Definition eines elektrischen Lichtbogens
ist eine sich selbst erhaltendeGasentladung zwischen zwei Elektroden die eine ausreichend hohe elektrische Potentialdifferenz (= Spannung) aufweisen muss, um durch Stoßionisation die benötigte hohe Stromdichte aufrechtzuerhalten. Die Gasentladung bildet ein Plasma, in dem die Teilchen (Atome oder Moleküle) zumindest teilweise ionisiert sind. Die freien Ladungsträger haben zur Folge, dass das Gas elektrisch leitfähig wird.
Voraussetzungen und Realisierung für die Bildung eines Lichtbogens
Elektrische Spannung Elektrische Spannung (2 elektrode)(in kV bereich) Ausreichend elektrische Leistung Gas zwischen den Elektroden- Leicht zu ionisieren- Möglichst keine unerwünschten Reaktionen mit Grundwerkstoff und Zusatzwerkstoff- Schweißstelle und Tropfen schützen Realisierung: Umspülen mit einem Schutzgas- Argon- Helium- Kohlendioxid- Mischungen aus Diesen Freisetzen von Gasen aus einer mineralischen Schlacke- CO2-Bildung durch thermischen Zerfall von Carbonaten
Leistung und Leistungsdichte in einem elektrischen Lichtbogen
Refer to figure 1
nutzt den elektrischen Lichtbogen als Wärmequelle zum Aufschmelzen Grund und Zusatzwerkstoff. Es wird elektrische Leistung (Strom * Spannung) in Wärmeenergie umgewandelt. Die gezeigte Kurve (Vorsicht: im Bereich Anode und Kathode ist die Kurve nicht maßstäblich, auch die Kurven selber sind nur qualitativ zu betrachten) der lokal umgesetzten Leistung verdeutlicht, das ein relativ hoher Anteil der elektrischen Leistung in den Elektrodenfallgebieten umgesetzt wird, d.h. dort entwickelt sich auch ein hoher Anteil der Wärme und kann praktischerweise direkt zum Aufschmelzen des Grundwerkstoffs bzw. eines eventuellen Zusatzwerkstoffes, der die zweite Elektrode bildet genutzt werden. Die Wärmenergie aus der Lichtbogensäule wirkt dagegen nur indirekt durch Strahlung undWärmeleitung auf Grund und Zusatzwerkstoff.
Was is Blaswirkung und die Ursachen
Der Lichtbogen erscheint wie durch eine Luftbewegung weggeblasen, der Effekt wird daher von den Schweißern „Blaswirkung“ genannt. Blaswirkung verschiebt also den Lichtbogenfußpunkt und damit den Ort der Wärmeentstehung und kann zu Schweißfehlern führen Ursachen Die Lichtbogensäule ist ein elektrischer Leiter und verfügt als solcher über ein ihn umgebendes magnetisches Feld. Darüber hinaus ist sie vergleichsweise wenig steif, kann also mit Hilfe vergleichsweise leinen Kräften ausgelenkt werden. Aus diesem Grund wird der Lichtbogen von magnetischen Massen angezogen. Ungleichgewichte in der Verteilung des magnetischen Feldes, wie sie beispielsweise durch den abknickenden Strompfad beim Schweißen an der Werkstückkante hervorgerufen wird , führen ebenfalls zu einer Kraftwirkung auf den Lichtbogen, der jetzt von der Kante weg zieht.
Abhilfemaßnahmen gegen Blaswirkung
Die Elektrode kann entgegen der Wirkung der Blaswirkung geneigt werden, die geringe Eigensteife der Lichtbogensäule wirkt dann den magnetischen Kräften entgegen durch zusätzliche Stahlmassen den Lichtbogen wieder „gerade zu ziehen“. Maschinenschweißungen (schwierige) wo wo der Lichtbogen nicht ständig vom Schweißer beobachtet und korrigiert wird: - möglichst gleichmäßige Stromverteilung zu sorgen
Ablenkung des Lichtbogens
Lichtbogen ausrichtet in engen Spalten und Schweißnahtvorbereitungen dem Weg des geringsten (elektrischen) Widerstandes folgend seitlich auf die Nahtflanken, wegen - begrenzte Richtwirkung des Lichtbogens in axialer Richtung der im Brenner befindlichen Elektrode- geringe Eigensteifigkeit der Plasmasäule Auswirkung: Lichtbogenfußpunkt mit seiner intensiven Wärmeentwicklung nicht mehr kontrolliert auf die Wurzel der Schweißnaht einwirkt Wurzelbindefehler Vermeiden durch: V-, Y- und X-Nahtvorbereitungen mit entsprechend großen Öffnungswinkeln (40-60°) ausreichend breite U-Nahtvorbereitungen mit großzügig angelegten Ausrundungen im Bereich der Wurzellage
Nahtvorbereitung günstig und ungüstig bsp
figure 2
Vermeidung von Verzug
Kleine Nahtvolumina /Mehrlagenschweißungen Früh aussteifen Symmetrische Nahtanordnung
Wolfram-Inertgasschweißen (WIG-Schweißen) Verfahrents prinzip
figure
Grundwerkstoff Wolframelektrod Spanzange Schutzgasdüse mit Gasverteiler Schweißnaht Schmelzbad Lichtbogen Schutzgasabdeckung Schutzgasversorgung Schweißenergiequelle schweißstab Statt der Gasflamme erzeugt hier ein elektrischer Lichtbogen die Wärme brennt zwischen dem Grundwerkstoff und einer nicht abschmelzenden nadelförmigen Wolframelektrode in einer vom Schutzgas umströmten Atmosphäre Die Wolframnadel sitzt in einer Spannzange und ist über diese mit dem - pol verbunden, während der Werkstück ist mit dem + pol verbunden Konzentrisch um die Spannzange sitzt die meist aus einer Keramik bestehende Schutzgasdüse mit einem Gasverteiler, die die Schweißstelle möglichst wirbelfrei mit Schutzgas umspült Zusatzwerkstoff wird wie beim Gasschmelzschweißen auch von außen in Form von Schweißstäben (oder entsprechende Drahtzuführungen) zugegeben Das heißt:+ Wärmezufuhr und Zusatzwerkstoffzufuhr sind in weiten Bereichen voneinander entkoppelt+ Wärmeeinbringung kann sehr variabel und gezielt erfolgen, was es ideal für die Schweißung dünner Bleche, Wurzellagen und auch Zwangslagen- niedrige Abschmelzleistung (der Zusatzwerkstoff wird mehr oder weniger tropfenweise eingebrach)- oft gegenüber produktiveren Verfahren unwirtschaftlich macht.
