Grundlagen des Lichtbogenschweißens (ARC)

Was ist Lichtbogenschweißen?

Das Lichtbogenschweißen, auch bekannt als ARC-Schweißen, ist ein Verfahren, bei dem Metallteile durch die Hitze eines elektrischen Lichtbogens verschmolzen und dauerhaft verbunden werden. Dieser elektrische Bogen wird entweder durch Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC) erzeugt und aufrechterhalten. Das Spektrum dieses Schweißprozesses ist breit gefächert und umfasst bekannte Techniken wie das Elektrodenschweißen (Stick), MIG (Metall-Inertgas-Schweißen), TIG (Wolfram-Inertgas-Schweißen) sowie das Flussmittel-geschützte Schweißen. All diese Methoden nutzen einen elektrischen Lichtbogen, um die Metalle zu verbinden, was den vielseitigen Einsatz dieses Verfahrens in zahlreichen Branchen erklärt.

Funktionsweise des Lichtbogenschweißens

Das Grundprinzip des ARC-Schweißens basiert auf fünf zentralen Komponenten:

Eine Elektrode und das dazugehörige Kabel
Ein Erdungskabel inklusive Klemme (auch Arbeitskabel genannt)
Eine stabile Stromquelle
Die zu verbindenden Metallteile
Der elektrische Lichtbogen als Verbindung zwischen Elektrode und Werkstück

>Der elektrische Strom wird genutzt, um einen stabilen Lichtbogen zu erzeugen, der die Metallteile auf Temperaturen um ca. 6.500 °F (ca. 3.600 °C) erhitzt. Diese enormen Temperaturen bewirken, dass das Metall schmilzt und die beiden Teile miteinander verschmilzt. Allerdings entstehen bei solchen hohen Temperaturen auch Herausforderungen: Die Reaktion des geschmolzenen Metalls mit Luftgasen kann zu Porosität, Spritzern und schwachen Schweißnähten führen. Um dies zu vermeiden, wird beim Lichtbogenschweißen meist eine Schutzatmosphäre eingesetzt, entweder durch Abschirmgase wie Argon oder CO₂ oder durch Flussmittel, das beim Erhitzen eine Schutzschicht bildet und so die Schweißnaht vor atmosphärischer Kontamination schützt.

Wechselstrom (AC) vs. Gleichstrom (DC)

Die Wahl zwischen AC und DC ist eine entscheidende Überlegung beim Lichtbogenschweißen. Während Wechselstrom (AC) seine Magnetfelder ständig umkehrt, was die Bogenstabilität in bestimmten Anwendungen verbessert, fließt beim Gleichstrom (DC) der Strom in eine feste Richtung. DC bietet den Vorteil eines gleichmäßigeren, kontrollierbaren Lichtbogens und ist besonders bei feinen, dünnen Materialien vorteilhaft. Allerdings kann DC auch Magnetfelder erzeugen, die den Bogen beeinflussen und zu Spritzern führen. AC eignet sich gut für Materialien mit Oxidschichten, da die periodische Stromumkehr die Oxidschicht effizient entfernt. Für viele Anwendungen, insbesondere im industriellen Bereich, werden daher meistens DC-Schweißgeräte bevorzugt, obwohl AC-Schweißgeräte kostengünstiger sind und in speziellen Situationen vorteilhaft sein können.

Anwendungsbereiche des Lichtbogenschweißens

Das Lichtbogenschweißen ist äußerst vielseitig und findet in fast allen Branchen Anwendung. Besonders häufig wird es bei der Konstruktion von Schiffen, Brücken, Druckbehältern, Rohren, sowie im Automobil- und Flugzeugbau eingesetzt. Es ermöglicht eine schnelle, wirtschaftliche Verbindung von Metallteilen, wobei die hohe Hitzeentwicklung präzise kontrolliert werden muss. Aufgrund seiner Effizienz ist das ARC-Schweißen oft die erste Wahl, wenn es um das Verbinden großer Metallflächen geht, doch die hohe Temperatur kann bei empfindlichen Materialien problematisch sein.

