Schweißer in Schutzkleidung bei der Arbeit mit einem Lichtbogenschweißgerät. Es fliegen Funken.

MIG/MAG-Schweißen, WIG-Schweißen, E-Handschweißen - all das sind häufig angewendete Schweißverfahren in der Industrie. Und sie alle arbeiten mit einem Lichtbogen. Was diese Verfahren besonders macht, lesen Sie im Beitrag. - Bild: motorradcbr - stock.adobe.com

| von Julia Dusold

Über Laserstrahlschweißen wird viel geredet und geschrieben. Es ist noch vergleichsweise neu und aufregend. Die konservativen aber wichtigen Alternativen werden dabei häufig aus den Augen verloren: Schweißverfahren mit Lichtbogen.

„Das Laserstrahlschweißen ist ein tolles Verfahren. Es gibt sehr interessante Anwendungen, die damit erst möglich werden und die mit Lichtbogenschweißen gar nicht funktionieren würden. Dennoch dominieren Lichtbogen-Schweißverfahren die industrielle Anwendung extrem und sind deswegen sehr wichtig“, sagt Prof. Uwe Reisgen, Leiter des Instituts für Schweißtechnik und Fügetechnik an der RWTH Aachen, im Gespräch mit PRODUKTION. „Wir schätzen, dass etwa 80 Prozent aller Schweißanwendungen in der Industrie in den Bereich Lichtbogenschweißen fallen. Das ist enorm. Laserschweißen macht vielleicht knappe zehn Prozent aus.“

Dass der elektrische Lichtbogen als Energiequelle beim Schweißen so dominant ist, liegt unter anderem an der langjährigen Erfahrung, den umfassenden Vorteilen und den vielen verschiedenen Schweißverfahren, die dieser Gruppe angehören.

Damit Sie sich einen guten Überblick über das Lichtbogenschweißen verschaffen können, beantwortet Ihnen PRODUKTION in diesem Artikel die folgenden Fragen:

(Eilige gelangen über die Links in der Aufzählung zum jeweiligen Textabschnitt.)

Welche Arten von Lichtbogenschweißen gibt es?

Das Lichtbogenschweißen ist ein Schmelzschweißverfahren, das zum Fügen von Metallen eingesetzt wird. Dabei erzeugt ein von einer Stromquelle gespeister elektrischer Lichtbogen intensive Hitze, die Metallteile miteinander verschmilzt. Er kann entweder manuell oder mechanisch entlang der zu verbindenden Teile geführt werden. Erzeugt wird der Lichtbogen zwischen einer Elektrode und dem Grundmaterial, wobei die Elektrode entweder lediglich den Strom leitet oder gleichzeitig abschmilzt und Zusatzwerkstoff für das Schmelzbad darstellt.

Schweißverfahren mit abschmelzenden Elektroden

Es gibt viele verschiedene Schweißverfahren und Verfahrensvarianten, die sich aber in Übergruppen einteilen lassen. Das am häufigsten angewendete Fügeverfahren mit abschmelzenden Elektroden ist das Metall-Schutzgasschweißen (kurz: MSG-Schweißen), das auch als MIG/MAG-Schweißen bekannt ist. Bei diesen Verfahren wird ein Schutzgas eingesetzt, um die Werkstoffe vor Verunreinigungen zu schützen.

Das MIG-Schweißen setzt dabei auf Gasgemische, die keine chemische Reaktion mit dem Metall des Werkstücks eingehen. Damit eignet es sich besonders für hochlegierte Stähle und Nichteisenmetalle. Beim MAG-Schweißen werden als Schutzgas reaktionsfreudige Gase verwendet, was gut für nicht- oder niedriglegierte Stähle ist.

