Fügeverfahren vergleichen: Schweißen, Kleben, Schrauben und Nieten im Überblick

Das Wichtigste auf einen Blick

• Schweißen erzeugt eine stoffschlüssige Verbindung und erreicht bei passender Werkstoffpaarung die Festigkeit des Grundwerkstoffs, belastet das Bauteil aber thermisch.
• Kleben verteilt Lasten flächig, eignet sich für Mischbauweisen und hängt von Oberflächenvorbehandlung und Dauergebrauchstemperatur ab.
• Schrauben lässt sich zerstörungsfrei lösen und wird nach VDI 2230 mit Vorspannkraft, Setzbetrag und Betriebslast berechnet.
• Nieten setzt kalt und einseitig zugänglich, Blindniete sind in DIN 7337 genormt.
• DIN EN 1090-2, DIN EN ISO 3834 und DIN 2304-1 verknüpfen die Verfahren mit Qualifikations- und Prüfpflichten.

Vergleichskriterien vor der Verfahrenswahl

Vier Fragen entscheiden über das Verfahren: welche Werkstoffe gefügt werden, welche Lasten und Schwingungen wirken, welchen Temperaturen und Medien die Verbindung ausgesetzt ist und ob sie später wieder gelöst werden muss.

Die Verbindungsart ist die erste Weiche. Schweißen und Kleben arbeiten stoffschlüssig, die vorgespannte Schraube kraftschlüssig, Niete formschlüssig. Aus dieser Zuordnung folgen unterschiedliche Steifigkeit, unterschiedliches Versagensverhalten und unterschiedliche Anforderungen an die Bauteilgeometrie.

Festigkeit lässt sich nicht pauschal vergleichen. Eine Schweißnaht erreicht bei geeigneter Ausführung die Festigkeit des Grundwerkstoffs, eine Klebung skaliert mit der Überlappungsfläche, eine Schraubenverbindung lebt von der Vorspannkraft, ein Niet von Scherquerschnitt und Lochleibung.

Temperatur trennt die Verfahren stärker als jede andere Größe. Beim Schmelzschweißen liegen die Prozesstemperaturen von Stahl oberhalb von 1500 Grad Celsius, Klebstoffe arbeiten je nach System zwischen etwa 80 und 180 Grad Celsius Dauergebrauchstemperatur, Hochtemperatursysteme reichen darüber hinaus.

Lastannahmen gehören an den Anfang. Statische Lasten lassen sich mit Sicherheitsbeiwerten abdecken, schwingende Lasten verlangen einen Dauerfestigkeitsnachweis, weil Kerben und Fügestellen die Ermüdung bestimmen.

Toleranzen wirken auf die Verfahrenswahl. Schweißen erzeugt Verzug und verlangt Richtarbeit, Kleben braucht enge Spaltmaße, Schrauben gleichen Toleranzen über Langlöcher aus, Niete verlangen passgenaue Bohrbilder.

Die Demontage entscheidet in der Instandhaltung. Nur die Schraubverbindung lässt sich zerstörungsfrei öffnen. Klebungen und Niete müssen getrennt oder ausgebohrt werden, Schweißnähte werden aufgetrennt.

Auch Korrosionsschutz und Oberflächengüte wirken auf die Wahl. Schweißen zerstört Beschichtungen im Nahtbereich, Kleben verlangt saubere und definierte Oberflächen, Schrauben und Nieten durchdringen den Korrosionsschutz am Bohrloch.

Die Medienbeständigkeit trennt ebenfalls. Klebungen reagieren empfindlich auf Feuchtigkeit und Chemikalien, Schweißnähte auf chloridhaltige Umgebungen, Schrauben und Niete auf Kontaktkorrosion in Mischbauweisen.

Kosten entstehen nicht am Verbindungspunkt allein. Vorbehandlung, Prüfaufwand, Nacharbeit, Anlagenabschreibung und Instandhaltung verschieben die Rangfolge. Die normativen Grundlagen dieser Bewertung beschreibt das DIN unter den Grundlagen der Normenarbeit.

Qualifikation ist ein Kostenfaktor. Schweißpersonal benötigt Prüfungen, Klebprozesse verlangen geschultes Personal und dokumentierte Abläufe, Schraubverbindungen brauchen kalibrierte Werkzeuge, Nietprozesse lassen sich leichter anlernen.

