Schmelzschweißen vs. Festkörperschweißen: Unterschied und Vergleich

Key Take Away

1. Beim Schmelzschweißen werden die zu verbindenden Grundmetalle geschmolzen, während beim Festkörperschweißen die Grundmetalle nicht geschmolzen werden. Schmelzschweißtechniken wie MIG, WIG und Stabschweißen schmelzen die Metalle mithilfe eines Lichtbogens oder einer Flamme, um ein Schweißbad zu bilden, das zu einer Verbindung abkühlt. Wie beim Reibrühr- und Ultraschallschweißen entsteht beim Festkörperschweißen eine Verbindung durch extremen Druck und Reibung, ohne zu schmelzen.
2. Schmelzschweißnähte weisen im Vergleich zu Festkörperschweißnähten eine höhere Festigkeit und Flexibilität auf. Durch das geschmolzene und vermischte Metall im Schweißbad entsteht eine metallurgische Verbindung und eine homogene Verbindung. Bei Festkörperschweißnähten kommt es zu einer geringeren Vermischung der Grundmetalle, was zu einer geringeren Verbindungsfestigkeit führt.
3. Festkörperschweißen ist für Materialien, die empfindlich auf hohe Hitze reagieren, wie Aluminium und Magnesium, von Vorteil. Das Fehlen von Schmelzen ermöglicht eine bessere Kontrolle über die Wärmeeinflusszone und vermeidet Probleme wie Änderungen der Legierungszusammensetzung, Porosität und Versprödung. Beim Schmelzschweißen können sich Legierungselemente im Schweißbereich verändern, was zu einer Schwächung führt.

Was ist Schmelzschweißen?

Beim Schmelzschweißen handelt es sich um eine Art Schweißverfahren, bei dem zwei oder mehr Metallteile miteinander verbunden werden, indem sie an der Verbindungsstelle geschmolzen werden und sich zu einem einzigen, zusammenhängenden Stück verfestigen. Der Begriff „Fusion“ bezeichnet das Schmelzen und Vermischen der Grundmaterialien zur Herstellung der Schweißverbindung.

Beim Schmelzschweißen wird eine Wärmequelle auf die Materialien angewendet, um deren Temperatur so weit zu erhöhen, dass sie schmelzen. Abhängig vom konkreten Schweißverfahren kann diese Wärmequelle eine offene Flamme, ein Lichtbogen, ein Laser oder ein Elektronenstrahl sein. Sobald die Materialien geschmolzen sind, werden sie zusammengebracht, und wenn sie abkühlen und erstarren, bilden sie eine robuste und metallurgische Verbindung.

Was ist Festkörperschweißen?

Beim Festkörperschweißen handelt es sich um eine Gruppe von Schweißverfahren, die eine Verbindung zwischen zwei Materialien herstellen, ohne diese in einen vollständig flüssigen Zustand zu schmelzen. Im Gegensatz zum Schmelzschweißen, bei dem die Grundmaterialien geschmolzen werden, um eine Schweißnaht zu bilden, wird beim Festkörperschweißen die Verbindung durch eine Kombination aus Druck, Temperatur und Zeit erreicht, alles innerhalb der Festkörperphase der beteiligten Materialien. Dieser Vorgang wird auch als „Solid-State-Bonding“ oder „Solid-State-Joining“ bezeichnet.

Das Fehlen eines vollständigen Schmelzens beim Festkörperschweißen hat mehrere Vorteile, darunter die Erhaltung der Materialeigenschaften und die Verbindung unterschiedlicher Materialien, die mit herkömmlichen Schmelzschweißverfahren möglicherweise nicht kompatibel sind. Der Prozess findet bei Temperaturen statt, die unter dem Schmelzpunkt der Grundmaterialien liegen, was das Risiko von Defekten verringert und eine präzise Steuerung des Verbindungsprozesses ermöglicht.

