Was ist Lichtbogenschweißen?
Was man im Alltag bei einem Gewitter in Form von Blitz sehen kann, setzen Schweißer gezielt für die Verbindung von Metallen ein – den Lichtbogen. Manchmal entstehen Lichtbögen auch im Bahnnetz, zwischen Oberleitung und Stromabnehmer. Wie genau entsteht ein Lichtbogen und wie lässt er sich für das Zusammenschweißen von Metallen nutzen?
Lichtbogenschweißen oder Arc welding auf Englisch, ist ein Schmelzschweißverfahren, welches zum Schweißen von Metallen eingesetzt wird. Wie der Name schon andeutet, kommt bei dieser Art von Schweißverfahren ein Lichtbogen zum Einsatz. Damit dieser entsteht, muss es eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten geben. Auf der einen Seite gibt es eine negative Ladung, hervorgerufen durch einen Überschuss an Elektronen und auf der anderen Seite eine positive elektrische Ladung, verursacht durch einen Mangel an Elektronen. Durch diesen Unterschied wird Spannung erzeugt.
Die physikalischen Kräfte versuchen, das Ungleichgewicht der Ladung auszugleichen, indem sie einen Spannungsdurchschlag erzeugen. Dabei bildet sich ein Kanal, in welchem durch die Hitze und hohe Spannung das Gas zwischen den Polen ionisiert wird. Es entsteht ein elektrisch leitendes Plasma. Hier fließt nun der Strom. Abhängig von der Stromquelle tritt der Durchschlag entweder als Funke oder als Blitz in Erscheinung. Ist die Ladungsdifferenz ausgeglichen, erlischt er entweder schnell wieder oder brennt als Lichtbogen weiter.
Wie funktioniert Lichtbogenschweißen?
Die vom Lichtbogen erzeugte Wärme beträgt an die 3.500°C. Diese Temperatur vermag es, Metalle zu schmelzen und zu verbinden. Man kann den Lichtbogen entlang der Fügelinie manuell oder mechanisch führen. Die Elektrode kann entweder den Strom leiten oder gleichzeitig auch als Schweißzusatzwerkstoff dienen. In diesem Fall schmilzt sie während des Schweißens ab. Ein Schutzgas sorgt dafür, dass der Kontakt der Metallschmelze mit der Luft minimiert wird. Aufgrund der hohen Temperaturen reagieren die Metalle nämlich mit dem Sauerstoff und Stickstoff in der Luft chemisch.
Welche Arten von Lichtbogenschweißen gibt es?
Beim Lichtbogenschweißen unterscheidet man Verfahren mit abschmelzenden und nichtabschmelzenden Elektroden. Zu den Verfahren mit abschmelzenden Elektroden gehören MIG- und MAG-Schweißen, Lichtbogenhandschweißen, Unterpulverschweißen, Fülldrahtschweißen, Elektroschlackeschweißen und das Lichtbogen-Bolzenschweißen. Zu den Verfahren mit nichtabschmelzenden Elektroden zählen das WIG- und Plasmaschweißen. Im Folgenden gehen wir auf jedes der verschiedenen Verfahren etwas genauer ein.
MIG- und MAG-Schweißen
Beim Metall-Intergas-Schweißen und Metall-Aktivgas-Schweißen kommt ein Schutzgas zum Einsatz, welches die Grundwerkstoffe vor Verunreinigungen schützt. MIG-Schweißen ist für das Schweißen von hochlegiertem Stahl und Nichteisenmetall geeignet. Dabei wird ein Gasgemisch verwendet, welches keine chemische Reaktion mit der Schmelze eingeht. MAG-Schweißen erfolgt unter dem Einsatz von reaktionsfreudigen Gasen, weshalb es gut zum Schweißen von niedriglegiertem und unlegiertem Stahl geeignet ist.
Lichtbogenhandschweißen
Lichtbogenhandschweißen wird auch als Elektrodenschweißen oder E-Handschweißen bezeichnet. Dabei kommt eine abschmelzende Stabelektrode zum Einsatz. Beim Schweißvorgang schmilzt ihre Umhüllung und es entsteht eine Schutzgasglocke und eine schützende Schlacke. So braucht es keine zusätzliche Gaszufuhr, denn Gas und Schlacke schützen das Schweißbad von der Umgebungsatmosphäre. Lichtbogenhandschweißen eignet sich hervorragend zum Fügen von Eisen- und Nichteisenmetallen in sämtlichen Positionen und mit verschiedenen Materialstärken.