Stromquelle und Elektrode (WIG-Schweißen)
Stromart und daraus resultierend auch die Elektrodenform abhängig vom Material:Stahl: Alle Stähle aber z.B. auch Kupfer und sein Legierungen werden mit Gleichstrom verschweißt. Um möglichst hohe Stromdichten und damit leichteres Zünden sowie einen stabilen und gerichteten Lichtbogen zu erreichen, werden die Wolframelektroden mit einem Spitzenwinkel von etwa 30 bis 45° angeschliffen. Zur Verbesserung der thermischen Stabilität wird das Abplatten der ausgezogenen Spitze zu rund 10% des Elektrodendurchmessers empfohlen sind zugeschliffene Elektroden empfindlich gegen Überhitzung und werden daherbei Gleichstromprozessen am negativen Pol der Energiequelle betrieben Alluminium und Magnesium: bilden eine sehr dichte und hochschmelzende Oxidhaut, welche beim Schweißen aufgebrochen (vergleiche Abschnitt 4.3.3.2) werden muss Dies ist unter Argon als Schutzgas mit minusgepolter Elektrode nicht möglich Bei Pluspolung dagegen tritt ein Reinigungseffekt auf, der durch den Aufprall der positiv geladenen Ionen der Schutzgasatmosphäre auf die negativ geladene Werkstückoberfläche hervorgerufen wird, welche dort die Oxidhaut zerstören. Oberfläche austretenden Elektronen verstärkt den Effekt weiter Die Pluspolung der Elektrode würde jedoch zu deren baldiger Zerstörung führen Deshalb werden Aluminium und Magnesium mit Wechselstrom geschweißt, damit wird in der positiv gepolten Phase die Oxidhaut zerstört, während in der negativ gepolten Phase die Elektrodenspitze „abkühlen“ kann
(WIG-Schweißen) – Kriterien für die Anwendung
Vorteile Entkopplung von Wärme- und Zusatzwerkstoffeinbringung Gute Schmelzbadbeherrschbarkeit Sehr gute Abdeckung der Schweißstelle hochflexibel. können fast alle schweißbaren Werkstoffe verarbeitet werden Nachteile nur geringe Abschmelzleistung (geringer productivität) vergleichsweise teuer Anwendung: Wurzelschweißungen Dünnblechbereich Oxidationsempfindliche Werkstoffe Überall dort, wo die geringe Produktivität von den positiven Eigenschaftenhinsichtlich Verarbeitung und Nahtqualität überwogen werden… Werkstoffe (Blechdicken bis ca. 6 mm)Stähle Un- und niedriglegierte Stähle Hochlegierte Stähle Nichteisenmetelle Aluminium Kupfer Sondermetalle
WIG Schweißen Überblick
figure 8
Figure 9
Lichtbogenhandschweißen Verfahrensprinzip
Grundwerkstoff Schweißenergiequelle Elektrodenhalter Stabelektrode Umhüllung Kernstab Lichtbogen Tropfenübergang Scmelzbad Flüssige Schlack Erstarrte Schlack Schweißnaht Elektrode rennt beim Lichtbogenhandschweißen der Lichtbogen zwischen dem Grundwerkstoff und einer abschmelzenden Elektrode, die gleichzeitig den Zusatzwerkstoff bildet Schweißstromstärke und Zusatzwerkstoffeinbringung sind unmittelbar gekoppelt ein gewisser Einfluss kann nur über den Durchmesser der Elektrode genommen werden, je dünner die Elektrode ist, umso weniger elektrische Energie wird zum Abschmelzen benötigt Die stabförmige Elektrode wird in einen Elektrodenhalter eingespannt Die Schweißenergiequelle weist eine steil fallende Kennlinie auf, hält also den Schweißstrom trotz des kleiner werdenden Widerstandes der abschmelzenden Elektrode in etwa konstant und garantiert so gleichmäßiges Anschmelzen und gleichmäßigen Einbrand. Funktion des Schutzgases beim WIG-Schweißen wird von einer Schlacke übernommen, die beim Schmelzen der meist mineralischen Umhüllung der Stabelektrode gebildet wird
Lichtbogenhandschweißen Stromquelle (figure 10)
Als Schweißstromquellen kommen im einfachsten Fall Transformatoren zum Einsatz, die Wechselstrom zum Schweißen liefern. Ergänzt um einen Gleichrichter liefern sie auch Gleichstrom. Die Schweißstromeinstellung erfolgt bei Transformtoren über Stufenschalter, in Grenzen ist über Streukerne, die im Transformator höhere Verluste bewirken auch eine stufenlose Einstellung möglich. Transformatoren haben heute kaum noch Bedeutung, an ihre Stelle sind vielfach sogenannte Inverterstromquellen getreten, die leichter sind, einen besseren Wirkungsgrad aufweisen und elektronisch regelbar sind. Mit solchen Geräten sind dann auch individuelle Gerätekennlinien möglich, wie die abgebildete Stromüberhöhung bei niedrigen Schweißspannungen. Diese bewirkt bei zu kurzen Lichtbögen ein schnelleres Abschmelzen der Elektrode und damit das Auflösen dieses kritischen Zustandes. Solche Stromquellen werden gerne zum Fallnahtschweißen verwendet. Eine weitere Gruppe von Energiequellen für das Lichtbogenhandschweißen sind die sog. Umformer. Der Ursprung dieser Geräte stammt aus den Zeiten als noch keine leistungsfähigen Gleichrichterdioden zur Verfügung standen. Der Gleichstrom zum Schweißen wurde direkt mit Gleichstromgeneratoren erzeugt, die aus dem Netz mit Wechsel- oder Drehstrommotoren angetrieben wurden. Der Antrieb des Gleichstromgenerators kann jedoch auch mit einer Verbrennungsmaschine erfolgen, die dann auch noch einen 220V Generator für den Betrieb von Elektrowerkzeugen und Beleuchtung sowie einen Druckluftkompressor antreiben kann. So ausgerüstete Geräte sind dann ideal für den Baustelleneinsatz fernab stabiler elektrischer Netze geeignet.
