TWI: Lichtbogenschweißen

Es gibt viele verschiedene Lichtbogen-Schweißverfahren. Sie unterscheiden sich wesentlich voneinander, aber sie haben einige grundlegende Ähnlichkeiten. Ein Lichtbogen entsteht, wenn ein sich eine elektrische Ladung zwischen einer Elektrode und dem Grundmaterial entlädt. Es bildet sich ein Funke, der das umgebende Gas ionisiert. Das ermöglicht den Stromfluss über den Spalt hinweg und dieser erzeugt den Lichtbogen. Der Lichtbogen erzeugt Wärme für das Aufschmelzen des Metalls der Werkstücke. Mit der Ausnahme vom WIG Schweißen (Wolfram-Inertgas-Schweißen) schmilzt der Lichtbogen auch den Zusatzwerkstoff auf, von dem sich deshalb Tropfen ablösen, die ins Schweißbad fallen, was z.B. in 200-fach verlangsamten Aufnahmen des MIG-Schweißens sichtbar wird. Der Wärmeeintrag in der Schmelzzone hängt von der elektrischen Spannung sowie der Stromstärke  im Lichtbogen sowie der Schweißgeschwindigkeit ab. 

Das Lichtbogenhandschweißen oder Elektrodenschweißen heißt auf Englisch Manual Metal Arc Welding (MMA) oder umgangssprachlich Stick Welding und ist in den Vereinigten Staaten als Shielded Metal Arc Welding (SMAW) bekannt. Es wurde 1888 in Russland erfunden und ist das vielseitigste aller Lichtbogenschweißverfahren. Es wird für eisenhaltige und nicht-eisenhaltige Metalle mit den unterschiedlichsten Dicken eingesetzt. Es kann relativ einfach in allen Positionen eingesetzt werden.

Wenn ein Lichtbogen zwischen der ummantelten Elektrode und dem Werkstück gezündet wird, schmelzen beide oberflächlich an und bilden ein Schmelzbad. Die durchschnittliche Temperatur im Lichtbogen ist 6000°C. Das Flussmittel aus der Ummantelung der Hüllstabelektrode, das sofort schmilzt, hat die Aufgabe, Gas und Schlacke zu erzeugen, die das Schmelzbad vor Oxidation mit dem Sauerstoff und Stickstoff aus der Umgebungsatmosphäre schützen. Nach dem Schweißen kühlt die Schlacke ab und erstarrt. Sie muss mit einem Hammer, einem Meißel bzw. einer Drahtbürste entfernt werden.

Mit dem Verfahren können nur kurze Nähte hergestellt werden, bevor die Stabelektrode in den Elektrodenhalter eingespannt werden muss. Die Variablen, die (neben der Handfertigkeit des Schweißers) die Qualität der Lichtbogenhandschweißung beeinflussen sind: Schweißstrom, Spannung, Schweißgeschwindigkeit, Polarität und Elektrodenart. Vorteilhaft ist, dass das Lichtbogenhandschweißen auf der Baustelle und in der Werkstatt eingesetzt in allen Lagen eingesetzt werden kann und die Geräte leicht tragbar sind. Nachteilhaft ist, dass es eine hohe Handfertigkeit erfordert, anfällig für Schlacke-Einschlüsse ist und viel unliebsamen Rauch erzeugt. 

Das Wolfram-Inertgas-Schweißen heißt auf Englisch Tungsten Inert Gas Welding (TIG) und auf Amerikanisch Gas Tungsten Arc Welding (GTAW). Der zum Schweißen erforderliche Lichtbogen wird zwischen einer verschleißarmen Wolframelektrode und dem Werkstück gezündet. Der Zusatzwerkstoff wird als Draht in das Schweißbad zugeführt. Die Elektrode wird aus Wolfram hergestellt, weil dieses einen sehr hohen Schmelzpunkt in der Gegend von 3400°C hat. Ein Inertgas wird verwendet, um die Elektrode, den erhitzten Zusatzwerkstoff, das Schmelzbad und die heiße Schweißnaht vor Oxidation zu schützen. Die Prozessvariablen sind: Schweißstrom, Art des Stroms (Gleich oder Wechselstrom), Polarität, Schweißgeschwindigkeit, Form der Elektrode und Schutzgas-Durchflussmenge.