Kriterium	Schweißen	Kleben	Schrauben	Nieten
Verbindungsart	stoffschlüssig	stoffschlüssig	kraftschlüssig, vorgespannt	formschlüssig
Fügetemperatur	über Schmelzpunkt	Prozess unter 200 Grad Celsius	Umgebungstemperatur	Umgebungstemperatur
Lösbarkeit	nur trennend	meist zerstörend	zerstörungsfrei	zerstörend
Mischbauweise	eingeschränkt	gut geeignet	geeignet	gut geeignet
Zentrales Regelwerk	DIN EN 1090-2, DIN EN ISO 3834	DIN 2304-1	VDI 2230 Blatt 1	DIN 7337

Welche Werkstoffpaarung welches Verfahren zulässt

Die Werkstoffkombination grenzt die Auswahl ein, bevor Kosten und Taktzeit überhaupt betrachtet werden. Die folgende Übersicht ordnet gängige Paarungen ein.

Fügepartner	Schweißen	Kleben	Schrauben	Nieten
Stahl auf Stahl	gut geeignet	geeignet	gut geeignet	gut geeignet
Aluminium auf Aluminium	bedingt geeignet, Inertgas nötig	gut geeignet	gut geeignet	gut geeignet
Edelstahl auf Baustahl	bedingt geeignet	geeignet	gut geeignet	bedingt geeignet
Metall auf Kunststoff	nicht geeignet	gut geeignet	bedingt geeignet	gut geeignet
CFK auf Metall	nicht geeignet	bedingt geeignet	bedingt geeignet	bedingt geeignet

Bei Mischbauweisen kommt die Kontaktkorrosion hinzu. Wo Stahl und Aluminium zusammentreffen, brauchen Schrauben und Niete Trennelemente oder beschichtete Verbindungselemente, während eine Klebfuge die Partner elektrisch trennt.

Schweißen: hohe Festigkeit mit Prozesspflichten

Beim Schweißen werden die Fügepartner örtlich aufgeschmolzen und erstarren gemeinsam. Verbreitet sind Metall-Aktivgasschweißen, Metall-Inertgasschweißen und Wolfram-Inertgasschweißen, in der Blechfertigung das Widerstandspunktschweißen, im Leichtbau das Laserstrahlschweißen.

Die Festigkeit liegt bei richtiger Werkstoffpaarung auf dem Niveau des Grundwerkstoffs. Dem stehen eine Wärmeeinflusszone, Verzug und Eigenspannungen gegenüber. Bei hochfesten Feinkornbaustählen und aushärtbaren Aluminiumlegierungen fällt die Festigkeit in der Wärmeeinflusszone ab.

Werkstoffe bestimmen die Verfahrenswahl. Baustahl lässt sich breit schweißen, Aluminium verlangt Inertgas und saubere Kanten, Edelstahl braucht niedrige Wärmeeinbringung, damit die Korrosionsbeständigkeit erhalten bleibt.

Der Regelungsaufwand ist hoch. DIN EN ISO 3834 staffelt die Qualitätsanforderungen an schmelzgeschweißte Produkte. DIN EN ISO 9606-1 regelt die Schweißerprüfung, DIN EN ISO 15614 die Verfahrensprüfung. Für tragende Stahlbauten fordert DIN EN 1090-2 zusätzlich eine werkseigene Produktionskontrolle.

Die deutsche Mitwirkung an diesen Regelwerken bündelt der Normenausschuss Schweißen und verwandte Verfahren beim DIN, beschrieben beim Normenausschuss Schweißen und verwandte Verfahren.

Geprüft wird in Stufen: Sichtprüfung, Farbeindringprüfung, Ultraschallprüfung, Durchstrahlungsprüfung. Jede Stufe bindet Personal und Zeit und gehört in die Kostenrechnung.

Nacharbeit ist einzuplanen. Verzug erfordert Richten, Nahtfehler erfordern Ausbessern, beides bindet Fachpersonal und verlängert die Durchlaufzeit. In der Kalkulation wird dieser Anteil häufig unterschätzt.

