Uhrmacher und Schweißen, Goldschmiede und Schweißen - zwei Begriffe, die sich erst heute allmählich näher kommen. Warum dies nun ausgerechnet bei diesen Vorzeigeberufen der Metallverarbeitung und Feinmechanik so ist, erfahren Sie im Laufe dieses Beitrages. Aber zunächst einige notwendige Hintergründe.

Was ist das eigentlich, Schweißen?

Die ältesten Formen des Schweißens, sind wohl weit über viertausend Jahre alt. Bereits bei den Sumerern und Ägyptern verband man Goldlegierungen durch Schweißen miteinander, ja man hat sogar eine feuergeschweißte Wasserleitung ausgegraben. Aus kleinen, in Holzkohlenstaub geschmolzenen Kugeln wurden kunstvolle Ornamente zusammengesetzt und zusammengeschweißt. Mindestens 400 vor Christi, kannte man bereits den Schmiedestahl. Wann und von wem die ersten Stücke gefertigt wurden, ist nicht sicher bekannt. Die ersten Eisenwerkzeuge bestanden mit einiger Sicherheit aber aus Meteoreisen mit relativ hohem Nickelgehalt. Allerdings gab es schon zur Zeit der alten Perser meisterlich gemachte Schwerter, hergestellt aus mühsam im Rennofen gewonnenem Eisenschwamm, mit Feuer, Muskelkraft und Erfindungsgeist schließlich zu Verbund- Stahl veredelt. Einzelne Drähte oder Bänder, aus verschiedenen Stahl- und Eisensorten, miteinander kunstvoll verflochtenen und verschmiedet, immer wieder gefaltet und neu verschmiedet, ermöglichten bis dahin ungeahnte Materialeigenschaften. Diese Verarbeitung ist in die Geschichte als Damaszenerstahl eingegangen und wird auch heute noch, Tausende von Jahren nach seiner Erfindung in genau der gleichen Weise hergestellt.

Damaszenerstahl besticht gleich durch eine ganze Reihe unvergleichlicher Merkmale: Elastisch und federnd, zäh aber hart, wurden und werden aus ihm unvergleichliche Klingen gefertigt. Leicht und elegant, selbstschärfend und so bruchsicher, dass man sie bis zum Griff biegen kann, ohne dass ein Schaden entsteht, im Aussehen unverwechselbar, stellten sie damals alle bekannten Klingen weit in den Schatten und waren heiß begehrte „Souvenirs" der Kreuzzüge. Durch die unterschiedlichen Abnutzungserscheinungen, denn weicher Stahl nutzt sich schneller ab als harter - auch rosten beide mit unterschiedlicher Geschwindigkeit - entstanden je nach Flechtart der einzelnen Bestandteile, die herrlichsten Ornamente, eine große Kunst der alten Schmiede. Durch die zwangsläufig schartige Schneide, war sogar der Wellenschliff sozusagen automatisch mit eingebaut.

Der „kleine Bruder" des Damaszenerstahls ist der Hammerstahl. Flüssiges Gusseisen wird mit Luft durchblasen, dabei verbrennt der Kohlenstoff zum größten Teil. Dann im Feuer erhitzt und unter dem Schmiedehammer durch mehrfaches Ausschmieden, von noch überflüssigem Kohlenstoff befreit, der hierbei verbrennt.

Ist der Kohlenstoff erst einmal auf einen verträglichen Wert reduziert, verliert das Eisen seine hart-brüchige Natur, es wird zum härtbaren Kohlenstoffstahl. In glühendem Zustand vom Eisen aufgenommener Kohlenstoff, kann jedoch durch abschrecken in Öl oder Wasser als Eisenkarbid „eingefroren" werden. Eisenkarbid ist von sehr großer Härte und verleiht abgeschrecktem Stahl seine Härte. Durch vorsichtiges Anlassen des gehärteten Stahls auf jeweils verschiedene Temperaturen, kann man seine Härte einstellen. Erhitzt man das Material erneut bis zur Rotglut, zerlegt sich das Eisenkarbid wieder, und der Kohlenstoff separiert sich als Einlagerung im Gefüge des Materials. Vermindert man den Kohlenstoff noch weiter, lässt sich das Eisen nicht mehr härten. Aus diesem Material fertigt man Bindedraht oder normale Nägel. Für Werkzeuge ist es nur noch bedingt geeignet. Meist wurden früher Materialien verschiedener Härten miteinander verschmiedet, langgeklopft, gefaltet, wieder miteinander verschmiedet und so fort. Aus diesem „Hammerstahl" fertigte und fertigt man Sensen, Sicheln, Klingen, und viele andere Werkzeuge, die extrem zäh-hart sein müssen. Die Schmiede verwenden ihn noch heute, zu Herstellung feinster Turnierwaffen und Klingen. Aber auch Schusswaffen können aus ihm bestehen. Für eine Flinte etwa, mit feinem Damastlauf, denn Damaszenerstahl ist auch „nur" ein Hammerstahl, muss man je nach Machart eine beträchtliche Summe aufwenden.

