Einleitung
Das Bolzenschweißen ist eines der effizientesten und präzisesten Verfahren in der modernen Metallverarbeitung. Es ermöglicht das dauerhafte, stoffschlüssige Verbinden von Bolzen, Stiften und Gewindeelementen mit metallischen Werkstücken – ohne dass diese durchbohrt oder von der Rückseite zugänglich sein müssen. Durch kurze Schweißzeiten und eine hohe Prozesssicherheit ist das Bolzenschweißen aus Branchen wie dem Fahrzeugbau, Stahlbau, Schiffbau oder der Elektrotechnik längst nicht mehr wegzudenken.
In diesem Artikel wird das Verfahren umfassend beschrieben – von der Funktionsweise und den technischen Grundlagen über die verschiedenen Schweißverfahren bis hin zu Normen, Qualitätsanforderungen und Zukunftstrends. Ziel ist es, ein tiefgehendes Verständnis für diese vielseitige Fügetechnik zu vermitteln.
1. Grundlagen des Bolzenschweißens
1.1 Definition und Prinzip
Das Bolzenschweißen ist ein Lichtbogen-Schweißverfahren, bei dem ein Bolzen oder Stift auf ein Werkstück aufgeschweißt wird. Der Bolzen dient dabei selbst als Elektrode, und der Lichtbogen entsteht zwischen seiner Stirnfläche und der Oberfläche des Werkstücks.
Durch den entstehenden Schmelzprozess verbinden sich Bolzen und Grundwerkstoff stoffschlüssig. Die Verbindung ist fest, leitfähig und dauerhaft.
Das Verfahren dauert nur wenige Millisekunden bis Sekunden und kann sowohl manuell als auch automatisiert durchgeführt werden.
1.2 Historischer Hintergrund
Die Geschichte des Bolzenschweißens reicht bis in die 1930er Jahre zurück. Ursprünglich wurde das Verfahren im Schiffbau eingesetzt, um dicke Stahlplatten effizient zu verbinden, ohne Bohrungen oder Verschraubungen durchführen zu müssen.
In den 1950er Jahren fand das Bolzenschweißen seinen Weg in die Automobil- und Maschinenbauindustrie, wo es bis heute millionenfach täglich eingesetzt wird.
Mit dem technischen Fortschritt, insbesondere durch elektronische Steuerungen und Inverter-Schweißgeräte, hat sich das Verfahren weiterentwickelt – präziser, schneller und energiesparender als je zuvor.
2. Technische Grundlagen
Beim Bolzenschweißen wird elektrische Energie in Wärme umgewandelt, die den Bolzen und das Werkstück lokal aufschmilzt. Der Bolzen wird anschließend mit Druck in das Schmelzbad gedrückt und bildet nach dem Erstarren eine feste Verbindung.
Wichtige Parameter sind:
- Schweißstrom (bis zu 2000 A)
- Schweißzeit (1–1000 ms)
- Hubhöhe (1–3 mm)
- Federdruck oder Vorschubgeschwindigkeit
- Schutzgas oder Keramikring
Die exakte Abstimmung dieser Parameter hängt vom Verfahrenstyp, der Bolzengröße und dem Werkstoff ab.
3. Verfahren des Bolzenschweißens
Es gibt mehrere Varianten des Bolzenschweißens, die sich in Zündmechanismus, Energiezufuhr und Anwendungsbereich unterscheiden.
3.1 Hubzündungs-Bolzenschweißen (Drawn Arc)
Das Hubzündungsverfahren ist das klassische und am weitesten verbreitete Verfahren. Dabei wird der Bolzen zunächst auf das Werkstück aufgesetzt. Anschließend hebt die Schweißpistole den Bolzen geringfügig an, wodurch ein Lichtbogen entsteht.
Dieser Lichtbogen schmilzt die Kontaktflächen auf, und der Bolzen wird anschließend in das Schmelzbad gedrückt.
