Glasschweißen


Verbinden von Glasrohren bzw. anderen Werkstücken aus Glas

Zusammenschweißen von zwei Glasröhren aus Bleiglas für eine Neonbeleuchtung (OD 5 mm, ID 3 mm) mit einem einfachen, handgehaltenen Propanbrenner,
Zusammenschweißen von zwei Glasröhren aus Bleiglas für eine Neonbeleuchtung (OD 5 mm, ID 3 mm) mit einem einfachen, handgehaltenen Propanbrenner, © Zaereth, CC0 1.0

Glas wird häufig geschweißt. Im Gegensatz zu Metallen, die einen bestimmten Schmelzpunkt haben, hat Glas einen Schmelzbereich, der als Glasübergang bezeichnet wird. Wenn das feste Material über die Glasübergangstemperatur (glass transition temperature, Tg ) hinaus in diesen Bereich erwärmt wird, wird es im Allgemeinen weicher und biegsamer. Wenn es diesen Bereich oberhalb der Glasschmelztemperatur (melting temperature, Tm) durchquert hat, wird es zu einer sehr dickflüssigen viskosen Masse, deren Viskosität mit steigender Temperatur langsam abnimmt.

 

Normalerweise hat diese viskose Flüssigkeit im Vergleich zu Metallen eine sehr geringe Oberflächenspannung und eine klebrige, honigartige Konsistenz, so dass das Schweißen normalerweise durch einfaches Zusammendrücken zweier geschmolzener Oberflächen erfolgen kann. Die beiden Flüssigkeiten werden sich im Allgemeinen beim ersten Kontakt vermischen und verbinden. Beim Abkühlen durch den Glasübergang verfestigt sich das geschweißte Teil als ein einziges festes Stück amorphen Materials.

 

Wenn ein Rohr an ein anderes Rohr geschweißt wird, wird eine Kombination aus Blasen und Saugen sowie Pressen und Ziehen verwendet, um eine gute Abdichtung zu gewährleisten, das Glas zu formen und zu verhindern, dass die Oberflächenspannung das Rohr in sich selbst verschließt.[1] 

 

Beim Verbinden von Glasrohren werden die Rohrenden direkt an die Spitze der Flamme gehalten, um eine Überhitzung des Glases zu vermeiden, was dazu führen würde, dass das Blei an der Oberfläche konglomeriert und das Glas dadurch metallisch erscheint.

   

Das Schweißen erfolgt durch Erhitzen des Glases auf glühende Hitze, während die Rohre gedreht werden, um Risse zu vermeiden. Dann werden die Rohre in einem leichten Winkel gehalten, die Rohrenden werden gegeneinander gepresst und gedreht, um das Glas am gesamten Umfang abzudichten. Schließlich werden sie zusammen gepresst, um die Schweißnaht vorübergehend aufzudicken, und auseinandergezogen, um die Schweißnaht auf die erforderliche Dicke zu verjüngen, während gleichzeitig leicht geblasen wird, um die Rohrform beizubehalten.[2] 

      

Manchmal wird ein Glasstab als Zusatzwerkstoff verwendet, in der Regel jedoch nicht.

          

Industrielles Glasschweißen
Industrielles Glasschweißen, © Shixugang (旭刚 史) auf Pixabay

Das Glasschweißen ist auch beim Glasblasen eine gängige Praxis. Es wird sehr häufig bei der Konstruktion von Beleuchtungen, Neonschildern, Blitzröhren, wissenschaftlichen Geräten und bei der Herstellung von Geschirr und anderen Glaswaren verwendet.
  
Beim Schweißen wird das Glas auf den Temperaturbereich des Glasübergangs erhitzt, wodurch es zu einer dicken, formbaren, flüssigen Masse wird.

 

Als Wärmequelle kann eine Propangasflamme, einer Knallgasflamme, ein Laser oder eine andere Wärmequelle eingesetzt werden. Die Erwärmung erfolgt in der Regel mit einem Propangas- oder Knallgas-Brenner oder einem Ofen, da die Temperaturen zum Schmelzen von Glas recht hoch sind. Diese Temperatur kann je nach Glasart variieren. Zum Beispiel wird Bleiglas bei etwa 870 °C zu einer schweißbaren Flüssigkeit und kann mit einem einfachen Propanbrenner geschweißt werden. Quarzglas hingegen muss auf über 1.650 °C erhitzt werden, verliert aber bei Überhitzung schnell seine Viskosität und Formbarkeit, so dass ein Knallgasbrenner verwendet werden muss. Manchmal kann ein Rohr am Glas befestigt werden, so dass es in verschiedene Formen geblasen werden kann, z.B. für Glühbirnen, Flaschen oder Röhren.[1][3][4]  
  

Aus zwei Halbschalen verschweißte Glasschüssel
Aus zwei Halbschalen verschweißte Glasschüssel, © Zaereth CC0 1.0

Glasschweißen wird auch beim Glasgießen verwendet, um die Hälften von Glasgussteilen zu verbinden und um Gegenstände wie Flaschen und Gläser herzustellen. Auch das Anschweißen eines Henkels an einen Glaskrug ist üblich, z.B. bei Bierkrügen.
  

