Stahl wird seit langem für tragende Anwendungen in Form von länglichen Trägern mit sorgfältig gestalteten Profilen eingesetzt, deren Geometrie ihnen spezifische mechanische Eigenschaften verleiht. Heute steht eine Vielzahl von Schneid- und Fügetechniken zur Verfügung, sodass zunehmend komplexe Stahlprofile gefertigt werden können, die den Anforderungen einer wachsenden Bandbreite von Anwendungen gerecht werden.

Dieser Artikel fasst einige der wichtigsten Schneid- und Fügetechniken zusammen, die bei der Herstellung maßgeschneiderter Stahlprofile zum Einsatz kommen.

Strukturelle Anwendungen

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts traf der Ingenieur Benjamin Baker eine kühne Entscheidung: Er plante, die längste freitragende Brücke der Welt aus Stahl zu errichten. In diesem Maßstab war Stahl zuvor noch nie verwendet worden, doch Baker erkannte, dass die Verformbarkeit und Festigkeit von Stahl ihn zum idealen Werkstoff für tragende Anwendungen im Ingenieurbau machten.

Die Forth Bridge gilt noch immer als technisches Wunderwerk. Sie demonstrierte damals eindrucksvoll das Potenzial von Stahl. Seitdem ist die Bedeutung von Stahl im modernen Bauwesen und Ingenieurwesen kaum zu überschätzen. Baustahl ist ein unverzichtbares Werkzeug für jeden Ingenieur, und ohne ihn sähe die Silhouette moderner Städte ganz anders aus – und wäre deutlich niedriger.

Stahl ist heute eines der am häufigsten verwendeten Werkstoffe im Ingenieurwesen, vor allem aufgrund seiner Vielseitigkeit. Die hohe Anpassungsfähigkeit von Stahl – sowohl in der Legierung als auch in der Fertigung – ermöglicht ein breites Anwendungsspektrum.

Die Herstellung von Stahl beginnt auf chemischer Ebene: Verschiedene Legierungselemente in geringen Mengen verleihen dem Stahl gezielte Eigenschaften. Der Kohlenstoffgehalt bestimmt häufig den Verwendungszweck des Stahls, indem er Festigkeit und Duktilität beeinflusst.

Korrosionsbeständigkeit wird durch Elemente wie Kupfer, Chrom und Nickel erreicht, wodurch Legierungen für Anwendungen wie Autobahnbrücken geeignet werden. Eine Erhöhung des Chromanteils auf 10,5 % ergibt Edelstahl, dessen legendäre Korrosionsbeständigkeit ihm weltweit Einsatz in chirurgischen und Laborgeräten verschafft hat.

Auch die geometrische Form beeinflusst die Materialeigenschaften von Stahl. Das weitverbreitete I-Profil ist ein klassisches Beispiel: Es ist oft die wirtschaftlichste Lösung für herkömmliche tragende Anwendungen und kann Biege- oder Scherkräfte in einer Richtung besonders effizient aufnehmen.

I-Profile und andere Querschnitte lassen sich leicht durch Walzen aus einem einzigen Metallstück herstellen. Für viele Anwendungen sind gewalzte Profile ausreichend, doch eine noch größere Bandbreite an Eigenschaften kann durch Schneid- und Schweißtechniken zur Herstellung individueller Sonderprofile erreicht werden.

Verschiedene Schneidverfahren für Stahlprofile

Stahl kann auf verschiedene Arten geschnitten werden:

Autogenschneiden ist eine einfache und dennoch effektive Technik, die seit über einem Jahrhundert zum Schneiden von Kohlenstoff- und hochfesten niedriglegierten Stählen (HSLA) verwendet wird.4 Ein Gemisch aus Sauerstoff und Propan oder Acetylen wird verbrannt und erzeugt eine heiße Flamme, die Stahl von 6 mm dicken Blechen bis zu mehreren Zentimeter starken Stücken schneiden kann.

Das Autogenschneiden erzeugt eine saubere und präzise Schnittfläche, doch kann für manche Anwendungen eine Nachbearbeitung erforderlich sein, da im Bereich der Schnittkanten eine wärmebeeinflusste Zone (HAZ) entsteht. Dies ist besonders bei sehr dünnen Materialien problematisch, die mit anderen Methoden präziser bearbeitet werden können.

Plasmaschneiden wurde in den 1950er Jahren als Alternative zum Autogenschneiden entwickelt und ermöglicht das Schneiden von hochlegierten Stählen wie Edelstahl. Dabei wird ein Plasmalichtbogen (ionisiertes Gas) genutzt, um Hitze auf den Stahl zu übertragen.

Der fokussierte Plasmastrahl besitzt thermische und kinetische Energie, die den Stahl aufschmilzt und das Material aus der Schnittfuge herausbläst. Plasmaschneiden ist äußerst effizient und präzise und erreicht typischerweise Toleranzen von 0,5 mm. Es eignet sich für praktisch jedes Metall.

Das präziseste Verfahren zum Schneiden von Stahl ist das Laserschneiden, bei dem Hitze auf einen sehr genau abgegrenzten Bereich konzentriert wird. Je nach Stahlsorte kann die Hitze einen Sauerstoffverbrennungsprozess (wie beim Autogenschneiden) auslösen, der den Stahl vollständig verdampft, oder sie reicht aus, um den Stahl zu schmelzen. In diesem Fall wird das geschmolzene Material mit Hochdruck-Stickstoff ausgeblasen.

Für reflektierende Metalle ist das Laserschneiden weniger geeignet, doch der stark fokussierte Laserstrahl minimiert die wärmebeeinflusste Zone erheblich und ermöglicht extrem hohe Maßgenauigkeit – typischerweise 0,1–0,8 mm, abhängig von der Blechdicke.

Die vielseitigste Schneidtechnologie für Stahl ist das Wasserstrahlschneiden. Ein Hochdruck-Wasserstrahl mit abrasiven Partikeln durchtrennt Stahl ohne Wärmeeinwirkung auf das Werkstück und bei erstaunlich niedrigen Toleranzen von etwa 0,5 mm.

Das Wasserstrahlschneiden ist ein äußerst flexibles und präzises Verfahren für nahezu jedes Material, allerdings sind die Kosten dafür relativ hoch.

Verschweißen von Stahlprofilen

Schnittprofile aus Stahl werden nach dem Zuschnitt in der Regel durch Schweißen verbunden. Seit der Erfindung des Lichtbogenschweißens im späten 19. Jahrhundert wurden zahlreiche Schweißverfahren für unterschiedlichste Anwendungen entwickelt. Die meisten nutzen einen elektrischen Lichtbogen, um genügend Energie bereitzustellen, sodass das Grundmaterial schmilzt und eine feste Verbindung entsteht.

Neuere Entwicklungen bei „Energiestrahl“-Schweißverfahren wie Elektronenstrahlschweißen und Laserschweißen bieten im Vergleich zu lichtbogenbasierten Techniken erhebliche Vorteile in puncto Geschwindigkeit und Präzision. Die Festigkeit und geringe Verformung von Laserschweißnähten prädestinieren diese für Hochleistungsanwendungen, wie etwa beim Internationalen Thermonuklearen Experimentalreaktor, der derzeit in Frankreich gebaut wird.9 Allerdings bleibt der Einsatz dieser Techniken aufgrund der hohen Kosten für die erforderliche Ausrüstung bislang begrenzt.