Das Lichtbogen-Handschweißen ist eines der ältesten Schweißverfahren, das sich durch einen geringen Investitionsbedarf und universelle Anwendung auszeichnet.

Die Besonderheit beim Lichtbogen-Handschweißen, auch Elektrodenschweißen oder E-Hand-Schweißen genannt, ist die große Palette an Werkstoffen, bei denen das Verfahren eingesetzt werden kann. Die ersten Stabelektroden waren nicht umhüllt und daher schwer zu verschweißen. Später wurden die Elektroden mit Stoffen umhüllt, die das Schweißen erleichterten.

 

DIE ZAHL

1891

Das Lichtbogen-Handschweißen ist eines der ältesten elektrischen Schweißverfahren für metallische Werkstoffe. Nikolai Gawrilowitsch Slawjanow ersetzte 1891 die bis dahin zum Lichtbogenschweißen üblichen Kohleelektroden durch einen Metallstab, der gleichzeitig Lichtbogenträger und Schweißzusatz war.

 

1. Verfahrensprinzip

Das Lichtbogen-Handschweißen, auch E-Handschweißen genannt, ist ein Schmelzschweißverfahren, bei dem ein Lichtbogen zwischen einer manuell geführten umhüllten Stabelektrode und dem Werkstück brennt. Die Stabelektrode ist gleichzeitig Lichtbogenansatzpunkt und Zusatzwerkstoff. Die Umhüllung setzt während des Schweißprozesses Gase und Schlacken frei, die sich schützend über das Schmelzbad legen. Gleichzeitig werden der Lichtbogen und die Elektrode selbst gegenüber atmosphärischen Einflüssen abgeschirmt. Die sich bildende Schlacke formt und schützt die Naht. Es können Materialdicken > 1,5mm in allen Schweißpositionen an un-, niedrig- und hochlegierten Stählen sowie Gusswerkstoffen verschweißt werden. Die maximale Abschmelzleistung liegt bei 3kg/h.

2. Schweißstromquellen

Grundsätzlich ist das E-Handschweißen mit Gleich- und Wechselstrom möglich, jedoch werden Gleichstromquellen bevorzugt. Die Umhüllungsart bestimmt die zu verwendende Stromart. Als Schweißstromquellen kommen sowohl Schweißumformer, Schweißtransformatoren und Schweißgleichrichter als auch Schweißumrichter und Inverter zum Einsatz, die über eine steil fallende Kennlinie verfügen. Die zur Verfügung gestellte Stromstärke sollte etwa 250 A bei einer Einschaltdauer von 60   betragen, sodass Elektroden mit einem Kernstabdurchmesser von 5 mm verarbeitet werden können. Die einzustellende Stromstärke richtet sich nach Grundwerkstoffdicke und Fugenart. In Abhängigkeit von Durchmesser und Länge der Elektroden ist die Strombelastbarkeit begrenzt. Die Hersteller geben für Elektroden einen unteren und oberen Belastungswert an, der einzuhalten ist.

 

Durchmesser und Längen

Durchmesse in mm Nennmaß

Zulässige Abweichung

Länge in mm Nennmaß

Zulässige Abweichung

1,6

+/- 0,6

200 – 350

+/- 3

2,0

+/- 0,6

200 – 350

+/- 3

2,5

+/- 0,6

200 – 350

+/- 3

3,2

+/- 0,10

350 - 450

+/- 3

4,0

+/- 0,10

350 – 450

+/- 3

5,0

+/- 0,10

350 – 450

+/- 3

6,0

+/- 0,10

350 - 450

+/- 3

 

 

3. Zubehör

Wie bei allen Lichtbogenverfahren ist für den Prozess ein geschlossener Stromkreis erforderlich. Deshalb werden Stromkabel, Elektrodenhalter und Massezange benötigt. Der Elektrodenhalter ist das Werkzeug des Schweißers: Er muss leicht, handlich und vollisoliert sein und ein schnelles und sicheres Einspannen der Elektrode ermöglichen. Für die Stromkabel ist ein ausreichender Leitungsquerschnitt maßgebend, damit der ohmsche Widerstand, und somit der Spannungsabfall, gering bleibt. Abhängig von der Stromstärke stehen üblicherweise folgende Leitungsquerschnitte zur Verfügung:

→ 25 mm², 35 mm², 50 mm² und 70 mm²

Alle Anschlüsse müssen einwandfrei fixiert und sauber sein. Die Massezange dient dem Anschluss des Stromleiters an das zu schweißende Werkstück und sie muss fest und gut leitend angebracht werden können.