Wirtschaftlich ist Schweißen bei hohen Stückzahlen und reproduzierbaren Nähten. Robotergestütztes MIG-Schweißen senkt die Stückzeit, verlangt aber hohe Investitionen in Anlage, Absaugung und Programmierung.

Der Arbeitsschutz ist Teil des Verfahrens. Beim Lichtbogenschweißen entstehen Rauche, die abgesaugt werden müssen, beim Laserstrahlschweißen ist der Strahlenschutz zu regeln. Beides erhöht den Aufwand je Arbeitsplatz.

Kleben: flächige Verbindung für Mischbauweisen

Kleben verbindet artfremde Werkstoffe, ohne sie thermisch zu belasten. Metall-Kunststoff-Verbünde, dünne Bleche und Bauteile mit empfindlicher Oberfläche lassen sich fügen, ohne dass Verzug oder Gefügeveränderungen entstehen.

Die Kraftübertragung erfolgt über die gesamte Klebfläche. Spannungsspitzen verteilen sich besser als an einer Schweißnaht oder an einem Niet, weshalb Klebungen schwingungsbeanspruchte Bauteile entlasten und dünne Fügeteile schonen.

Die Auslegung folgt der Belastungsrichtung. Eine Klebung wirkt auf Zug, Scherung und Schälung unterschiedlich, weshalb Überlappungslänge, Klebfugendicke und Bauteilsteifigkeit gemeinsam festgelegt werden. Schälbelastungen gelten als kritisch.

Grenzen liegen in Temperatur und Vorbehandlung. Dauergebrauchstemperaturen bewegen sich je nach System zwischen etwa 80 und 180 Grad Celsius. Verunreinigungen wie Trennmittel, Öle oder Zunder zerstören die Haftung.

Die Oberflächenvorbehandlung entscheidet über die Haftung. Entfetten, Schleifen, Strahlen, Primer oder Atmosphärendruckplasma bereiten die Fügeflächen vor. Jeder Schritt muss dokumentiert und reproduzierbar sein, sonst schwankt die Festigkeit.

DIN 2304-1 beschreibt Qualitätsanforderungen an Klebprozesse und ordnet sie in Beanspruchungsklassen ein. Daraus folgen Vorgaben an Konstruktion, Klebstoffauswahl, Oberflächenvorbehandlung, Aushärtung und Prüfung.

Mischbauweise ist die Domäne des Klebens. CFK, Glas, Aluminium und Stahl lassen sich in einer Baugruppe verbinden, ohne Kontaktkorrosion über eine Schweißnaht zu erzeugen. Für die Langzeitbeständigkeit bleibt Feuchtigkeit der kritische Faktor.

Zu den bekannten Anbietern zählen Henkel Loctite, 3M, Sika, Delo und Panacol. Loctite, 3M und Delo liefern Konstruktionsklebstoffe für Metall, Kunststoff und Glas.

Aushärtung und Taktzeit hängen zusammen. Zweikomponentensysteme härten bei Raumtemperatur oder beschleunigt durch Wärme aus, Eincomponentsysteme über Ofen, Feuchtigkeit oder UV-Licht. Fixierzeiten bestimmen den Vorrichtungsbedarf.

Die Prüfung folgt dem Klebprozess. Zugscherversuche, Schälversuche und Klimawechseltests belegen die Auslegung. Bei sicherheitsrelevanten Anwendungen kommen zerstörungsfreie Verfahren wie Ultraschall hinzu.

Schrauben: berechenbar und lösbar

Die Schraubverbindung ist die einzige der vier Techniken, die sich zerstörungsfrei lösen lässt. Sie ist damit erste Wahl, wenn Baugruppen gewartet, nachjustiert oder am Einsatzort montiert werden.

Die Berechnung folgt VDI 2230 Blatt 1. Die Richtlinie beschreibt die systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen und liefert Vorspannkraft, Setzbetrag, Betriebsbeanspruchung und den Nachweis gegen Dauerbruch.

Die Vorspannkraft entscheidet über die Lebensdauer. Eine richtig vorgespannte Verbindung hält die Betriebskraft aus der Schraube heraus, eine zu schwach angezogene Verbindung arbeitet in der Schraube und ermüdet.

