Elektrodenschweissgeräte
Das Lichtbogenschweißen mit umhüllten Elektroden ist ein manuelles Verfahren, bei dem als Wärmequelle ein elektrischer Lichtbogen dient, der zwischen der Mantelelektrode (gehalten von der Elektrodenklemme) und dem Werkstück (Grundwerkstoff) gezogen wird. Die entstehende Wärme schmelzt sowohl den Grundwerkstoff, als auch das Elektrodenmaterial (Zusatzwerkstoff) auf.
DIE UMHÜLLTEN ELEKTRODEN
1. 1 Eigenschaften
Eine Elektrode besteht aus dem Kerndraht und der Umhüllung:
Der Kerndraht ist ein Stab aus leitendem Metall, dessen einzige Aufgabe darin besteht, dem Werkstück Material zuzuführen. Wie er sich zusammensetzt, hängt vom Grundwerkstoff ab: Wird Kohlenstoffstahl geschweißt - die wichtigste Anwendung des Elektrodenschweißverfahrens - besteht der Kerndraht aus weichem Stahl. Beim Schweißen schmilzt der Kerndraht etwas früher als die Umhüllung ab.
Die Umhüllung hat als wichtigster Bestandteil der Elektrode zahlreiche Funktionen: Vorrangig hält sie Verunreinigungen aus der Luft vom Schweißbad fern. Einerseits wird die Atmosphäre rund um die Schmelze verdrängt und somit verändert, andererseits schmilzt die Umhüllung verzögert ab und schützt dadurch den Kerndraht mit dem Krater, der sich natürlich bildet. So geht sie in den flüssigen Zustand über und schwimmt auf dem Schmelzbad. Die Umhüllung enthält Stoffe, die den Grundwerkstoff reinigen und die als Legierungselement der Schmelze zugeführt werden können. Der Wahl der richtigen Umhüllung, die anhand der gewünschten Schweißeigenschaften getroffen wird, kommt aus den genannten Gründen eine sehr große Bedeutung zu. Die Hüllmasse kann pulverförmiges Zusatzmetall enthalten, das die Menge des abschmelzenden Materials und somit die Schweißgeschwi ndigkeit erhöht. Man spricht in diesem Fall von Hochleistungselektroden.
1.2 Einteilung der Elektroden
Im Handel sind verschiedene Typen von ummantelten Elektroden erhältlich, deren chemische Zusammensetzung die jeweiligen Anwendungsbereiche bestimmt: Sie beeinflußt die Lichtbogenstabilität, die Einbrandtiefe, die Abschmelzmenge des Zusatzwerkstoffes und die Reinheit der Schmelze.
Die wichtigsten Umhüllungstypen der Elektroden:
* Sauerumhüllte Elektroden
Der Mantel dieser Elektroden besteht aus Eisenoxid, Eisenmangan und Eisensilizium. Sie gewährleisten eine gute Lichtbogenstabilität und eignen sich deshalb gleichermaßen für Wechselstrom (AC) und Gleichstrom (DC). Es entsteht ein hochflüssiges Schmelzbad, das Schweißarbeiten in Zwangslage unmöglich macht. Außerdem haben die Elektroden keine große Reinigungswirkung auf den Grundwerkstoff, sodaß Rißgefahr besteht.
Die Art der Umhüllung hält keine hohen Trocknungstemperaturen aus; es besteht also die Gefahr von Restfeuchtigkeit und somit von Wasserstoffeinschlüssen in der Schweißung.
* Rutilumhüllte Eletroden
Die Ummantelung dieser Elektrode besteht zu wesentlichen Teilen aus einem Mineral namens Rutil, das 95% Titandioxyd enthält, eine hochstabile Verbindung, die eine hervorragende Lichtbogenstabilität und ein sehr flüssiges Schmelzbad entstehen läßt, mit optisch ansprechenden Ergebnissen. Die Rutilumhüllung wird jedoch hauptsächlich eingesetzt, weil sie durch langsames und problemloses Abschmelzen die Bildung einer reichlichen Menge Schlacke von klebriger Konsistenz begünstigt, die eine flüssige Arbeitsweise vor allem beim Schweißen in Flachlagen ermöglicht. In diesem Fall ist die Naht optisch auffallend schön und regelmäßig. Weil auch diese Umhüllungen leider keine starke Reinigungswirkung haben, werden sie dort empfohlen, wo der Grundwerkstoff keine großen Verunreinigungen aufweist. Sie lassen sich überdies schwer trocknen und entwickeln deshalb im Schweißgut viel Wasserstoff.
