Schweißlichtbogen

Der frei brennende Schweißlichtbogen entsteht durch eine elektrische Gasentladung meistenteils unter Bedingungen normalen Luftdrucks. Physikalisch betrachtet handelt es sich um ein Plasma – ein Teilchengemisch aus Metalldampf der Elektroden, neutralen Gasatomen, Ionen und Elektronen. Die Säule des Lichtbogens hat eine Temperatur zwischen 4.000 und 16.000 Kelvin. Damit eignet sich der Lichtbogen als technisches Werkzeug zur Herstellung von Schweißverbindungen durch eine große Zahl verschiedener Schweißverfahren.M. Schellhase: Der Schweißlichtbogen als technologisches Werkzeug. Verlag Technik, Berlin 1985, ISBN 3-87155-100-7.

Für technische Anwendungen werden üblicherweise Stromstärken von wenigen Ampere bis zu einigen Kiloampere bei Lichtbogenspannungen von 8 V bis 60 V eingesetzt.

Physikalische Grundlagen Plasmazustand Ein Gasgemisch im Plasmazustand befindet sich in einem besonderen (vierten) Aggregatzustand der Materie bei hohen Temperaturen. Dabei zerfallen die neutralen Atome in Elektronen und positive Ionen, wodurch das Plasma elektrisch leitend wird.G. Fußmann: Vorlesungsskript. HU Berlin, 2001.

Der Schweißlichtbogen als Energiequelle

Durch den Schweißlichtbogen wird elektrische Energie in thermische Energie umgesetzt. Die elektrische Energie ergibt sich aus dem Produkt aus Lichtbogenstrom , Lichtbogenspannung und Schweißzeit , wobei die Lichtbogenspannung sich aus dem Spannungsabfall an der Anode , der Kathode und der Lichtbogensäule zusammensetzt: . Der größte Teil des Energieumsatzes ergibt sich aus den Anoden- und Kathodenfallgebieten. In der Lichtbogensäule wird weniger als 1/3 der gesamten Energie erzeugt. Die Ausdehnung der Kathoden- und Anodenfallgebiete ist gegenüber der Länge der Lichtbogensäule verschwindend gering.

Lichtbogenvorgänge Damit ein Lichtbogen brennt, müssen Elektronen aus der Kathode durch thermische Emission (bei hoher Kathodentemperatur), Feldemission (bei niedriger Temperatur der Kathode) oder thermische Feldemission als Mischform der Elektronenemission in das Kathodenfallgebiet austreten. Dort werden sie durch das elektrische Feld beschleunigt und verursachen eine thermische Ionisation des zunächst neutralen Gases. Dadurch werden weitere Elektronen freigesetzt, und es entstehen positive Ionen, die in Richtung der Kathode wandern. Die größere Menge an Elektronen verursacht vor und in der Lichtbogensäule durch Stoß weitere Ionisation neutraler Gasatome, die Menge an Elektronen steigt weiter an, ionisierte Gasatome wandern zur Kathode, die Elektronen zur Anode. Gleichzeitig vereinigt sich ein Teil der Ionen mit Elektronen zu neutralen Atomen (Rekombination). Auch im Anodenfallgebiet setzt sich dieser Prozess fort. Da die Elektronen eine sehr viel höhere Beweglichkeit haben als die positiven Ionen, wird der Ladungstransport fast ausschließlich von den Elektronen übernommen. Der durch das Plasma fließende Strom verursacht ein Magnetfeld, das den Lichtbogen einschnürt (Pinch-Effekt), wodurch die Plasmaströmung beschleunigt und die Wärmeeinkopplung in das Werkstück verbessert wird.

Lichtbogenkennlinie

Bei konstanter Lichtbogenlänge ändert sich mit zunehmendem Lichtbogenstrom der Spannungsabfall über dem Lichtbogen. Dieser funktionale Zusammenhang zwischen Spannung und Strom wird Lichtbogenkennlinie (s. auch Strom-Spannungs-Kennlinie) genannt. Die Schweißspannung hängt neben der Lichtbogenlänge und der Zusammensetzung des Plasmas von der Elektrodengeometrie und der Materialzusammensetzung der Elektroden ab.

Nicht abschmelzende Elektrode Für den Lichtbogen beim WIG-Schweißen in Argon wird folgender funktionaler Zusammenhang von angegeben, der im Bereich höherer Ströme experimentell bestätigt wurde:YuMing Zhang: Real-time weld process monitoring. Woodhead Publishing, 2008, ISBN 978-1-84569-268-1.

mit als Lichtbogenlänge.

