Elektrodenschweißen

Elektrodenschweißen ist ein altbewährtes, noch immer weit verbreitetes manuelles Schweißverfahren und damit ein echter Klassiker. Das auch als Lichtbogenhandschweißen oder E-Hand-Schweißen bezeichnete Verfahren ist fordernd für den Schweißer: Großes handwerkliches Geschick und viel Erfahrung sind dafür notwendig. Das Verfahren verwendet im Unterschied zum MIG-, MAG- und WIG-Schweißen eine abschmelzende Elektrode, die gleichzeitig Füllmaterial und Schutzgas liefert. Aufgrund der Verwendung der abschmelzenden Elektrode ist eine separate Gasflasche nicht notwendig. Daher ist das Verfahren sehr flexibel aber gleichzeitig auch anspruchsvoll in der Prozessführung.

Funktionsweise von Elektrodenschweißen

Elektrodenschweißen ist ein bewährtes Schweißverfahren, dessen Grundlagen sich relativ leicht erlernen lassen und das sich sehr vielseitig einsetzen lässt. Nicht zufällig ist E-Hand-Schweißen oft das bevorzugte Schweißverfahren, wenn es beispielsweise um Reparaturen oder auch Stahlbau geht.

Rolle der Elektrode

Um zu verstehen, wie das Verfahren im Detail funktioniert, ist es notwendig die Rolle der Elektrode zu verstehen. Die Elektrode ist beim Schweißen ein metallischer Stab, der einerseits als Stromleiter und andererseits als Schweißzusatzwerkstoff dient. Man spannt in der Regel die Elektrode in einem Elektrodenhalter ein und verbindet sie mit dem Schweißgerät. Berührt die Elektrode das Werkstück und wird dann leicht angehoben, so entsteht ein Lichtbogen zwischen Elektrode und Werkstück. Bei dem Lichtbogen handelt es sich um eine extrem heiße Plasmaflamme. Es sind ohne weiteres Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius möglich. Die enorme Hitze bewirkt ein Aufschmelzen der Elektrodenspitze und der Oberfläche des Werkstücks.

Das von der Elektrode abschmelzende, verflüssigte Metall tropft in die Schweißfuge. Dort verbindet es sich mit dem geschmolzenen Material des Werkstücks. Die Elektrode ist auch mit einer Umhüllung versehen. Diese schmilzt ebenfalls und bildet eine schützende Gasschicht sowie eine Schlacke über der Schweißnaht. Das ist entscheidend um die Schweißnaht vor dem schädlichen Einfluss von Sauerstoff und Stickstoff aus der Umgebungsluft zu schützen. Sobald die Schweißnaht abgekühlt ist, muss die Schlacke dann entfernt werden.

Arten von Elektroden

Beim Elektrodenschweißen kommen unterschiedliche Arten von Elektroden zur Verwendung, die für spezifische Anwendungen optimiert sind. Sie unterscheiden sich vor allem in ihrer Ummantelung und ihren Schweißeigenschaften. Die Wahl des Elektrodentyps hängt vom Werkstoff, der Schweißposition sowie den gewünschten mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht ab. Die Umhüllung beeinflusst die Qualität der Schweißnaht wesentlich und besteht aus unterschiedlichen Mineralien sowie organischen Substanzen, die beim Schweißvorgang verschiedene Funktionen haben:

