Bolzenschweißen (78): Die schnelle Befestigungstechnik

Einleitung: Die unsichtbare Verbindung

Es ist eines der effizientesten und dennoch am wenigsten beachteten Schweißverfahren: das Bolzenschweißen. In der Normung als Prozess 78 geführt, verbindet es in Sekundenbruchteilen einen Bolzen, eine Mutter oder einen Gewindestift mit einem Blech oder einem Träger – ohne Durchbohren, ohne Nieten, ohne Schrauben. Die Verbindung ist dauerhaft, belastbar und in vielen Fällen unsichtbar, da sie nur von einer Seite zugänglich sein muss.

Das Bolzenschweißen ist die Technologie der Wahl für den Stahl- und Fassadenbau, für den Anschluss von Brandschutzplatten, für die Befestigung von Kabelkanälen in Schiffen und für tausend weitere Anwendungen, bei denen ein Befestigungselement schnell, zuverlässig und wirtschaftlich auf einem Grundmaterial fixiert werden muss. Dieser Artikel beleuchtet die Prinzipien, Varianten und Einsatzgebiete eines Verfahrens, das die Bau- und Fertigungsindustrie nachhaltig verändert hat.

Historische Entwicklung: Vom Schiffbau in die Breite

Die Ursprünge des Bolzenschweißens liegen im Schiffbau der 1930er Jahre. Werften suchten nach Alternativen zur aufwendigen Vernietung von Isolierungen, Kabelkanälen und Einbauten. Das Durchbohren der Stahlbeplankung war aus Festigkeitsgründen und wegen der Dichtheit problematisch. Das Nelson-Stud-Welding-Verfahren, benannt nach seinem Erfinder Ted Nelson, brachte 1939 den Durchbruch. Nelson entwickelte eine Schweißpistole, mit der ein Bolzen durch einen Lichtbogen aufgeschmolzen und unter Druck auf das Grundblech gepresst wurde [1].

Die Technologie wurde im Zweiten Weltkrieg massiv ausgebaut. Die US-Marine setzte Bolzenschweißungen in großem Umfang für die Befestigung von Isolierungen auf Kriegsschiffen ein. Nach dem Krieg verbreitete sich das Verfahren in den zivilen Schiffbau, in den Stahlbau und in die Bauindustrie.

In den 1950er und 1960er Jahren wurden die Verfahrenstechniken weiterentwickelt. Das Kondensator-Entladungs-Bolzenschweißen (CD-Bolzen) wurde für dünnere Bleche und kleinere Bolzen etabliert. Die Einführung von automatischen Bolzenzuführungen in den 1980er Jahren ermöglichte die Integration in automatisierte Fertigungslinien. Heute ist das Bolzenschweißen ein universelles Verfahren, das in zahlreichen Branchen vom Automobilbau bis zur Haustechnik eingesetzt wird [2].

Physik und Technik: Lichtbogen und Pressung im Einklang

Das Bolzenschweißen basiert auf einem einfachen Prinzip: Ein Bolzen (oder ein anderes Befestigungselement) wird mit einer Schweißpistole auf das Grundmaterial aufgesetzt, durch einen Lichtbogen an seiner Kontaktfläche aufgeschmolzen und dann unter Druck in das aufgeschmolzene Grundmaterial gedrückt. Nach dem Erstarren ist der Bolzen unlösbar mit dem Grundwerkstoff verbunden.

Das Verfahren wird in zwei grundlegenden Varianten durchgeführt, die sich in der Energiequelle, der Bolzengröße und dem Anwendungsbereich unterscheiden:

Hubzündungs-Bolzenschweißen: Für schwere Lasten

Das Hubzündungs-Bolzenschweißen (auch: Lichtbogen-Bolzenschweißen) ist das Verfahren für große Bolzen (ab etwa 6 mm Durchmesser) und dicke Bleche (ab etwa 5 mm). Der Prozess läuft in wenigen Sekunden ab und gliedert sich in vier Phasen:

1. Zündphase: Der Bolzen wird mit der Schweißpistole auf das Grundmaterial gesetzt. Eine Feder oder ein Hubmechanismus hält den Bolzen in definiertem Kontakt.
2. Hubphase: Ein Zündmechanismus (meist eine kleine Hubspule) hebt den Bolzen einige Millimeter vom Grundmaterial ab. Gleichzeitig wird der Schweißstrom eingeschaltet. Es entsteht ein Lichtbogen zwischen Bolzen und Grundmaterial.
3. Schweißphase: Der Lichtbogen brennt für 0,2–2,0 Sekunden (je nach Bolzengröße) und schmilzt die Kontaktflächen beider Teile auf. Ein Keramikring umgibt die Schweißzone und konzentriert die Wärme sowie das Schmelzbad.
4. Pressphase: Nach Ablauf der Schweißzeit wird der Bolzen durch Federkraft oder einen Pneumatikzylinder in das Schmelzbad eingedrückt. Der Lichtbogen erlischt, das Material erstarrt unter Druck. Der Keramikring wird abgeschlagen oder verbleibt auf der Schweißung (je nach Ausführung).