Lorch MicorMIG-Verfahren in der Anwendung
So sehen MIG/MAG-Schweißverfahren in der Anwendung aus. Hier wird mit der MicorMIG-Schweißanlage von Lorch gearbeitet. - Bild: Lorch

Das Lichtbogenhandschweißen (auch E-Handschweißen oder Elektrodenschweißen) ist ein ideales Fügeverfahren für Eisen- oder Nichteisenmetalle. Es wird eine manuell geführte Stabelektrode genutzt, deren Umhüllung während des Schweißens abschmilzt und dabei Gas und Schlacke freisetzt, die sich schützend über das Schmelzbad legen.

Beim Unterpulverschweißen kommt als Zusatzwerkstoff neben automatisch zugeführten Draht- oder Bandelektroden ein mineralisches, körniges Pulver zum Einsatz. Es entsteht eine hohe Abschmelzleistung, weshalb sich das Verfahren für Blechdicken ab circa sechs Millimeter eignet. Beim Fülldrahtschweißen kommt ebenfalls Pulver als Zusatzwerkstoff zum Einsatz, allerdings ist dieses von einem metallischen Mantel umhüllt, sodass es als Draht zugeführt werden kann.

Das Elektroschlackeschweißen hat Power: Mit ihm lassen sich Werkstücke, die mehr als 25 Millimeter dick sind, in einem Durchgang schweißen. Das Verfahren hat Ähnlichkeit zum Unterpulverschweißen, allerdings ist das Elektroschlacke-Schweißpulver elektrisch leitend und erzeugt so zusätzliche Wärme.

Das Bolzenschweißen ist hingegen sehr zeitsparend, da hier der Lichtbogen direkt zwischen Werkstück und den Bolzen beziehungsweise Stiften gezündet wird. Im Schmelzzustand werden die beiden Metallteile mit leichtem Druck zusammengefügt. Das Verfahren eignet sich nur für elektrisch leitfähige Werkstücke.

Schweißverfahren mit nicht-abschmelzenden Elektroden

Außerdem gibt es Arten des Lichtbogenschweißens mit nicht-abschmelzenden Elektroden: das Wolfram-Inertgas-Schweißen (kurz: WIG-Schweißen) und das Plasmaschweißen. Beim WIG-Schweißen wird eine Elektrode aus reinem oder legiertem Wolfram verwendet sowie inerte Schutzgase wie Argon oder Helium. Geeignet ist das Fügeverfahren besonders für legierte Stähle oder Leichtmetalle. Beim Plasmaschweißen wird der Lichtbogen zwischen einer nicht-abschmelzenden Elektrode und einer Anode erzeugt, die sich in einem Brenner befinden. Dort wird ein Gas ionisiert, das dann Plasma erzeugt. Dieses Plasma wird durch eine Bohrung in der Anode an das Werkstück geleitet. Ein Vorteil des Verfahrens ist die schmale Lichtbogensäule und eine exakt einstellbare Einbrandtiefe.

Bei all diesen aufgezählten Verfahren handelt es sich wie gesagt nur um Verfahrensgruppen, innerhalb derer wiederum weitere Varianten verfügbar sind. An Vielfalt mangelt es also nicht, was auch die Anwendungsgebiete zeigen.

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Für welche Anwendungen eignet sich Lichtbogenschweißen?

Aufgrund der Vielfalt an Verfahren eignet es sich für nahezu alles. „Ein schweißbares Material, eine Mindestblechstärke, eine geeignete Schweißausrüstung und einen guten Schweißer vorausgesetzt, gibt es wenig, was sich mit dem Metall-Schutzgasschweißen oder den Lichtbogen-Schweißverfahren im Allgemeinen nicht verschweißen lässt“, stellt Reisgen fest. Daher sollte die Frage wohl eher lauten: Wofür eignet sich Lichtbogenschweißen besonders gut?

Beim Schweißen mit Zusatzwerkstoff ist der Lichtbogen die beste Wahl

Herausragend schlägt sich Lichtbogenschweißen bei Anwendungen mit Zusatzwerkstoff, das heißt, wenn es darum geht mit der Schweißnaht Lücken zu füllen oder durch das Schweißen metallurgisch eingegriffen werden soll. Dies ist mit Lichtbogen-Schweißverfahren mit abschmelzenden Elektroden gut und einfach möglich. „Man kann zwar beim Laserstrahlschweißen auch mit Zusatzwerkstoff arbeiten, aber das ist deutlich schwieriger“, kommentiert Reisgen.