•  Rutile Elektroden (R): Der meistverwendete Elektrodentyp beinhaltet einen hohen Rutil-Anteil (Titandioxid). Rutile Elektroden haben den Vorteil eines sehr stabilen Lichtbogens sowie einer leichten Zündung. Die Spritzerbildung ist gering, das Nahtbild in der Regel fein und gleichmäßig. Der Elektrodentyp ist ideal für unlegierte und niedriglegierte Stähle. Schweißen ist in allen Positionen möglich. Rutile Elektroden sind bei Hobby-Schweißern bzw. jenen Schweißern beliebt, die noch nicht auf umfängliche Erfahrung zurückgreifen können.
• Basische Elektroden (B): Die Ummantelung basischer Elektroden hat einen hohen Anteil an basischen Mineralien wie beispielsweise Calciumfluorid. Die Handhabung basischer Elektroden ist im Vergleich zu rutilen Elektroden anspruchsvoller, da der Lichtbogen kürzer sein muss und die Schlacke häufig zähflüssiger ist. Jedoch sind die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht von hervorragender Qualität. Die Schweißnähte sind rissbeständig, besonders zäh und erreichen hohe Festigkeitswerte. Basische Elektroden kommen daher primär bei hochbelasteten Konstruktionen sowie dickwandigen Bauteilen und im Stahlbau zum Einsatz.
• Zellulose-Elektroden (C): Die Ummantelung von Zellulose-Elektroden weist einen hohen Anteil an organischen Stoffen (Zellulose) auf. Die Zellulose verbrennt beim Schweißen und erzeugt dabei große Mengen an Schutzgas. Der Lichtbogen dieses Elektrodentyps ist sehr kräftig und tief einbrennend, die Abschmelzleistung ist hoch. Zellulose-Elektroden sind gut für das Schweißen in Zwangslagen geeignet, insbesondere für Fallnähte. Daher kommt dieser Typ von Elektroden häufig für das Wurzelschweißen von Rohren zum Einsatz und wird im Pipelinebau verwendet.
• Saure Umhüllung (A): Die Ummantelung beinhaltet vor allem Eisenoxid sowie Stoffe wie Ferromangan, die desoxidierend wirken. Das entstehende Schweißbad ist hochflüssig, daher ist ein Schweißen in Zwangslage nicht möglich. Die Schlacke ist gut ablösbar, die resultierenden Schweißnähte haben jedoch eine grobe, meist grobschuppige Oberfläche.

Richtige Wahl der Elektrode

Die richtige Wahl der Elektrode hat entscheidenden Einfluss auf den Schweißprozess und die Qualität der Schweißnaht. Einerseits hängt die Wahl des richtigen Elektrodentyps vom zu schweißenden Material ab, andererseits wird die richtige Dicke der Elektrode durch die Dicke des Materials beeinflusst.

Einflussfaktor Materialart

Die Wahl der richtigen Elektrode hängt vor allem vom Material ab, das geschweißt werden soll.

• Unlegierte und niedriglegierte Stähle

Für unlegierte und niedriglegierte Stähle eignen sich rutile Elektroden (R) oder basische Elektroden (B) sehr gut. Rutile Elektroden zeichnen sich durch gute Zündeigenschaften und ein ruhiges Lichtbogenverhalten aus, die erzeugten Schweißnähte weisen eine gute Nahtoptik auf. Rutile Elektroden sind damit gut für alle Schweißpositionen geeignet. Basische Elektroden erzeugen hochfeste und zähe Schweißnähte, die über außerordentliche mechanische Eigenschaften verfügen. Dies und die Unempfindlichkeit gegenüber Rissen machen basische Elektroden ideal für hochbelastete Konstruktionen sowie Reparaturen. Jedoch sind die Elektroden anspruchsvoller in der Handhabung und empfindlich gegen Feuchtigkeit. Eine sorgfältige Vorbereitung und Nachbehandlung der Naht ist unbedingt notwendig. Wenn dünne Bleche geschweißt werden sollen bzw. große Spalte zu überbrücken sind, kommen häufig Zellulose-Elektroden zur Verwendung. Sie weisen eine hohe Einbrandtiefe und gute Fallnahteigenschaften auf.

• Hochlegierte Stähle (Edelstähle)

Beim Schweißen rostfreier Stähle kommen hochlegierte Elektroden mit ausgewählten Legierungszusätzen wie Chrom bzw. Nickel zum Einsatz. Die Legierung der Elektrode soll dabei der Legierung des Grundwerkstoffes entsprechen, da die Korrosionsbeständigkeit und die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht gewährleistet sein müssen. Je nach genauer Zusammensetzung des Edelstahls sind unterschiedliche Ausführungen von Elektroden erhältlich.

