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Was ist Lichtbogenhandschweissen?

Berufliches Fachwissen: Job Knowledge 2

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Das Metall-Lichtbogenhandschweißen ist auch als Elektrodenschweißen, E-Handschweißen oder als Prozess 111 nach Norm EN ISO 4063 bekannt und wird auf Englisch manual metal arc welding (MMA or MMAW), shielded metal arc welding (SMAW), flux shielded arc welding oder umgangssprachlich stick welding genannt. Es ist ein Verfahren, bei dem der Lichtbogen zwischen einer mit Flussmittel beschichteten Metallelektrode und dem Werkstück gezündet wird. Sowohl die Elektrode als auch die Oberfläche des Werkstücks schmelzen und bilden eine Schweißnaht.

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Das Lichtbogenhandschweißen wurde 1888 in Russland erfunden. Dabei wurde ein blanker Metallstab ohne Flussmittelummantelung verwendet, um einen Schutzgasmantel zu bilden. Die Entwicklung umhüllter Elektroden erfolgte erst in den frühen 1900er Jahren, als das Kjellberg-Verfahren in Schweden erfunden und das Quasi-Arc-Verfahren im Vereinigten Königreich eingeführt wurde. Es ist erwähnenswert, dass sich beschichtete Elektroden aufgrund ihrer hohen Kosten nur langsam durchsetzen konnten. Es war jedoch unvermeidlich, dass mit der steigenden Nachfrage nach soliden Schweißnähten der manuelle Lichtbogen zum Synonym für beschichtete Elektroden wurde.

Wenn ein Lichtbogen zwischen dem Metallstab (Elektrode) und dem Werkstück gezündet wird, schmelzen sowohl der Stab als auch die Werkstückoberfläche und bilden ein Schweißbad aus geschmolzenem Metall. Durch das gleichzeitige Schmelzen der Flussmittelumhüllung auf dem Stab entstehen Gas und Schlacke, die das Schmelzbad vor der umgebenden Atmosphäre schützen. Die Schlacke erstarrt und kühlt ab und muss nach Beendigung des Schweißvorgangs (oder vor dem Auftragen des nächsten Schweißdurchgangs) von der Schweißraupe abgekratzt werden.

Bei diesem Verfahren können nur kurze Schweißnähte hergestellt werden, bevor eine neue Elektrode in den Schweißelektrodenhalter eingesetzt werden muss. Die Einschweißtiefe ist gering und die Qualität des fertigen Schweißguts hängt in hohem Maße von den Fähigkeiten des Schweißers ab.

Arten von Elektroden

Um einen Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Grundwerkstoff, z. B. Kohlenstoffstahl, zu erzeugen und eine qualitativ gute Schweißnaht zu erzielen, muss der Schweißer sicherstellen, dass seine Schweißmaschine mit geeigneten Elektroden ausgestattet ist. Lichtbogenstabilität, Eindringtiefe, Metallabscheidungsrate und Positionierbarkeit werden in hohem Maße von der chemischen Zusammensetzung der Flussmittelschicht auf der Elektrode beeinflusst. Elektroden können in drei Hauptgruppen unterteilt werden:

  • Zellulose
  • Rutil
  • Basisch

Die wichtigsten Eigenschaften dieser Elektroden sind wie folgt:

Zellulose-Elektroden enthalten einen hohen Anteil an Zellulose in der Umhüllung und zeichnen sich durch einen tief eindringenden Lichtbogen und einen schnellen Abbrand aus, was hohe Schweißgeschwindigkeiten ermöglicht. Das Schweißgut kann grob sein und bei flüssiger Schlacke kann die Entschlackung schwierig sein. Diese Elektroden lassen sich in jeder Position leicht einsetzen und sind bekannt für ihre Verwendung in der Ofenrohrschweißtechnik. Sie haben folgende Merkmale:

Tiefer Einbrand in allen Positionen

  • Eignung für vertikales Schweißen von unten
  • recht gute mechanische Eigenschaften
  • hohe Wasserstoffentwicklung - Gefahr der Rissbildung in der Wärmeeinflusszone (WEZ)

 

Rutilelektroden enthalten einen hohen Anteil an Titanoxid (Rutil) in der Umhüllung. Titanoxid begünstigt eine leichte Zündung des Lichtbogens, einen gleichmäßigen Lichtbogenbetrieb und geringe Spritzerbildung. Diese Elektroden sind Allzweckelektroden mit guten Schweißeigenschaften. Sie können mit Wechselstrom- und Gleichstromquellen und in allen Positionen verwendet werden. Sie haben folgende Merkmale:

  • Die Elektroden sind besonders für das Schweißen von Kehlnähten in horizontaler/vertikaler (H/V) Position geeignet.
  • mäßige mechanische Eigenschaften des Schweißgutes, wie z.B. Zugfestigkeit
  • gutes Wulstprofil durch die zähflüssige Schlacke
  • Positionsschweißen mit flüssiger Schlacke (fluoridhaltig) möglich
  • leicht entfernbare Schlacke

