Lichtbogenschweißen – Funktionsweise: Lichtbogen, Schmelzbad, Schweißnaht

Lichtbogenschweißen nutzt die Wärme eines elektrischen Lichtbogens (3000–6000 °C) zum Schmelzen von Grund- und Zusatzwerkstoff. Dieser Artikel erklärt die physikalischen Grundlagen des Prozesses: Stromkreis, Lichtbogenphysik, Schmelzbaddynamik, Erstarrung und Schutzmechanismen.

Der elektrische Stromkreis

Zwei Kabel von der Stromquelle (Wechsel- oder Gleichstrom):

• Elektrodenkabel: Mit Elektrodenhalter (Stabelektrode) oder Brenner (Draht) verbunden. Führt Strom zur Elektrode.
• Massekabel (Erde): Mit Werkstück (oder Maschinentisch) verbunden. Schließt Stromkreis über Werkstück.

Wichtig: Massekabel muss guten Kontakt haben (blankes Metall, nah an Naht) → stabiler Bogen, keine Streuströme (Korrosion, Schäden an Lagern/Elektronik).

Lichtbogenentstehung & -erhaltung

1. Anzünden: Elektrode berührt Werkstück (Kurzschluss) → hoher Strom → Aufheizen der Berührungsstelle → Abheben (Lichtbogenlänge ~1–4 mm) → Gasentladung ionisiert Spalt → Lichtbogen brennt selbsttragend.
2. Bogenaufrechterhaltung: Thermionische Emission (Kathode) + Stoßionisation (Gas) → Ladungsträger. BogenSpannung U_B = 15–40 V (je nach Prozess, Länge, Gas).
3. Leistung: P = U_B × I. Energie konzentriert in winziger Zone (Bogensäule, Kathoden-/Anodenfleck).

Wärmeverteilung & Schmelzbad

• Anodenwärme (Werkstück bei DC+ / Elektrode bei DC-): ~60–70 % der Bogenleistung. Schmelzt Grundwerkstoff, bildet Schmelzbad.
• Kathodenwärme (Elektrode bei DC+ / Werkstück bei DC-): ~30–40 %. Schmilzt Zusatzwerkstoff (Draht/Stabelektrode).
• Strahlung & Konvektion: ~10–20 % Verlust.

Polarität:

• DC+ (Elektrode +): Mehr Wärme im Werkstück → tieferer Einbrand (Standard für Stabelektrode, MIG/MAG, WIG DC-).
• DC- (Elektrode -): Mehr Wärme in Elektrode → höhere Abschmelzleistung, geringerer Einbrand (WIG für Al/Mg mit Wechselstrom).
• AC: Wechselnd. Für Al (WIG) – Oxydhautdurchbruch in positiver Halbwelle, Eindringen in negativer.

Schmelzbaddynamik & Tropfenübergang

Zusatzwerkstoff (Draht, Stab, Kern) schmilzt ab → Tropfen bilden → Übergang in Schmelzbad.

• Kurzlichtbogen (Dip Transfer / Short Circuit): Tropfen berührt Bad → Kurzschluss → magnetische Kneifkraft reißt Tropfen ab. Niedrige Stromstärke, alle Positionen. Spritzer!
• Sprühlichtbogen (Spray Arc): Feine Tropfen (durch magnetische Kneifkraft) bei hohem Strom/Spannung. Nur PA/PB. Hoher Wärmeeintrag.
• Pulslichtbogen: Grundstrom (kein Übergang) + Pulsspitze (gezielt 1 Tropfen). Kontrolliert, wenig Spritzer, alle Positionen, weniger Wärmeeintrag.
• Globulär (Globular): Große Tropfen (Schwerkraft). Unstabil, viel Spritzer. Vermeiden.

Schutz des Schmelzbades

Flüssiges Metall reagiert heftig mit Luft (O₂, N₂, H₂O) → Oxide, Nitride, Poren, Versprödung. Schutz durch:

• Schutzgas (MIG/MAG, WIG, PAW): Inert (Ar, He) oder aktiv (CO₂, O₂). Verdrängt Luft um Bogen & Bad.
• Schlacke (E-Hand, Fülldraht, UP): Flussmittelbestandteile der Elektrode/Drahtes schmelzen → flüssige Schlacke deckt Bad ab → erstarrt als Schutzschicht. Muss nach jedem Lagenwechsel entfernt werden.
• Kombination (FCAW-G, MIG mit Flussmittel): Gas + Schlacke.

Erstarrung & Nahtbildung

Nach Vorbeibewegen des Bogens kühlt Schmelzbad ab → Erstarrung (dendritisch, epitaktisch von Grundwerkstoff-Korngrenzen). Gefüge: Spaltenkristalle (Rand) → Gleichkörnige Zone (Mitte). Abkühlgeschwindigkeit & Wärmeeintrag bestimmen Korngröße, Segregation, Verzug, Restspannungen. Metallurgische Bindung = Kristallkontinuität über Nahtgrenze.

Praxisrelevante Parameter

Parameter	Einfluss	Einstellung
Stromstärke (I)	Einbrandtiefe, Abscheideleistung, Tropfenübergang	Draht-Ø, Nahtdicke, Position, Geschwindigkeit
Spannung (U) / Bogenlänge	Nahtbreite, Einbrandprofil, Tropfenübergang, Spritzer	Synergielinie / manuell (CV-Quelle)
Vorschubgeschwindigkeit (v_d)	Abscheideleistung, Lichtbogenlänge (bei CV)	Passend zu I (Synergie)
Schweißgeschwindigkeit (v_w)	Wärmeeintrag (E = U×I/v_w), Nahtgeometrie, Verzug	Prozess, Dicke, Position
Schutzgas / Flussmittel	Bogenstabilität, Metallurgie, Porosität, Nahtoptik	Werkstoff, Prozess, Position

Das Verständnis der Lichtbogenphysik (Stromkreis, Polartität, Tropfenübergang, Schutz) ist die Basis für Prozessbeherrschung, Fehlersuche (Porosität, Einbrandfehler, Spritzer) und Parameteroptimierung. Moderne Inverterquellen mit Synergiekennlinien und Pulsfunktionen automatisieren einen großen Teil – aber die physikalischen Gesetzmäßigkeiten bleiben die Grundlage.