Lichtbogenhandschweißen

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Lichtbogen­handschweißen:
1 Drahtelektrode mit Umhüllung
2 Kerndraht
3 Schutzgas
4 Schmelzbad
5 Grundwerkstoff
6 Schweißgut
7 Schlacke

Das Lichtbogenhandschweißen (auch Elektrodenschweißen oder E-Handschweißen EN ISO 4063: Prozess 111) ist ein rein manuelles (Handschweißen) Schweißverfahren aus der Gruppe des Metall-Lichtbogenschweißens (zusammen mit dem Schutzgasschweißen und dem UP-Schweißen), die wiederum zum Schmelzschweißen zählt. Beim Lichtbogenhandschweißen brennt der Lichtbogen zwischen dem Werkstück und einer Elektrode, die dabei abschmilzt und somit gleichzeitig als Zusatzwerkstoff dient. Es werden Stabelektroden verwendet, deren Umhüllung zahlreiche Aufgaben im Prozess übernimmt. Vor allem bildet die abbrennende Umhüllung Schutzgase und Schlacke, die die Schmelze vor chemischen Reaktionen mit der Umgebungsluft schützen. Es handelt sich um eines der ältesten und einfachsten Schweißverfahren, das sehr flexibel ist, aber relativ unproduktiv, sodass es eher selten genutzt wird.

Verfahrensprinzip[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Anschlüsse der Werkstücke und Elektroden in der Zange (Nr. 2, Wird in der Hand gehalten)
Das gesamte System mitsamt Schweißstromqeulle

Zwischen dem Werkstück und der Elektrode brennt ein Schweißlichtbogen, der Temperaturen von 4500 bis 5000 Kelvin erreicht. Dies ist deutlich mehr als die Flamme beim Gasschmelzschweißen (3400 Kelvin), aber deutlich weniger als beim Plasmaschweißen mit 20.000 Kelvin. Da der Lichtbogen auf eine viel kleinere Fläche wirkt als die Flamme beim Gasschmelzschweißen, ist die Leistungsdichte beim Lichtbogenhandschweißen deutlich höher, was viel höhere Schweißgeschwindigkeiten ermöglicht.[1][2]

Das Werkstück wird mit dem einen Pol einer Schweißstromquelle verbunden, die Elektrode mit dem anderen Pol. Meist wird die Elektrode negativ gepolt, das Verfahren funktioniert jedoch auch bei Wechselstrom (außer bei basisch umhüllten Elektroden) und mit positiver Polung der Elektrode. Der Lichtbogen schmilzt sowohl den Grundwerkstoff der Werkstücke, als auch die Elektrode. Diese fungiert somit gleichzeitig als Zusatzwerkstoff, der zusammen mit dem aufgeschmolzenen Grundwerkstoff das Schmelzbad und die spätere Schweißnaht bildet. Der Werkstoffübergang von der Elektrode in die Schmelze erfolgt immer in Form von Tropfen. Dieses Prinzip wenden auch das UP-Schweißen und das Schutzgasschweißen an, allerdings mit Drahtelektroden, die nicht umhüllt sind.[3]

Besondere Bedeutung beim Lichtbogenhandschweißen hat die Umhüllung der Stabelektroden; nackte Elektroden und Kohleelektroden wurde nur in der Anfangszeit des Verfahrens genutzt.[4] Die Umhüllung bildet Schutzgase, die die Schmelze umströmen und so vor der Umgebungsluft abschirmen, und bildet auch Schlacke. Diese ist leichter als die Schmelze und schwimmt daher oben auf und schützt sie so ebenfalls vor der Umgebung. Außerdem kühlt dadurch die Schmelze und erstarrte Naht langsamer ab. Die Zündung des Lichtbogens erfolgt durch die sogenannte Kontaktzündung, bei der die Elektrode das Werkstück berührt (streifen oder tupfen).[5] Dabei fließt wegen des Kurzschlusses ein sehr hoher Strom, der die Elektrode an der Spitze schmilzt und den Lichtbogen zündet. Die Länge des Lichtbogens entspricht etwa der Dicke der Elektrode (1,5 bis 6 mm, Teils bis 8 mm). Die verwendeten Schweißstromquellen haben fallende Kennlinien, sodass der Strom unabhängig von der Länge des Lichtbogens ist.[6]