Lichtbogenhandschweißen- Aufgaben der Umhüllung
Leitfähigkeit der Lichtbogenstrecke verbessern durch- Erleichtern des Zündens- Erhöhung der Lichtbogenstabilität Bilden einer Schlacke, welche- die Tropfengröße beeinflusst- den übergehenden Tropfen und das geschmolzene Schweißgut vor den Einflüssen der Luft schützt- die erstarrende Raupe formt Bilden einer Schutzgasatmosphäre- aus organischen Stoffen - aus Karbonaten (z.B. CaCO3) Desoxidieren und ggf. auflegieren Verwendung als Zusatzwerkstoff durch Einbringen von Metallpulver (bis zu 125% derMasse des Kernstabes) in der Umhüllung (Hochleistungselektrode)
4 Umhüllungstypen
Zellulosetyp C Saurer Typ A Rutiltyp R Basische typ B Rutil Von den Eigenschaften her ähnlich sind sich saurer und rutiler Typ, die beide einen sehr feintropfigen Werkstoffübergang aufweisen. feine Werkstoffübergang führt zu sehr glatten Nähten von denen sich die Schlacke sehr gut löst Im direkten Vergleich steht der rutile Typ in fast allen Eigenschaften etwas besser da (Vor allem bei der hervorragenden Verarbeitbarkeit) Saurer Die poröse Schlacke zerfällt leicht unter dem Schlackenhammer ist in der Folge sehr leicht aus engen und schmalen Spalten zu entfernen Eine rein sauer umhüllte Elektrode bietet demnach Vorteile, dort, wo die Schlackenur schwierig entfernt werden kann Basische ehr guten Zähigkeitseigenschaften der mit ihr erzeugten Schmelzgüter (Die basische Schlacke entfernt vor allem oxidische Unreinheiten der Schmelze) zünden sehr schlecht und sind deshalb schwierig zu verarbeiten großtropfiger Werkstoffübergang in Verbindung mit zähen Schmelzbäder produziert raue und unregelmäßige Nahtoberflächen, die die Schlacke festhalten muss an Gleichstrom verschweißt werden wir nur eingesetzt, wo die guten Zähigkeitseigenschaften benötigt werden, z.B. bei der Verschweißung hoch- und höherfester Stähl Zellulose hauptsächlich zu CO2 verbrennt, das dann die Schweißstelle schützt bildet daher kaum Schlacke aus vor allem bei Fallnahtschweißungen von Vorteil, wo die Schlacke vorlaufen und dann überschweißt werden kann Verbrennung der Zellulose setzt viel Rauch frei nur in sehr gut belüfteten Räumen oder im Freien eingesetzt werden kann auptsächliche Verwendung ist daher die Fallnahtschweißung bei der Pipelineverlegung, wo sie wegen ihrer guten Spaltüber-brückbarkeit überwiegend für die Wurzellagen verwendet wird.
Lichtbogenhandschweißen
Gedanken beim Kernstabdurchmessern und längen Auswahl und dadurch die notwendige Schweißstrom
Was ist die Ausziehelänge
Verschiedenen Kernstabdurchmessern und Längen-Vermeidung von unzulässig hoher Aufheizung infolge Widerstandserwärmung durch den Schweißstrom- zur Sicherstellung der Handhabbarkeit Der Kernstabdurchmesser bestimmtden zum Verschweißen notwendigen Schweißstrom (40*d ist hier ein guter Daumenwert). Ausziehlänge ist definiert als die Schweißnahtlänge, die mit einer Elektrode bei einer bestimmten Nahtdicke hergestellt werden kann
Lichtbogenschweißen Vor und nachteil, Werktoffe und anwendung
Vorteile Preiswerte Schweißanlage (billig) Hoch flexibel im Hinblick auf Werkstoff Blechdicke und Schweißposition (über die wahl der Elektrode in weiten Bereichen au fast jede Schweißaufgabe anpassbar) Verarbeitungseigenschaften und Schweißguteigenschaften über die Umhüllung einstellbar Weitgehend windunempfindlich Zwangslageneignung Gute Baustelleneignung (prudultivität) Nachteile Kleine Einschaltdauern, nur geringe Abschmelzleistung Kaum mechanisierbar Werkstoffe Stähle-un und niedriglegierte StähleHoch legierte Stähle Nichteisenmetalle- Nickelbasislegierungen Anwendung (Blech dicken einlagig bis ca. 6mm):Überall dort, wo die geringe Produktivität durch die hohe Flexibilität und oder die gute Baustelleneignung aufgewogen wird…
Metal-schutzgasschweißen
Funktionsprinzip figure 13
Grundwerkstoff Drahtelektrode und Drahtvorschubeinheit Schweißenergiequelle Schutzgasdüse Schweißnaht Schutzgasabdeckung Lichtboge Shmelzbad Schutzgasversorgung Eine Vorteil, ungleich Stabelektrode, einen (quasi-)endloser Draht der kontinuierlich von der Rolle gefördert wird als Elektrode und Zusatzwerkstoff genutzt wird ein Schutzgas eingesetzt wie beim WIG-Schweißen Die kontinuierliche Förderung der Drahtelektrode erfordert eine Drahtvorschubeinheit, welche die Drahtelektrode von einer Rolle abzieht urch einen mit einer Förderseele aus Metall oder Kunststoff versehenen Schlauch bis zum Brenner fördert Über eine Schutzgasdüse wird die Schweißstelle mit einem Schutzgas abgeschirmt
Metall-Schutzgasschweißen (MSG) Schweißenergiequelle
Gleichstrom flach fallende Kennlinie (Konstantspannungs-Charakteristik) Brenner am Pluspol, Werkstück am Minuspol Drahtvorschubsystem integriert oder als getrenntes Gerät mit Zwischenschlachpaket Häufig Brennerkühlung integriert 60% Einschaltdauer für teilmechanisierten Betrieb 100% Einschaltdauer für vollmechanisierte Anlagen
