Neueinstellung erforderlich?
7. Infrastruktur bewerten: Ist Schutzgas, Strom und Absaugung verfügbar? Sind Baustellenbedingungen zu berücksichtigen?
8. Verfahren auswählen und dokumentieren: Schweißanweisung nach DIN EN ISO 15609 erstellen oder Standardverfahren (WPQR) nutzen.

Fragen an Lieferanten und Schweißdienstleister:

• Welche Verfahren nach DIN EN ISO 4063 setzen Sie ein?
• Sind Ihre Schweißer nach DIN EN ISO 9606 geprüft? Können Sie Prüfzeugnisse vorlegen?
• Haben Sie eine Schweißaufsicht nach DIN EN ISO 14731?
• Welche Qualitätssicherung und Dokumentation bieten Sie?
• Können Sie Schweißanweisungen und Verfahrensprüfungen (WPQR) bereitstellen?
• Welche zerstörungsfreien Prüfungen führen Sie durch?

Dokumentation und Nachweispflichten umfassen Schweißanweisungen (WPS), Verfahrensprüfungen (WPQR), Schweißerprüfzeugnisse, Schweißprotokolle, Prüfberichte und Abnahmeprüfzeugnisse. Für tragende Stahlbauten nach DIN EN 1090 ist eine werkseigene Produktionskontrolle mit Dokumentation aller Schweißarbeiten vorgeschrieben.