 

Elektrodentypen

Umhüllte Stabelektroden bestehen aus einem Kernstab und einer mittels Bindemittel gebundenen überwiegend mineralischen Umhüllung. Bei unlegierten Stabelektroden werden üblicherweise unlegierte, weiche Kerndrähte verwendet und die Umhüllung enthält die Legierungselemente zur Einstellung der Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften. Hochlegierte Stabelektroden werden unterschieden in kernstab- und hüllenlegierte Sorten. Die Dicke und Zusammensetzung der Umhüllung wirken sich wesentlich auf wichtige Kenngrößen aus; dies sind: mechanische Gütewerte, Heiß- und Kaltrissbildung, Schweiß- und Zündverhalten, Werkstoffübergang, Spaltüberbrückbarkeit, Nahtaussehen und Einbrandtiefe. Es gibt dünn-, mitteldick- und dickumhüllte Stabelektroden.

Umhüllungstypen

Typ

Umhüllung

A

Sauer

C

zellulose

R

rutil

RR

Dick rutil

RC

Rutilzellulose

RA

Rutilsauer

B

Basisch

 

Die aufgezeigte Vielfalt von Umhüllungstypen kommt bei legierten und hochlegierten Stabelektroden nicht vor, hier unterscheidet man beispielsweise bei Stabelektroden zum Schweißen nichtrostender Stähle nur zwischen basischen Typen und Rutilelektroden.

 

Die richtige Stabelektrode auswählen

In Abhängigkeit von der gestellten Schweißaufgabe erfolgt die Auswahl des Elektrodentyps.

Typ C (zellulose)

Zelluloseumhüllte Stabelektroden sind in allen Positionen gut verschweißbar und besonders für das Schweißen in Fallnahtpositionen geeignet. Sie enthalten organische Substanzen, vor allem Zellulose, in ihrem Mantel. Ein typisches Anwendungsgebiet ist das Fallnahtschweißen von Rohrleitungen und Großpipelines. Die Schweißgeschwindigkeit, Abschmelzleistung und der Einbrand sind hoch. Duch den grobtropfigen Werkstoffübergang ist die Staltüberbrückbarkeit gut. Das Nahtaussehen ist grobschuppig. Die C-Elektrode erfordert hohe Brennspannungen und ist daher nicht für alle Schweißgeräte geeignet.

Typ RA (rutilsauer)

Diese Stabelektroden haben eine hohe Abschmelzleistung und sich sehr hoch strombelastbar. Der Werkstoffübergang ist feintropfig, dies führt zu konkaven glatten Nähten und sicherem Erfassen des Wurzelpunkte bei Kehlnähten. Durch niedrigen SI-Gehalt sind sie sehr gut für anschließendes Verzinken, Emallieren und Gummieren geeignet. Die Schlacke lässt sich leicht entfernen.

Typen R, RR

Stabelektroden des Rutiltyps werden für das Schweißen von dünnen Blechen verwendet und eignen sich für alle Schweißpositionen mit Ausnahme der Fallnahtposition. Sie zeichnen sich durch einen weniger feinen Tropfenübergang im Vergleich zu den dick rutilumhüllten Elektroden (RR) aus. Elektroden vom Typ RR erzeugen Schweißnähte mit gleichmäßiger und feinschuppiger Oberfläche bei sehr guter Schlackenentfernbarkeit.

Typ RC (rutilzellulose)

Die rutilzellulose-Elektrode erzeugt ein zähflüssiges Schmelzbad. Durch den Zelluloseanteil entsteht weniger Schlacke, sodass diese Elektrode für die Fallnahtschweißung von Kehlnähten im Metallbau (nicht Stumpfnähte an Rohren) geeignet ist. Wegen ihrer universellen Einsetzbarkeit wird sie besonders häufig unter Montagebedingungen verwendet.