MSG- Schweißen "Innere Regelung"
Voraussetzung:Energiequelle mit flach fallender Kennlinie Stabiler Arbeitspunkt Lichtbogen verlängert sich dynamisch=> Is sinkt=> Pel sinkt=> Abschmelzleistung sinkt=> freies Drahtende wird länger=> Lichtbogenlänge stabilisiert sich Stabiler Arbeitspunkt Lichtbogen verkürzt sich dynamisch Is steigt=> Pel steigt=> Abschmelzleistung steigt=> freies Drahtende wird kürzer=> Lichtbogenlänge stabilisiert sich Stabiler Arbeitspunkt Bei Stromquellen mit steil fallender Kennlinie funktioniert dieser Mechanismus nicht, hier muss mit einer auf die Drahtvorschubgeschwindigkeit wirkenden Regelung für konstante Lichtbogenlänge gesorgt wer-den (sog. äußere Regelung).
Metall-Schutzgasschweißen Drahtvorschubsystem
Der Abzug der Drahtelektrode von der Rolle und dessen Transport durch das Schlauchpaket durch den Brenner bis zur Schweißstelle wird durch Drahtfördereinrichtungen übernommen. bestehen im Kern aus einem oder zwei Rollenpaare, die die benötigten Kräfte auf den Draht übertragen. Der mögliche Abstand ist vor allem durch die Reibung des Drahtes in der Förderseele und seiner Steifigkeit abhängig (in der Regel 3-4 m). kann durch weitere Zwischenantriebe gesteigert
Metall-Schutzgasschweißen
Art der Schutzgase und Elektroden
Schutzgase• Argon (aus kostengründen kommt haptsächlich in einsatz)• CO2• Helium (auch in Anteilen in Argon) (zur Modifizierung der Schweißeigenschaften)• Argon/CO2-Mischungen (bis 20%) (schwarze Stähle)• teilweise auch O2 in kleinen Anteilen• Inerte Gase kommen meist bei Leichtmetallen und korrosionsbeständigen Stählen zum Einsatz Elektroden• 0,8 – 2,4 mm Durchmesser• 15 kg Spulen (Stahl)• kleinere und größere Konfektionierungen erhältlich
Sprühlichtbogen
Argon oder hochargonhaltigen Schutzgasen: Schweißspannungen > ca. 28 V und Drahtvorschubgeschwindigkeiten > 10 m/min kontinuierlichen Tropfenstrom, idealerweise ohne Kurzschlüsse Tropfen können sprühregenartig fein werde Grund ist der bei hohen Stromdichten einsetzende Pincheffekt:-Ein elektrischer Leiter ist von einem Magnetfeld umgeben, der auch eine radiale d.h. senkrecht auf die Oberfläche wirkende Komponente enthält die den flüssigen Tropfen abschnüren kann. Diese Kraft wirkt an der Stelle hoher Stromdichte am stärksten
Metall-Schutzgasschweißen
Vor- und Nachteil
Kriterien für die Anwendung
Vorteile gut mechanisierbar Weite Skalierbarkeit hinsichtlich Abschmelzleistung und Wärmeeintrag Hohe Bandbreite an verarbeitbaren Blechdicken zwangslagengeeignet Nachteile Windempfindlich WerkstoffeStähle: Un- und niedriglegierte Stähle Hochlegierte Stähle Nichteisenmetelle Aluminium Kupfer Nickel ... Anwendung: Blechdicken bis ca. 8 mm (einlagig) Wurzelschweißungen Verbindungsschweißungen Baustellenschweißungen Flexibles und produktives Standardverfahren, überall dort verwendet, wo produktivere Verfahren nicht wirtschaftlich sind und weniger Produktive keine technologischenVorteile bringen…
Lichtbogenschweißen Bolzenschweißen Verfahrensprinzip
nur einem einzigen Zweck, dem Aufschweißen von Bolzen auf ein metallisches Substrat Zwei Verfahrensvarianten: Bolzenschweißen mit Hubzündung- wird der Lichtbogen durch Abheben des kegelförmigen Bolzenendes bei anliegender Schweißspannung gezündet.- Keramikring liefert beim Heißwerden Schutzgas, welches die Ionisierung der Lichtbogenstrecke erleichtert und damit das Aufrechterhalten des Lichtbogens gewährleistet- Nachdem sowohl das Bolzenende als auch die Oberfläche des Werkstückes angeschmolzen sind, wird der Schweißstrom abgeschaltet und der Bolzen in die flüssige Schmelze gedrückt- Der Keramikring formt dabei den Schweißwulst.- Es können Bolzen von ca. 3 mm bis ca. 25 mm Durchmesser verarbeitet werden. Bolzenschweißen mit Spitzenzündung- wird ein Bolzen mit einer genau definierten Spitze federbelastet auf die Oberfläche gedrückt und mit einer Kondensatorbatterie, in der die benötigte Schweißenergiegespeichert ist, verbunden- Die hohen anfänglichen Ströme bei der Entladung des Kondensators lassen die Spitze fast augenblicklich schmelzen bzw. verdampfen, es entsteht ein Lichtbogen der die Stirnflächen anschmilzt- Getrieben durch die Federkraft wird der Bolzen während der Lichtbogenbrennphasein Richtung des Bleches beschleun- Bei Kontakt der Schmelzen erlischt der Lichtbogen und die Verbindung ist erstellt. Der Prozess läuft innerhalb weniger ms ab.- es können Bolzendurchmesser von ca. 2 mm bis ca. 8 mm verschweißt- Die extrem kurze Einwirkzeit der Schweißwärme er-möglicht es auch sehr dünne Bleche als Substrat verwenden zu können, ohne dass deren Rückseite thermisch beeinträchtigt wird.