• Gusseisen

Gusseisen zu schweißen ist anspruchsvoll. Es kann zu Rissbildung und Versprödungen neigen. Meist kommen Nickel- oder Nickel-Eisen-Elektroden für Gusseisen zum Einsatz, um eine bessere Bearbeitbarkeit der Schweißnaht zu ermöglichen und damit die Rissgefahr zu reduzieren.

•  Aluminium

Aluminium und Aluminiumlegierungen lassen sich mit speziellen Aluminiumelektroden schweißen. Die Elektroden verfügen über eine Flussmittelumhüllung, welche die Oxidschicht am Werkstoff durchbricht. Erst damit wird ein sauberer Schweißprozess gewährleistet. Das Elektrodenschweißen von Aluminium ist eine Herausforderung und schwieriger als alternative Schweißtechniken wie das WIG- oder MIG/MAG-Schweißen.

Die Elektrode sollte immer in Abhängigkeit vom geschweißten Material ausgewählt werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Empfehlenswert ist jedenfalls, die Angaben der Elektrodenhersteller zu berücksichtigen.

Einflussfaktor Materialdicke

Die Dicke der Elektrode sollte sorgfältig auf die Dicke des Materials abgestimmt sein. Ziel ist die Wärmeeinbringung möglichst gering zu halten um Durchbrand zu vermeiden. Für dünne Bleche kommen daher grundsätzlich dünnere Elektroden zum Einsatz. Für dicke Bleche dagegen werden dickere Elektroden verwendet, da sie eine höhere Abschmelzleistung bieten und damit die Füllung der Naht effizienter erfolgen kann. Zusätzlich muss für optimale Schweißresultate unbedingt auf die richtige Einstellung des Elektrodenstroms in Abhängigkeit vom Elektrodendurchmesser geachtet werden. Einige Angaben zur Orientierung:

• Für dünnere Blech von 1,0 bis 3,0 mm kommen in der Regel Elektrodendurchmesser von 1,6 – 2,0 mm bei einem Strom von 25 – 75 A zum Einsatz.

• Für dickere Bleche von 3,0 – 10,00 mm ist es üblich Elektrodendurchmesser von 2,5 – 5,0 mm bei einer Stromstärke von 75 – 200 A zu verwenden.

Richtige Polung der Elektrode

Die Polung der Elektrode ist bei Wechselstrom (AC) grundsätzlich egal. Wird mit Gleichstrom (DC) geschweißt, muss hingegen abhängig vom verwendeten Elektrodentyp auf die richtige Polung geachtet werden. Eine falsche Polung würde das Schweißergebnis signifikant verschlechtern. Die folgenden Angaben dienen als allgemeine Orientierung:

• Rutile und niedriglegierte Elektroden werden mit dem Minuspol an der Elektrode geschweißt, das Werkstück liegt also am Pluspol. Die Konfiguration führt im Allgemeinen zu einem breiteren und weniger tiefen Einbrand ins Werkstück.

• Basische Elektroden und einige Zelluloseelektroden werden besser mit dem Pluspol an der Elektrode geschweißt. Tendenziell führt diese Konfiguration zu einem tieferen Einbrand ins Werkstück.

Für eine qualitativ hochwertige Schweißnaht ist beim Schweißen mit Gleichstrom nicht nur die richtige Wahl der Elektrode sondern zusätzlich auch die richtige Polung entscheidend.

Ausbildung für das Elektrodenschweißen

Elektrodenschweißen ist anspruchsvoll und erfordert daher sowohl entsprechendes handwerkliches Geschick als auch eine umfassende Ausbildung. Fundierte Kenntnisse über die verschiedenen Schweißverfahren, im Bereich der Materialwissenschaften sowie zu den geltenden Sicherheitsvorschriften sind neben der praktischen Anwendung Bestandteil der Ausbildung zum Elektrodenschweißer. Im Detail gehören zu den theoretischen Inhalten:

• Elektrotechnische Grundlagen zum elektrischen Stromkreis, der elektrischen Spannung, der Stromstärke und der Polarität.
• Materialkunde mit den relevanten Fakten zu den bearbeiteten Metallen und Legierungen und deren Verhalten beim Schweißen.
• Schweißnahtvorbereitung für das richtige Reinigen, Ausrichten und Anfasen, also dem Erzeugen einer abgeschrägten Kante am Werkstück.
• Schweißfehler und wie sie vermieden werden können. Neben dem Erkennen liegt der Schwerpunkt auf dem Beheben typischer Schweißfehler. Dazu gehören Risse, Poren oder Bindefehler.
• Sicherheitsvorschriften für den sicheren Umgang mit Schweißgeräten und Schutzkleidung sowie Kenntnisse im Bereich erforderlicher Brandschutzmaßnahmen.

Entscheidend sind vor allem die praktischen Fähigkeiten, bei denen es unter anderem darum geht, die richtige Elektrodenführung zu beherrschen, das Verhalten des Lichtbogens zu kennen und wie es gelingt, das Schmelzbad sicher zu kontrollieren. Besonders für Schweißer ist eine regelmäßige Weiterbildung und Zertifizierung wichtig, um das Qualitätsniveau nachhaltig zu sichern und um stets am letzten Stand der Technik zu sein. 

Für anspruchsvolle Anwendungen, die auch einen hohen Komplexitätsgrad sowie umfassende Qualitätskontrollen aufweisen können, ist mit dem Schweißen der Stufe 3 eine fortgeschrittene Ausbildungsstufe zu absolvieren. Schweißen der Stufe 3, auch als Level 3 Schweißausbildung bezeichnet, geht deutlich über die Grundlagen und das Grundwissen hinaus. Es fokussiert auf fortgeschrittene Techniken und die Anwendung diverser Schweißprozeduren in unterschiedlichen Branchen.

Schweißen der Stufe 3 kann folgende Tätigkeitsbereiche umfassen:

• Schweißen in allen Positionen. Dies beinhaltet sowohl horizontales als auch vertikales sowie Überkopf- und Fallnahtschweißen.
• Schweißen dickwandiger Materialien. Eingeschlossen sind das Schweißen mit mehreren Lagen sowie aufwendige und anspruchsvolle Nahtvorbereitungen.
• Umgang mit schwer schweißbaren bzw. hochfesten Materialien, insbesondere von Legierungen, für die ein spezifisches Prozedere in puncto Vorwärmen und Nachbehandlung notwendig ist.
• Schweißen kritischer Bauteile, also wenn die Integrität der Schweißnaht essenziell ist. Dazu gehören tragende Konstruktionen sowie Druckbehälter bzw. Pipelines.

Schweißer auf Stufe 3 haben die Fähigkeit, auch bei schwierigen Bedingungen Schweißnähte in einer hochwertigen und fehlerfreien Qualität herzustellen. Dafür sind hervorragende praktische Fertigkeiten und ein profundes theoretisches Wissen erforderlich. Außerdem muss der Schweißer die Fähigkeit besitzen, komplexe Spezifikationen und technische Zeichnungen zu verstehen.

Elektrodenschweißen im Vergleich zu MIG-, MAG- & WIG-Schweißen

Das Lichtbogenschweißen ist ein bewährtes und vielseitiges Verfahren, das sich auch für den Einsatz im Freien bzw. unter schwierigen Bedingungen gut eignet: Es weist eine geringe Anfälligkeit für Wind bzw. Zugluft auf. Elektrodenschweißen ist außerdem in der Anschaffung und im Betrieb kostengünstig. Für eine gute Schweißnahtqualität ist allerdings viel Übung erforderlich und die typische Schweißgeschwindigkeit ist eher niedriger. Zudem ist mit dem Entfernen der Schlacke nach dem Schweißen ein zusätzlicher Arbeitsschritt notwendig.

