Feuerschweißen: Die älteste Schweißmethode im Überblick

Das Feuerschweißen ist die älteste bekannte Methode des Schweißens und gehört zu den Pressschweißverfahren. Auch als Schmiedeschweißen bezeichnet, kommt dabei weniger Hitze zum Einsatz. Die Temperaturen reichen jedoch auch, um den Werkstoff zu erweichen. Dann werden die Werkstücke mit Druck verbunden. Das geschieht mit Hammerschlägern. Daher auch der Name Schmiedeschweißen. Ähnlich dem Unterpulverschweißen wird dabei ein Flussmittel verwendet. Handelte es sich hierbei anfangs um feinen Flusssand, wird hier heute vor allem Borax verwendet.

Feuerschweißen – Verfahren erklärt

Beim Feuerschweißen werden anstatt einem Schmelzbad, die Materialien durch die Hitze plastisch verformbar gemacht. Der Druck bringt die Materialien so extrem nah zueinander, dass zwischen den Atomen in den Metallen der Werkstoffe eine neue Verbindung entsteht.

Während dieses Verfahren früher sehr vielseitig eingesetzt wurde, haben ihm heute das Elektro- und das Gasschweißen den Rang abgelaufen. Es wird jedoch noch immer verwendet, um sowohl ähnliche, als auch ungleiche Metalle zu verbinden. Dabei laufen die Prozesse heutzutage meistens automatisch ab.

Wie viel Druck genau dabei angewendet wird, lässt sich einstellen und ist von dem verwendeten Material, seiner Härte und Festigkeit, sowie der verwendeten Temperatur abhängig. Diese bewegt sich unter dem Schmelzpunkt der Werkstoffe. Dabei wird auch kein Füllmaterial benötigt.

Durch die geringeren Temperaturen beim Schweißen wird die Wärme gleichmäßig verteilt. Das verringert die thermische Belastung, die an der Schweißnaht auftritt. Gegenüber den Kaltdiffusionsverfahren lassen sich hier mehr Werkstoffe verbinden, denn die Hitze macht sie weicher.

Die schweißbaren Materialien

Das Schmiedeschweißen eignet sich für eine ganze Reihe unterschiedlicher Metalle. Dazu gehören Stähle mit einem hohen oder einem niedrigen Anteil an Kohlenstoffen, Guss- und Schmiedeeisen, sowie Aluminiumlegierungen. Auch können, wenn auch nicht ganz so einfach, Kupfer, Bronze und Messing verbunden werden.

Legierungen mit Kupfer lassen sich ebenfalls verschweißen, doch hier macht es das Kupfer ein wenig schwierig, denn es nimmt gern Sauerstoff auf, sobald es erhitzt wird. Titan lässt sich ebenfalls so verbinden. Hier aber ist es so, dass Titan im geschmolzenen Zustand gern Sauerstoff aufnimmt, mit dem bloßen Erhitzen jedoch eine starke Schweißnaht erzeugt werden kann.

Verbindungen aus ungleichen metallen ergeben oft aufgrund der unterschiedlichen Schmelztemperaturen sehr starke Verbindungen, die sogar stärker als die Verbindung zwischen zwei Werkstücken des gleichen Werkstoffes sein können.

Das Feuerschweißen in der Anwendung

In der ursprünglichen Methode wird das Metall erst erhitzt und dann mit einem Flussmittel beschichtet. Die zu verschweißenden Flächen werden aufeinandergelegt und dann mit Hammerschlägen eine Verbindung bewirkt. Mit den Hammerschlägen und der Entstehung der Verbindung, sowie mit abgeschrägten oder abgerundeten Oberflächen wird das Flussmittel aus den Schmiedestellen gebracht.

Für die Hammerschläge gilt, dass sie hart genug sein müssen, um die Verbindung zu bewirken. Zugleich dürfen sie jedoch nicht zu hart sein, um ein Aufprellen oder ein sofortiges Wegsprengen des Flussmittels aus der Verbindungsstelle zu vermeiden. Früher wurden oft mechanische Hämmer verwendet, die durch Wasserräder bewegt wurden. Heute wird dafür Druckluft, Motoren, Dampf oder Elektrizität verwendet.

Eine andere Form des Schmiedeschweißens ist der Einsatz einer Matrize. Die Werkstücke werden dafür erhitzt und übereinander in die Matrize gelegt. Dort wird dann der nötige Druck aufgebaut, der die Verbindung herstellt.

Eine andere Methode ist das Rollschweißen. Dabei werden die Metalle erhitzt und übereinandergelegt. Mit Hochdruckwalzen werden sie dann zusammengepresst, wodurch eine Verbindung zustande kommt. Heute läuft das Schmiedeschweißen überwiegend automatisiert ab und wird es dabei oft mit anderen Verfahren, zum Beispiel dem Widerstandsschweißen, kombiniert wird.

Die Temperaturen beim Feuerschweißen

Für das Feuerschweißen bzw. das moderne Schmiedeschweißen werden Temperaturen verwendet, die im Allgemeinen zwischen 950 °C und 1.500 °C liegen. Die Flächen, die verschweißt werden sollen, müssen auf die gleiche Temperatur gebracht werden.

Wird Stahl geschmiedet, dann vermischt sich der Kohlenstoff ab dem Erreichen der richtigen Temperatur mit Gammaeisen. Das führt zur Bildung einer festen Lösung, die Austenit genannt wird. Über weitere Prozesse wird aus dem Material Deltaeisen gebildet, welches magnetisch ist. Damit kann ein Schmied überprüfen, ob die richtige Temperatur für den Vorgang verwendet wurde, indem er einen Magneten einsetzt.