Bolzenschweißen
Kriterien für die Anwendung
Vor- und Nachteil
Vorteile Standardisierte Verfahren mit hoher Wiederholgenauigkeit Teilmechanisiert, wie auch vollmechanisiert, bzw. automatisiert einsetzbar Weites Spektrum an Aufschweißbolzen verfügbar Auch auf sehr dünnen Substratblechen anwendbar Bei Nutzung von Standardbolzen preiswert Nachteile Für jeden Schweißbolzen ist eine angepasste Aufnahme erforderlich Verwendung von Sonderbolzen teuer WerkstoffeStähle: Un- und niedriglegierte Stähle Hochlegierte Stähle Nichteisenmetelle Aluminium Messing Anwendung: Bolzendurchmesser von 3 mm (Spitzenzündung) bis ca. 25 mm (Hubzündung)bis ca.8 mmStandardverfahren zum Aufschweißen von Bolzen als Masseverbindung in der Elektroindustrie, als Montagepunkte in der Automobilindustrie, als Kopfbolzen im Bauwesen
Gefährdung und Arbeitschutz
Elektrische Gefährdung
Bei Lichtbogenarbeiten unter erhöhter elektrischer Gefährdung besteht eine größere Gefährdung durch elektrische Durchströmung als bei Lichtbogenarbeiten unter Normalbedingungen. Erhöhte elektrische Gefährdung besteht z. B. wenn der Schweißer zwangsweise (z. B. kniend, sitzend, liegend oder angelehnt) mit seinem Körper elektrisch leitfähige Teile berührt; an Arbeitsplätzen, an denen bereits eine Abmessung des freien Bewegungsraumes zwischen gegenüberliegenden, elektrisch leitfähigen Teilen weniger als 2 m beträgt, sodass der Schweißer diese Teile zufällig berühren kann; an nassen, feuchten oder heißen Arbeitsplätzen, an denen der elektrische Widerstand der menschlichen Haut oder der Arbeitskleidung und der Schutzausrüstung durch Nässe, Feuchtigkeit oder Schweiß erheblich herabgesetzt werden kann. Elektrisch leitfähige Teile sind z. B.metallische, feuchte oder nasse Wände, Böden, Roste und Stoffe, wie Stein, Beton, Holz, Erdreich.
Gefährdungen und Arbeitsschutz
Elektrische Gefährdung 2
Zulässige Leerlaufspannung unter erhöhter elektrischer Gefährdung Gleichspannung darf 113 V Scheitelwert nicht überschreiten. Wechselspannung ist auf 68 V Scheitelwert und 48 V Effektivwert begrenzt. Auch im Fehlerfalle darf weder die Leerlaufspannung diese Grenzwerte überschreiten noch der Wechselspannungsanteil der Gleichspannung 48 V Effektivwert überschreiten. Werden Arbeiten sowohl unter erhöhter elektrischer Gefährdung als auch ohne erhöhte elektrische Gefährdung durchgeführt, so sollten nur Stromquellen eingesetzt werden, die zur Verwendung unter erhöhter elektrischer Gefährdung geeignet und entsprechend gekennzeichnet sind:
Gefährdungen und Arbeitsschutz
Schutzmaßnahmen gegen elektrische Gefährdung
eine mögliche Durchflutung des Körpers mit elektrischem Strom zu verhindern oder zu minimieren wird der Schweißer gegen das Werkstück mit Hilfe von Gummimatten oder isolierenden Schuhen elektrisch isoliert in einwandfreier Zustand aller Kabel und Anschlüsse sollte selbstverständlich sein. Elektrische Gefährdung kann weiterhin aus schlecht gewartetem elektrischen Gerät wie Schleifmaschinen oder Lampen entstehen
Gefährdungen und Arbeitsschutz
Schweißrauche und Gase
Schweißrauche können Oxide aller im Werkstoff und Zusatzwerkstoff vorkommenden Elemente, darüber hinaus Ozon, Kohlenmonoxid und Stickoxide. Schweißrauche enthalten auch lungen- und aveolengängige Partikel Menge, Zusammensetzung und Partikelgrößen sind stark vom Schweißverfahren abhängig. Abhängig vom Schweißverfahren und den verarbeiteten Werkstoffen sind die Rauche und Gase in ihrer Wirkung von harmlos, über toxisch bis hin zu karzinogen einzustufen. Aufnahme von Schweißrauchen und Gasen vermeiden oder minimieren
Gefährdungen und Arbeitsschutz
Schweißrauche und Gase - Schutzmaßnahmen
Entstehung vermeiden Substitution Auswahl von emissionsarmen Prozessen und Parametern Ausbreitung verhindern Absaugung an der Entstehungsstelle Verdünnen Lüftung Persönliche Schutzausrüstung Helme und Masken mit Fremdbelüftung oder Filter
Gefährdungen und Arbeitsschutz
Strahlung
Kennzeichen für einen Lichtbogen ist seine starke Helligkeit. Diese Helligkeit führt zu einer intensiven Blendung. Daneben sendet der Lichtbogen kurz- und langwellige Strahlen aus. Die kurzwelligen, unsichtbaren Ultraviolettstrahlen verbrennen die Haut und verursachen das Verblitzen der Augen, indem sie eine Entzündung des äußeren Auges (Bindehautentzündung) hervorrufen. Die langwelligen Infrarotstrahlen – die Wärmestrahlen – können bei längerer Einwirkung den Feuerstar hervorrufen.