Da Glas in seinem festen Zustand sehr spröde ist, neigt es beim Erwärmen und Abkühlen oft zur Rissbildung, besonders wenn die Erwärmung und Abkühlung ungleichmäßig sind. Dies liegt daran, dass die Sprödigkeit von Glas keine ungleichmäßige Wärmeausdehnung zulässt. Glas, das geschweißt wurde, muss in der Regel sehr langsam und gleichmäßig durch den Glasübergang hindurch abgekühlt werden, in einem Prozess, der als Tempern bezeichnet wird, um alle durch einen Temperaturgradienten erzeugten inneren Spannungen abzubauen.
  
Es gibt viele Arten von Gläsern, und am häufigsten werden diese artgleich verschweißt. Unterschiedliche Gläser haben oft unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, was dazu führen kann, dass sie beim Abkühlen reißen, wenn sie sich unterschiedlich zusammenziehen. Zum Beispiel hat Quarz eine sehr geringe Wärmeausdehnung, während Kalk-Natron-Glas eine sehr hohe Wärmeausdehnung hat. Wenn verschiedene Gläser miteinander verschweißt werden, ist es wichtig, ihre Wärme­ausdehnungs­koeffizienten genau aufeinander abzustimmen, um sicherzustellen, dass keine Risse entstehen. Außerdem vermischen sich einige Gläser einfach nicht mit anderen, so dass das Schweißen zwischen bestimmten Glasarten unter Umständen nicht möglich ist.
  
Glas kann auch mit Metallen und Keramiken verschweißt werden, obwohl bei Metallen der Prozess in der Regel eher eine stärkere Haftung an der Oberfläche des Metalls als eine Vermischung der beiden Materialien ist. Bestimmte Gläser haften nur an bestimmten Metallen. Bleiglas zum Beispiel verbindet sich leicht mit Kupfer oder Molybdän, aber nicht mit Aluminium.
  
Wolframelektroden werden oft in der Beleuchtung verwendet, verbinden sich aber nicht mit Quarzglas, so dass das Wolfram oft mit geschmolzenem Borosilikatglas benetzt wird, das sich sowohl mit Wolfram als auch mit Quarz verbindet. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass alle Materialien ähnliche Wärme­ausdehnungs­koeffizienten haben, um Risse sowohl beim Abkühlen als auch beim erneuten Erhitzen des Objekts zu vermeiden. Für diesen Zweck werden oft spezielle Legierungen verwendet, die sicherstellen, dass die Wärme­ausdehnungs­koeffizienten übereinstimmen, und manchmal können dünne, metallische Beschichtungen auf ein Metall aufgetragen werden, um eine gute Verbindung mit dem Glas herzustellen.[1][3][4] 
  

Spleißen von Lichtwellenleitern und Glasfasern

Spleißen von Lichtwellenleitern und Glasfasern mit einem thermischen Fusionsspleißgerät von Fujikura, ©  Muschide, CC BY-SA 4.0
Spleißen von Lichtwellenleitern und Glasfasern mit einem thermischen Fusionsspleißgerät von Fujikura

Lichtwellenleiter zur Datenübertragung in Glasfaserkabeln werden durch Spleißen ohne Zusatzwerkstoff miteinander verbunden. Die zu verbindenden Glasfasern haben meist einen Kerndurchmesser von 3,5 bis 1500 µm und einen Manteldurchmesser von 125 bis 1550 µm.

 

Die Glasfasern werden entweder automatisch oder manuell mittels Mikroskop und Mikrometerschraube in der Schweißmaschine positioniert und dann durch einen Lichtbogen bis auf die Schmelztemperatur des Glases erhitzt, um die beiden Fasern miteinander zu verschweißen. Signaldämpfungen durch die Schweißung von weniger als 0,1 dB sind möglich.[5]

   

Einzelnachweise

  1. Zaereth et al: Glass Welding auf der englischsprachigen Wikipedia.

  2. Zaereth: Glass welding two tubes together auf Wikimedia Commons.
       
  3. Bernard D. Bolas: A handbook of laboratory glassblowing. London, G. Routledge and sons. 1921.
       
  4. Freek Bos, Christian Louter und Fred Veer: Challenging Glass: Conference on Architectural and Structural Applications. JOS Press, 2008. S. 194. ISBN 1586038664.
      
  5. Schweißen: Spleißen von Glasfasern auf der deutschsprachigen Wikipedia.

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