MMA Schweißen

LICHTBOGENSCHWEISSEN MIT UMHÜLLTEN ELEKTRODEN (M.M.A. Manual Metal Arc)

 

A. VORBEMERKUNG

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.    

 

 

 

 





B. DIE SCHWEIßANLAGE

 

Die Schweißanlage besteht im Wesentlichen aus folgenden Elementen:

1. Schweißstromgenerator

2. Elektrodenklemme

3. Umhüllte Elektrode

4. Masseklemme

5. Klemmen- und Massekabel

 

 

 

 

1. SCHWEIßSTROMGENERATOR

Der Stromgenerator speist den Lichtbogen, der sich zwischen dem Grundwerkstoff und der Elektrode bildet, mit einer Strommenge, die für die Aufrechterhaltung des Bogens ausreicht.
Das Elektrodenschweißverfahren basiert auf dem Gleichstromprinzip, d. h. der vom Generator bereitgestellte Strom darf sich nicht ändern, wenn der Schweißer die Elektrode im Verhältnis zum Werkstück bewegt. Ihrer Bauart nach muß die Quelle den Strom also konstant halten, wenn sich die Lichtbogenlänge wegen der Annäherung oder Entfernung im Verhältnis zur Elektrode ändert: Je konstanter der Strom ist, desto stabiler ist der Lichtbogen und desto besser die Arbeitsbedingungen für den Schweißer. In den Generator ist generell eine Vorrichtung zur Schweißstromregelung integriert, die entweder mechanisch (Magnet-Shunt oder Transduktor) oder elektronisch (Systeme mit steuerbaren Halbleitergleichrichtern (SCR) oder Inverter). Nach diesen Unterscheidungen lassen sich die Elektrodenschweißmaschinen entsprechend ihrer Bauart in drei Familien einteilen: elektromechanische, elektronische (SCR) und Inverter-Schweißmaschinen. Nach der Polarität des Stroms am Generatorausgang lassen sich zwei weitere Kategorien unterscheiden:

a) Wechselstromgenerator AC (alternating current)
Der Strom des Generators hat die Form einer Sinuswelle, die in regelmäßigen Zeitabständen mit einer Frequenz von 50 oder 60 Zyklen pro Sekunde (Hertz) ihre Fließrichtung ändern. Erzeugt wird die Welle von einem Transformator, der den Netzstrom in einen schweißgerechten Wechselstrom umformt. Dieser Generatortyp findet Anwendung in elektromechanischen Schweißmaschinen.

b) Gleichstromgenerator DC (direct current)

Der Strom am Generatorausgang hat die Form einer kontinuierlichen Welle. Gebildet wird sie von einem Gleichrichter, der dem Transformator nachgeschaltet ist und Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Dieser Ausgang ist typisch für SCR-und Invertergeneratoren.
Wird ein Gleichstromgenerator (DC) eingesetzt, kann nach der Art, wie die Pole der Schweißstromquelle mit dem Werkstück verbunden werden, eine weitere Unterscheidung getroffen werden:

i) Negativ gepolter Anschluß
Bei der negativen Polung wird das Klemmenkabel (mit Elektrodenklemme) an den Minuspol (-), und das Massekabel (mit Masseklemme) an den Pluspol (+) der Schweißstromquelle angeschlossen. Die Elektronen fließen also von der Elektrode zum Werkstück und rufen dort die Schmelzung hervor. Der Lichtbogen konzentriert die freiwerdende Wärme auf das Werkstück und begünstigt dessen Aufschmelzung. Dabei schmilzt der Kerndraht der Elektrode, das Material setzt sich ab und dringt in die Schweißfuge ein.

ii) Umgekehrt gepolter Anschluß
Bei der umgekehrten Polung wird das Klemmenkabel (mit Elektrodenklemme) an den Pluspol (+), das Massekabel (mit Masseklemme) an den Minuspol (-) der Schweißstromquelle angeschlossen.
Der Wärmeeintrag des Lichtbogens konzentriert sich auf die Elektrodenseite. Jeder Elektrodentyp erfordert eine besondere Kennlinie der Stromquelle (AC oder DC) und bei Anwendung von DC eine bestimmte Polung: Die Auswahl der Elektrode wird somit auch von der Art des eingesetzten Generators beeinflußt. Die fehlerhafte Anwendung führt zu Problemen mit der Stabilität des Lichtbogens und wirkt sich negativ auf die Schweißgüte aus.

2. DIE ELEKTRODENKLEMME

Die Funktion der Elektrodenklemme ist hauptsächlich, die Elektrode zu halten und einen einwandfreien elektrischen Kontakt herzustellen, durch den der Strom fließen kann. Außerdem muß sie den Schweißer wirksam isolieren.

 

3. UMHÜLLTE ELEKTRODE

Die umhüllte Elektrode besteht aus dem Kerndraht und der Umhüllung, zwei Komponenten, die zwar unterschiedliche Funktion haben, sich aber gegenseitig ergänzen: Der Kerndraht dient vorrangig als Stromleiter für die Speisung des Lichtbogens. Der Zusatzwerkstoff schmilzt in die Schweißfuge ab und füllt sie. Die wichtigste Funktion der Umhüllung besteht demgegenüber im Schutz der Schmelze und in der Stabilisierung des Lichtbogens.