Lichtbogenschweißen – WIG-Schweißen
Charakteristik der WIG – Impulsschweißen
Figure 18
Beim WIG-Impulsschweißen wechseln dagegen eine Hochstromphase, in der Werkstoff aufgeschmolzen und Einbrand erzeugt wird und eine Niedrigstromphase, in der ein Teil des aufgeschmolzenen Materials wieder abkühlen und erstarrt und das Schmelzbad so verkleinert und besser beherrschbar macht. Gleichzeitig fließt die in der Hochstromphase eingebrachte Energie in die Bauteile ab. Dieses bietet insbesondere bei der maschinellen Schweißung von Zwangslagen, bei der kein regelnder Eingriff durch den Schweißer möglich ist, Vorteile. Mit überlagerter Schweißgeschwindigkeit entsteht die Naht so als eine Kette von sich mehr oder weniger überlagernden „Schweißpunkten“, die jeder für sich auch in der Zwangslage gut beherrschbar bleiben.
Lichtbogenschweißen – WIG-Schweißen
WIG – Schweißen mit Heißdrahtzufuhr
Figure 19
Zur Erhöhung der Abschmelzleistung kann der Draht vorgewärmt an den Lichtbogen heran geführt werden. Dazu wird ein Vorwärmstrom durch das Drahtende zwischen Kontaktrohr und Schweißstelle geleitet, die Spannung wird dabei so niedrig gehalten, dass sich kein Lichtbogen ausbilden kann. Die zugeführte Leistung wird über Joule´sche Erwärmung zur Vorwärmung des Drahtes genutzt. Je höher dabei die Temperatur des Drahtes ist, umso weniger Leistung aus dem Lichtbogen wird für das endgültige Aufschmelzen benötigt. Durch die mögliche Temperatur des Drahtes wird mit steigender Temperatur geringer werdende mechanische Stabilität und steigende Oxidationsneigung der Oberfläche begrenzt.
Lichtbogenschweißen – WIG-Schweißen
Einengung der Lichtbogensäule durch hochfrequentes Pulsen
Ein klassischer WIG-Schweißprozess liefert eine relativ breite gaußförmige Verteilung der Energie an das Werkstück. Dieses resultiert in vergleichsweise geringen Lichtbogendruck auf die Oberfläche des Schmelzbades und wenig Tiefenwirkung. Dieses ist günstig für die Verschweißung relativ dünner Bleche, für die Verarbeitung dickerer Bleche ist dagegen möglichst viel Einbrand gewünscht, um über hohe Stege der Schweißnahtvorbereitung Nahtvolumen und damit Schweißzeit einzusparen. Ein Weg dazu führt über hochfrequente Impulse hoher Stromstärke. Die dabei auftretenden einschnürenden Magnetischen Kräfte (beim MSG-Schweißen als Pinchkraft bezeichnet) konzentrieren den stromführende Kern des Lichtbogens auf eine kleinere Fläche, was dort zu höheren Stromdichten, höheren Lichtbogendruck und letztendlich mehr Einbrand führt.
Lichtbogenschweißen – Plasmaschweißen mit übertragenem Lichtbogen
Das sogenannte Plasmaschweißen verfolgt das gleiche Ziel, verwendet aber einen anderen Mechanismus zur Einschnürung des Lichtbogens. Hier wird der zwischen einer Wolframelektrode und dem Werkstück brennende Lichtbogen durch ein sogenanntes Plasmagas um die Wolframelektrode angeblasen und so in seinen Außenbereichen gekühlt. Dieses setzt die elektrische Leitfähigkeit des Lichtbogenplasmas in den Außenbereichen herunter, der Stromfluss wird auf die Innenbereiche konzentriert was zu einer Erhöhung der Energiedichte führt. Gleichzeitig wird das Plasmagas durch die Erwärmung stark durch die Düse beschleunigt, was den Druck auf die Schmelzbadoberfläche erhöht. Gezündet wird der Lichtbogen entweder durch eine Hochfrequenzzündung, was wegen des großen Abstandes zwischen Wolframelektrode und Werkstück schwierig sein kann, oder Lichtbogen
Lichtbogenschweißen – Plasmaschweißen
mit nicht übertragenem Lichtbogen
Dieser nicht übertragene Lichtbogen wird zwischen der Plasmagasdüse und der Wolframelektrode mittels Hochfrequenz gezündet, was wegen der geringeren Abstände deutlich einfacher von statten geht. Der sich wegen der damit verbundenen Aufheizung stark ausdehnende Plasmagasstrom drückt die heißen Lichtbogengase aus der Düse heraus und liefert eine heiße „Flamme“ mit der geschweißt werden kann. Das Werkstück liegt nicht im Stromkreis, es können also auch nicht leitfähige Werkstoffe bearbeitet werden. Der nicht übertragene Lichtbogen kann auch zur Zündung des übertragenen Lichtbogens genutzt werden, indem mit ihm die Lichtbogenstrecke des übertragenen Lichtbogens so hoch erhitzt wird, dass eine Ionisierung möglich wird. Nach der Zündung kann der Pilotlichtbogen abgeschaltet werden….
Lichtbogenschweißen – Plasmaschweißen
mit übertragenem und nicht übertragenem Lichtbogen
Der hier ständig brennende nicht-übertragene Lichtbogen sorgt für sicheres Zünden des übertragenen Lichtbogens auch bei häufigem Zünden. Es kann frei zwischen den beiden vorgenannten Varianten gewechselt werden und es können beliebige Zwischenstufen eingestellt werden. Dabei lässt sich die Energiedichteverteilung in gewissen Grenzen an die Aufgabenstellung anpassen.