Elektrodenschweißen versus MIG-Schweißen

Im Unterschied zum Elektrodenschweißen ist MIG-Schweißen (Metall-Inertgas) ein halbautomatisches Verfahren. Zum Einsatz kommen ein kontinuierlich zugeführter Draht sowie externes Schutzgas, um das Schmelzbad effektiv vor Verunreinigungen zu schützen. Vorteile von MIG-Schweißen sind hohe Schweißgeschwindigkeiten und eine verhältnismäßig einfache Handhabung. Damit ist MIG-Schweißen gut für Anfänger geeignet sowie für Arbeiten, die hoch produktiv sein müssen. MIG-Schweißen zeichnet sich in der Regel durch saubere Schweißnähte aus, die weniger Nacharbeit erfordern, als dies beim Elektrodenschweißen der Fall ist. MIG-Schweißen ist jedoch für Wind und Zugluft anfälliger: Kommt es zum Verblasen des Schutzgases, kann dies poröse Schweißnähte zur Folge haben. Die Ausrüstung für das MIG-Schweißen ist meist teurer und nicht so kompakt wie jene für das Elektrodenschweißen.

Elektrodenschweißen ist oft die bessere Wahl, wenn die Umgebungsbedingungen rau sind und Flexibilität sowie Mobilität eine Rolle spielen, also es sich beispielsweise um Arbeiten auf der Baustelle, gelegentliche Arbeiten bzw. Reparaturen handelt. MIG-Schweißen ist die Methode der Wahl, wenn es um Serienfertigung geht, und die Anforderung darin besteht, schnell saubere Nähte herzustellen.

Elektrodenschweißen versus MAG-Schweißen

MAG-Schweißen (Metall-Aktivgas) verwendet ähnlich wie MIG-Schweißen einen Draht, der kontinuierlich zugeführt wird. Zusätzlich kommt ein aktives Schutzgas für den Schutz des Schmelzbades zum Einsatz. MAG-Schweißen überzeugt durch hohe Produktivität und Schweißgeschwindigkeit. Grund dafür sind die automatische Zuführung des Drahtes und der Umstand, dass kein Elektrodenwechsel erforderlich ist. MAG-Schweißen produziert saubere Schweißnähte, verursacht wenig Spritzer und ist in der Handhabung einfacher als das Elektrodenschweißen. Bevorzugtes Einsatzgebiet sind die industrielle Fertigung und der Fahrzeugbau sowie Werkstätten von Schlossereibetrieben. Nachteilig wirkt sich die geringere Mobilität aus, da eine Gasflasche erforderlich ist. Ein weiterer Nachteil ist die Empfindlichkeit gegenüber Zugluft.

Elektrodenschweißen ist in Summe flexibler und robuster im Verfahren. MAG-Schweißen punktet durch seine Effizienz und die hohe Schweißnahtqualität.

Elektrodenschweißen versus WIG-Schweißen

WIG-Schweißen (Wolfram-Inertgas-Schweißen) ermöglicht eine sehr präzise Kontrolle. Das Verfahren ist dazu in der Lage, Schweißnähte von hervorragender Qualität und Ästhetik zu erzeugen. Zum Einsatz kommt eine nicht abschmelzende Wolframelektrode. Der Zusatzwerkstoff wird separat zugeführt. Argon kommt meist als inertes Gas zur Verwendung, um die Schweißzone vor atmosphärischen Einflüssen zu schützen. WIG-Schweißen ist ideal für dünne Materialien sowie Aluminiumlegierungen, Edelstahl und Titan geeignet. WIG-Schweißen ist in der Regel das Verfahren der Wahl, wenn die Anforderungen an die Nahtqualität und das Erscheinungsbild hochwertig sind. Das ist im Behälterbau, in der Lebensmittelindustrie aber auch bei Kunstwerken der Fall. Nachteilig wirkt sich aus, dass das Verfahren langsamer ist. Zusätzlich sind viel Übung und eine sehr ruhige Hand erforderlich. Das Verfahren reagiert außerdem hinsichtlich Zugluft und Oberflächenverunreinigungen empfindlich.

Elektrodenschweißen ist die richtige Wahl für unkritische Anwendungen in einem rauen Arbeitsumfeld. WIG-Schweißen glänzt dort, wo Präzision, Sauberkeit und ästhetisch ansprechende Nähte entscheidend sind.