Der Keramikring ist ein wichtiges Hilfsmittel. Er zentriert den Bolzen, schirmt den Lichtbogen ab, hält das Schmelzbad zusammen und formt die Naht. Nach dem Schweißen wird er zerstört und entfernt.

Die Stromquellen für das Hubzündungs-Bolzenschweißen sind spezielle Gleichstromquellen mit hohen Kurzschlussströmen (bis zu 3.000 A) und präziser Zeitsteuerung. Moderne Geräte arbeiten mit Invertertechnik und ermöglichen die Speicherung von Parametern für unterschiedliche Bolzentypen.

Kondensator-Entladungs-Bolzenschweißen (CD): Für dünne Bleche

Das CD-Bolzenschweißen (auch: Spitzenzündungs-Bolzenschweißen) ist das Verfahren für kleine Bolzen und dünne Bleche. Es arbeitet ohne Keramikring, ohne Hubmechanismus und mit extrem kurzen Schweißzeiten (1–10 Millisekunden). Der Prozess ist daher besonders materialschonend und verursacht auf der Rückseite des Blechs keine Verfärbung oder Verformung – ein entscheidender Vorteil bei beschichteten oder sichtbaren Oberflächen.

Der Prozess läuft wie folgt ab:

• Ein Kondensator (oder ein Kondensatorpaket) wird mit einer definierten Spannung aufgeladen.
• Der Bolzen wird mit einer feinen Spitze oder einer definierten Kontaktfläche auf das Blech gesetzt.
• Beim Auslösen wird der Kondensator über die Kontaktstelle entladen. Der extrem kurze, hochstromstarke Impuls (bis zu 50.000 A in Mikrosekunden) schmilzt die Spitze des Bolzens und eine kleine Fläche des Blechs.
• Gleichzeitig drückt eine Feder den Bolzen in das entstandene Schmelzbad. Das Material erstarrt in Bruchteilen einer Sekunde.

Die Vorteile des CD-Bolzenschweißens:

• Keine Rückseitenbeeinflussung: Auf der Rückseite des Blechs ist keine Verfärbung, kein Verzug und keine Beschädigung von Beschichtungen erkennbar.
• Kein Keramikring: Das Verfahren ist sauberer und erfordert keine Nacharbeit.
• Geringe Wärmeeinbringung: Geeignet für dünnste Bleche (ab 0,5 mm) und für beschichtete oder lackierte Oberflächen.
• Hohe Geschwindigkeit: Der gesamte Prozess dauert weniger als 100 Millisekunden, Taktzeiten unter 1 Sekunde sind möglich.

Die Nachteile sind die Begrenzung auf kleine Bolzendurchmesser (meist unter 10 mm) und die geringere Festigkeit im Vergleich zum Hubzündungsverfahren. Für sicherheitsrelevante Verbindungen im Stahlbau kommt daher nur das Hubzündungsverfahren in Frage.

Bolzentypen und Anwendungen

Das Bolzenschweißen ist extrem vielseitig in Bezug auf die Form der zu befestigenden Elemente. Üblich sind:

Die Werkstoffe für Bolzen und Grundmaterial sind vielfältig. Am häufigsten wird unlegierter Stahl (z.B. S235, S355) verwendet. Daneben kommen Edelstahl (austenitisch, z.B. 1.4301, 1.4571), Aluminium (insbesondere bei CD-Bolzen), Kupfer und Messing zum Einsatz. Die Kombination von artgleichen Werkstoffen ist Standard; Mischverbindungen (z.B. Edelstahlbolzen auf Baustahlblech) sind mit geeigneten Parametern ebenfalls möglich.

Einsatzgebiete: Von der Fassade bis zum Schiffsrumpf

Das Bolzenschweißen ist in zahlreichen Branchen etabliert:

Kontroversen und Grenzen: Qualitätssicherung als Herausforderung

Das Bolzenschweißen ist ein scheinbar einfaches Verfahren, das jedoch spezifische Herausforderungen mit sich bringt. Die größte Schwierigkeit ist die Prüfbarkeit der Verbindung. Anders als bei einer Schweißnaht, die visuell oder mit zerstörungsfreien Verfahren geprüft werden kann, ist die Qualität einer Bolzenschweißung nicht ohne Weiteres erkennbar.

Die zerstörungsfreie Prüfung erfolgt daher über:

• Visuelle Prüfung: Kontrolle des Schweißwulstes (Kragen) um den Bolzen; dieser sollte gleichmäßig und ohne Risse sein.
• Kontrollierter Schlagbiegeversuch: Der Bolzen wird mit einem definierten Schlag (z.B. 30 Nm) in eine Richtung geschlagen; ein intakter Bolzen darf sich nicht ablösen, ein gerissener Bolzen zeigt die unzureichende Verbindung an.
• Zugversuche (zerstörend) an Proben aus der Serie.