Lichtbogenschweißen – Plasmaschweißen
Stichlocheffekt
Die hohe Energiedichte schmilzt sehr lokal Material auf, welches dann durch den Lichtbogendruck und den Druck verdampfenden Materials verdrängt wird, was es der Wärme des Lichtbogens ermöglicht weiteres Material in der Tiefe aufzuschmelzen. Es entsteht ein Stichloch genanntes Loch im Blech, welches von schmelzflüssigem Material umgeben ist. Wird dieses Stichloch entlang des Schweißstoßes bewegt, wird Material beiderseits des Stoßes aufgeschmolzen, fließt hinter dem Prozess zusammen und erstarrt als Schweißnaht. Es sind Blechdicken bis ca. 10 mm im Stumpfstoß in einer Überfahrt verschweißbar. Neben dem Schweißen im Stichlocheffekt ist bei geringeren Leistungsdichten auch Wärmeleitungsschweißen, z.B. wie beim WIG oder auch beim Gasschmelzschweißen möglich.
Lichtbogenschweißen – Plasmaschweißen
Anwendungen
Plasmaschweißen ist hinsichtlich der Energieeinbringung ein sehr variabler Prozess. Als Mikroplasmaschweißen sind mit ihm dünnste Bleche verschweißbar, mit entsprechend leistungsfähigen Brennern aber auch Blechstärken bis ca. 10 mm unter Nutzung des Stichlocheffektes. Ebenso kann es in allen Stufen der Mechanisierung betrieben werden.
Lichtbogenschweißen – Plasmapulverauftragschweißen
Eine Sonderform des Plasmaschweißens ist das Plasma-Pulver-Auftragschweißen. In einem speziellen Brenner wird mit dem Schutzgasstrom Metallpulver in den Bereich des Plasmas gebracht, dort aufgeschmolzen und auf die Werkstoffoberfläche gebracht. Über die Parameter des übertragenen und des nicht übertragenen Lichtbogens können die Wärmememengen zur Anschmelzung des Pulvers und zur Anschmelzung der Oberfläche relativ frei zueinander eingestellt werden und so der Aufmischungsgrad der Schweißung optimiert (So hoch wie nötig, um Bindefehler sicher zu vermeiden, so niedrig wie möglich, um den aufgetragenen Werkstoff möglichst wenig mit dem Grundwerkstoff zu verunreinigen) werden. Je nach Zweck des Auftragschweißens spricht man vom Plattieren (einen korrosionsbeständigen Werkstoff auf einen weniger korrosionsbeständigen auftragen), vom Panzern (einen verschleißbeständigen Werkstoff auftragen) oder vom Puffern (eine Zwischenschicht zwischen Grundwerkstoff und Panzeroder Plattierungswerkstoff auftragen).
Lichtbogenschweißen – Lichtbogenhandschweißen
Feuchteaufnahme und Rücktrocknung basischer Umhüllungen
Weiterhin problematisch ist bei basisch umhüllten Elektroden die rasche Wasseraufnahme aus der Umgebungsluft, was zum Eintrag von Wasserstoff in das Schweißgut führt, wo er bei dafür sensitiven Werkstoffen zur Versprödung führen kann. Auch die Schweißeigenschaften verändern sich bei feuchten Elektroden. Sättigung ist bereits nach vergleichsweise kurzer Zeit erreicht, wobei der absolute Wassergehalt von der (schlecht kontrollierbaren) Luftfeuchte abhängt. Zur Limitierung des Wasserstoffeintrages dürfen nur rückgetrocknete basische Elektroden verwendet werden. Dieses geschieht in speziellen Rücktrockenöfen bei vom Hersteller vorgegebenen Zeiten und Temperaturen. Da bei Abkühlung die Wasseraufnahme direkt wieder beginnt, werden die Elektroden bis zur Verarbeitung in beheizten Köchern gelagert von wo aus sie in kleinen Mengen, die innerhalb kurzer Zeit verarbeitet werden können vom Schweißer entnommen werden. Infolge der aufwendigen und schwierigen Verarbeitung wird man basisch umhüllte Elektroden nur einsetzen, wo die guten Zähigkeiten des deponierten Schweißgutes benötigt werden. Im Bereich der Stähle kommen sie daher hauptsächlich bei höher- und hochfesten Baustählen zum Einsatz.
Lichtbogenschweißen – Lichtbogenhandschweißen
Eigenschaften der Elektrodengrundtypen
basische vs rutile Elektrode
Unterschied auf der Oberflächen, die bei der basischen Elektrode sehr viel unruhiger ist und fast scharfkantig in den Grundwerkstoff übergeht. Die Oberfläche des Schweißgutes bei der rutilen Elektrode ist glatt und passt sich gut an den Grundwerkstoff an. Die Schlackeentfernbarkeit ist daher sehr viel besser, die Schlacke löst sich fast von selbst und kann einfach abgeschoben werden, während bei der basischen Schlacke der Schlackehammer und die Drahtbürste notwendig waren.
Lichtbogenschweißen – Lichtbogenhandschweißen
Eigenschaften der Elektrodengrundtypen
Zellulosetyp vs Saurer typ
Der saure Umhüllungstyp produziert ähnliche Oberflächen wie der rutile Typ. Im Gegensatz dazu bildet er jedoch eine poröse Schlackeschicht, die auch dann noch einfach mit dem Schlackenhammer und der Drahtbürste zu entfernen ist, wenn sie sich zwischen steilen Nahtflanken oder in Einbrandkerben verkeilt hat.ZELLULOSE Die mit Zellulose umhüllte Elektrode wurde bei gleichem Kernstabdurchmesser bei nur 80 A statt 130 A verschweißt. Dieses ist möglich, weil die sehr dünne Umhüllung kaum mineralische Bestandteile enthält, welche zum Aufschmelzen Wärme benötigen würde. Stattdessen bildet sie CO2 als Schutzgas und viel Rauch (wie am dicken Schmauchbelag zu erahnen ist) als unangenehme Begleiterscheinung. Der Oberfläche und auch Querschliff offenbart, wie zähflüssig und grobtropfig der Werkstoffübergang ist. Kaum Schlacke und grobtropfige und zähflüssige Schmelze machen rein Zellulose umhüllte Elektroden zu Spezialelektrode für Zwangslagenschweißungen, die starke Rauchentwicklung beschränkt ihren Einsatz auf das Freie oder in sehr gut durchlüftete Bereiche. Hauptsächliches Anwendungsgebiet ist die Wurzelschweißung bei der Pipelineverlegung.