Setzverhalten ist die zweite Größe. Nach dem Fügen setzen sich raue Kontaktflächen, die Vorspannkraft sinkt. Deshalb wird die Montagevorspannkraft höher angesetzt als die erforderliche Klemmkraft.

Anziehverfahren unterscheiden sich in ihrer Streuung. Drehmomentgesteuertes Anziehen ist einfach und breit verbreitet, drehwinkel- und streckgrenzengesteuerte Verfahren erreichen höhere Vorspannkräfte bei geringerer Streuung, ultraschallgesteuerte Systeme messen die Dehnung direkt.

Gegen Losdrehen wirken chemische und mechanische Sicherungen. Chemische Schraubensicherungen füllen den Gewindespalt und erhöhen das Losdrehmoment, Daten zu Produkten und Anwendungen finden sich in der Produktübersicht von Henkel Loctite. Mechanisch arbeiten Klemmmuttern, Keil- und Sperrzahnscheiben.

Festigkeitsklassen regelt DIN EN ISO 898-1 mit den Stufen 8.8, 10.9 und 12.9 für Stahlschrauben. Höhere Klassen bedeuten nicht automatisch höhere Sicherheit, weil die Empfindlichkeit gegen Wasserstoffversprödung und Kerben zunimmt.

Mehrschraubenverbindungen verhalten sich anders als Einzelschrauben. Die Kräfte verteilen sich ungleichmäßig über den Flansch, weshalb Flanschsteifigkeit, Schraubenabstand und Anziehreihenfolge in die Auslegung eingehen.

Korrosionsschutz ist Teil der Auslegung. Verzinkte, feuerverzinkte oder beschichtete Schrauben ändern Reibwert und Streuung der Vorspannkraft. Trennscheiben verhindern Kontaktkorrosion zwischen Stahl und Aluminium.

Nachteile bleiben Gewicht und Bauteilaufwand. Jede Schraube braucht ein Gewinde oder eine Mutter, jede Bohrung eine Randverstärkung. Bei dünnen Blechen sinkt die Tragfähigkeit, weil nur wenige Gewindegänge tragen.

Anbieter von Schraubtechnik und Anziehwerkzeugen sind unter anderem Würth, Bossard, Desoutter, Atlas Copco und Deprag.

Nieten: kalt gesetzt und einseitig zugänglich

Blindniete werden mit einer Zange gesetzt, der Zugdorn zieht den Nietschaft und reißt am Sollbruchpunkt ab. Maße, Werkstoffe und mechanische Eigenschaften regelt DIN 7337.

Das Verfahren ist kalt. Es gibt keine Wärmeeinflusszone, keinen Verzug aus Schrumpfung und keine Aushärtezeit. Bleche mit Beschichtung lassen sich fügen, wenn die Bohrung anschließend nachgeschützt wird.

Stanznieten verzichtet auf ein Vorloch. Das Stanznietwerkzeug schneidet und formt die Verbindung in einem Hub, was bei Blechverbünden und in Mischbauweisen Taktzeit spart und eine automatisierte Fertigung erlaubt.

Vor dem Aufkommen des Schweißens war das Warmnieten das Standardverfahren im Stahlbau. Heute ist es auf wenige Anwendungen im Denkmalschutz und in der Instandsetzung zurückgegangen.

Verwandt ist das Clinchen. Dabei werden Bleche ohne Zusatzwerkstoff umgeformt und formschlüssig verbunden. Es eignet sich für beschichtete Bleche und für Verbünde, die nicht durchdrungen werden dürfen.

Die Verbindung ist nicht vorgespannt. Niete sind damit weniger steif als angezogene Schrauben und tragen Lasten überwiegend über Scherung und Lochleibung. Für flüssigkeitsdichte Verbindungen sind zusätzliche Dichtmittel nötig.

Die Dauerfestigkeit hängt von der Bohrung und der Umformung ab. Ungünstige Lochabstände oder ein zu geringer Randabstand senken die Lebensdauer. Auslegungsrichtwerte liefern Konstruktionsunterlagen der Hersteller.

Automatisiert wird mit Roboterzangen und Setzmaschinen. Diese Systeme prüfen Setzkraft und Setzweg und dokumentieren jeden Niet, was die Nachweisführung in der Serienfertigung erleichtert.