Dank der Möglichkeit einen Zusatzwerkstoff zu verschweißen eignet sich Schweißen mit dem Lichtbogen auch gut für Reparaturen. Weitere mögliche Anwendungsgebiete im industriellen Umfeld sind beispielsweise der Fahrzeug- und Schiffbau oder der Maschinenbau im Allgemeinen. Auch in allen Bereichen des metallverarbeitenden Handwerks sind Lichtbogenverfahren vertreten.

Portrait von Uwe Reisgen, dem  Leiter des Instituts für Schweißtechnik und Fügetechnik an der RWTH Aachen
Uwe Reisgen ist Leiter des Instituts für Schweißtechnik und Fügetechnik an der RWTH Aachen und Gründer der FEF Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft Fügetechnik. - Bild: FEF GmbH/Selders

Geregelter Bereich wird vom Lichtbogen dominiert

Außerdem gibt es Bereiche, in denen es bisher sogar keine Konkurrenz für den Lichtbogen gibt. Als Beispiele nennt Reisgen den Behälter- und Apparatebau und den Stahlbau im öffentlichen Bereich (Brücken, Türme, Treppengeländer etc.). In diesem Bereich sind sehr viele gesetzliche Vorgaben zu erfüllen, die durch Normen und Regelwerke festgelegt sind. „In diesem geregelten Bereich dominieren die Lichtbogen-Schweißverfahren zu 100 Prozent“, so der Institutsleiter. „Das sind Einsatzgebiete, die über lange Jahre abgesichert wurden und in denen jedes neue Verfahren einen langen Qualifizierungs- und Zertifizierungsprozess durchlaufen muss.“ Daher sei der Laser in diesen Anwendungen zumindest noch keine Konkurrenz.

In anderen Bereichen hingegen ist der Laser sehr dominant. „Der Laser ist sehr stark, wenn es um extrem empfindliche oder dünnwandige Materialien geht“, begründet Reisgen. Das läge daran, dass Laserstrahlen beim Schweißen lediglich eine geringe Energie- beziehungsweise Wärmeeinbringung verursachen. So werden die negativen Einflüsse des Schweißens auf das Material minimiert, was eben besonders bei empfindlichen Stoffen wichtig ist.

Lichtbogen dringt in Laserstrahl-dominierte Felder ein

Aber die Lichtbogen-Schweißverfahren kommen, was dünne Materialien und empfindliche Werkstoffe angeht, dem Laser wieder näher, berichtet der Schweißtechnik-Experte, und zwar mit neuen Verfahren (mehr dazu im Abschnitt „Was sind die Trends beim Lichtbogenschweißen?“). Außer wenn es um Schweißnähte geht bei denen höchste Präzision gefordert ist, wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt – dort dominieren Laser- und Elektronenstrahlschweißen. „Da ist häufig Präzision im hundertstel-Millimeter-Bereich gefordert, das kriegt man mit dem Lichtbogen nicht hin“, sagt Reisgen.

Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Additive Fertigung. Auch hier stehen zwar laserbasierte Verfahren meist im Vordergrund, aber es gibt auch einige andere, die mit dem Lichtbogen funktionieren. Zum Beispiel das Lichtbogen-Auftragsschweißen (auch Wire-Arc-Additive-Manufacturing). Mehr zu diesem und anderen 3D-Druck-Verfahren und deren Vorteile lesen Sie in diesem Artikel:

Welche Vorteile hat das Schweißen mit dem Lichtbogen?

Der größte Vorteil von Lichtbogen-Schweißverfahren ist sicherlich die Flexibilität der Verfahren und damit die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten, die zuvor beschrieben wurde. Die schweißbaren Bauteile reichen von dünnen Blechen für den Karosseriebau hin zu quasi unendlich dicken und großen Metallteilen und die Palette der schweißbaren Metalle ist riesig.