Abschmelzende Elektrode Durch den ständigen Werkstoffübergang ist die Bestimmung einer statischen Lichtbogenkennlinie schwierig, kann aber durch Messungen von Strom und Spannung und gleichzeitigen Zeitlupenaufnahmen vorgenommen werden. Bei der Spannungsmessung im technischen Umfeld (z. B. beim MIG- oder MAG-Schweißen) muss berücksichtigt werden, dass neben dem Spannungsabfall über dem Lichtbogen derjenige über der sogenannten freien Drahtlänge , über dem Kontaktrohr und z. T. über dem Werkstück mitgemessen wird: . Der funktionale Zusammenhang zwischen der Schweißspannung und dem Schweißstrom kann modellhaft für das Schweißen unter CO2 durch folgende Funktion beschrieben werden: .

In der Norm EN 60974-1:2012EN 60974-1:2012 Lichtbogenschweißeinrichtungen - Teil 1: Schweißstromquellen. werden für die verschiedenen Lichtbogenschweißverfahren normierte Lichtbogenkennlinien festgelegt, für das Metallschutzgasschweißen mit Konstantspannung folgendes Modell: . (Das Modell dient zur Bestimmung des Arbeitsbereiches einer Stromquelle.)

Lichtbogenarten

Zum Schweißen werden je nach Schweißverfahren und den dabei wirkenden technisch-physikalischen Bedingungen unterschiedliche Lichtbogenarten unterschieden, wobei die Hauptunterscheidung darin besteht, ob die Elektroden abschmelzen oder nicht. Merkmale sind auch die Stromart (Gleich- oder Wechselstrom) oder die Art und Zusammensetzung des Schutzgases, in dem der Lichtbogen brennt.

Abschmelzende Elektroden schmelzen unter der thermischen Wirkung des Lichtbogens ab, wobei der flüssige Elektrodenwerkstoff sich mit dem aufgeschmolzenen Grundwerkstoff verbindet und die Schweißverbindung bildet. Nicht abschmelzende Elektroden dienen nur der Herstellung eines Lichtbogens zur Nutzung als Schweißwärmequelle. Gleichstrombögen brennen mit gleichbleibender Polarität. Bei Wechselstrombögen wird die Polarität der Elektroden mit der Netzfrequenz oder einer anderweitig erzeugten Frequenz laufend geändert.

Lichtbogenarten beim Schweißen mit nicht abschmelzender Elektrode

Der WIG-Lichtbogen

Zündung des Lichtbogens Ein Lichtbogen zwischen der nicht abschmelzenden Wolframelektrode und dem Werkstück kann berührungsfrei durch eine Funkenentladung gezündet werden. Die hohe Spannung einer Hochspannungsquelle zwischen den Elektroden erzeugt einen ionisierenden Funkenkanal innerhalb des umgebenden neutralen Gases, durch den sich der Lichtbogen aufbauen kann. Nach dem Aufbau des ionisierten Kanals muss von der Schweißstromquelle die für den Lichtbogen erforderliche Energie mit genügender Geschwindigkeit geliefert werden, um einen Lichtbogen zünden zu können. Das hängt von der Leerlaufspannung der Spannungsquelle und ihrer Stromkreisinduktivität ab. Unter Argon ist für die Zündung eines Lichtbogens bei einem Elektrodenabstand von 1 bis 3 mm eine Spannung von 1,2 bis 3 kV nötig.

Der WIG-Lichtbogen kann auch durch Berührung der Elektroden und damit durch thermische Emission gezündet werden. Das hat jedoch technische Nachteile, wie Beschädigung und Verunreinigung der Wolframelektrode. Eine Variante dieser Zündungsart ist die Lift-Arc-Zündung, bei der die Zündung mit geringem Strom erfolgt, der nach dem Zünden des Lichtbogens auf die erforderliche Stärke erhöht wird.

Brennen des Gleichstromlichtbogens Der gezündete Lichtbogen brennt im stationären Zustand bei gleichbleibender Lichtbogenlänge und unter gleichen Umgebungsbedingungen mit konstanten Strom-Spannungswerten. Im realen Betrieb kann er jedoch Unregelmäßigkeiten zeigen, die durch plötzliche Verlagerungen der Lichtbogenachse infolge der Wanderung des Kathodenflecks ausgelöst werden. Der Kathodenfleck wandert zu den Bereichen größerer Konzentration von eingelagerten Oxiden (Thorium, Lanthan, Zirkonium, Cer). Diese werden in den Elektrodenwerkstoff aus Wolfram eingesintert, um die Elektronenaustrittsarbeit zu verringern und dadurch eine höhere Elektronenemission und bessere Zündeigenschaften zu ermöglichen. Der Effekt der Wanderung der Kathodenbrennflecke tritt besonders bei hoher Strombelastung auf.