Anbieter von Niettechnik und Setzwerkzeugen sind unter anderem Gesipa, Böllhoff, Atlas Copco und Avdel als Marke von Stanley Engineered Fastening.

Normen für Schweißen, Kleben, Schrauben und Nieten

Für jedes der vier Verfahren existiert ein zentrales Regelwerk. Die folgende Übersicht ordnet es zu.

Regelwerk	Verfahren	Gegenstand
DIN EN 1090-2	Schweißen, Schrauben	Ausführung von Stahltragwerken und Aluminiumtragwerken
DIN EN ISO 3834	Schweißen	Qualitätsanforderungen an das Schmelzschweißen
DIN EN ISO 9606-1	Schweißen	Prüfung von Schweißern
DIN 2304-1	Kleben	Qualitätsanforderungen an Klebprozesse
VDI 2230 Blatt 1	Schrauben	Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen
DIN 7337	Nieten	Blindniete, Maße und mechanische Eigenschaften

Die Normenhierarchie ist zu beachten. Internationale ISO-Normen und europäische EN-Normen stehen über nationalen DIN-Normen, weil sie übernommen werden. In der Praxis zählt die Ausgabe, die im Vertrag genannt ist.

Normen sind private Regelwerke und nicht automatisch rechtlich bindend. Verbindlich werden sie durch Verträge, Gesetze oder behördliche Vorgaben. Aufbau und Verbindlichkeit beschreibt das DIN unter Was eine DIN-Norm ausmacht.

Wie Betriebe Normen in Abläufe übersetzen, erläutert das DIN unter Normen in der Anwendung. Praktisch heißt das: eine Norm wird zur Prüfvorschrift, sobald der Auftraggeber sie im Lastenheft nennt.

Der wirtschaftliche Nutzen liegt in einheitlichen Prüfmaßstäben und geringeren Haftungsrisiken, dargestellt unter Nutzen der Normung für die Wirtschaft. Für Zulieferer ist die Normenkonformität häufig Voraussetzung für die Aufnahme in Lieferantenlisten.

Rechenbeispiel: Kosten je Verbindungspunkt

Beispielrechnung für eine Aluminiumbaugruppe mit 40 Verbindungspunkten und einer Jahreslosgröße von 5000 Stück. Angenommen wird ein Fertigungsstundenlohn von 48,00 Euro netto, das entspricht 0,80 Euro je Minute. Alle Werte sind Annahmen, keine Marktpreise.

Schrauben: M6-Schraube mit Mutter, Einkaufspreis 0,07 Euro, Montagezeit 10 Sekunden gleich 0,13 Euro, Summe 0,20 Euro je Punkt. Auf 40 Punkte bezogen sind das 8,00 Euro je Baugruppe und 40.000,00 Euro im Jahr, jeweils netto ohne Umsatzsteuer.

Blindnieten: Niete mit 4,8 Millimetern Durchmesser, Einkaufspreis 0,04 Euro, Setzzeit 4 Sekunden gleich 0,05 Euro, Summe 0,09 Euro je Punkt. Je Baugruppe 3,60 Euro, im Jahr 18.000,00 Euro.

Kleben: Zweikomponenten-Epoxidklebstoff zu 30,00 Euro je Kilogramm, Verbrauch 6 Gramm gleich 0,18 Euro, Vorbehandlung und Auftrag 15 Sekunden gleich 0,20 Euro, Summe 0,38 Euro je Punkt. Je Baugruppe 15,20 Euro, im Jahr 76.000,00 Euro.

Hinzu kommt beim Kleben eine Dosieranlage für 25.000,00 Euro, über fünf Jahre abgeschrieben also 5.000,00 Euro jährlich.

Schweißen: Draht und Schutzgas 0,15 Euro, Schweißzeit 18 Sekunden gleich 0,24 Euro, Entgraten 10 Sekunden gleich 0,13 Euro, Summe 0,52 Euro je Punkt. Je Baugruppe 20,80 Euro, im Jahr 104.000,00 Euro, netto.

Die Rangfolge kippt mit den Randbedingungen. Bei dicken Stahlquerschnitten und hohen Stückzahlen sinken die Schweißkosten je Punkt deutlich, während Kleben und Nieten bei Mischbauweise ihre Stärken ausspielen.

