Lichtbogenhandschweißen

Das Lichtbogenhandschweißen ist weit verbreitet. Es lässt sich einfach anwenden, benötigt keine große Anzahl spezialisierter Geräte und die verwendete Schweißausrüstung ist sehr mobil. Damit kann es praktisch jederzeit und allerorts eingesetzt werden.

Geschätzte Lesedauer: 12 Minuten

Das Prinzip des Lichtbogenhandschweißens

Das Prinzip des Lichtbogenhandschweißens ist sehr einfach. Ein Lichtbogen erzeugt Hitze, die Hitze sorgt für das aufschmelzen der Werkstoffe und diese verbinden dann die Werkstücke zu einer Einheit. Die Elektrode schmilzt dabei selbst langsam ab und fungiert als der Zusatzstoff, während die Umhüllung der Elektrode das Schutzgas liefert. Auch beim Strom ist das Verfahren vielseitig, da sowohl mit Gleich-, als auch mit Wechselstrom gearbeitet werden kann.

Der Lichtbogen brennt zwischen dem Werkstück und der ummantelten Stabelektrode. Diese wird mit der Hand geführt. Damit können Materialien mit einer Dicke von 1,5 mm und mehr problemlos verbunden werden. Das gilt für unlegierte, niedriglegierte und hochlegierte Stähle. Die Abschmelzleistung erreicht dabei bis zu 3 kg pro Stunde.

Das Schweißzubehör für das Lichtbogenhandschweißen

Während zwar Gleich- und Wechselstrom genutzt werden können, wird doch Gleichstrom bevorzugt. Als Quellen werden Schweißumformer, Schweißtransformatoren, Schweißgleichrichter, Inverter und Schweißumrichter genutzt. Die Stromstärke sollte bei 250 Ampere liegen. Damit ist eine Einschaltdauer von 60% möglich und es können Elektroden verwendet werden, die einen Kernstabdurchmesser von 5 mm aufweisen.

Neben der Länge und dem Durchmesser der Elektrode begrenzt auch die Dicke des Grundwerkstoffes und die angestrebte Fugenart die Stromstärke, die eingestellt werden muss. Jede Elektrode kommt mit Angeben zu Belastung, mit der sie arbeiten kann.

Für den Stromkreis werden Stromkabel, eine Massezange und ein Halter für die Elektrode gebraucht. Der Schweißer hält den Elektrodenhalter in der Hand. Daher muss dieser handlich sein und sich ein schnelles und darüber hinaus sicheres Einspannen der Elektrode ermöglichen. Der Elektrodenhalter muss außerdem isoliert sein.

Die Stromkabel müssen einen Leistungsquerschnitt aufweisen, der für einen geringen Spannungsabfall sorgt, aber auch der Stromstärke gewachsen ist. Was die Anschlüsse betrifft, ist es entscheidend dass diese sauber sind und genau fixiert wurden. Die Massezange wird verwendet, um das Werkstück mit dem Stromleiter zu verbinden.

Die verschiedenen Elektrodentypen für das Lichtbogenhandschweißen

Die verwendeten Stabelektroden sind umhüllt. Damit bestehen sie aus einem Kerndraht und darüber einer mineralischen Umhüllung, die mittels eines Bindemittels auf dem Kerndraht angebracht wurde. Bei der Verwendung von unlegierten Stabelektroden, richten sich diese nach ihren Eigenschaften hinsichtlich der Festigkeit und Zähigkeit. Sie müssen dabei in der Wärmeeinflusszone des Schmelzbades weniger hart als die Werkstoffe sein.

Bei hochlegierten Stabelektroden hingegen kommt es darauf an, dass sie in ihrem Typ dem des Grundwerkstoffes gleichen. Geht es um nichtrostende Stähle, müssen die Anteile an Chrom und Nickel, aber auch an Titan und Kohlenstoff berücksichtigt werden.

