Schweißbolzen

Täglich werden in vielen Bereichen der metallverarbeitenden Industrie Millionen von Schweißbolzen mit Bolzenschweißverfahren gefügt. Neben der einfachen Handhabung der Gerätetechnik haben auch die Vielfalt standardisierter Schweißbolzen wie Gewindebolzen, Stifte, Innengewindebuchsen und Kopfbolzen, aber auch die Verwendung von Schweißelementen nach Kundenstandards einen nicht unwesentlichen Anteil an der Verbreitung des Bolzenschweißens. Beispiele dafür finden sich im Automobilbau wo millionenfach Befestigungselemente mit Grobgewinde oder Lacknut verwendet werden, im Schaltschrank- und Gerätebau bei geschweißten Erdungswinkeln oder im Kraftwerks- und Anlagenbau bei Befestigungselementen für die Isolierung.

Entscheidend sind jedoch die konstruktiven und wirtschaftlichen Vorteile für die Schweißverbindung „Schraube auf Blech“ gegenüber anderen Schweiß- und Befestigungsverfahren wie:

  • Metall-Schutzgasschweißverfahren (MIG/MAG/WIG)
  • Clinchen / Nieten
  • Kleben oder
  • Schrauben
12 FA Schweisselemente

Wie funktioniert Bolzenschweißen?

Beim Bolzenschweißen wird zwischen einer Stirnfläche des Bolzens und dem Werkstück ein Lichtbogen gezündet. Beide Fügepartner werden dabei angeschmolzen und anschließend unter geringem Anpressdruck gefügt. Der Vorgang des Bolzenschweißens dauert meist weniger als 1 s.

Schweiẞbolzen - Anforderungen

Um das Ziel „Geschweißter Bolzen hält - bei Belastung erfolgt der Bruch außerhalb der Schweißzone.“ zu erreichen müssen Schweißbolzen eine Vielzahl unterschiedlicher Anforderungen verbinden wie:

1. Hauptaufgabe eines Bolzens – Sicherstellung der mechanischen Belastung oder der konstruktiv vorgegebenen Funktion

2. Schweißeignung des Bolzenwerkstoffs und der Werkstoffoberflächen

3. Erzielung geforderter, ausreichender Schweißqualität

4. Kostengünstige Herstellung (Massenfertigung über Pressen / Kaltumformung) und Verfügbarkeit

5. Anforderungen an Lagerung / Transport (z.B. Schutz durch verkupferte Oberflächen, siehe auch Berücksichtigung der Schweißeignung)

6. Übereinstimmung mit technischen Normen, z.B. DIN EN ISO 13918 [1] oder technischen Regeln, z.B. DIBt

7. Kundenseitige Zusatzforderungen

Welche Bolzenformen gibt es?

Je nach Kunden-, Bauteil-, Werkstoff- und Prozessanforderung können Schweißbolzen in unterschiedliche Geometrien und Werkstoffe für die unterschiedlichen Bolzenschweißverfahren zum Einsatz kommen und ihre qualitätsentscheidenden Kriterien ausnutzen. Die optimalen Arbeitsbereiche unterscheiden sich u.a. im Durchmesser des Schweißelements, in den verwendeten Werkstoffen und Bauteiloberflächen, der Blechdicke und Arbeitsposition, den kundenseitigen Qualitätskriterien sowie den Prozessanforderungen (Automation, Qualität und Reproduzierbarkeit, Werkstatt- oder Baustellenbedingungen) etc.

In Abhängigkeit der Bolzengaußengeometrie, der Bolzenschweißverfahren oder des Schweißbadschutzes haben sich verschiedene Bolzentypen mit unterschiedlicher Bedeutung entwickelt.

Schweißbadschutz

  • ohne Schweißbadschutz

(NP – No Protection)

  • mit Schutzgas

(SG – Shielding Gas)

  • mit Keramikring

(CF – Ceramic ferrule)

Als handelsübliche Schweißelemente zum Bolzenschweißen werden prinzipiell 3 Bolzentypen als Standardtypen nach DIN EN ISO 13918 [1] angeboten, die sich in hinsichtlich der Bolzenfunktion in ihrer Geometrie unterscheiden.

