Allgemeine Vorbemerkungen
Schweißen und Löten
Spannung (V)
Zeit
Zeit Zyklus
A
B S A) Bei Gleichstrom bleiben Richtung und Wert der Stromstärke stets konstant. B) Bei Wechselstrom ändert sich die Richtung der Stromstärke periodisch.
Spannung (V)
W Der dreiphasige Wechselstrom besteht aus drei einphasigen Wechselströmen. Zeit
Lichtbogen Der Lichtbogen dient beim Schweißen als Wärmequelle, die das Auftrags- und das Grundmetall zum Schmelzen bringt. Er entsteht, indem Strom zwischen zwei leicht voneinander entfernten Leitern durch ein Gas fließt. Einer der Leiter ist die Elektrode, die bei den meisten Arten des Lichtbogenschweißens aus dem Auftragsmetall besteht (mit Ausnahme des WIG-Verfahrens). Der zweite Leiter ist die Masse, die das Grundmetall der zu verbindenden Werkstücke bildet. Die gashaltige Zone, die vom elektrischen Strom durchquert wird, die
Plasmasäule, kann aus Luft bestehen, die beim Überspringen des Funkens ionisiert wird und den zu verschweißenden Bereich umgibt. Oder sie besteht aus den von der Umhüllung der Elektrode entweichenden Dämpfen oder einem Schutzgas, das bei einigen Schweißverfahren eingesetzt wird. Im Bereich der Plasmasäule entsteht immer eine hohe Temperatur, die die Metalle dort aufschmilzt. Der Lichtbogen ist die Folge der Umformung der elektri-schen Energie in Wärme und Licht und erreicht Temperaturen von bis zu 6000 °C.
Die Stromerzeuger liefern Wechselstrom in niedriger Stromstärke und hoher Voltzahl. Für das Schweißen sind jedoch eine hohe Stromstärke und eine geringe Spannung erforderlich, mit Werten zwischen 50 und 1500 A und 20 bis 80 V; nur so kann ein stabiler Lichtbogen entstehen. Mit entsprechenden Schweißstromquellen lässt sich Netzstrom in Wechselstrom oder Gleichstrom mit den genannten Eigenschaften umwandeln. Die meistverwendeten Schweißstromquellen sind Transformatoren, Gleichrichter und Wechselrichter. Die Transformatoren verändern die Spannung und die Stärke des Netzstroms, also des Wechselstroms. Gleichrichter wandeln hingegen Wechselstrom in Gleichstrom, während Wechselrichter Gleichstrom in Wechselstrom wandeln. Meist hängt der Einsatz der jeweiligen Schweißstromquelle davon ab, wie anspruchsvoll die Schweißverfahren sind. So liefert die Schweißstromquelle für die Schweißverfahren MIG und MAG mittels eines dem Trafo nachgeschalteten Gleichrichtersatzes Gleichstrom. Dagegen werden für das Schweißen mit Stabelektroden Transformatoren mit oder ohne Wechselrichter verwendet, je nach der auf professionellem Niveau eingesetzten Elektrode oder der gewünschten Leerlaufspannung.
Die Schweißnaht Die Schweißnaht (»Schweißraupe«) entsteht, wenn Metall während des Schweißens zugeführt wird. Hierbei lassen sich zwei Bestandteile unterscheiden: Decklage und Wurzel. Schon allein durch ihr Aussehen lässt sich eine gute Schweißnaht von einer schlechten unterscheiden. So ist das Austreten der Wurzel einer Schweißnaht ein Garant dafür, dass sie ausreichend zwischen die Werkstücke eingedrungen ist und eine gute Verbindung ge-
schaffen hat. Hingegen ist eine Schweißnaht mit überhöhter Stärke der Decklage im Verhältnis zur Stärke der verbundenen Werkstücke ein Hinweis auf eine zu geringe Einbrandtiefe und damit auf eine schwache Verbindung. Für den Aufbau der Schweißnaht ist die Bewegung wichtig, mit der die Elektrode, der Schweißstab oder Schweißbrenner während des Schweißfortschritts geführt werden; die Schweißnaht kann also gerade oder geschwungen sein. Im ersten Fall wird die Naht ohne Pendelbewegung ausgeführt. Sie ist für Werkstücke geringer Stärke geeignet und erlaubt, den Schweißvorgang schnell auszuführen, sodass man Wärmezufuhr und Verformungen gering halten kann. Für eine geschwungene
Schweißnaht wird eine seitliche Pendelbewegung entsprechend den verschiedenen Formaten von Auftragsmetall ausgeführt, um den Einbrand an Kanten mittlerer und großer Stärke sicherzustellen. Man unterscheidet vier Pendelbewegungen: kreisförmige Bewegungen, die für Schweißnähte nötig sind, die weder eine große Metallzufuhr noch eine erhöhte Einbrandtiefe benötigen; halbkreisförmige Bewegungen, die einen Bogen beschreiben und ein gutes Aufschmelzen der Kanten sicherstellen; zickzackförmige Bewegungen für breite Schweißraupen und ein schnelles Auffüllen der Verbindungen sowie verschlungene Bewegungen für abschließende Schweißnähte, die die Schweißraupen zum Auffüllen überdecken und eine schöne Naht hinterlassen.