Außerdem ist die Ausrüstung vergleichsweise günstig. „Eine handelsübliche lowtech Metall-Schutzgasschweißanlage kann man schon für ein paar tausend Euro haben“, erläutert Reisgen. Bei einer automatisierten Anlage für die Industrie oder einer Roboterschweißzelle mit Lichtbogen sei man im mittleren fünfstelligen Bereich. Beim Laser hingegen werde es schnell teuer, da lägen die Kosten schnell im sechsstelligen Bereich oder sogar höher, wenn man in eine Laserstrahlschweißanlage investiert.

Ein weiterer Vorteil ist, dass der Prozess sowohl manuell durch einen Schweißer ausgeübt werden kann als auch hoch automatisiert mithilfe von Schweißrobotern oder anderen Automatisierungslösungen. Zudem ist das passende Know-how meist leichter zu erlernen oder in den Betrieben schon vorhanden als bei den Laserstrahlverfahren.

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Was sind Trends im Bereich des Lichtbogenschweißens?

Das Lichtbogenschweißen mag zwar schon ein relativ altes Verfahren sein, erhält aber immer wieder neuen Glanz dank neuer, moderner Verfahrensvarianten. „Speziell innerhalb des Metall-Schutzgasschweißens gibt es eine ganze Reihe von Verfahrens-Spin-offs, die von verschiedensten Herstellern ausgeklügelt wurden“, berichtet Reisgen. „Das hat in den letzten Jahren enormen Fortschritt gebracht, auch was Digitalisierungstechnik angeht.“

Das sind vier Beispiele für moderne Verfahrensvarianten:

Die Beispiele zeigen auf, dass diese modernen Verfahrensvarianten meist energie- und wärmereduziert arbeiten und darum in gewissen Bereichen tatsächlich mit dem Laserschweißen konkurrieren können. „Mit modernen Verfahrensvarianten kann man lange unveränderte Grenzen deutlich überschreiten“, kommentiert Reisgen. Das Lichtbogenschweißen gehe somit einerseits sowohl einen weiteren Schritt in Richtung dünnere Materialien, andererseits auch in Richtung deutlicher Verbesserung der Schweißnahtqualität.

Schnittstellen für Industrie-4.0-Lösungen werden geschaffen

Ein weiterer Trend, der nun auch in der Schweißtechnik-Branche ankommt, ist die Digitalisierung. Vieles dreht sich dabei um Lösungen für die Industrie 4.0, allerdings geht es hier langsamer voran als in anderen Branchen, wie Schweißtechnik-Experte Reisgen schildert: „Im Bereich Industrie 4.0 hängt die Schweißtechnik in Summe betrachtet ein bisschen zurück, da sie sehr konservativ ist.“

Alle relevanten Hersteller arbeiten aber an Systemen und Schnittstellen, um ihre Gerätetechnik in einen großen Verbund mit einzubringen. Vor allem geht es dabei darum, dass die Daten des Schweißprozesses an ein übergreifendes System weitergegeben und dort weiterverwertet werden können.

Stromquellentechnik wird immer digitaler

Neben dem überall großen Thema Industrie 4.0 geht es bei der Digitalisierung in der Schweißtechnik aber auch um digital gesteuerte Stromquellen. Dank der fortschrittlichen Stromquellentechnik werden die zuvor genannten modernen Verfahrensvarianten erst möglich gemacht. „Die Stromquellentechnik ist mittlerweile auf einem Entwicklungsniveau, auf dem die Energiezufuhr quasi frei programmierbar ist“, so der Schweißtechnik-Experte. „Das heißt, da steckt enorm viel Elektronik und Software drin.“

Mit der Umsetzung dieser Trends dringt der Lichtbogen in weitere Anwendungsfelder ein, die bisher von anderen Schweißverfahren beherrscht wurden. Aufgrund dessen, haben Anwender noch häufiger die Auswahl zwischen vielen verschiedenen Technologien.