Auch der „ganz normale" Tamponstahl, aus dem Uhrmacher kleinste, aber extrem belastbare Teilchen drehen, besteht aus Hammerstahl! Doch wie halten die verschiedenen Stahlsorten zusammen?

Wie man es früher machte

Früher wendete jeder Schmied das Feuerschweißen an. Zwei miteinander zu verschweißende Schmiedeeisenteile werden im Schmiedefeuer so lange erhitzt, bis die ersten weißen Sterne sprühen, d.h. das Material fängt trotz des verminderten Sauerstoffgehaltes im Kohlenfeuer an zu verbrennen, „es sprüht".

Nun werden die weißglühenden Teile etwas freigelegt, mit Quarzsand bestreut. Über den "richtigen" Sand ist viel gestritten worden, man verwendete auch Mischungen, etwa Sand mit Borax oder Pottasche oder Soda, oder gar eine Mischung aus allen Bestandteilen. Der Sand bildet auf der Oberfläche des Eisend eine schmelzende Schutzschicht, die den zerstörenden Sauerstoff fernhält. Es ummantelt das glühende Eisen und hält es oxidfrei, eine Voraussetzung zum Schweißen. Dann wird es aus der Glut genommen und mit dem Hammer kräftig geklopft, „verschmiedet". Das "schwitzende, schweißende" Eisen verklebt nun unter den Hammerschlägen zu einer unlösbar miteinander verbundenen Einheit  Sogar die viele hundert Kilo schweren Anker für die Großsegler, wurden aus Schmiedestahl gefertigt, im Feuer zusammengeschweißt und nicht etwa gegossen! Ein eindrucksvolles Beispiel ist im Hafen von Greetsiel/Ostfriesland zu bewundern, die einzelnen Materiallagen sind durch die Korrosion freigelegt und deutlich zu erkennen. Einzelne Produktionsverfahren und Kniffe blieben fast immer Geheimnisse der Betriebe. Die Schmiede, die in antiker Zeit bei Damaskus ihre Waffen und Werkzeuge in unnachahmlicher Qualität und Perfektion erzeugten, sorgten über tausend Jahre dafür, dass ihre Kunst nicht in die falschen Hände geriet. Wir werden im folgenden sehen, dass die Grundlagen des Schweißens, sogar beim Laserschweißen, bis heute die gleichen wie damals geblieben sind!

Schweißen im Wandel der Zeit

Zu der oben beschriebenen, archaischen Technik, gesellten sich im Laufe der Zeit immer weitere Verfahren.

Doch zunächst eine Definition des Schweißens, welche ich von Michael Stern erhalten habe:

Die Konkurrenzverfahren

Als im Jahre 1766 J.K. Wilcke zwei Flintenkugeln mittels einer Kondensatorentladung verschweißte, war dies die Initialzündung zur Entwicklung der Lichtbogenschweißerei. 16 Jahre später verschweißte der Göttinger Physiker Christoph Lichtenberg zufällig zwei Metallteile ( eine Uhrfeder und eine Messerklinge) mit Hilfe von Elektrizität, die er durch Reibung erzeugt hatte. Da jedoch noch geeignete Stromquellen fehlen, konnte seine Entdeckung nicht weiter genutzt werden. Knapp 20 Jahre später, lieferte die Voltaische Säule den ersten kontinuierlichen elektrischen Strom!

Von nun an ging es Schlag auf Schlag. 1802 erregt Petrow mit seinen Untersuchungen über den Lichtbogen großes Aufsehen. H. Davy stellte 1812 fest, dass sich der Lichtbogen magnetisch ablenken lässt, und bereits 1849 erhielt ein Engländer namens W.E. Staite das Patent über das Schweißen von Metallen mittels Lichtbogen. 1867 entdeckt Werner v. Siemens das elektrodynamische Prinzip und E. Thomson erfindet das elektrische Widerstandsschweißen. Erst Im Jahre 1881 entwickeln Knaudt und Blass das Wassergasschweißen!