Bei der Umhüllung wird nach dünn, mitteldick und dick unterschieden. Welche Dicke nun zum Einsatz kommt, richtet sich nach dem Werkstoffübergang und der Position des Schweißens. Bei legierten und hochlegierten Stählen wird nur nach basischen Umhüllungen und Rutilelektroden, die sauer sind, unterschieden. Für andere Stähle werden folgende Umhüllungen verwendet:

Typ C

Typ C Stabelektroden sind mit Zellulose umhüllt. Sie eignen sich damit vor allem für das Schweißen in Fallnahtpositionen. Der Mantel enthält organische Substanzen, allen voran die Zellulose. Mittels derer werden Rohrleitungen und Großpipelines bearbeitet. Die Schweißgeschwindigkeit ist damit sehr hoch, was aus der hohen Abschmelzleistung und dem schnellen Einbrand ersichtlich wird.

Aus dem Werkstoff bilden sich dabei sehr grobe Tropfen. Diese eignen sich für eine gute Überbrückung von Spalten. Die entstehenden Nähte sind grobschuppig. Allerdings wird für die Nutzung der Typ C-Elektrode eine hohe Brennspannung benötigt, wodurch sie nicht mit jedem Schweißgerät verwendet werden kann.

Typ RA

Der Typ RA oder die rutilsauren Stabelektroden zeichnen sich durch eine sehr hohe Strombelastbarkeit aus. Damit ermöglichen sie eine hohe Abschmelzleistung. Am Werkstoffübergang sorgen sie für feine Tropfen, was zu konkaven und glatten Nähten führt. Der Wurzelpunkt lässt sich so bei Kehlnähten gut fassen. Ihr niedriger Gehalt an Silizium macht das anschließende Verzinken, Gummieren oder Emaillieren einfach. Die Schlacke, die beim Schweißen mit dieser Elektrode entsteht, kann nach der Arbeit leicht entfernt werden.

Typ R und RR

Der Rutiltyp von Stabelektroden wird für dünne Bleche verwendet. Damit lassen sich alle Schweißpositionen nutzen, mit Ausnahme der Fallnahtposition. Der Tropfenübergang für R-Elektroden ist grober als der für die dicker umhüllten RR-Elektroden. Mit dem RR-Typ werden feinschuppige, gleichmäßige Oberflächen geformt, wo sich die Schlacke leicht entfernen lässt.

Typ RC

Die Rutilzellulose-Elektroden sorgt beim Schweißen für ein Schmelzbad, das sehr zähflüssig ist. Der Anteil an Zellulose verringert das Anfallen von Schlacke. Das macht diesen Typ von Elektroden auch für die Schweißung von Fallnähten und Kehlnähten für den Metallbau geeignet. Sie wird vor allem bei Montagearbeiten eingesetzt, da sie sich universell nutzen lässt.

Typ RB

Der rutilbasische Elektrodentyp sorgt für einen Werkstoffübergang mit mittelgroßen Tropfen. Das bringt gute Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften mit sich. Auch ist die Positionsverschweißbarkeit sehr gut. Mit seiner hohen Abschmelzleistung wird diese Elektrode daher gern im Rohrleitungsbau- und Stahlbau und dort bei Wurzel- und Zwangslagenschweißungen verwendet.

Typ B

Die basischen Typ B Elektroden zeichnet sich durch eine hohe Risssicherheit aus. Das ist vor allem bei Schweißen in einer Umgebung mit tiefen Temperaturen der Fall. Dabei eignen sich diese basischen Elektroden vor allem bei Stählen mit einer großen Wanddicke bzw. bei Stählen, die sich nur wenig zum Schweißen eignen. Der Schweißübergang erfolgt mit groben Tropfen. Auch kann in allen Positionen mit Ausnahme der Fallposition gearbeitet werden.

Der Prozess des Lichtbogenhandschweißens

Der Schweißprozess beginnt mit dem Antippen des Werkstückes mit der Elektrode. Das zündet den Lichtbogen zwischen beiden. Bei basischen Elektroden wird anstelle des Antippens eine anstreichende Bewegung empfohlen. Die Zündstelle auf dem Werkstück muss sich im Schweißbereich befinden.