Elektroschlackeschweißen
Durch Elektroschlackeschweißen lassen sich horizontal liegende über 25 mm dicke Platten in einem Durchgang schweißen. Dabei kommt ein elektrischer Lichtbogen zum Einsatz, der dann von einem Flussmittelzusatz gelöscht wird. Sobald die abschmelzende Elektrode in das Schmelzbad gebracht wird, schmilzt das Flussmittel und es entsteht eine geschmolzene Schlacke auf dem Bad. Um den Zusatzdraht und die Metallplattenkanten zu schmelzen, wird die Wärme genutzt, die aus dem Widerstand der geschmolzenen Schlacke gegen den Durchgang des Elektrostroms erzeugt wird. Das Ablaufen der Schlacke wird durch zwei Kupferschuhe verhindert, die dem Prozess folgen und mit Wasser gekühlt werden.
Unterpulverschweißen
Unterpulverschweißen ist ein Verfahren, das oft angewandt wird. Dabei wird kontinuierlich eine abschmelzende Elektrode zugeführt, während der Schweißlichtbogen durch ein körniges Pulver abgedeckt wird. Schweißzusätze sind Draht- oder Bandelektroden sowie ein Schweißpulver. Das fein- oder grobkörnige Flussmittel wird beim Schweißen leitfähig. Dadurch bildet es einen Strompfad zwischen dem Teil und der Elektrode. Es beugt zudem der Bildung von Spritzern, Funken, Rauch und ultravioletter Strahlung vor.
Fülldrahtschweißen
Beim Fülldrahtschweißen kommt eine Stabelektrode zum Einsatz, die aus einem mit Pulver für Schlacke gefüllten metallischem Mantel besteht. In der Regel verwendet man ein Schutzgas, wobei ein selbstschützender Fülldraht kein zusätzliches Schutzgas braucht.
Zu den Verfahren mit nicht abschmelzenden Elektroden gehören das WIG-Schweißen und das Plasmaschweißen, die im Folgenden genauer vorgestellt werden.
WIG-Schweißen
Beim WIG-Schweißen oder Wolfram-Inertgas-Schweißen wird eine nicht abschmelzende Wolframelektrode verwendet, um einen Lichtbogen zu erzeugen. Es kommt auch ein inertes Schutzgas zum Einsatz, welches das Schmelzbad und die Schweißnaht schützt. So wird einer atmosphärischen Verunreinigung vorgebeugt. Geschweißt werden kann mit oder ohne Zusatzwerkstoff.
Plasmaschweißen
Klären wir zunächst, was genau Plasma ist: Wirkt hohe Energie auf Gas ein, entsteht Hitze und es kommt im Ergebnis zur Ionisation von Gasteilchen. Dabei werden Elektronen aus neutralen Atomen entfernt. Positiv geladene Ionen und negativ geladene Elektronen bleiben getrennt zurück. Dieses Gemisch aus geladenen und neutralen Komponenten nennt man Plasma. Im Gegensatz zu Gas ist Plasma elektrisch leitfähig, denn die Ionen und Elektronen vermögen es, Strom zu transportieren. Treffen freie Elektronen auf Ionen und verbinden sich mit ihnen, so geben sie die Energie wieder ab, die sie zuvor bei der Trennung aufgenommen haben, und zwar in Form von Licht. Was wir als Lichtbogen, elektrische Funken oder Blitz sehen können, ist eine Plasmasäule, durch die Strom fließt. Strom als solcher ist unsichtbar.
Ähnlich wie beim WIG-Schweißen gibt es auch beim Plasmaschweißen einen Lichtbogen, der zwischen einer nicht abschmelzenden Elektrode und einer Anode aufgebaut wird. Elektrode und Anode befinden sich im Brennergehäuse. Durch den Lichtbogen wird das Gas im Brenner ionisiert, wodurch Plasma erzeugt wird. Durch eine gekühlte, enge Gasdüse in der Anode wird das Plasma schließlich zum Werkstück geleitet. Deshalb spricht man auch von einem eingeschnürten Lichtbogen. Bei dem Vorgang wird eine sehr hohe Energiedichte erzeugt. Außerdem wird das Plasma von einem Schutzgas umgeben, welches das Schmelzbad vor Reaktionen mit Sauerstoff schützt.