Der Russe Nikolai Nikolaijewitsch Bernados entdeckte ein Verfahren, um Metallteile mit Hilfe des elektrischen Lichtbogens, den er zwischen Werkstück und einer Kohleelektrode erzeugt hatte, zu verschweißen (Vorführung in Paris 1881 - Patentanmeldung 1885 ). Am 13.01.1887 erhielt er sein Patent. Sein Verfahren ersetzte alsbald die herkömmlichen Nietverbindungen.

Eine wesentliche Vereinfachung in der Handhabung erreichte der russische Ingenieur Nikolai Gawrilowitsch Slawjanow. Er verzichtete auf eine zusätzliche Elektrode und erzeugte den Lichtbogen direkt zwischen dem Werkstück und einer Metallelektrode, welche gleichzeitig als Zusatzmaterial fungierte. Dieses Verfahren wird im Prinzip seit dem Ende des neunzehnten Jahrhunderts bis heute angewendet. Doch das war noch lange nicht das Ende einer Entwicklung, an deren Fortschreiten viele noch heute bekannte Deutsche Erfinder mitgewirkt haben.

Die Entwicklung schreitet rasant voran:1896 entwickelt Goldschmidt das Thermitschweißen, 1896 B.Dräger entwickelt den Autogenbrenner 1896, der Acetylenentwickler wird patentiert, Messer entwickelt das Punktschweißen, Kleinsmith den Schneidbrenner, doch erst 1902 entwickelt Fouche das Acetylenschweißen, welches 1907 erstmals beim Schienenbau angewendet wurde. Mantelelekroden ab 1908 von Kehlberg entwickelt, kommen etwa 1920 in allgemeinen Gebrauch und verbessern die Qualität der Schweißnähte erheblich. 1919 erstmaliger Einsatz von Schutzgas. (das Schutzgas erfüllt sozusagen die gleiche Funktion beim Schweißen, wie der Sand bei der Feuerschweißerei) Dadurch wurden nun auch Aluminium, und hochlegierte Stähle fehlerlos schweißbar, da der überaus schädliche Sauerstoffeinfluss hiermit ausgeschaltet werden konnte. 1930 Bau der ersten voll geschweißten Eisenbahnbrücke auf der Strecke Münster-Rheda.

Von nun an setzte sich das Lichtbogenschweißverfahren unaufhaltsam weiter durch. Die Kohleelektrode wich der Wolframnadel (Wig- oder Argonarcverfahren), das Migverfahren wurde entwickelt (zunächst unter der Bezeichnung S.I.G.M.A. eingeführt), bei welchem unter einer Schutzgasatmosphäre der Lichtbogen direkt vom Schweißdraht zum Werkstück springt, ähnlich wie beim Elektrodenschweißen, allerdings führt sich bei diesem Verfahren der Schweißdraht von einer Rolle nach. Dieses Verfahren wurde anfangs der 50er Jahre in Deutschland eingeführt und wird bis heute vor allem in automatisierten Maschinen verwendet.

Die Lichtbogenverfahren, also Elektroden,-Mig,-Mag,- Wig- oder Plasmaverfahren, um nur einige zu nennen, haben sich für feinste Anwendungen, meist als zu grob und zu träge erwiesen. Ein Lichtbogen lässt sich zwar im elektrisch leitenden Plasma auf bis auf wenige mA reduzieren, (gezündet wird er mit Hochfrequenz), das Verfahren hat aber durch das sehr heiße Plasma, welches durch die Düse entweicht, erhebliche Nachteile. Zwar stand mit der Kondensatorentladungsschweißerei eine zeitlich und auch energiemäßig genauestens dosierbare Technologie zur Verfügung, die es erlaubte, beispielsweise auf versilberten, bedruckten und lackierten Zifferblättern für Armbanduhren, die Befestigungsstifte im Nachhinein anzuschweißen ohne die Vorderseite zu beschädigen! Allerdings ist das Einstellen der Kondensatorladung eine überaus kritische Angelegenheit, die mitunter hohen Ausschuss fordert. Dieses Verfahren eignet sich vor allem für industrielle Anwendungen. Aber die ersten Erfolge im Bereich des Laserschweißens, verhießen neue Perspektiven.