Anwendungsbereiche, Produktivität, Flexibilität[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Lichtbogenhandschweißen ist ein relativ unproduktives und langsames Verfahren. Es ist aber sehr einfach und flexibel. Außerdem sind die Anschaffungskosten für die benötigte Ausrüstung gering, sodass es vor allem in Werkstätten und auf Baustellen genutzt wird. Hinsichtlich der Produktivität übertrifft es nur das Gasschmelzschweißen. Dafür ist es sehr flexibel und eignet sich für sehr viele Anwendungsfälle. Es ist zwar auf elektrische Energie angewiesen, diese kann aber auf Baustellen auch mit Generatoren erzeugt werden und muss nicht aus dem Netz bezogen werden.[7] Es ist für alle Schweißpositionen (Überkopf, fallend etc.) und viele Werkstoffe geeignet. Durch geeignete Wahl der Umhüllung und des Kerndrahtes kann die metallurgische Zusammensetzung der Schweißnaht gezielt beeinflusst werden. Mit basisch umhüllten Elektroden sind Schweißnahtqualitäten (insb. Festigkeiten) zu erreichen die die von anderen Verfahren übertreffen. Es sind auch schlecht zugängliche Fügestellen mit dem Elektrohandschweißen relativ gut zu erreichen. Der Einfluss von Wind auf die Schutzwirkung der Schutzgase und Schlacke ist relativ gering, sodass es auf Baustellen gut eingesetzt werden kann.[8] Es lässt sich sogar unter Wasser einsetzen,[9] was beispielsweise bei Reparaturen von Schiffen oder Bohrinseln genutzt wird.

Die wichtigsten Anwendungsgebiete sind der Stahlbau der Hochbau und der Maschinenbau sowie die Herstellung von Großgeräten, Brücken, Behältern, Apparaten und Rohren.[10]

Nachteilig ist die geringe Abschmelzleistung[10] des Verfahrens das zu langen Bearbeitungszeiten führt. Die Mindestblechdicke liegt je nach Literaturangabe bei 1 mm,[10] 1,5 mm[11] oder 2 mm[7]. Bei geringeren Dicken fällt die Schmelze durch die Fuge. Nach oben hin sind beliebige Dicken prinzipiell schweißbar durch anbringen mehrerer Lagen, ab Dicken von 20 mm bis 25 mm werden in der Praxis nur noch deutlich produktivere Verfahren eingesetzt (Elektronenstrahlschweißen, UP-Schweißen).[7] Außerdem hängt die Qualität der Schweißnaht wie bei allen manuellen Schweißverfahren vom Schweißer ab[3] und ist nicht konstant.[12][4]

Werkstoffspektrum[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Lichtbogenhandschweißen ist für alle Stähle geeignet die grundsätzlich schweißbar sind. Dazu zählt auch Stahlguss. Gusseisen[10] lässt sich als Warmschweißung bearbeiten mit einer Vorwärmung von 600 °C. Für die meisten anderen Werkstoffe ist es nur noch bedingt geeignet. Aluminium, Kupfer und die hochreaktiven Werkstoffe Titan, Tantal, Zirkonium und Molybdän lassen sich viel besser mit dem WIG-Schweißen oder dem Plasmaschweißen bearbeiten da die Gasaufnahme dann viel geringer ausfällt.[7] Auch bei Nickel wird es nur selten angewandt. Für Kupfer und Nickel ist es grundsätzlich aber geeignet, während es bei Aluminium zu Problemen kommt.[10]

Ausrüstung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein Teil der Ausrüstung:Kabel und Elektrodenzangen, Bürsten, Elektroden, Handschuhe und Schutzschirm.

Die Kosten für die benötigte Ausrüstung fallen gering aus. Dazu zählt die Elektrodenzange, die Kabel und eine Schweißstromquelle. Es kann sich dabei um einen Transformator oder einen Gleichrichter handeln. Die benötigten Stromstärken liegen bei 20 bis 500 Ampere bei Lichtbogenspannungen von 15 bis 35 Volt. Auf Baustellen werden wegen des geringen Gewichts vor allem Schweißinverter genutzt. Möglich sind auch rotierende Umformer mit Generator. Diese können netzunabhängig betrieben werden. Die Stromquellen müssen eine fallende Kennlinie aufweisen damit die Stromstärke im Lichtbogen annähernd konstant bleibt, unabhängig von seiner Länge. Mit Transformatoren die Wechselstrom liefern, können keine basisch umhüllten Elektroden verwendet werden, da der Lichtbogen beim Nulldurchgang des Stromes erlischt.

Die Ausrüstung für den Arbeitsplatz besteht aus der Schutzkleidung gegen Spritzer, Wärme, UV-Strahlung und Rauch und besteht aus einem Schutzschirm oder Helm, Handschuhen, schwer entflammbarer Kleidung und speziellen Schuhen die nicht elektrisch Leiten. Zur Entfernung der Schlacke wird ein Schlackenhammer und eine Drahtbürste genutzt.[8]

Stabelektroden[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Stabelektroden mitsamt Umhüllung
Hauptartikel: Stabelektrode

Die beim Lichtbogenhandschweißen verwendeten Elektroden sind die Stabelektroden. Sie schmelzen während des Schweißens ab und dienen somit auch als Zusatzwerkstoff. Sie sind immer mit verschiedenen Materialien umhüllt, die zahlreiche Aufgaben übernehmen. Die Längen liegen zwischen 250 mm und 450 mm. Die Dicken liegen bei 1,5 mm bis 6 mm teilweise auch bis 8 mm. Dicke ermöglichen einen höheren Strom und somit eine höhere Leistung.