Brennen des Wechselstromlichtbogens

Der WIG-Wechselstromlichtbogen ändert seine Polarität im Wechsel der Polarität der Schweißstromquelle. Er verlischt nach Unterschreiten eines Minimalstroms, wobei der leitende Stromkanal erkaltet und die Ionisation schnell absinkt. Die Zeitkonstante, mit der der Leitwert der Gassäule sinkt, wird thermische Zeitkonstante (τ) genannt. Der Leitwert () der kontinuierlich brennenden Bogensäule ist von der gespeicherten Wärmeenergie () der Lichtbogensäule und der Lichtbogenleistung () abhängig. Im stationären Zustand kompensiert die zugeführte elektrische Leistung () die Wärmeverluste (). Bricht die zugeführte Energie zusammen, klingt der Leitwert mit der thermischen Zeitkonstante τ ab, für die vom Mayr (O. Mayr: Beiträge zur Theorie des statischen und des dynamischen Lichtbogens. In: Archiv für Elektrotechnik. 37(1943), H. 12, S. 588–608. zitiert inS. Berger: Modell zur Berechnung des dynamischen elektrischen Verhaltens rasch verlängerter Lichtbögen. Dissertation. ETH Zürich, 2010.) ein Modell beschrieben wird: . Das Wiederzünden muss innerhalb des durch τ gegebenen Zeitfensters erfolgen. Dafür sind dynamischen Eigenschaften der Schweißstromquelle maßgebend, d. h. von der Fähigkeit, nach dem Nulldurchgang des Stromes in kurzer Zeit eine hohe Energie zu liefern. Die erhitzte Wolframelektrode unterstützt das Wiederzünden durch thermische Elektronenemission, wenn sie als Kathode gepolt ist. Ist die Werkstückseite (z. B. aus Aluminium) als Kathode gepolt, ist die Elektronenemission sehr gering. Das Wiederzünden ist erschwert. Es entsteht eine Spannungsspitze während des Bogenzündens. Die Lichtbogenspannung nach dem Wiederzünden ist höher als bei umgekehrter Polung, da die thermische Emission des Schweißbades geringer ist, was zu einem resultierenden Gleichanteil der Spannung führt. Es entsteht eine unsymmetrische dynamische U-I-Kennlinie.

Lichtbogenarten beim Schweißen mit abschmelzender Elektrode

Der MIG/MAG-Lichtbogen

Der Draht wird je nach Verfahrensvariante und eingestellten Schweißparametern durch den Lichtbogen in unterschiedlicher Weise abgeschmolzen.DIN 1910-100:2008-02: Schweißen und verwandte Prozesse – Begriffe – Teil 100: Metallschweißprozesse mit Ergänzungen zu DIN EN 14610:2005. Mit steigender Schweißstromstärke und -spannung ändern sich die Formen des Werkstoffübergangs beim MIG/MAG-Schweißen. Diese gehen stetig ineinander über, die Grenzen sind unscharf. Mit steigender Lichtbogenspannung nimmt das Tropfenvolumen zu, der Werkstoffübergang wird kurzschlussfrei. Bei zu großer Lichtbogenlänge reißt nach dem Werkstoffübergang der Lichtbogen ab. Mit wachsender Stromstärke nimmt die Zahl der Tropfen zu. Gleichzeitig nimmt ihr Volumen ab.

Zünden des Lichtbogens Der Lichtbogen zum Schweißen mit abschmelzender Elektrode wird durch kurzzeitige Berührung der Elektrode mit dem Werkstück gezündet. Der relativ hohe Kurzschlussstrom schmilzt und verdampft die Kurzschlussbrücke. Der Metalldampf hat lokal einen hohen Druck und große Dichte, wodurch die thermische Ionisation durch die anliegende Spannung ausgelöst werden kann. Ein Lichtbogen kann durchzünden. Je nach der Größe der Kontaktfläche und Höhe des Kurzschlussstroms kann der Lichtbogen sofort entstehen oder erst nach mehrmaliger Wiederholung des Vorgangs. Hohe Leerlaufspannung, hoher Kurzschlussstrom, schneller Stromanstieg und eine kleine Kontaktfläche begünstigen ein sofortiges Lichtbogenzünden.

Brennen des Kurzlichtbogens