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Lichtbogen, Laser oder Elektronenstrahl: Wie wähle ich das richtige Schweißverfahren?

Die FEF Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft Fügetechnik, die Reisgen vor zwölf Jahren gegründet hat, berät Unternehmen dabei, das für Sie richtige Schweißverfahren zu wählen. Reisgens Rat: „Denken Sie bitte möglichst früh daran, dass es eine Vielzahl von Verfahren gibt und dass Ihr Unternehmen unter Umständen viel Geld damit sparen kann, wenn Sie sich ausführlich mit der Auswahl beschäftigen.“

Es zeichne sich ab, dass die Verfahren in bestimmten Bereichen mit fast gleichwertigem Ergebnis eingesetzt werden können. Daher gilt es unter anderem die folgenden Fragen zu betrachten:

  • Was ist für die spezielle Anwendung das bessere Verfahren?
  • Welche Variante ist preiswerter für mein Unternehmen?
  • Welches Verfahren ist für mein Produkt das schnellere?

Beim Produkt selbst gibt es ebenfalls mehrere Dinge zu beachten, von denen das Schweißverfahren abhängen kann, zum Beispiel kann die Art der Konstruktion ein entscheidender Faktor sein oder die Anforderungen, die das Produkt erfüllen muss.

Auch der Werkstoff ist relevant bei der Wahl eines Verfahrens. Ändert sich das Material eines Bauteils, kann es sein, dass schnell eine andere Schweißlösung die passendere ist.

Vorhandenes Know-how und Equipment sollte in Entscheidung einbezogen werden

Ein besonders wichtiger Punkt ist das spezifische Wissen, das für die jeweilige Schweißanwendung benötigt wird. In manchen Unternehmen gibt es gut ausgebildete Kräfte, was die Materialbearbeitung mit Laserstrahlen angeht, andere Unternehmen verfügen über Fachkräfte, die sehr gut mit dem Lichtbogen arbeiten können. Außerdem ist vielerorts vielleicht schon Equipment zum Schweißen vorhanden, das mit Erweiterungen versehen werden kann, um neue Produkte herzustellen.

Wissenswertes rund um die Lasertechnik

Eine Anwendung für Industrielaser ist das Laserschneiden. - Bild: I-Viewfinder - stock.adobe.com

Sie interessiert, welche Themen die Lasertechnik-Branche momentan beschäftigen? Dann kann Ihnen unser praktischer Überblick helfen. Darin erfahren Sie, was die Industrielaser in Zukunft leisten werden. Und dabei geht es nicht nur um pure Leistung, sondern zum Beispiel auch um sehr spezifische Laserquellen und die steigende Relevanz der Prozessperipherie. Hier zum Beitrag "Das sind die Trends in der industriellen Lasertechnik".

Wer sich über bestimmte Lasertypen informieren möchte, der ist übrigens hier gut aufgehoben:

Daher sollte vor der Entscheidung für ein spezielles Verfahren immer zuerst eine Bestandsaufnahme gemacht werden. Auch Reisgen sieht bereits vorhandene Kompetenzen als einen wichtigen Entscheidungsfaktor an: „Bei der Wahl eines Verfahrens sollte man sich immer fragen: Welche Kompetenzen habe ich bereits im Haus? Welche Geräte und Maschinen habe ich schon? Komme ich gegebenenfalls mit dem vorhandenen Equipment oder einer nicht so teuren Aufrüstung meines vorhandenen Equipments schon zum Ziel?“

Letztlich ist die Entscheidung auch eine Frage des Geldes. Wie bereits im Abschnitt „Welche Vorteile hat das Schweißen mit dem Lichtbogen?“ besprochen, ist Equipment für das Schweißen mit Lichtbogen sehr oft günstiger zu haben als Lasertechnik, die dafür aber im Prozess einige weitere Vorteile bringt, die der Lichtbogen nicht zu bieten hat. Bei der Wahl sollte also immer abgewogen werden, welche Investition für das spezifische Produkt wirklich nötig ist.

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