Vorteilhaft ist, dass es für Wurzelschweißungen und dünne Bleche ideal geeignet ist. Es produziert hervorragende, wasserstoffarme Schweißungen, es gibt keine Spritzer und keine Schlacke-Einschlüsse, es kann mit oder ohne Zusatzwerkstoff eingesetzt werden, die Variablen können genau geregelt werden, man kann damit nahezu alle schweißbaren Metalle schweißen, einschließlich Mischverbindungen, und die Wärmeeinbringung und Zuführung von Zusatzdraht sind unabhängig voneinander. Nachteilhaft sind die langsame Abschmelzleistung, es verlangt mehr Handfertigkeit als Lichtbogenhandschweißen oder MIG/MAG-Schweißen und es ist bei dicken Wandstärken relativ zeit- und kostenaufwendig, bei Zugluft wird das Schutzgas weggeblasen, Wolframeinschlüsse können vorkommen und es zeigt nur wenig Toleranz bezüglich Verschmutzung des Werkstücks oder des Zusatzwerkstoffs. 

Das MIG/MAG-Schweißen (Metall-Inertgas-Schweißen/Metall-Aktivgas-Schweißen), das oft auch Schutzgasschweißen (SG) oder Metallschutzgasschweißen (MSG) genannt wird heißt auf Amerikanisch Gas Metal Arc Welding (GMAW). Die beiden Prozessvarianten sind untereinander ähnlich, unterscheiden sich aber stark von den anderen Lichtbogenschweißverfahren. Es ist ein vielseitiges Verfahren, das sich sowohl für dünne Bleche als auch für dicke Platten einsetzen lässt. Der Lichtbogen wird zwischen einer kontinuierlich zugeführten Drahtelektrode und dem Werkstück gezündet. Dadurch schmelzen beide auf, um das Schweißbad zu erzeugen. Der Lichtbogen and der Spitze des Drahts ist die Wärmequelle. Der Draht dient gleichzeitig als Elektrode und Zusatzwerkstoff. Der Draht wird durch eine Kupfer-Kontaktdüse zugeführt, die den Schweißstrom in den Draht überträgt. Das Schweißbad wird vor der Umgebungs-Atmosphäre durch ein Schutzgas geschützt, das durch eine den Draht umgebende Düse zugeführt wird. Der Draht wird durch einen motorischen Antrieb von einer Spule abgewickelt, während der Schweißer den Brenner entlang der herzustellenden Schweißnaht bewegt.

Das Verfahren bietet folgende Vorteile: hohe Produktivität, es kann manuell oder mechanisiert, z.B. mit einem Roboter, durchgeführt werden. Beim mechanisierten MIG/MAG-Schweißen werden alle Parameter automatisiert geregelt, aber die Einstellungen können während des Schweißens manuell verstellt werden. Die Variablen sind: der Schweißstrom, der proportional zur Drahtzuführgeschwindigkeit ist, die Spannung, die Wahl von inerten oder aktiven Schutzgasen, die Vorschub- oder Schweißgeschwindigkeit, der Abstand zwischen Drahtspitze und Werkstück sowie der Abstand zwischen Gasdüse und Werkstück sowie die Art des Tropfenübergangs (Kurzlichtbogen, Sprühlichtbogen oder Impulslichtbogen).

Der Kurzlichtbogen ist gut, um aufwärts, abwärts und überkopf zu schweißen oder um dünne Bleche zu verschweißen. Der Sprühlichtbogen ist für dickere Wandstärken vorteilhaft. Er hat zwar eine hohe Abschmelzleistung ist aber nur in Wannenlage einsetzbar. Der Impulslichtbogen ist im Übergangsbereich zwischen den beiden anderen Lichtbogenarten eingesetzt.