Mit 19 Prozent Umsatzsteuer kostet die geschraubte Baugruppe aus dem Beispiel 9,52 Euro brutto, die genietete 4,28 Euro brutto.

Anbieter und Marktüberblick

Der Markt ist nach Verfahren getrennt. Schweißtechnik liefern Fronius, EWM, Lincoln Electric, ESAB und voestalpine Böhler Welding, im Laserbereich Trumpf. Anlagenbau und Robotik kommen von Kuka und anderen Integratoren.

Klebtechnik kommt von Henkel mit der Marke Loctite, von 3M, Sika, Delo, Panacol und Kisling. Die Systeme unterscheiden sich nach Werkstoffpaarung, Härtungsmechanismus und Temperaturklasse.

Schraubtechnik und Anziehwerkzeuge liefern Würth, Bossard, Desoutter, Atlas Copco und Deprag. Für Schraubensicherungen ist Henkel Loctite der bekannteste Anbieter, daneben stehen Nord-Lock und weitere Scheibenhersteller.

Niettechnik und Setzwerkzeuge kommen von Gesipa, Böllhoff, Atlas Copco sowie von Avdel als Marke von Stanley Engineered Fastening. Stanznietwerkzeuge und Roboterzangen ergänzen das Angebot.

Verbände und Institute begleiten die Regelwerksarbeit. Der DVS in Düsseldorf gibt Richtlinien für die Schweißtechnik heraus und zertifiziert Personal. Das Fraunhofer IFAM in Bremen forscht zur Klebtechnik, der VDI verantwortet die Richtlinienreihe 2230.

In fünf Schritten zum passenden Verfahren

1. Anforderungsprofil erstellen: Werkstoffe, Blechdicken, Lasten, Schwingungen, Einsatztemperatur, Medien, Stückzahl und Taktzeit.
2. Verbindungsart festlegen: stoffschlüssig, kraftschlüssig oder formschlüssig, daraus folgt die Verfahrensgruppe.
3. Regelwerk zuordnen und Qualifikation prüfen: Schweißerprüfung nach DIN EN ISO 9606-1, Klebprozess nach DIN 2304-1, Anziehvorschrift nach VDI 2230, Nietauswahl nach DIN 7337.
4. Muster fertigen und prüfen: Zugscherversuche, Schälversuche, Dauerfestigkeitsprüfungen und zerstörungsfreie Prüfungen liefern die Nachweise.
5. Gesamtkosten rechnen: Vorbehandlung, Prüfung, Nacharbeit, Anlagenabschreibung und Instandhaltung einbeziehen, nicht nur den Preis des Verbindungselements.

Häufige Fragen

Wann ist Kleben die bessere Wahl gegenüber Schweißen?

Wenn unterschiedliche Werkstoffe gefügt werden, dünne Bleche oder empfindliche Oberflächen vorliegen und die Einsatztemperatur unterhalb der Dauergebrauchstemperatur des Klebstoffs bleibt. Bei hohen Temperaturen und hohen Lasten auf gleichem Werkstoff bleibt Schweißen überlegen.

Welche Norm gilt für Blindniete?

DIN 7337 legt Maße, Werkstoffe und mechanische Eigenschaften von Blindnieten fest. Sie ist die Grundlage für Auslegung, Bestellung und Wareneingangsprüfung.

Wie wird eine Schraubenverbindung ausgelegt?

VDI 2230 Blatt 1 beschreibt die systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen. Sie liefert Vorspannkraft, Setzbetrag, Betriebsbeanspruchung und den Nachweis gegen Dauerbruch.

Muss eine Verbindung nach der Norm gebaut werden?

Normen sind private Regelwerke. Verbindlich werden sie über Verträge, Gesetze oder behördliche Vorgaben, etwa bei tragenden Stahlbauten nach DIN EN 1090-2.

Welches Verfahren ist am günstigsten?

Das entscheidet die Stückzahl. Bei wenigen Verbindungspunkten und einfacher Geometrie ist Schrauben häufig günstig, bei großen Serien im Blechbau das Nieten, bei Mischbauweisen das Kleben.