Lichtbogenschweißen Grundlagen: Ein Leitfaden für Einsteiger

Was ist Lichtbogenschweißen?

Lichtbogenschweißen verbindet Teile dauerhaft, indem eine Stromquelle einen elektrischen Lichtbogen zwischen einer Elektrode im Brenner und dem Werkstück erzeugt. Der Lichtbogen ist ein elektrischer Strom, der durch eine ionisierte Gassäule zwischen zwei Elektroden fließt und Hitze erzeugt, die stark genug ist, Metall zu schmelzen.

Die Hitze entsteht durch eine negativ geladene Kathode und eine positiv geladene Anode. Negative und positive Ionen prallen in der Plasmasäule beschleunigt aufeinander. Die Elektrode ist typischerbar ein speziell vorbereiteter Stab oder Draht, der nicht nur den Strom leitet, sondern auch schmilzt und Zusatzwerkstoff zur Naht liefert.

Der Lichtbogen bildet sich zwischen Werkstück und Elektrode (Stab oder Draht), die entlang der Naht geführt wird. Er liefert die Hitze zum Schmelzen von Elektrode und Grundwerkstoff und manchmal auch den Transport des geschmolzenen Metalls von der Elektrodenspitze zum Werkstück.

Diese intensive Hitze (ca. 3600 °C an der Spitze) lässt Grundwerkstoff und Elektrode schmelzen und sich mit geschmolzenem Zusatzwerkstoff vermischen. Beim Verbrauchselektrodenschweißen lösen sich geschmolzene Tropfen ab und werden durch die Lichtbogensäule zum Werkstück transportiert.

Bei Kohlenstoff- oder WIG-Schweißen gibt es keine geschmolzenen Tropfen, die über den Spalt gedrückt werden; Zusatzwerkstoff wird von einem separaten Stab oder Draht in die Naht geschmolzen.

Der entstehende Schmelzbad („Krater“) erstarrt hinter der Elektrode (siehe „Schlacke“ unten), während diese entlang der Naht bewegt wird. Das Ergebnis ist eine metallurgische Fusionsverbindung, deren Festigkeit der des Grundwerkstoffs ähnelt. Dies unterscheidet sich von nicht-schmelzenden Fügeverfahren, bei denen die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Grundwerkstoffe an der Naht nicht reproduziert werden können.

Metallübertragung erfolgt auf zwei Arten: Oberflächenspannungsübertragung (Tropfen berührt Schmelzbad und wird durch Oberflächenspannung hineingezogen) oder Sprühlichtbogen (Tropfen wird durch elektrischen Pinch-Effekt von der Elektrodenspitze zum Schmelzbad geschleudert – ideal für Überkopfschweißen).

Stromversorgung beim Lichtbogenschweißen

Ein Basis-Lichtbogenschweißkreis beinhaltet eine Stromquelle. Es muss ein ionisierter Pfad für die Elektrizität über den Spalt und eine Zündung geben, um den Lichtbogen zu starten. Meist durch Anlegen einer ausreichend hohen Anfangsspannung zum Auslösen einer Entladung oder durch kurzes Berühren der Elektrode mit dem Werkstück und anschließendes Abheben, sobald der Kontaktbereich erhitzt ist.

Beim Schweißen kann Gleichstrom (DC) mit positiver oder negativer Elektrode oder Wechselstrom (AC) verwendet werden. Die Wahl von Stromart und Polarität hängt vom Verfahren, Elektrodentyp, Lichtbogenatmosphäre und zu schweißendem Metall ab. Die nötige Stromquelle ist mit notwendigen Kontrollen ausgestattet und über ein Werkstückkabel mit dem Werkstück verbunden.

Lichtbogenschutz

Lichtbogenschutz ist notwendig, da Metall bei hohen Temperaturen chemisch reaktiver ist. Das Verfahren deckt Lichtbogen und Schmelzbad mit einem Schutzgasschild ab. Schutzgas verhindert Verunreinigungen beim Fügen, sichert die Schweißnahtfestigkeit und minimiert Nachbearbeitung.

Robotergestütztes Lichtbogenschweißen

Seit den 1980er Jahren ist Schweißautomatisierung ein robuster, ausgereifter Prozess. Sie hat sich rasant entwickelt und erfüllt anspruchsvolle Produktionsanforderungen schnell, wirtschaftlich, effizient, zuverlässig und schützt Arbeiter vor gefährlichen Aufgaben.

Sechsachs-Robotersysteme können menschliche Armbewegungen in einer Zelle nicht nur nachahmen, sondern den Brenner exakt dort positionieren, wo er für die effizienteste, wiederholbare Position nötig ist.

In nahezu jeder Industrie, groß oder klein, ist Schweißen das Hauptverfahren für Fertigung und Reparatur praktisch jeder Anwendung. Roboterschweißen umfasst Lichtbogenschweißen, MIG, WIG, Laserschweißen und Punktschweißen.

Diese Vorteile lassen den Schweißroboter-Markt schneller wachsen als jeder andere Industrieroboter-Bereich. Allein der automatisierte Schweiß- und Zubehörbereich wurde 2017 auf 1,9 Mrd. USD geschätzt.

Vorteile des Roboterschweißens

• Geschwindigkeit: Roboterschweißsysteme arbeiten kontinuierlich 24/7 ohne Pausen. Weniger Handling als bei manuellen Zyklen bedeutet höhere Lichtbogenzeit und typischerweise 2- bis 4-fachen Output-Anstieg. Deutlicher Durchsatz- und Produktivitätszuwachs.
• Genauigkeit: Robotersysteme machen weniger Fehler als manuelles Schweißen, reduzieren Material- und Zeitverschwendung. Schlanke Arme erreichen schwierige, enge Stellen.
• Konsistenz: Vorschriften und Genauigkeit erzeugen extrem konsistente Schweißnähte – gleichbleibende Produktqualität bei jedem Teil.
• Sicherheit: Schweißen ist gefährlich (Blitz, Dämpfe, Funken, Hitze). Automatisierung schützt Arbeiter, da Roboter diese Gefahren aushalten. Entschädigungsansprüche sinken.
• Kostensenkung: Manuelles Schweißen erfordert Zeit, Geschick, Konzentration. Roboterschweißen spart Zeit, direkte Arbeitskosten, Energie (weniger Anläufe), Material. Versicherungs- und Unfallkosten sinken. Hilft, wettbewerbsfähig gegenüber Niedriglohnländern zu bleiben.
• Qualität: Exzellente Bahnfolggenauigkeit, korrekter Brennerwinkel, -geschwindigkeit, -abstand bei hoher Wiederholgenauigkeit (± 0,04 mm). Optimale Schweißbedingungen für jede Naht, konsistente Hochqualität 24/7, weniger Nacharbeit, Ausschuss, Drahtverbrauch, Spritzerentfernung.
• Arbeitsmarkt: Manuelles Schweißen bleibt teilweise nötig, bringt aber Herausforderungen: Ausbildung, Rekrutierung, hohe Fluktuation. Robotik bringt Stabilität und Verlässlichkeit.
• Flexibilität: Roboter schweißen MIG, WIG, SMAW, FCAW, SAW, PAW – schnelle Umrüstung für Produktvielfalt.
• Platzbedarf: Bei gleichem Output benötigt der Roboter weniger Stellfläche als manuelle Schweißplätze.

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