Merksatz:

  • Das Schweißverfahren bestimmt die Schweißgeometrie.
  • Die Zündgeometrie des Bolzens beeinflusst durch seine Form das Verfahren.
  • Die Bauteilfunktion bestimmt die Außengeometrie.
Geometrie

Für den eigentlichen Schweißvorgang sind die geometrische Ausprägung außerhalb der Schweißebene sowie die Bolzenlänge ohne Bedeutung. Die Gestaltung der erforderlichen Schweißgeometrie bzw. Bolzenspitze richtet sich nach dem verwendeten Schweißverfahren. Je länger die Schweißzeit ist, desto größer wird das An- und Aufschmelzschmelzvolumen und umso kegeliger wird die Bolzenspitze ausgeführt. So ist beispielsweise der Zündkegel bei Schweißelementen für die Spitzenzündung flacher als bei Schweißelementen für die Hubzündung.

Verfahren

Bolzenschweißen mit Hubzündung - Hilfsmittel Keramikring

Bolzentypen für die Hubzündung mit Keramikring weisen an der Spitze eine eingepresste Aluminiumkugel auf, um den Lichtbogen leichter zu zünden und das Schweißbad zu desoxidieren. Der Keramikring ist beim Hubzündungs-Bolzenschweißen mit Keramikring ein entscheidender Faktor. Keramikringe müssen normkonform prinzipiell immer als Einheit passend zum Bolzen durch den Lieferanten mitgeliefert werden. Keramikringe dürfen nur im trockenen Zustand verwendet werden. Feuchte Keramikringe führen zu Poren und somit zur Verschlechterung des Schweißergebnisses.

Ein Keramikring wird verwendet

  • bei Normbolzentypen, Stiften oder Kopfbolzen größer 6 mm Durchmesser (Schweißdurchmesser)
  • beim Schweißen in Zwangslagen (Überkopfposition oder senkrechte Wand)
  • beim Schweißen unter Baustellenbedingungen

Nachteil: Das Schweißen mit Keramikring ist hinsichtlich des Handlings, der Zuführung und des verbundenen technischen Aufwands nicht geeignet für die automatisierte Serienfertigung

Schweißelemente für das Bolzenschweißen mit Spitzenzündung (CD) - Zündspitze

Nicht umsonst wird die Zündspitze bei der Spitzenzündung „Zündspitze“ genannt, da sie durch ihre Form den Lichtbogenzündprozess und damit das Verfahren bestimmt. Sie darf nicht beschädigt oder deformiert werden und ist in der DIN EN ISO 13918 qualitativ in Bezug auf Länge und Durchmesser eng toleriert. Die Zündspitze ist also keine „Zentrierspitze“. Zur Positionierung des Bolzens auf dem Bauteil sollte die Bolzenposition nur über Anreißstriche gekennzeichnet werden. Tiefe Markierungen, insbesondere die Verwendung manueller Körner, verkürzen die Schweißzeit. Die Verwendung von Automatikkörnern wird empfohlen, um gleichmäßig ausgeprägte (flache) Markierungen zu erhalten.

Die Zündspitze bei Bolzen für die Spitzenzündung ist verantwortlich für den Zündprozess und die Schweißzeit; sie ist keine Zentrierspitze zum Positionieren.

Einfluss der Länge der Zündspitze auf die Schweißzeit

CE-Kennzeichnung von Bolzen

Leider findet man immer wieder Daten oder Zertifikate die den Anschein erwecken, dass Bolzen CE- zertifiziert sind. Schweißbolzen, insbesondere Gewindebolzen sind in der DIN EN ISO 13918 [1] geregelt. Da es sich bei dieser Norm um keine harmonisierte Norm handelt, dürfen demzufolge Schweißbolzen nach DIN EN ISO 13918 [1] nicht CE- gekennzeichnet auf den Markt gebracht werden. Als Nachweis für die Übereinstimmung der geometrischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften mit den Anforderungen der Norm sind diese Bolzen mit Abnahmeprüfzeugnis 3.1 nach DIN EN 10204 zu liefern.