In den 1980er Jahren kam es durch das Aufkommen von Fülldraht. Fülldraht besteht aus einem röhrenförmig umgeformten Flachband, das ein Flussmittel und Metallpulver enthält. Dadurch wurde das MIG/MAG-Verfahren weitgehend unabhängig von dem separat zugeführten Schutzgas, was das Arbeiten in der Zugluft auf Baustellen erleichterte. Die Drähte werden unterschieden in selbst-schützende und Gas-geschützte Fülldrähte. Letztere beruhen auf einer Kombination von Schutzgas und Flussmittel. Fülldrähte ermöglichen das Schweißen mit dem Sprühlichtbogen in allen Lagen mit hoher Produktivität.

Die Vorteile des MIG/MAG-Schweißens sind: Hohe Produktivität, leichte Automatisierbarkeit, mit Kurzlichtbogen und Impulslichtbogen in allen Lagen einsetzbar und für alle Blechstärken geeignet. Nachteilhaft ist, dass die Schweißstelle vor Wind geschützt werden muss und die Gerätetechnik aufwendig ist. Beim Schutzgasschweißen entstehen UV-Strahlung und Ozon sowie, vor allem beim Fülldrahtschweißen, Rauch. 

Das Unterpulverschweißen (englisch: Sumberged Arc Welding, SAW) wird in den meisten Fällen mechanisiert durchgeführt. Dabei wird der Lichtbogen zwischen einem kontinuierlich zugeführten Zusatzdraht und dem Werkstück gezündet. Die Drahtspitze, der Lichtbogen, das Schweißbad und die heiße Schweißnaht liegen unter einem Flussmittel-Haufen. Der Lichtbogen schmilzt die unteren Lagen des Flussmittels auf und schützt das heiße Metall vor Oxidation. Die an der Drahtelektrode anliegende Spannung wird geregelt, um die Länge des Lichtbogens konstant zu halten. Das Flussmittel wird aus einem Schüttgutvorratsbehälter automatisch vor dem Schweißkopf aufgehäuft.
Die Vorteile sind offensichtlich: Es gibt keine Spritzer und keinen Rauch, die Schweißnaht wird vor der Atmosphäre geschützt und es gibt keine Ultraviolett- oder Infrarotstrahlung. Das nicht verbrauchte Pulver kann wiederverwendet werden. Nachteilhaft ist, dass das Werkstück so ausgerichtet werden muss, dass das Pulver darauf liegen bleibt und die erstarrte Schlacke von der fertiggestellten Schweißnaht entfernt werden muss.

Beim Unterpulverschweißen wird mit hohen Strömen durchgeführt, die zu einem tiefen Eindringverhalten und guter Durchmischung und hohen Abschmelzleistungen führen. Normalerweise wird Gleichstrom mit dem Pluspol an der Drahtelektrode bei bis zu 1000 A verwendet. Bei höheren Strömen oder beim Einsatz mehrerer Drahtelektroden gleichzeitig wird Wechselstrom bevorzugt, um die Blaswirkung (d.h. die elektromagnetische Ablenkung des Lichtbogens) zu minimieren. Manchmal wird auch eine Kombination beider Stromarten, mit Gleichstom an der führenden Drahtelektrode, zu verwenden.

Die Prozessvariablen sind: Schweißstrom und Spannung, Art des Flussmittels, Schweißgeschwindigkeit, Drahtelektroden Art, Größe und Extension, Flussmittelkörnung und Tiefe, Elektrodenwinkel und Polarität. Unterpulverschweißen wird häufig im Schiffbau für die Herstellung von Decks und Paneelen eingesetzt, für Druckbehälter, für Rohrleitungen, im Eisenbahnwagonbau und überall dort wo lange, durchgehende Kehlnähte erforderlich sind.

Um mehr über diese und andere Schweißprozesse herauszufinden, lohnt es sich, das TWI (The Welding Institute) anzurufen.