Wie alles, hat natürlich auch das Laserschweißen seine empfindliche Stelle. Sie erinnern sich daran, dass man lange Zeit den Schwertern der Wüstensöhne nichts ebenbürtiges entgegenzusetzen hatte? Warum war das so? Welche Ursache lag zugrunde? Die Antwort ist einfach: Weil diese Technik sonst keiner beherrschte, oder um es krass zu sagen: Eine Schweißmaschine allein, bringt es auch nicht. Die Hauptsache ist immer die fachgerechte Anwendung! Der Schweißer muss wissen was er tut, sonst bringt die beste Maschine nichts. So lange die Europäer nicht wussten, dass buchstäblich der Sand der Wüste das Geheimnis der schwerterschmiedenden Wüstensöhne war, so lange konnten sie versuchen was sie wollten, ihre Arbeit konnte nicht gelingen. Sie mussten ihre Erzeugnisse entweder immer aus nur einem Teil fertigen oder mussten zur Montage auf die weniger haltbaren Nieten zurückgreifen. Die heute allgemein zur Verfügung stehenden Verfahren und Schweißzusatzstoffe, ermöglichen bei ordnungsgemäßer Anwendung, eine vorherbestimmbare Qualität der Arbeit. Dabei ist die Geometrie einer Schweißnaht sehr wichtig. Sie ist eine der Voraussetzungen für die Haltbarkeit der Verbindung. Für viele Werkstoffe gilt zudem: Gleich und Gleich verträgt sich nicht! Der Schweißer muss unbedingt über die erforderlichen metallurgischen Kenntnisse verfügen, wenn er Erfolg haben will, oder besser noch, die Angaben der Hersteller genau befolgen. Mit welchem Zusatzstoff man welches Material schweißt mit welchen Kniffen und welchen Tricks, darüber füllen sich Bibliotheken, darüber wurden und werden Patente weltweit angemeldet und erteilt. Aber mitunter werden sie auch aus Datenschutzgründen erst gar nicht zum Patent angemeldet.
Hier einmal ein kleines Beispiel aus der Praxis: Ein Stahldraht Durchmesser 0,101 mm, man sieht in der Mikrometerschraube das genaue Maß, wurde einmal über Kreuz und einmal stumpf zusammen geschweißt. Die Pfennigmünze dient als Größenvergleich.

Wie aber sieht es mit Reparaturen aus?

Hier betreten wir einen ganz anderen Bereich, sozusagen brüchiges Eis! Ein
Gegenstand ist gebrochen, verschlissen, oder gar teilweise nicht mehr vorhanden. Zunächst muss ergründet werden aus welchem Material das Teil überhaupt besteht. Als Nächstes muss herausgefunden werden, mit welchem Zusatzstoff sich der Schaden beheben lässt, eine mitunter schwierige Beurteilung, vor allem, wenn zum Material selbst keinerlei verlässliche Angaben zu erhalten sind. Hier ist das Können eines Experten vonnöten! Da sich manche Teile nicht mehr, oder nur mit größtem Aufwand ersetzen lassen, ist Erfolgszwang gegeben. Metalle neigen auch dazu, sich mit anderen chemisch zu verbinden. Solche chemischen Verbindungen sind, wenn sie denn erst einmal eingetreten sind nicht mehr rückgängig zu machen. Da chem. Metallverbindungen in fast allen Fällen eine Schweißstelle völlig verderben und sie brüchig und glashart machen, garantieren sie für eine misslungene Reparaturstelle, und bedeuten für das ganze Stück meist das Todesurteil. Manch ein emsiger Bastler hat mit dem Lötkolben und Lötzinn, im Vollbewusstsein seines Könnens erhebliche Werte vernichtet, ohne dass ihm die Tragweite seines Handelns bewusst geworden wäre. Denn Lötzinn und Gold oder Silber, auch die vertragen sich überhaupt nicht. Und wenn danach mit einem Schweißlaser noch das rettende Wunder vollbracht werden soll, dann ist die Katastrophe meist unausweichlich. Es sei denn, der Schweißer ist ein Pfiffikus! Er muss aber genauestens über die Materie, d.h. die Verträglichkeiten der einzelnen Komponenten untereinander Bescheid wissen, wenn er noch etwas retten will. Das ist das wirklich Schwierige bei den Reparaturen. Und zwar egal mit welchem Verfahren und mit welchem Werkzeug... Hier zählt nur Erfahrung, Können und Fingerspitzengefühl!

Bevor wir zum Laserschweißen selbst und einer breiten praktischen Demonstration kommen, ist es allerdings notwendig, dass Sie einiges über den Laser erfahren.

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