Lichtbogenschweißen – Lichtbogenhandschweißen
Mischtypen der Umhüllung
Zweck:• Kombination der positiven Eigenschaften der Elektrodentypen• Abmilderung ihrer SchwächenBeispiele:• RR:- besonders dick rutil umhüllte Elektrode mit hervorragenden Verarbeitungseigenschaften,sehr gutem Nahtaussehen, die mechanischen Werte sind nicht herausragend- Universelle Schönschweißelektrode für alle Anwendungen (keine Fallnaht) ohnebesondere Anforderungen• RB:- Bessere Schweißguteigenschaften als bei rein rutiler Elektrode (aber schlechtere als beirein basischer Elektrode), bessere Verarbeitbarkeit (Zündverhalten) undwechselstromschweißbar.• RC:- Weniger Schlacke, weniger Rauch als die Grundtypen, Fallnahtelektrode für denInnenraum
Lichtbogenschweißen – Lichtbogenhandschweißen
Hochleistungselektroden
Ausbringung = (abgeschmolzene Schweißnahgutmasse)/(abgeschmolzene Kernstabmasse) * 100% Der Umhüllung kann auch Metallpulver zugesetzt werden, das mit der Umhüllung schmilzt und in das deponierte Schweißgut übergeht. Das Verhältnis zur insgesamt deponierten Schweißgutmasse im Vergleich zur Masse des Kernstabes wird als Ausbringung bezeichnet. Es werden sogenannte Hochleistungselektroden mit Ausbringungen von bis zu 220% angeboten. Unabhängig von ihrer Ausbringung werden Hochleistungselektroden mit den gleichen Stromstärken verschweißt wie Stabelektroden gleichen Durchmessers ohne Metallpulver in der Umhüllung. Bei konstant gehaltenem A- Maß verschweißt, vergrößert sich bei der hier verwendeten Elektrode mit 160% Ausbringung die Ausziehlänge um diesen Faktor. Dazu muss schneller geschweißt werden, was die Streckenenergie verringert. Der Schliff zeigt in der Mitte daher einen verringerten Einbrand. Die erhöhte Ausbringung kann jedoch auch dazu genutzt werden, bei gleicher Schweißgeschwindigkeit dickere Nähte zu schweißen. Bei exakt gleicher Ausziehlänge erhöht sich die Nahtdicke um 25% (Wurzel aus 1,6 ist ungefähr 1,25), in diesem Fall bleibt die Streckenenergie und der Einbrand auf dem gleichen Niveau wie bei der Referenzschweißung.
Lichtbogenschweißen – Metall-Schutzgasschweißen
Eigenschaften der Schutzgase
nahtgeometrie, Thermische leitfähigkeit und erste Ionisierungsenergie
Figure 21 Die physikalischen Eigenschaften eines Gases bestimmen Zündfähigkeit des Lichtbogens und die zum Betrieb des Lichtbogens notwendige Schweißspannung, die Art des Werkstoffübergangs sowie die Ausbildung der Einbrandform Argon: Argon ist ein gut ionisierbares Gas, welches einen ruhig brennenden Lichtbogen erzeugt. Es hat eine vergleichsweise niedrige Wärmeleitfähigkeit bei hohen Temperaturen, welche die Ausbreitung des wärmeerzeugenden zentralen stromführenden Lichtbogenkerns reduziert und so die Einwirkung auf den Grundwerkstoff auf einen relativ schmalen Bereich konzentriert. Die Folge ist ein schmaler fingerförmiger Einbrand mit flach auslaufenden Rändern, der auch als „Argonfinger“ bezeichnet wird. Helium Helium dagegen hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit bei hohen Temperaturen, was zu einem breiteren stromführenden Lichtbogenkern und somit zu runderen und breiteren Einbrandformen führt. Heliumlichtbögen zünden schlechter und benötigen höhere Lichtbogenspannungen, was in der nicht ganz so guten Ionisierbarkeit begründet ist. CO2 CO2 als wichtiges aktives Gas hat seine höchste Wärmeleitfähigkeit bei relativ niedrigen Temperaturen, wie sie in den Außenbereichen des Lichtbogens vorkommen, im heißeren Lichtbogenkern dagegen sind sie vergleichsweise gering. Dies führt zu einer starken Einschnürung des heißen Lichtbogenkerns und damit zu hohen Energiedichten, welche tiefe Einbrände verursachen. Dieser Einschnürung wird durch die aktive Teilnahme des CO2 am Prozess weiter verstärkt. An der „heißen“ Elektrode und im Lichtbogen dissoziiert CO2 unter Energieaufnahme, was dem Lichtbogenkern Energie entzieht und den Lichtbogen weiter einschnürt. Am „kalten“ Werkstück rekombinieren Kohlenmonoxid und Sauerstoff wieder unter Abgabe der vorher aufgenommenen Energie an das Schmelzbad, was zu dessen Vergrößerung und runder Ausformung führt
Lichtbogenschweißen – Metall-Schutzgasschweißen
Pincheffekt
Voraussetzung is die Umfassung auf der Elektrodenseite das Drahtende des Helium- und Argonlichtbögens Als Pincheffekt wird die abschnürende Wirkung der um einen elektrischen Leiter wirkenden elektromagnetischen Kräfte bezeichnet, welche senkrecht auf die Oberfläche des Leiters (der in unserem Falle aus flüssigem Metall besteht) wirkt