Für sicherheitsrelevante Verbindungen (z.B. im Brückenbau, in der Luftfahrt) ist eine 100 %-Prüfung vorgeschrieben. Dies kann in der Praxis aufwendig sein, insbesondere bei großen Stückzahlen.

Eine weitere Herausforderung ist die Oberflächenbeschaffenheit des Grundmaterials. Fett, Öl, Farbe, Zunder oder starke Rostschichten müssen vor dem Schweißen entfernt werden. Bei verzinkten oder beschichteten Blechen ist das CD-Verfahren im Vorteil, da die extrem kurze Schweißzeit die Beschichtung nur minimal beeinträchtigt.

Die Schweißposition ist begrenzt. Das Hubzündungsverfahren ist für die Überkopfposition nur mit speziellen Vorrichtungen und reduzierten Parametern möglich; die Standardanwendung ist die Waagerecht-Position (PA) . Das CD-Verfahren ist auch in Überkopfposition einsetzbar, erfordert jedoch eine angepasste Pistolenführung.

Normen und Qualifikation

Das Bolzenschweißen ist durch eine Reihe von Normen geregelt. Die wichtigsten:

• DIN EN ISO 14555: Schweißen – Lichtbogen-Bolzenschweißen von metallischen Werkstoffen (die zentrale Norm für das Verfahren)
• DIN EN ISO 13918: Schweißen – Bolzen und Keramikringe für das Lichtbogen-Bolzenschweißen
• DIN EN ISO 14556: Schweißen – Bolzenschweißen – Qualifikation von Bedienern

Die Qualifikation von Bedienern ist nach ISO 14555 für sicherheitsrelevante Anwendungen vorgeschrieben. Sie umfasst theoretische Kenntnisse und praktische Prüfungen, bei denen Probebolzen geschweißt und zerstörend geprüft werden [3].

Ausblick: Automatisierung und Digitalisierung

Das Bolzenschweißen hat in den letzten Jahren eine Entwicklung zur Automatisierung erfahren, die das Verfahren in neuen Märkten etabliert:

1. Roboter-Bolzenschweißen: Insbesondere im Automobilbau und in der Hausgeräteindustrie werden roboterintegrierte Bolzenschweißsysteme eingesetzt. Sie arbeiten mit automatischer Bolzenzuführung (Magazin oder Vibrationswendelförderer) und erreichen Taktzeiten von weniger als 2 Sekunden pro Bolzen. Die Prozessdokumentation ist lückenlos [4].
2. Mobile, digitale Schweißgeräte: Moderne CD-Bolzenschweißgeräte sind kompakt, batteriebetrieben (in Entwicklung) und mit digitaler Prozesssteuerung ausgestattet. Sie dokumentieren die Schweißparameter und ermöglichen die Fernüberwachung – ein wichtiger Schritt für die Qualitätssicherung auf Baustellen.
3. Neue Werkstoffkombinationen: Die Entwicklung von Bolzen mit speziellen Kopfgeometrien und Flussmittelbeschichtungen ermöglicht das Schweißen auf beschichteten oder schwer schweißbaren Oberflächen. Das Bolzenschweißen auf verzinkten Blechen ohne vorheriges Entfernen der Zinkschicht ist heute für viele Anwendungen Stand der Technik.
4. Kombination mit additiver Fertigung: Erste Entwicklungen zielen auf das Bolzenschweißen als additives Verfahren – das schichtweise Aufbauen von Bolzen oder Befestigungselementen durch wiederholtes Bolzenschweißen in definierten Positionen. Dies eröffnet neue Perspektiven für die Reparatur und Nachrüstung von Bauteilen.

Das Bolzenschweißen ist ein Verfahren, das in seiner Effizienz und Wirtschaftlichkeit kaum zu übertreffen ist. Es wird auch in Zukunft die erste Wahl sein, wenn es um schnelle, zuverlässige und kostengünstige Befestigungspunkte auf Metalloberflächen geht.

Quellen:

[1] DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V.: *Merkblatt DVS 0918: Lichtbogen-Bolzenschweißen – Grundlagen, Anlagen, Anwendungen*. DVS Media GmbH, Düsseldorf, 2020.

[2] DIN EN ISO 14555: Schweißen – Lichtbogen-Bolzenschweißen von metallischen Werkstoffen. Beuth Verlag, Berlin, aktuellste Fassung.

[3] DIN EN ISO 13918: Schweißen – Bolzen und Keramikringe für das Lichtbogen-Bolzenschweißen. Beuth Verlag, Berlin, aktuellste Fassung.

[4] American Welding Society (AWS): Stud Welding – C5.4 Standard. AWS, Miami, 2018.