Eine Ausnahme bildet die CE- Kennzeichnung von (geschweißten) Bauprodukten nach DIN EN 1090 „Ausführung von Stahltragwerken und Aluminiumtragwerken“, z.B. definiert bestehend aus Kopfbolzen auf Platte, die das Deutsche Institut für Bautechnik DIBt als Bauprodukt „Kopfbolzen auf Platte“ CE- zertifiziert hat. Diese CE- Kennzeichnung besagt prinzipiell, dass die für dieses Bauprodukt festgelegten Konformitätsnachweisverfahren hinsichtlich der Konformität mit der der CE- Kennzeichnung zugrunde liegenden technischen Spezifikation erfolgreich unterzogen wurde und damit so beschaffen ist, dass das Bauwerk bei ordnungsgemäßer Planung und Ausführung die wesentlichen Anforderungen erfüllen kann.

Hinweis: Bei Schweißaufgaben, die im geregelten (z.B. bauaufsichtlichen) Bereich durchgeführt werden, sollten nur Bolzen verwendet werden, die in der mitgeltenden Normung – DIN EN ISO 13918 – gelistet sind und dieser entsprechen, da hierin die erforderlichen Daten und Dokumente als geregelte bzw. genormte Grundlagen einer Zertifizierung des geschweißten Bauteils aufgeführt sind. Bei der Verwendung nicht genormter, herstellerspezifischer Schweißelemente sollte immer mit dem Endkunden bzw. den Zulassungsbehörden Rücksprache gehalten werden.

Welche Bolzendurchmesser und -längen können verschweiẞt werden?

Gebräuchliche Durchmesser sind:

  • bei der Spitzenzündung

M3 – M8 / Ø3 bis 8 mm

  • bei der Kurzzeit-Hubzündung

M5 – M10 / Ø5 bis 10 mm

  • bei der Hubzündung

M6 – M24 / Ø6 bis 25 mm

Die Bolzenlänge wird über folgende Kriterien eingeschränkt:

Minimale Bolzenlänge: Die minimale Bolzenlänge ergibt sich aus der erforderlichen Einstecktiefe zur ausreichenden Fixierung des Bolzens im Bolzenhalter zuzüglich des erforderlichen Überstandes für die erforderliche Bildung der Schweißwulst sowie einer werkstoff- und durchmesserabhängigen Sicherheitstoleranz.

Maximale Bolzenlänge: Die maximale Bolzenlänge ist theoretisch unbegrenzt, richtet sich aber nach der zum Schweißen erforderlichen Ausrüstung. Das Stativ muss lang genug sein, um den Bolzen ausreichend abzustützen und die Pistole muss das (höhere) Bolzengewicht der Schweißaufgabe entsprechend bewegen können.

Verhältnis Bolzenlänge zu Bolzendurchmesser: Insbesondere bei Applikationen, die eine automatische Vereinzelung und Zuführung verlangen, darf das Verhältnis Bolzendurchmesser bzw. Flanschdurchmesser zu Bolzenlänge nicht 1:1 sein, um ein Drehen des Bolzens während der Vereinzelung oder Zuführung zu vermeiden.

Welche Bolzenwerkstoffe können verschweiẞt werden?

Prinzipiell gelten bei den Werkstoffen die gleichen Regeln wie bei konventionellen Lichtbogenschweißverfahren.

  • Es sollten immer artgleiche Materialien verschweißt werden.
  • Die Normung definiert im Bereich der unlegierten Stähle nur „4.8 – schweißgeeignet“. 4.8 bedeutet nach DIN EN ISO 898 eine Zugfestigkeit von 420 N/mm2, Streckgrenze 340N/mm² bei 14% Streckgrenze. Die Eignung zum Schmelzschweißen wird bei un- oder niedriglegierten Stählen über den Kohlenstoffgehalt und die weitere chemische Analyse definiert. Aufgrund der extrem schnellen Temperaturanstiegs- und Abkühlverläufe (Lichtbogenbrennzeit < 1s) besteht bei Stahl die Gefahr der Aufhärtung durch Versprödung. Der Kohlenstoffgehalt der zu verschweißenden Werkstoffe (Bolzen und Grundwerkstoff) sollte daher C < 0,17% betragen.