Die Umhüllung soll[13][14][15]

  • Schutzgase bilden,
  • Schlacke bilden und
  • den Lichtbogen stabilisieren. Dazu werden verschiedene leicht ionisierbare Stoffe zugesetzt, die die elektrische Leitfähigkeit des Gases zwischen Werkstück und Elektrode erhöhen. Außerdem soll sie
  • das Schweißgut metallurgisch verändern (auflegieren oder desoxidieren).

Durch eine geeignete Umhüllung kann das Verfahren daher an viele Anwengungsfälle und Werkstoffe angepasst werden.

Die wichtigsten Umhüllungen sind die folgenden:[16][17]

  • Sauer-umhüllte Stabelektroden. Sie enthalten verschiedene Eisen und Manganoxide und verbrennen im Stahl Legierungselemente, weshalb sie für höher legierte Stähle nicht genutzt werden können. Sie führen zu einem feintröpfigen Werkstoffübergang und einer dünnflüssigen Schmelze. Die Festigkeiten der Verbindung sind relativ gering, weshalb diese Sorte nur selten genutzt wird.
  • Rutil-umhüllte Sorten. Sie werden am häufigsten genutzt und es gibt zahlreiche Mischtypen mit anderen Sorten. Der Lichtbogen brennt stabil und lässt ich leicht (wieder) zünden. Der Abbrand an Legierungselementen fällt gering aus. Die Schmelze ist dickflüssiger als bei den sauer umhüllten, sodass sie bei Wurzellagen schlechter durchfallen kann. Die Festigkeiten der Naht sind gut bis sehr gut.
  • basisch-umhüllte Elektroden: Mit ihnen sind Nähte von besonders hoher Qualität herstellbar, insbesondere welche mit hoher Kerbschlagarbeit. Sie werden für höherlegierte und kohlenstoffreichere (über 0,25 % C) Stähle genutzt. Der Umgang mit diesem Elektrodentyp ist aufwendig und erfordert spezielle Schulungen. Sie lassen sich nur mit Gleichstrom und positiver Elektrodenpolung verwenden.
  • Zellulose-umhüllte Elektroden: Sie eignen sich besonders für Arbeiten in Zwangspositionen.

Arbeitstechnik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die genaue Arbeitsweise ist von vielen Faktoren abhängig. Dazu zählen die Art der Elektrode, der Grundwerkstoff, die Stromart, die Schweißposition, die Nahtform und der Nahtaufbau.

Die Naht soll möglichst gleichmäßig sein, da dadurch fehlerhafte Nähte vermieden werden. Dickere Bleche werden mit der Pendeltechnik geschweißt, bei der die Spitze des Stabes eine halbkreisförmige Bewegung ausführt, um über die gesamte Dicke des Bleches den Werkstoff aufzuschmelzen. Bei dünneren Blechen wird die Zugraupentechnik eingesetzt. Hier bewegt sich die Elektrode nur entlang der Fuge. Der Schweißer vollführt eine schleppende Bewegung bei der die Elektrode unter einem Winkel von etwa 45° gegenüber dem Blech über der Fuge gehalten wird. Gelegentlich wird eine schiebende Bewegung in Richtung der Schmelze vollführt sodass die Zugraupen entstehen.[18]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 11. Auflage. Springer, 2015, S. 147–166.
  • Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 – Schweiß- und Schneidtechnologien. 3. Auflage. Springer, S. 11–31.
  • Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung. 5. Auflage. Springer, 2014, S. 32–43.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 11. Auflage. Springer, 2015, S. 142, 147.
  2. Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung. 5. Auflage. Springer, 2014, S. 32 f.
  3. a b Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 11. Auflage. Springer, 2015, S. 147.
  4. a b Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 – Schweiß- und Schneidtechnologien. 3. Auflage. Springer, S. 11.
  5. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 11. Auflage. Springer, 2015, S. 148.
  6. Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 – Schweiß- und Schneidtechnologien. 3. Auflage. Springer, S. 11 f.
  7. a b c d Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 11. Auflage. Springer, 2015, S. 166.
  8. a b Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 – Schweiß- und Schneidtechnologien. 3. Auflage. Springer, S. 15.
  9. dvs-server.de SLV-Hannover Unterwasserschweißen
  10. a b c d e Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 – Schweiß- und Schneidtechnologien. 3. Auflage. Springer, S. 16.
  11. Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung. 5. Auflage. Springer, 2014, S. 33.
  12. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 11. Auflage. Springer, 2015, S. 147, 166.
  13. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 11. Auflage. Springer, 2015, S. 155 f.
  14. Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung. 5. Auflage. Springer, 2014, S. 34.
  15. Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 – Schweiß- und Schneidtechnologien. 3. Auflage. Springer, S. 12 f.
  16. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 11. Auflage. Springer, 2015, S. 156–159.
  17. Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung. 5. Auflage. Springer, 2014, S. 35 f.
  18. Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung. 5. Auflage. Springer, 2014, S. 41 f.