Bei einigen Anwendungen wird Rutil mit einer der anderen typischen Umhüllungen kombiniert, etwa mit Zellulose (Elektroden mit Rutil-Cellulose-Umhüllung) oder Flußspat (rutilbasisch umhüllte Elektroden). Ziel ist es meist, eine Elektrode mit stabilem Lichtbogen und besseren Schweißeigenschaften zu schaffen.
Die Lichtbogenstabilität macht es möglich, daß diese Elektrode sowohl mit Wechselstrom (AC) als auch mit negativ gepoltem Gleichstrom (DC) eingesetzt wird. Anwendung findet sie vorrangig bei dünnwandigen Werkstücken.
* Celluloseumhüllte Elektroden
Diese Elektroden haben einen hohen Celluloseanteil, der mit Ferrolegierungen (Magnesium und Silizium) angereichert wird. Weil die Umhüllung fast rückstandslos verbrennt, eignet sich dieser Elektrodentyp als einziger auch gut zum Schweißen in Fallpositionen. Durch den hohen Vergasungsgrad der Zellulose wird beim Schweißen wenig Schlacke gebildet. Durch die starke Entwicklung von Wasserstoff (wegen der besonderen chemischen Zusammensetzung der Umhüllung) wird das Schweißbad "heiß" und schmelzt eine beträchtliche Menge des Grundwerkstückes auf. Die Schweißung hat somit bei geringer Schlackemenge im Bad einen tiefen Einbrand.
Die mechanischen Schweißeigenschaften sind hervorragend, das optische Erscheinigungsbild ist weniger gut, weil bei dieser Umhüllung fast vollständig der flüssige Schutz fehlt, der die Modellierung der Schmelze während der Aushärtung verhindert.
Wegen des instabilen Lichtbogens wird in der Regel mit umgekehrt gepoltem Gleichstrom (DC) gearbeitet.
* Basisch umhüllte Elektroden
Die Umhüllung der basischen Elektroden besteht aus Eisenoxyd, Eisenlegierungen und vor allem aus Kalziumkarbonaten und Magnesium, aus denen durch Beigabe von Fluor und Kalzium Flußspat gewonnen wird, ein Mineral, das die Schmelzung begünstigt. Die Umhüllung reinigt wirksam den Grundwerkstoff, sodaß Qualitätsschweißungen mit hoher mechanischer Festigkeit erzielt werden. Diese Elektroden halten zudem hohe Trocknungstemperaturen aus, das Bad wird also nicht durch Wasserstoff verunreinigt. Durch den Flußspat wird der Lichtbogen sehr instabil: Das Bad ist weniger flüssig, häufige Tropfenkurzschlüsse aufgrund des grobtropfigen Werkstoffübergangs sind zu beobachten; der Bogen muß wegen der geringen Flüchtigkeit der Umhüllung sehr kurz gehalten werden. Dies sind Eigenschaften, die viel Erfahrung vom Schweißenden erfordern. Die harte und schwer ablösende Schlacke ist im Falle von Nachbearbeitungen vollständig zu entfernen. Diese Elektroden eignen sich für Schweißungen in Zwangslage, in Fallpositio nen, Überkopf etc.
Angewendet werden vorzugsweise umgekehrt gepolte Gleichstromgeneratoren (DC). Basische Elektroden zeichnen sich durch den sehr großen Werkstoffeintrag aus und eignen sich deshalb vorzüglich zum Schweißen breiter Fugen. Wegen ihrer hydroskopischen Wirkung ist es empfehlenswert, diese Elektroden in trockener Umgebung und in gut verschlossenen Behältern zu lagern. Wo dies nicht möglich ist, sollte die Elektrode vor ihrer Benutzung nachgetrocknet werden.