Spitzenzündung

Bolzenwerkstoff

Grundwerkstoff

Baustähle
(Re ≤ 360 N/mm²)
Feinkornbaustahl
(Re > 500 N/mm²)

verzinkte u. metallbeschichtete Bleche
(µ<5µm)

Nichtrostende Stähle
CrNi-Stähle

Kupfer
Messing
(CuZn37)

Aluminium (Al99,5)
AlMg-Legierungen
(AlMg3 / AlMg4,5)

4.8 (S235)

A2-50 (1.4301)
A4/A5-50 (1.4571)

CuZn 37

AlMg 3

gute Schweißeignung für jede Anwendung

geeignet mit Einschränkungen
für die Kraftübertragung

nicht schweißgeeignet

Hubzündung

Bolzenwerkstoff

Grundwerkstoff

Baustahl
(ReH ≤ 450 N/mm²)
C≤ 0,2%

verzinkte u. metallbeschichtete Bleche
(µ<25µm)

Nichtrostende Stähle
CrNi-Stähle

Aluminium (Al99,5)
AlMg-Legierungen
(AlMg3 / AlMg4,5)

4.8 (S235)

2

A2-50 (1.4301)
A4/A5-50 (1.4571)

1

AlMg 3

1, 2

gute Schweißeignung für jede Anwendung

1: bis ø 12 mm und Schutzgas, Wannenlage (PA)

geeignet mit Einschränkungen
für die Kraftübertragung

2: nur für Kurzzeit-Bolzenschweißen

nicht schweißgeeignet

Hohe Festigkeit und mechanische Belastung der Verbindung

Bei einer sorgfältig, sach- und fachgerecht ausgeführten Schweißung kann man davon ausgehen, dass die Schweißverbindung eine größere statische Beanspruchung ertragen kann, als der Bolzen oder das Bauteil. Der Bruch erfolgt also bei Überschreitung der Belastungsgrenze außerhalb der Schweißzone – entweder im Bolzen oder im Blechgrundmaterial.

Für die Festigkeitsberechnung sind daher die charakteristischen Werte von Bolzen und Blech maßgebend; das Tragvermögen der Schweißung braucht rechnerisch nicht berücksichtigt werden. Die Bruchkraft kann damit schnell aus der Mindestzugkraft der Werkstoffe berechnet werden, siehe auch Hinweise zur Berechnung von Bolzenschweißverbindungen im Merkblatt DVS 0967 [3]. Bei der Berechnung von Bolzenschweißverbindungen muss je nach Einsatzfall und mit geltendem Regelwerk unterschieden werden. Unterschieden werden u.a. die Beanspruchungen statisch oder dynamisch, Druck, Zug, Biegung oder Torsion. Die Bemessung der Bolzen hat daher so zu erfolgen, dass die Gebrauchstauglichkeit und Tragsicherheit des gesamten Bauteiles gewährleistet werden.

Zusammenfassung

Schweißbolzen, die im industriellen Maßstab und unter Berücksichtigung der mitgeltenden technischen Normen und Regeln hergestellt werden, sind also keineswegs nur eine einfache Schraube oder ein Stück Draht, sondern ein wichtiges, entscheidendes Bindeglied zur Sicherstellung der Schweißqualität und Funktion.

Systemlösung „Prozessverantwortung / Qualität = Gerätetechnik + Schweißelement“

Gerätetechnik
"Hersteller Gerätetechnik"

+

Schweißelement
"Hersteller / Lieferant Schweißelement"

+

Hersteller geschweißtes Produkt

Schweißprozess

=

Prozessverantwortung / Qualität

Der Anwender sollte sich daher beim Einsatz hinsichtlich der technischen Möglichkeiten und Anwendungsbereiche ausführlich technisch informieren und beraten lassen. Gerade die begleitenden technischen Normen, wie die DIN EN ISO 13918 „Schweißen - Bolzen und Keramikringe zum Lichtbogenbolzenschweißen“, die darin definierten Normbezeichnungen für Schweißelemente und technischen Kriterien sollten die Basis zwischen Kunde (Einkauf) und Produzent / Lieferant bilden, um einerseits das entsprechende Produkt und die mitgeltende Qualität zu definieren, andererseits mögliche Probleme aufgrund fehlerhafter Informationen durch herstellerspezifischen Benennungen zu vermeiden.