Decklage und Wurzel einer Schweißraupe. Elektrode Kathode Elektronen
G
positiv geladene Ionen
Plasmasäule
Länge des Lichtbogens
Elektrizität ist eine der am meisten verwendeten Energiequellen beim Schweißen und Löten. Beim Schmelzschweißen erzeugt sie einen Lichtbogen, beim Widerstandspressschweißen entsteht Hitze durch den Joule-Effekt. Auch beim Weichlöten wird sie in Form von elektrischen Lötkolben eingesetzt. Daher ist es erforderlich, einige Begriffe aus dem Bereich der Elektrizität zu kennen, die bei den Schweißund Löttechniken oft verwendet werden. Der elektrische Strom ist vereinfacht gesagt die Bewegung von Elektronen zwischen den Polen eines Stromkreises. Wenn er stets in die gleiche Richtung vom Minus- zum Pluspol fließt, spricht man von Gleichstrom (DC). Schweißgeräte, die mit Gleichstrom arbeiten, haben eine positive und eine negative An-schlussklemme; der aus dem Netz kommende Strom wird durch einen Gleichrichter umgewandelt. Bei Wechselstrom (AC) fließen die Elektronen vom Minus- zum Pluspol und zurück, wobei sie, je nach Land verschieden, die Richtung 50 bis 60 Mal pro Sekunde ändern. Diese Stromart wird von den Stromgesellschaften ins Netz eingespeist. Schweißgeräte, die Wechselstrom einsetzen, sind mit Transformatoren ausgestattet; man kann bei ihnen nicht von Polarität sprechen, da diese ständig wechselt. Der einphasige Wechselstrom bildet eine Sinuskurve sowohl bei der Spannung als auch bei der Stromstärke, die ständig variieren. Jede vollständige Kurve wird Zyklus genannt und die Anzahl der Zyklen pro Sekunde bezeichnet die Frequenz, die in Hertz (Hz) gemessen wird. Üblicherweise wird in den Werkstätten der dreiphasige industrielle Wechselstrom verwendet. Er besteht aus drei einphasigen Wechselströmen. Die Stromstärke (I) entspricht der Anzahl von Elektronen, die pro Zeiteinheit durch einen Abschnitt eines Leiters fließen. Sie wird international in Ampere (A) angegeben. Ein weiterer Grundbegriff ist die Spannung oder Potenzialdifferenz zwischen den Polen, die in Volt (V) gemessen wird. Die Stromgesellschaften liefern den Strom mit 125 (USA), 220/230 und 380/400 V, wobei die ersten zwei Stromarten in einphasigem Wechselstrom von 50 oder 60 Hz und die dritte in dreiphasigem Wechselstrom bereitgestellt werden. Für andere Zwecke kann eine Stromspannung von bis zu 25 000 V geliefert werden und über große Entfernungen lassen sich Spannungen bis zu 400 000 V übertragen.
W Die Zeichnungen auf einem Blech aus unlegiertem Stahl werden von Schweißraupen aus rostfreiem Stahl gebildet. Abgesehen von ihrer Aufgabe, Metalle zu verbinden, können Schweißraupen auch als grafisches und ästhetisches Gestaltungsmittel eingesetzt werden.
Schweißstromquellen für das Lichtbogenschweißen Spannung (V)
Grundbegriffe der Elektrizität
W Die Elektronen fließen zum Pluspol und die positiv geladenen Ionen zum Minuspol. Als Folge entsteht eine Plasmasäule, die bis zu 6000 °C heiß werden kann.
Decklage der Schweißraupe überhöhte Decklage Decklage der Wurzel
A Wurzel der Schweißraupe
Grundmetall
Wurzel-überhöhung
B
C
D
S Übersicht über die Pendelbewegungen bei der Herstellung einer Schweißnaht: kreisförmig (A), halbkreisförmig (B), zickzackförmig (C), verschlungen (D).
Anode
84
85