Lichtbogenschweißen: Grundwissen, Schweißverfahren und Trends

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. Wir haben hier die relevantesten Informationen zum Lichtbogenschweißen für Sie zusammengefasst.

Definition: Was ist Lichtbogenschweißen?

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.

Welche Arten von Lichtbogenschweißen gibt es?

Es gibt viele verschiedene Schweißverfahren und Verfahrensvarianten, die sich aber in Übergruppen einteilen lassen. Unterschieden wird dabei vor allem danach, ob die Elektrode während des Schweißvorgangs abschmilzt oder nicht.

Schweißverfahren mit abschmelzenden Elektroden

Das am häufigsten angewendete Fügeverfahren mit abschmelzenden Elektroden ist das Metall-Schutzgasschweißen (kurz: MSG-Schweißen), das auch als MIG/MAG-Schweißen bekannt ist. Wie der Name bereits verrät, wird bei diesen Verfahren ein Schutzgas eingesetzt, um den Lichtbogen vor dem reaktiven Sauerstoff in der Umgebung zu schützen. Das Schutzgas verdrängt den Sauerstoff rund um die Schweißstelle und verhindert auf diese Weise Oxidation am Lichtbogen und am Schmelzbad.

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 niedrig legierte Stähle ist.

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.

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.

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.

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.

Das sind die Trends beim Lichtbogenschweißen

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 Prof. Uwe Reisgen, Leiter des Instituts für Schweißtechnik und Fügetechnik an der RWTH Aachen, im Gespräch mit PRODUKTION. "Das hat in den letzten Jahren enormen Fortschritt gebracht, auch was Digitalisierungstechnik angeht."

Neue Verfahrensvarianten für spezielle Anwendungen

Schweißtechnik-Anbieter verfeinern das Verfahren immer weiter, um das Schweißen mit dem Lichtbogen sauberer und energieeffizienter zu machen. Hier stellen wir Ihnen beispielsweise vier moderne Verfahrensvarianten vor:

Die Beispiele von EWM, Fronius, Cloos und Lorch 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 einen weiteren Schritt in Richtung dünnere Materialien, andererseits 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.

Ein Beispiel: Xnet von EWM. Dabei handelt es sich um ein Schweißmanagement-System für die Industrie 4.0. Mit der Lösung können Fertigung, Planung, Qualitätsmanagement, Schweißaufsicht und Verwaltung gebündelt organisiert werden. Das hilft dabei, sowohl die Wirtschaftlichkeit als auch die Qualität zu verbessern. Dies erfolgt unter anderem über eine Schweißdatenerfassung und Analyse in Echtzeit. Damit wird Fehlern vorgebeugt. Eingebunden werden können neben EWM-Geräten auch Schweißgeräte beliebiger anderer Hersteller.

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. Wie Sie die richtige Wahl treffen, lesen Sie im Artikel "Wie wähle ich das richtige Schweißverfahren?".

Nachhaltigkeit gewinnt weiter an Relevanz

Als ein häufig verwendetes Fertigungsverfahren muss auch die Schweißtechnik an ihrer Nachhaltigkeit arbeiten. Lichtbogenschweißen verbraucht Energie und erzeugt Schweißrauch, Schlacke und andere Abfälle, die Umweltbelastungen verursachen können. Durch die Minimierung von Energieverbrauch, Abfall und Emissionen können die Umweltauswirkungen des Schweißprozesses reduziert werden.

Die Hersteller haben das bereits erkannt: "Nachhaltigkeit verstehen wir beim Schweißen als roten Faden", erzählt Boyan Ivanov, Technical Head of Sales bei EWM. "Dieser zieht sich von der Herstellung des Gerätes über dessen Energieeffizienz und die Integration nachhaltigerer Schweißverfahren bis zu seiner Entsorgung und der Wiederverwendung von Materialien."

Anhand der effizienten Nutzung von Materialien und Energie können die natürlichen Ressourcen geschont und der ökologische Fußabdruck des Schweißprozesses verringert werden. Zusätzlich erhöhen diese Bemühungen häufig zeitgleich die Wirtschaftlichkeit und können Unternehmen einen Wettbewerbsvorteil verschaffen, indem sie umweltfreundliche Produkte anbieten und den Kunden gegenüber ihre Verpflichtung zur Nachhaltigkeit demonstrieren.