Unterschied zwischen Schmelzschweißen und Festkörperschweißen

1. Der grundlegende Unterschied liegt im Zustand der Grundmaterialien während des Schweißprozesses. Beim Schmelzschweißen werden die Materialien in einen geschmolzenen Zustand erhitzt und an der Verbindungsstelle vollständig geschmolzen, wodurch eine Verschmelzung der Grundmaterialien entsteht. Im Gegensatz dazu wird beim Festkörperschweißen eine Verbindung erreicht, ohne dass die Materialien in einen vollständig flüssigen Zustand geschmolzen werden, wodurch die ursprünglichen Materialeigenschaften erhalten bleiben.
2. Beim Schmelzschweißen sind relativ hohe Temperaturen erforderlich, um die Grundmaterialien zu schmelzen und die Schweißverbindung herzustellen. Beim Festkörperschweißen ist die Temperatur niedriger, da der Prozess auf lokaler Erwärmung durch Reibung, Ultraschallvibrationen oder andere Methoden beruht, ohne den Schmelzpunkt der Materialien zu erreichen.
3. Beim Schmelzschweißen kann es aufgrund der hohen Temperaturen zu erheblichen Verzügen und Eigenspannungen in den geschweißten Bauteilen kommen. Andererseits führt das Festkörperschweißen zu geringeren Verzerrungen und Eigenspannungen, da es bei niedrigeren Temperaturen und mit weniger Wärmeeintrag auftritt.
4. Durch das Schmelzschweißen entsteht eine durchgehende, homogene Verbindung mit vollständiger Verschmelzung der Grundmaterialien. Die Verbindungsqualität kann beim Festkörperschweißen je nach verwendetem Verfahren variieren. Einige Festkörperschweißverfahren, wie beispielsweise das Reibrührschweißen, können Verbindungen mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften und minimalen Fehlern erzeugen, während andere bei bestimmten Anwendungen möglicherweise Einschränkungen aufweisen.
5. Das Schmelzschweißen eignet sich gut zum Verbinden ähnlicher Materialien mit kompatiblen Schmelzpunkten. Allerdings kann es aufgrund ihrer unterschiedlichen thermischen Eigenschaften schwierig sein, unterschiedliche Materialien effektiv zu schweißen. Andererseits bietet das Festkörperschweißen Vorteile beim Verbinden unterschiedlicher Materialien, da es ein vollständiges Schmelzen vermeidet und die Verbindung von Materialien mit deutlich unterschiedlichen Eigenschaften ermöglicht.

Vergleich zwischen Schmelzschweißen und Festkörperschweißen

Parameter des Vergleichs	Schmelzschweißen	Festkörperschweißen
Wärmeeintrag	Hoher Wärmeeintrag führt zum vollständigen Aufschmelzen von Materialien	Geringerer Wärmeeintrag, wodurch das Risiko von Verformungen verringert und die Materialeigenschaften erhalten bleiben
Gemeinsame Stärke	Im Allgemeinen starke Verbindung aufgrund der vollständigen Verschmelzung der Materialien	Starke Verbindungen, insbesondere bei bestimmten Festkörperprozessen
Anwendbarkeit auf Unähnliches	Aufgrund der unterschiedlichen Schmelzpunkte ist es schwierig, unterschiedliche Materialien zu schweißen	Vorteilhaft zum Verbinden unterschiedlicher Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften
Metallurgische Veränderungen	Kann metallurgische Veränderungen und Wärmeeinflusszonen verursachen	Minimale oder keine metallurgischen Veränderungen, da kein vollständiges Schmelzen erfolgt
Gelenkdefekte	Anfällig für Mängel wie Porosität, Risse und Einschlüsse	Aufgrund des geringeren Wärmeeintrags und des kontrollierten Prozesses entstehen im Allgemeinen weniger Defekte

Literaturhinweise

1. https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-bulletin/article/phenomenological-modeling-of-fusion-welding-processes/04984333CB143DBF4886530F36102D5E
2. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924013617304181