Typ RB (rutilbasisch)

Dieser Elektrodentyp ist durch einen mitteltropfigen Werkstoffübergang, gute Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften und sehr gute Positionsverschweißbarkeit gekennzeichnet. In Kombination mit der hohen Abschmelzleistung kommt diese Elektrode häufig im Rohr- leitungs- und Stahlbau bei Zwangslagenschweißungen und Wurzelschweißungen zum Einsatz.

Typ B (basisch)

Basische Elektroden erzielen ein Schweißgut mit hoher Kerbschlagarbeit besonders bei tiefen Temperaturen. Die hohe Risssicherheit des Schweißgutes ist auf dessen hohen metallurgischen Reinheitsgrad zurückzuführen. Zum Einsatz kommen die basischen Elektroden zum Beispiel bei Stählen mit eingeschränkter Schweißeignung oder großen Wanddicken. Unter der Voraussetzung, dass trockene Stabelektroden (Rücktrocknen) verwendet werden, ist eine geringe Kaltrissneigung zu erwarten. Basischumhüllte Stabelektroden sind für das Schweißen in allen Positionen, ausgenommen Fallposition, geeignet. Der Werkstoffübergang ist grobtropfig.

 

4. Der Schweißprozess

Zu Beginn des Schweißprozesses wird der Lichtbogen gezündet, indem man mit der Elektrode kurzzeitig das Werkstück berührt und anschließend durch ein leichtes Zurückbewegen den Lichtbogen ausbildet. Bei basischen Elektroden wird häufig auch eine streichende Bewegung auf dem Werkstück empfohlen, damit möglichst keine Teilchen aus der spröden Umhüllung abplatzen können. In jedem Fall muss darauf geachtet werden, dass Zündstellen wieder überschweißt werden und nicht außerhalb des Schweißbereiches liegen.

 

Das richtige Führen der Elektrode

Die Elektrode wird quer zur Schweißrichtung senkrecht angestellt und in Schweißrichtung schräg gehalten mit einem Winkel bis zu etwa 45 Grad.

 

Tipp: Für die Lichtbogenlänge lässt sich als Faustformel angeben, dass sie für alle Elektrodenarten außer der basischen Elektrode etwa gleich dem Kernstabdurchmesser sein sollte. Basische Elektroden müssen mit sehr kurzen Lichtbogen verschweißt werden. Der Abstand beträgt hier nur "Kernstabdurchmesser x 0,5". Es wird gewöhnlich in Strichraupentechnik gearbeitet, selten mit geringer Pendelbewegung schleppend geschweißt. Eine Ausnahme ist das Schweißen in Steignahtposition, die immer pendelnd mit stechend angestellter Elektrode ausgeführt wird.

 

Wichtige Schweißparameter

Die Spannung wird von der Stromquelle automatisch angepasst. Die beim Schweißen maximal einstellbare Stromstärke ist von der Strombelastbarkeit der Elektro- den abhängig. Diese hängt direkt mit dem ohmschen Widerstand des Kernmaterials zusammen. Zu hohe Strom- stärken erwärmen die Elektroden so stark, dass die Umhüllung abplatzen kann oder ausglüht. Andererseits ist eine gewisse minimale Stromstärke notwendig, damit die Elektrode richtig abbrennt.

 

Durchmesser in mm (d)

Länge in mm

Stromstärke in Ampere

Faustregel für Stromstärke in Ampere

2,0

250 / 300

40 – 80

20 – 40 x d

2,5

350

50 – 100

20 – 40 x d

3,2

350 / 400

90 – 150

30 – 50 x d

4,0

350 / 400

120 – 200

30 – 50 x d

5,0

450

180 – 270

30 – 50 x d

6,0

450

220 – 360

35 – 60 x d

 

Die unteren Grenzwerte der Stromstärken sind für das Schweißen von Wurzellagen und in Zwangspositionen vorgesehen, die oberen Grenzwerte für die Positionen PA, PB sowie für Füll- und Decklagen.

Hinweis: Die in der Tabelle angegebenen Grenzwerte der Stromstärke gelten für unlegierte Werkstoffe. Hoch- legierte Werkstoffe werden bei geringeren Stromstärken verschweißt. Auf jeder Elektrodenverpackung ist der empfohlene Stromstärkenbereich durch den Hersteller angegeben.

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