Die Haltung der Elektrode ist in Schweißrichtung, wobei ein Winkel von 45° entsteht. Die Länge des Lichtbogens sollte in etwas dem Durchmesser des Kernstabes der Elektrode entsprechen. Für basische Elektroden gibt es eine Ausnahme. Hier sollte der Lichtbogen kürzer gehalten werden, daher wird die Hälfte des Durchmessers des Kernstabes der Elektrode als Basis empfohlen.

Für die Bewegung gilt, dass die Arbeit in der Strichraupentechnik erfolgt. In einigen Fällen kann auch das Schweißen mit einer leichten Pendelbewegung schleppend erfolgen. In Steignahtpositionen ist dagegen immer pendelnd mit einer stechend angestellten Elektrode zu arbeiten.

Schweißstromstärke

Die Schweißstromstärke hat einen Einfluss auf die Abschmelzleistung und den Einbrand. Die Spannung passt sich dabei automatisch von der Stromquelle. Wie hoch die Stromstärke eingestellt werden kann, hängt von der gewählten Elektrode und ihrer Belastungsgrenze ab. Wählt man sie sie zu groß, dann wird die Elektrode zu heißt und ihre Umhüllung platzt entweder ab oder glüht aus. Für das Abbrennen braucht man jedoch auch eine minimale Stromstärke. Die Faustregel für eine Elektrode mit einer Länge von 250 bis 350 mm ist 20 bis 40 multipliziert mit dem Durchmesser. Das heißt, hat eine Elektrode einen Durchmesser von 2,0 mm und eine Länge von 300 mm, dann sind dies 20 bis 40 multipliziert mit 2,0. Daraus ergibt sich eine Stromstärke von 40 bis 80 Ampere, mit der geschweißt werden kann.

Ab einer Länge von 350 mm ändert sich die Faustregel zu 30 bis 50 multipliziert mit dem Durchmesser. Ab einer Länge von 450 mm und einem Durchmesser von 6 mm steigen die Werte auf 35 bis 60 multipliziert mit dem Durchmesser. Daraus ergebe sich bei einer Länge von 450 mm und einem Durchmesser von 6 mm die Rechnung 35 bis 60 multipliziert mit 6 mm. Das wären dann 210 bis 360 Ampere.

Die unteren Werte für die Stromstärke gelten für das Schweißen von Wurzellagen, sowie in Zangspositionen. Die oberen Werte eignen sich für Füll- und Decklagen, sowie für PA und PB Schweißen. Dabei gilt zu beachten, dass diese Stromstärken auch nur für unlegierte Werkstoffe gelten. Bei hochlegierten Werkstoffe muss die Stromstärke reduziert werden. Die empfohlen Stromstärken lassen sich auch auf den Verpackungen der Elektroden finden.

Fehler beim Lichtbogenhandschweißen und deren Vermeidung

Es gibt verschiedene Fehlerquellen für das Lichtbogenhandschweißen. Doch mit dem richtigen Vorgehen lassen sich diese vermeiden. Im Detail sieht das Ganze so aus:

Die Bildung von Blasen

Beim Schweißen mit Gleichstrom kann es zur Bildung von Blasen kommen. Dabei handelt es sich um die Einschlüsse von Schlacke, um ein mangelhaftes Durchschweißen oder einen nicht ausreichenden Einbrand. All diese Fehler lassen sich auf Magnetfelder zurückführen, welche ein gleichmäßiges Schweißen erschweren kann. Damit erfolgt die Ablenkung des Lichtbogens, was dann ein gleichmäßiges Schweißen erschwert oder verhindert.

Magnetfelder ergeben sich zum Beispiel aus großen Stahlmassen. Dabei wird der Lichtbogen in die Richtung der Masse abgelenkt. Dagegen hilft es, die Elektrode zu neigen. Auch kann durch extra Stahlmasse oder ein Verlegen des Anschlusspunktes eine Ablenkung verhindert oder ausgeglichen werden.

