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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):

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

Polarität:

Schmelzbaddynamik & Tropfenübergang

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

Schutz des Schmelzbades

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

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

ParameterEinflussEinstellung
Stromstärke (I)Einbrandtiefe, Abscheideleistung, TropfenübergangDraht-Ø, Nahtdicke, Position, Geschwindigkeit
Spannung (U) / BogenlängeNahtbreite, Einbrandprofil, Tropfenübergang, SpritzerSynergielinie / manuell (CV-Quelle)
Vorschubgeschwindigkeit (v_d)Abscheideleistung, Lichtbogenlänge (bei CV)Passend zu I (Synergie)
Schweißgeschwindigkeit (v_w)Wärmeeintrag (E = U×I/v_w), Nahtgeometrie, VerzugProzess, Dicke, Position
Schutzgas / FlussmittelBogenstabilität, Metallurgie, Porosität, NahtoptikWerkstoff, 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.

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