Vorteile und Nachteile des Lichtbogenschweißens

Vorteile:

Hohe Schweißkraft und starke Verbindung
Hohe Produktivität durch schnelle Durchführung
Nahtlose und dauerhafte Schweißverbindungen ohne Lufteinschlüsse
Relativ einfache Bedienung und Lernkurve
Tragbare Geräte für den mobilen Einsatz
Vielseitigkeit bei verschiedenen Metallarten
Kostengünstig in Geräten und Verbrauchsmaterialien
Erzeugung hochwertiger, langlebiger Schweißnähte
Kein spezieller Lizenzbedarf für den Gebrauch

Nachteile:

Produktion giftiger Dämpfe, die Belüftung oder Atemschutz erfordern
Höherer Materialabfall im Vergleich zu anderen Verfahren
Erfordert Übung, um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen
Risiko des Durchbrennens bei dünnen Materialien

Arten des Lichtbogenschweißens

Die verschiedenen Verfahren unterscheiden sich hauptsächlich durch die Art der Elektroden und den Schutzmechanismus gegen atmosphärische Einflüsse. Hier eine Übersicht:

Verbrauchselektroden (Schweißdrähte)

Abgeschirmtes Metall-Inertgas-Schweißen (SMAW): Auch bekannt als Stabelektroden-Schweißen, bei dem eine beschichtete Elektrode manuell verwendet wird. Die Flussbeschichtung reagiert mit der Hitze und schützt den Schmelzpool vor Luft.
Metall-Inertgas-Schweißen (GMAW / MIG): Verwendet einen kontinuierlich zugeführten Draht, der gleichzeitig als Füllmaterial und Elektrode dient. Das Schutzgas (z.B. Argon) umgibt die Schweißnaht und schützt sie vor Oxidation.
Flux-Cored Arc Welding (FCAW): Ähnlich wie MIG, jedoch mit einem hohl gefüllten Draht, der Flussmittel enthält und somit kein externes Schutzgas benötigt.
Unterpulver-Schweißen (SAW): Verwendet eine in Pulverform vorliegende Flussdecke, die den Schweißprozess in vertikalen oder horizontalen Positionen unterstützt und Spritzer minimiert.
Elektroden-Schweißen (SW): Spezialisierte Methode für die Befestigung von Befestigungselementen wie Bolzen, bei der eine spezielle Elektrode verwendet wird.
Elektro-Slag-Schweißen (ESW): Für dicke vertikale Schweißnähte, bei denen das Schweißgut in eine Flussmasse eingebettet wird und der elektrische Widerstand die Hitze erzeugt.

Nicht konsumierbare Elektroden

Wolfram-Inertgas-Schweißen (TIG): Nutzt eine unverbrauchte Wolframelektrode, die in Kombination mit einem separaten Füllmaterial eingesetzt wird. Besonders präzise und geeignet für hochqualitative Schweißnähte.
Plasmaschweißen: Hochfokussierter Plasmabogen, der extrem hohe Temperaturen erreicht und für spezielle Anwendungen wie Fein- und Hochleistungsschweißen genutzt wird.

Zusammenfassung und Hinweise

Dieses umfassende Verständnis des Lichtbogenschweißens zeigt, wie vielfältig und anpassungsfähig diese Technologie ist. Die Wahl zwischen AC und DC, die richtige Elektrodenart und die geeignete Verfahrenstechnik hängen von den spezifischen Anforderungen des Projekts ab. Eine fundierte Kenntnis dieser Aspekte ist entscheidend, um qualitativ hochwertige, sichere und effiziente Schweißarbeiten durchzuführen. Ob für industrielle Anwendungen, Bauprojekte oder künstlerische Metallarbeiten – das Lichtbogenschweißen bleibt eine zentrale Technik in der Metallverarbeitung.