Merkmale:
- Für Bolzendurchmesser von 3–25 mm
- Schweißzeit: 100–1000 ms
- Verwendung von Keramikring oder Schutzgas
Vorteile:
- Hohe Festigkeit
- Geringe Porenbildung
- Ideal für dickere Werkstoffe
Anwendungsbereiche: Stahlbau, Maschinenbau, Fahrzeugrahmen, Schiffbau
3.2 Spitzenzündungs-Bolzenschweißen (Tip Ignition)
Dieses Verfahren ist besonders geeignet für dünne Bleche und kleine Bolzendurchmesser. Der Bolzen besitzt eine kleine Zündspitze, die beim Schweißen verdampft und den Lichtbogen auslöst.
Der Schweißvorgang dauert nur 1–3 Millisekunden und belastet das Werkstück thermisch kaum.
Merkmale:
- Für Bolzendurchmesser von 2–8 mm
- Sehr kurze Schweißzeit
- Keine Verformung des Werkstücks
Vorteile:
- Ideal für dünne Bleche ab 0,5 mm
- Keine sichtbaren Rückseitenmarkierungen
- Keine Schutzgaszufuhr erforderlich
Anwendungsbereiche: Blechverkleidungen, Elektroindustrie, Haushaltsgeräte, Medizintechnik
3.3 Kondensatorentladungs-Bolzenschweißen
Dieses Verfahren basiert auf der schnellen Entladung eines Kondensators über den Bolzen. Dadurch entsteht ein sehr kurzer, intensiver Lichtbogen, der beide Metalloberflächen verbindet.
Merkmale:
- Schweißzeit < 5 ms
- Geringe Wärmeeinflusszone
- Ideal für empfindliche Materialien
Vorteile:
- Präzise Energiezufuhr
- Sehr saubere Oberfläche
- Minimaler Verzug
Anwendungsbereiche: Elektronik, Feinmechanik, dekorative Anwendungen
3.4 Bolzenschweißen mit Schutzgas
Hier wird während des Schweißvorgangs ein Schutzgas (meist Argon oder Argon-CO₂-Gemisch) verwendet, um Oxidation zu vermeiden und die Schweißnaht zu stabilisieren.
Vorteile:
- Saubere Oberfläche
- Keine Schlacke
- Besonders geeignet für Edelstahl und Aluminium
4. Ausrüstung und Werkstoffe
4.1 Schweißgeräte
Moderne Bolzenschweißgeräte bestehen aus:
- Energiequelle (Inverter oder Kondensatorgerät)
- Schweißpistole mit Hubmechanismus
- Steuergerät zur Parameterkontrolle
- Kabel und Erdungssystem
In der automatisierten Produktion werden häufig Roboteranlagen mit CNC-Steuerung eingesetzt.
4.2 Bolzentypen
Bolzen sind in vielen Formen und Materialien erhältlich. Gängige Varianten sind:
- Gewindebolzen (für mechanische Befestigungen)
- Stifte (zur Positionierung oder Erdung)
- Bolzen mit Flansch (für hohe Belastungen)
- Innengewindebolzen
- Isolierbolzen
Normgerechte Ausführungen sind in der DIN EN ISO 13918 festgelegt.
4.3 Werkstoffe
Folgende Werkstoffe sind besonders geeignet:
- Unlegierte Stähle (S235, S355)
- Edelstahl (1.4301, 1.4571)
- Aluminium und Al-Legierungen
- Kupfer (in Sonderfällen)
Oberflächen müssen sauber, metallisch blank und frei von Oxiden oder Fett sein. Galvanische Beschichtungen können den Prozess stören.
5. Vorbereitung und Durchführung
Ein erfolgreicher Schweißvorgang hängt maßgeblich von einer sorgfältigen Vorbereitung ab.
5.1 Oberflächenvorbereitung
- Reinigung von Öl, Fett, Rost und Lack
- Entfernen von Oxidschichten
- Verwendung geeigneter Schleifmittel oder Reinigungsmittel
5.2 Schweißparameter
- Stromstärke und Schweißzeit müssen auf Material und Bolzengröße abgestimmt werden
- Hubhöhe und Federdruck werden exakt justiert
- Positionierung des Bolzens erfolgt rechtwinklig
5.3 Nachbehandlung
Nach dem Schweißen sollte die Verbindung visuell kontrolliert werden. Keramikringe (falls verwendet) werden entfernt und die Schweißstelle ggf. leicht nachbearbeitet