Einleitung
Das Bolzenschweißen ist eines der vielseitigsten und effizientesten Schweißverfahren in der modernen Fertigungstechnik. Es dient der schnellen und sicheren Verbindung von Bolzenschweißen, Gewindebolzen oder anderen Befestigungselementen mit metallischen Werkstücken. Diese Methode wird insbesondere in der Automobilindustrie, im Stahlbau, in der Elektrotechnik und im Apparatebau eingesetzt.
Seine Popularität verdankt das Bolzenschweißen vor allem seiner hohen Wirtschaftlichkeit, Prozessgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit. Während bei anderen Verfahren Bauteile oft gebohrt, geschraubt oder genietet werden müssen, ermöglicht das Bolzenschweißen eine stoffschlüssige, stabile Verbindung in Sekundenbruchteilen – und das ohne Durchdringung oder Schwächung des Grundmaterials.
In diesem Artikel erfährst du alles über die Grundlagen, Verfahren, Geräte, Werkstoffe, Qualitätsanforderungen, Sicherheitsaspekte und die Zukunft des Bolzenschweißens.
1. Grundlagen des Bolzenschweißens
1.1 Definition
Das Bolzenschweißen ist ein Lichtbogenschweißverfahren, bei dem ein Bolzen (Schweißbolzen) auf ein Werkstück aufgeschweißt wird. Der Bolzen wird dabei kurzzeitig geschmolzen und anschließend mit Druck auf das geschmolzene Grundmaterial gepresst, sodass nach dem Erstarren eine stoffschlüssige Verbindung entsteht.
Die Norm DIN EN ISO 14555 definiert das Bolzenschweißen als ein Verfahren, bei dem „Bolzen, Stifte oder ähnliche Befestigungselemente durch einen Lichtbogen mit dem Werkstoff verbunden werden“.
1.2 Ziel und Vorteile
Das Ziel des Bolzenschweißens ist es, feste und dauerhafte Verbindungen zwischen einem Bolzen und einem metallischen Grundwerkstoff herzustellen – ohne Lochbohrungen, Gewindeschneiden oder andere Vorbereitungen.
Wichtige Vorteile:
- Sehr kurze Schweißzeiten (0,001 – 1 Sekunde)
- Keine Rückseite des Werkstücks erforderlich
- Hohe Festigkeit der Verbindung
- Kaum Nacharbeit oder Verzug
- Automatisierbar und kosteneffizient
- Geeignet für dünne und dicke Bleche
2. Aufbau und Funktionsweise
Ein Bolzenschweißsystem besteht grundsätzlich aus drei Hauptkomponenten:
- Schweißgerät (Stromquelle)
- Bolzenschweißpistole oder -kopf
- Bolzenzuführung und ggf. Steuerungssystem
2.1 Arbeitsprinzip
- Der Bolzen wird in der Pistole positioniert.
- Die Spitze des Bolzens berührt das Werkstück.
- Der Lichtbogen wird gezündet – meist über eine Zündspitze oder durch Berührung.
- Die Fügeflächen von Bolzen und Werkstück schmelzen.
- Der Bolzen wird unter Federkraft in das Schmelzbad gedrückt.
- Das Material erstarrt und bildet eine stoffschlüssige Verbindung.
Je nach Verfahren dauert der gesamte Prozess zwischen 1 und 1000 Millisekunden.
3. Verfahren des Bolzenschweißens
Es gibt mehrere Varianten des Bolzenschweißens, die sich in Energiequelle, Lichtbogenbildung und Einsatzbereich unterscheiden.
3.1 Hubzündungs-Bolzenschweißen
Das Hubzündungs-Bolzenschweißen ist das am häufigsten genutzte Verfahren, vor allem für Stahl, Edelstahl und Aluminium.
Ablauf:
- Der Bolzen wird mit einer Spannzange in der Pistole gehalten.
- Er hebt sich kurz vom Werkstück ab, wodurch ein Lichtbogen gezündet wird.
- Nach dem Aufschmelzen wird der Bolzen zurückgeführt und ins Schmelzbad gedrückt.
Vorteile:
- Hohe Festigkeit
- Saubere, reproduzierbare Ergebnisse
- Auch für große Bolzendurchmesser (bis 25 mm)
Nachteile:
- Erfordert eine gute Werkstückvorbereitung
- Etwas längere Schweißzeit als andere Varianten
3.2 Spitzenzündungs-Bolzenschweißen
Beim Spitzenzündungs-Bolzenschweißen wird die Schmelze durch Abbrennen einer kleinen Zündspitze erzeugt.