Das Rücktrocknen

Basische Elektroden weisen eine hygroskopische Wirkung auf. Das heißt, sie lieben es, Wasser zu binden. Daraus entsteht dann Wasserstoff, welcher sich im Schweißgut ablagert. Das gilt jedoch zu verhindern. Daher ist es wichtig, die Elektroden richtig zu lagern. Auch kann man sie rücktrocknen, indem man sie für 30 bis 120 Minuten bei 250 bis 350 °C hält. Auch gibt es dafür Angaben zu den Herstellern, die zu befolgen sind.

Fehlerhafte Schweißnähte

Schweißnahtfehler können von Einbrandkerben bis zu Schlackeinschlüssen reichen. Einbrandkerben treten immer dann auf, wenn die Stromstärke für das Schweißen zu hoch eingestellt wurde. Auch kann es an einer zu steilen Haltung der Elektrode bzw. an einem Lichtbogen liegen, der zu lang ist.

Einschlüsse von Schlacke geschehen immer dann, wenn die Reste der Schlacke überschweißt wurde. Auch ist es eine Folge einer zu geringen Stromstärke oder eine zu hohen Schweißgeschwindigkeit.

Ist die Oberfläche des Werkstückes nicht sauber, kann es zu Gaseinschlüssen kommen. Ebenso kann dies durch eine Umhüllung der Elektrode geschehen, wenn diese feucht wurde. Eine weitere Ursache kann in einem zu langen Lichtbogen bestehen.

Endkrater bilden sich, wenn die Elektrode zu schnell aus dem Schmelzbad gezogen wird. Darüber hinaus besteht eine Gefahr, dass sich Schrumpfrisse bilden, wenn eine zu große Stromstärke verwendet wurde. Das gleiche geschieht bei schlechten Werkstoffen oder einer zu schnellen Abkühlung. Die Risse bilden sich dann gewöhnlich am Übergang der Naht.

Ist der Stirnflächenabstand zu groß gewählt, kann Schlacke in den Wurzelbereich eintreten. Das führt dann zu Wurzelfehlern in der Schweißnaht, die diese deutlich schwächen.

Der Arbeitsschutz beim Lichtbogenhandschweißen

Das Lichtbogenhandschweißen ist ein manueller Arbeitsvorgang. Dabei ist der Schweißer besonderen Risiken ausgesetzt, die einen entsprechenden Arbeitsschutz unabdingbar machen. Dieser beginnt konkret bei der Strahlung, die sich in 3 Arten unterteilen lässt: sichtbares Licht, infrarotes Licht und die ultraviolette Strahlung.

Schweißschirme bieten einen guten Schutz, sowohl vor den sichtbaren, als auch vor den unsichtbaren Lichtstrahlen. Alternativ lassen sich auch Schweißhelme bzw. automatische Schutzhelme mit entsprechend getönten Schutzgläsern verwenden. Die Arbeitskleidung muss einen UV-Schutz gegen das Verblitzen bieten.

Eine weitere Gefahrenquelle stellen Teile der Schlacke, die wegspringen dar. Diese können vor allem zu Augenverletzungen führen. Hinzu kommen Schweißtropen, die die Sicht einschränken können. Gegen beides helfen Schutzbrillen mit einem seitlichen Schutz bzw. Freisichtschirme.

Die beim Schweißen entstehenden Gase und der Rauch stellen eine weiter Risikoquelle dar. Je nach verwendeter Elektrode können die Gase dabei inert, giftig oder sogar krebserzeugend sein. Daher ist beim Arbeiten in Räumen darauf zu achten, dass diese gut belüftet sind und die vorhandene Luft in engen Räumen abgesaugt wird, um die Belastung unterhalb der zulässigen Konzentration zu halten.

Dann ist da noch der Strom selbst. Selbst ohne eine Lichtbogen ist der Strom als Leerlaufspannung im Werkstück und der Schweißleitung vorhanden. Auch ist er zwischen den Backen des Elektrodenhalters zu finden und an der Anschlussklemme und in der Werkstückleitung. Jede Berührung kann zu Stromschlägen mit einem tödlichen Ausgang führen. Daher müssen Schuhe mit einer Entsprechenden Isolierung, geeignete Arbeitskleidung und Lederhandschuhe getragen werden.