 

Basische Elektroden enthalten einen hohen Anteil an Calciumcarbonat (Kalkstein) und Calciumfluorid (Flussspat) in der Umhüllung. Dadurch ist ihre Schlackenumhüllung flüssiger als Rutilumhüllungen – außerdem ist sie schnell erstarrend, was das Schweißen in vertikaler und Überkopfposition erleichtert. Diese Elektroden werden für das Schweißen von mittelschweren und schweren Profilen verwendet, bei denen eine höhere Schweißnahtqualität, gute mechanische Eigenschaften und Rissbeständigkeit (aufgrund hoher Spannungen) erforderlich sind. Sie haben folgende Merkmale:

  • wasserstoffarmes Schweißgut
  • hohe Schweißströme/-geschwindigkeiten
  • schlechtes Raupenprofil (konvexes und grobes Oberflächenprofil)
  • Schlackenentfernung schwierig

Metallpulverelektroden enthalten einen Zusatz von Metallpulver zur Flussmittelumhüllung, um die maximal zulässige Schweißstromstärke zu erhöhen. Dadurch erhöhen sich bei einer bestimmten Elektrodengröße die Metallabscheidungsrate und der Wirkungsgrad (Prozentsatz des abgeschiedenen Metalls) im Vergleich zu einer Elektrode, die kein Eisenpulver in der Umhüllung enthält. Die Schlacke lässt sich normalerweise leicht entfernen. Eisenpulver-Elektroden werden hauptsächlich in flachen und H/V-Stellungen eingesetzt, um die höheren Abscheideraten zu nutzen. Bei Rutil- und basischen Elektroden können Wirkungsgrade von 130 bis 140 % erreicht werden, ohne dass sich die Lichtbogeneigenschaften merklich verschlechtern, aber der Lichtbogen ist tendenziell weniger stark, was die Perlendurchdringung verringert.

Stromquelle

Elektroden können mit Wechsel- und Gleichstrom betrieben werden. Nicht alle Gleichstromelektroden können an Wechselstromquellen betrieben werden, Wechselstromelektroden können jedoch sowohl mit Wechselstrom als auch mit Gleichstrom verwendet werden.

Strom beim Schweißen

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Die Höhe des Schweißstroms hängt von der Größe der Elektrode ab – der normale Betriebsbereich und der Strom werden von den Herstellern empfohlen. Typische Betriebsbereiche für eine Auswahl von Elektrodengrößen sind in der Tabelle dargestellt. Als Faustregel für die Auswahl einer geeigneten Stromstärke gilt, dass eine Elektrode etwa 40 A pro Millimeter (Durchmesser) benötigt. Die bevorzugte Stromstärke für eine Elektrode mit einem Durchmesser von 4 mm wäre also 160 A, der akzeptable Betriebsbereich liegt jedoch bei 140 bis 180 A.

 

Was ist neu?

Die Transistor-(Inverter-)Technologie ermöglicht heute die Herstellung sehr kleiner und vergleichsweise leichter Stromquellen. Diese Stromquellen werden zunehmend beim Schweißen auf der Baustelle eingesetzt, wo sie leicht von einem Einsatzort zum anderen transportiert werden können. Da sie elektronisch gesteuert werden, sind Zusatzgeräte für das WIG- und MIG-Schweißen erhältlich, die die Flexibilität erhöhen. Elektroden sind jetzt in hermetisch verschlossenen Behältern erhältlich. Diese Vakuumverpackungen machen es überflüssig, die Elektroden unmittelbar vor dem Gebrauch zu erhitzen. Wenn jedoch ein Behälter geöffnet oder beschädigt wurde, müssen die Elektroden unbedingt gemäß den Anweisungen des Herstellers erneut getrocknet werden.

 

Ausbildung

TWI Training and Examination Services bieten Lehrgänge zum MMA-Schweißen an. Dieser umfasst theoretische und praktische Unterrichtseinheiten, die zu etwa 75 % aus Vorführungen und praktischen Übungen bestehen, und vermittelt ein Verständnis für die Schweißverfahren und grundlegende Kenntnisse. Gesundheit und Sicherheit, Einrichten der Ausrüstung, Parameter des Schweißprozesses, prozessbedingte Fehler und deren Vermeidung, Schweißzusatzwerkstoffe.

 

Weitere Informationen zu TWIs Lichtbogenhandschweiß-Schulungen finden Sie auf www.twitraining.com.

 

Anfragen

Für technische Anfragen zum Lichtbogenhandschweißen nehmen Sie bitte auf Englisch Kontakt mit uns auf. 

Für weitere Informationen senden Sie bitte eine englischsprachige E-Mail an:

kontakt@twi-deutschland.com