Wenn der Stahl die richtige Temperatur erreicht, lässt sich das auch daran erkennen, dass er ein nasses bzw. glänzendes Aussehen erhält. Es ist wichtig, die Temperatur nicht zu sehr zu erhöhen. Da dann durch die schnellen Oxidationsprozesse Funken entstehen und die Schweißnaht spröde wird.

Die Entkohlung

Erreicht Stahl seine Austenitisierungstemperatur, dann beginnt der Kohlenstoff zu entweichen. Er löst sich vom Eisen und verbindet sich mit dem Sauerstoff der Luft zu Kohlendioxid. Das bedeutet natürlich, dass sich auf diese Weise der Gehalt an Kohlenstoff in dem Metall, das bearbeitet wird, verringert. Damit wird das Metall selbst weicher. Dem kann auf zwei Wegen entgegengewirkt werden.

Der erste Weg ist die Geschwindigkeit. Erfolgt das Schmiedeschweißen ausreichend schnell, dann ist die Menge an Kohlenstoff, die entweichen kann, nur gering. Damit behält das Metall eine ausreichende Härte, um sich für die gedachte Verwendung zu eignen.

Die zweite Möglichkeit ist, einen Stahl zu verwenden, dessen Kohlenstoffgehalt über dem benötigten Anteil liegt. Das Entweichen des Kohlenstoffs bringt dann das Metall auf den Kohlenstoffgehalt, der letztendlich für die gedachte Anwendung benötigt wird.

Das Flussmaterial

Nur wenn die Schweißflächen sauber sind, kann das Schmiedeschweißen erfolgreich sein. Das Problem dabei ist, dass sich an der Oberfläche der verwendeten Metalle während des Vorgangs Oxide bilden können. Darüber hinaus können sie Verunreinigungen enthalten, wie zum Beispiel durch Schwefel und Phosphor. Durch die Erhitzung wandern diese an die Oberfläche und beeinflussen dann die Qualität der Schweißnaht. Diese oxidiert oder ist allgemein nicht sehr fest bzw. dauerhaft.

Der Einsatz eines Flussmittels verhindert, dass die Schweißflächen oxidieren können. Darüber hinaus hilft es dabei, eine starke Verbindung herzustellen. Ein typisches Flussmittel ist feiner Quarzsand oder Borax und dieses gemischt mit Eisenspänen. Dieses Flussmittel bindet die Oxide und senkt die Schmelztemperatur und die Viskosität. Oxide können damit aus der Verbindung herausfließen, sobald der Druck aufgebaut wird, so dass die Schweißnaht stark und dauerhaft ist.

Das Feuerschweißen in der Ausführung

Das Feuerschweißen lässt sich in einige wenige Schritte unterteilen. Dabei macht die Vorbereitung den Anfang. Dafür muss die richtige Schmiedetemperatur bestimmt und sichergestellt werden, dass sich die verwendeten Werkstoffe auch verbinden lassen.

Während des Erhitzens sollten die verwendeten Metalle gelb werden, aber nicht mehr. Wenn diese Temperatur überschritten wird, dann können Oxidationsprozesse starten. Darüber hinaus müssen die Schweißflächen gereinigt werden, um die beste Qualität der Schweißnaht zu ermöglichen.

Als nächstes muss das Flussmittel eingebracht werden. Dieses wird über das Metall gestreut, damit es dieses abschirmt und das Entstehen von Oxidation verhindert. Das Metall wird dafür aus dem Feuer genommen und dann, sobald das Flussmittel aufgetragen wurde, zurück in das Schmiedefeuer gegeben.

Jetzt wird das Metall wieder hellgelb erhitzt. Bleibt das Metall zu lange in der Hitze, dann bilden sich Funken, was ein sicheres Zeichen für eine Verunreinigung ist. Welche Temperaturen genau erreicht werden müssen, richtet sich nach dem Metall, welches verwendet wird.

Sobald das Metall gelb glüht, muss es aus dem Feuer genommen und mit dem anderen Metall verbunden werden. Dafür wird eine Presse oder ein Hammer verwendet, welcher dann die Schweißnaht setzt. Der Druck muss solange mit dem Hammer oder der Presse hergestellt werden, bis die fertige Schweißnaht entstanden ist.

Vor- und Nachteile, sowie Anwendungen des Feuerschweißens

Die Vorteile des Feuerschweißens liegen darin, dass es sich relativ einfach anwenden lässt und damit sehr gut Schweißnähte gesetzt werden können. Auch wird kein Füllmaterial dafür benötigt.

Der Nachteil ist jedoch, dass es von Seiten des Anwenders viel Fachwissen, Erfahrung und eine Menge Geschick verlangt, damit die Schweißnähte wirklich hochwertig ausfallen und ohne Verunreinigungen entstehen. Wird das Schmiedeschweißen manuell angewendet, ist es auch sehr zeitaufwendig. Wird dabei falsch gehämmert oder die Temperatur falsch gewählt, dann ist die Schweißnaht schnell ruiniert.

Sollen größere Teile mit dem Feuerschweißen verbunden werden, dann wird auch eine entsprechend größere Quelle für die Hitze benötigt. In der manuellen Anwendung ist es sehr schwierig, dabei eine komplette Verbindung herzustellen, bevor die Temperaturen zu sehr absinken.

Historisch wurden mit dem Schmiedeschweißen seit tausenden von Jahren Werkzeuge, Geräte, Rüstungen und Waffen hergestellt. Heutzutage werden auch weitere Dinge mit Hilfe des Verfahrens gefertigt, wie zum Beispiel Kochgeschirr, Tore, Druckbehälter und Zäune.