Merkmale:
- Schweißzeit: ca. 1–3 ms
- Kein sichtbarer Lichtbogen
- Keine Spritzerbildung
Anwendung:
- Dünnbleche (0,5 – 3 mm)
- Automobilbau, Blechgehäuse, Elektrotechnik
Vorteile:
- Keine Rückseite erforderlich
- Minimaler Wärmeeintrag
- Ideal für verzinkte oder lackierte Oberflächen
Nachteile:
- Nur für kleine Bolzen bis ca. 8 mm
3.3 Kurzzeit-Bolzenschweißen (Kondensatorentladungsschweißen)
Hier wird der Schweißstrom aus einem aufgeladenen Kondensator entnommen. Das Verfahren eignet sich für dünne Bleche und kleinere Bolzen.
Vorteile:
- Sehr kurze Schweißzeit
- Geringe thermische Belastung
- Keine Farbveränderung auf der Rückseite
Nachteile:
- Nur für kleine Bolzen
- Geringere Einbrandtiefe
3.4 Bolzenschweißen mit Schutzgas
Bei Bedarf kann das Bolzenschweißen unter Schutzgas (z. B. Argon) durchgeführt werden, um Oxidation zu verhindern. Dies ist vor allem bei Edelstahl oder Aluminium sinnvoll.
Vorteile:
- Bessere Oberflächenqualität
- Porenfreie Schweißverbindung
4. Schweißbolzen und Werkstoffe
4.1 Typen von Schweißbolzen
- Gewindebolzen (M3–M20)
- Bolzen mit Innengewinde
- Stifte, Buchsen, Haken oder Ösen
- Isolierstifte für Dämmstoffbefestigung
4.2 Werkstoffe
- Unlegierte und legierte Stähle
- Edelstahl (V2A, V4A)
- Aluminium und Aluminiumlegierungen
- Kupfer
- Messing
Wichtig ist, dass Bolzen und Grundwerkstoff kompatible Schweißeigenschaften aufweisen. Bei ungleichen Materialien kann ein Zwischenelement oder spezieller Zusatzwerkstoff nötig sein.
5. Geräte und Ausrüstung
Ein modernes Bolzenschweißsystem besteht aus:
- Stromquelle
- Netz- oder Kondensatorgerät
- Je nach Verfahren Gleichstrom oder Entladungsspannung
- Schweißpistole / Schweißkopf
- Mechanische Hubbewegung
- Federmechanismus für präzises Einsetzen
- Steuergerät
- Einstellung von Strom, Zeit und Hub
- Teilweise digitale Anzeige und Protokollierung
- Zubehör
- Massekabel
- Bolzenmagazine
- Schutzgaszufuhr (optional)
In der industriellen Fertigung werden häufig automatisierte Systeme eingesetzt, die Bolzenzufuhr, Positionierung und Schweißprozess kombinieren.
6. Vorbereitung und Ablauf des Schweißvorgangs
6.1 Werkstückvorbereitung
- Oberfläche muss sauber, trocken und metallisch blank sein
- Entfernen von Fett, Öl, Lack, Rost, Zunder oder Zinkschichten
- Bei verzinktem Material spezielle Bolzen mit Spitzenzündung verwenden
6.2 Positionierung
Die Bolzen werden mit einer Pistole senkrecht zur Oberfläche positioniert. Eine stabile Auflage und exakte Führung sind entscheidend für die Qualität der Verbindung.
6.3 Nachbearbeitung
In den meisten Fällen ist keine Nacharbeit erforderlich. Falls nötig, können Schlacke oder Spritzer leicht entfernt werden. Anschließend kann das Werkstück lackiert, beschichtet oder verzinkt werden.
7. Qualitätsanforderungen und Prüfung
Die DIN EN ISO 14555 und DIN EN ISO 13918 regeln die Anforderungen und Prüfverfahren beim Bolzenschweißen.
7.1 Sichtprüfung
- Kontrolle auf Versatz, Risse, Einbrand oder Spritzer
7.2 Mechanische Prüfungen
- Biegeprüfung
- Zugprüfung
- Drehmomentprüfung
7.3 Zerstörungsfreie Prüfung
- Röntgenprüfung bei sicherheitsrelevanten Anwendungen
- Ultraschallprüfung zur Detektion innerer Fehler