4. 5. KLEMMEN- UND MASSEKABEL

Die Masseklemme stellt über das Massekabel die Verbindung zwischen der Schweißquelle und dem Werkstück her.
Das Klemmenkabel verbindet die Elektrodenklemme mit dem Generator.

 


C. DIE VORRICHTUNGEN ARC FORCE, HOT START, ANTI-STICK

Um die Bedienung der Schweißgeneratoren zu vereinfachen, können bestimmte Einrichtungen vorhanden sein, die begrifflich folgendermaßen abgegrenzt werden:
Dank der Vorrichtung Arc Force gehen Tropfen geschmolzenen Materials leichter von der Elektrode zum Werkstück über. Verhindert wird nämlich das Erlöschen des Lichtbogens, wenn über diese Tropfen der Kontakt zwischen Elektrode und Schmelzbad zustandekommt.
Die Vorrichtung Hot Start stellt bei jedem Neustart des Schweißgerätes Überstrom bereit und unterstützt dadurch die Zündung des Lichtbogens.
Die Funktion Anti-Stick schaltet den Schweißgeneratoren automatisch ab, wenn die Elektrode am Werkstück festklebt und von Hand abgelöst werden muß, ohne die Elektrodenklemme zu beschädigen.


D. 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.

1.3 Eigenschaften der einzelnen Elektrodentypen

TYPVORTEILENACHTEILEANWENDUNGEN
sauer
  • kostengünstig
  • stabiler Lichtbogen
  • Strom AC und DC
  • Schlacke leicht ablösend
  • starke Desoxidation
  • einfache Lagerung
  • flüssiges Schmelzbad
  • geringe Reinigungswirkung 
  • hoher Wasserstoffeintrag
  • Schlacke nicht aufschmelzbar
  • Waagerecht-Schweißung
  • Stahlsorten mit niedrigem Kohlenstoffanteil und geringen Verunreinigungen
  • wirtschaftliches Schweißen mit zufriedenstellenden mechanischen Eigenschaften (gute Festigkeit, aber Rißgefahr)
rutil
  • kostengünstig
  • Stabiler Lichtbogen
  • zündfreundlich
  • Strom AC und DC
  • Naht optisch ansprechender
  • einfache Lagerung
  • flüssiges Schmelzbad
  • geringe Reinigungswirkung
  • hoher Wasserstoffeintrag
  • Waagerecht-Schweißung
  • Vertikal- und Winkelschweißen dünnwandiger Werkstoffe
  • Stahlsorten mit niedrigem Kohlenstoffanteil und geringen Verunreinigungen
  • Optisch ansprechendes Schweißresultat trotz mechanisch zufriedenstellender Eigenschaften (gute Festigkeit, aber Rißgefahr)
cellulose
  • Tiefer Einbrand
  • bequeme Handhabung
  • geringe Schlackenbildung
  • erforderlich sind DC-Generatoren mit hoher Leerlaufspannung
  • Unregelmäßige Naht
  • hoher Wasserstoffeintrag
  • Schweißungen in allen Lagen, einschließlich Fallpositionen
  • Rohre oder wo keine Kapplage möglich ist
  • Kritische Schweißungen an für Elektroden unzugänglichen Stellen
  • Stahlsorten mit niedrigem Kohlenstoffanteil und geringen Verunreinigungen
basisch
  • Hervorragende Reinigung des Werkstoffes
  • sehr geringer Wasserstoffeintrag
  • kühles Bad
  • Bogen relativ unstabil
  • Schlacke nicht aufschmelzbar und schlecht ablösend
  • kurzer und schlecht handhabbarer Lichtbogen
  • schwierige Zündung
  • DC Generatoren
  • schwierige Lagerung
  • Schweißen auch dickwandiger Werkstoffe in allen Lagen
  • hohe Abschmelzgeschwindigkeit
  • Schweißgüte mit sehr guten mechanischen Eigenschaften auch bei Werkstoffen mit Verunreinigungen

1.4 Die Anpassung des Schweißstroms an den jeweiligen Elektrodentyp

DURCHSCHNITTSWERTE DES SCHWEISSSTROMS (A)
Elektrodendurchmesser (mm) 1,60 2,00 2,50 3,25 4,00 5,00 6,00
Saure Elektrode - - - 100-150 120-190 170-270 240-380
Rutilelektrode 30-55 40-70 50-100 80-130 120-170 150-250 220-370
Celluloseelektrode 20-45 30-60 40-80 70-120 100-150 140-230 200-300
Basische Elektrode 50-75 60-100 70-120 110-150 140-200 190-260 250-320

2. Elektrodenklassen
Die umhüllten Elektrodentypen werden anhand ihrer wichtigsten Eigenschaften von der Norm EN 499 in Klassen eingeteilt.

a) Nach der gültigen Norm erhält jede Elektrode eine Bezeichnung, die auf der Außenverpackung zu lesen ist. Nachstehend ein Bezeichnungsbeispiel:

E 44 T 3 C 1 9 R09 KV20

Die Elemente haben folgende Bedeutung:
* E = Benennung: Elektrode
* 44 = Kurzzeichen für die Zugfestigkeit mit folgenden Möglichkeiten:

00 = kein garantierter Wert
44 = garantierter Mindestwert 44 Joule

* T = Art der Anwendung mit folgenden Möglichkeiten:

S = für dünnwandige Bleche (unter 4 mm.)
L = für mittlere und dicke Bleche
T = für Rohre

* 3 = Aufgrund spezieller mechanischer Prüfverfahren wird eine Güteklasse zwischen 1 und 4 vergeben.
* C = Typkurzzeichen für die Umhüllung mit folgenden Möglichkeiten:

R = Rutil RC = Rutil-Cellulose
B = Basisch RB = rutil-basisch
C = Cellulose V = Sonderformen

* 1 = Schweißlagen mit folgenden Möglichkeiten:

1 = alle
2 = alle, außer Fallpositionen
3 = nur flach und flach-frontal (normaler Winkel)
4 = nur flach und Rinnenlage

* 9 = Anwendbarer Strom mit folgenden Möglichkeiten:
* R09 = Garantierte Mindestleistung in Zehnteln
* KV20 = Zusätzliches Kurzzeichen für die Kerbschlagarbeit bei niedrigen Temperaturen
In unserem Beispiel ist für die Elektrode die Kerbschlagarbeit bis -20 °C angegeben.

b) Nach der Klassifizierung AWS (AMERICAN WELDING SOCIETY) ASTM (AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS) wird jede Elektrode durch das Logo des Herstellers und durch ein Symbol gekennzeichnet, wie im folgenden Beispiel dargestellt:

E 60 1 1

Die einzelnen Elemente haben folgende Bedeutung:
E = Benennung: Elektrode
60 = Minimale Zugfestigkeit in Pfund je Quadratzoll
1 = Schweißlagen mit folgenden Möglichkeiten:

1 = alle
2 = flach und Rinnenlage

1 = Schweißstrom mit folgenden Möglichkeiten:

0 = Gleichstrom mit Pluspolung für celluloseumhüllte Elektroden
1 = Wechsel- und Gleichstrom (Pluspolung)
2 = Wechsel- und Gleichstrom (Minuspolung)
3 = Wechsel- und Gleichstrom für Rutilelektroden
4 = Wechsel- und Gleichstrom für Hochleistungselektroden mit Rutilmantel
5 = Gleichstrom mit Pluspolung für basisch umhüllte Elektroden
6 = Wechsel- und Gleichstrom für basisch umhüllte Elektroden
7 = Wechsel- und Gleichstrom (Plus- und Minuspolung) für Hochleistungselektroden mit Eisenoxidmantel
8 = Wechsel- und Gleichstrom (Pluspolung) für Hochleistungselektroden mit basischer Umhüllung


E. Welche Werkstoffe können mit dem Verfahren MMA verschweißt werden

Ist die Zusammensetzung des Stahls leicht erkennbar, können wegen ihrer Zündfreundlichkeit, der guten Handhabbarkeit beim Schweißen und der optisch ansprechenden Schweißnaht Rutilelektroden benutzt werden.
In der Praxis können beim Schweißen von Stahlsorten mit mittlerem bis hohem Kohlenstoffgehalt (>0,25%) Gefügefehler auftreten. Zu empfehlen ist das Elektrodenverfahren vor allem zum Schweißen von mittel- bis sehr breiten Schweißfugen mit basisch umhüllten Elektroden: In diesen Fällen erhält man eine gute Schweißgüte kombiniert mit einer höheren Rißsicherheit. Stahlrohre werden mit celluloseumhüllten Elektroden geschweißt, weil dort ein tieferer Einbrand und eine gute Verarbeitbarkeit der Elektrode gefordert ist. Empfehlenswert ist in jedem Fall die vorherige Abschrägung mit einem Winkel, der für die nahezu vollständige Einführung der Elektrode in den Schweißspalt ausreicht.
Zum Schweißen von Spezialwerkstoffen wie Stahl rostfrei, Aluminium und seinen Legierungen sowie Gußeisen werden besondere Elektrodentypen benutzt.

Stahl rostfrei wird mit umgekehrt gepoltem Gleichstrom (DC) geschweißt; zum Einsatz kommen spezielle Elektroden, die sich durch ihre metallurgische Zusammensetzung des Schweißzusatzes (Variable Anteile an Chrom (Cr) und Nickel (Ni)) auszeichnen.

Aluminium und seine Legierungen werden mit umgekehrt gepoltem Gleichstrom (DC) geschweißt. Um die Elektrode zu zünden, muß die Maschine mit einer relativ hohen Zünddynamik ausgestattet sein.
Auch in diesem Fall kommen Spezialelektroden zur Anwendung, die sich von den gängigen Typen durch die metallurgische Zusammensetzung des Schweißzusatzes unterscheiden (variable Anteile an Magnesium (Mg) und Silizium (Si)).

Gußeisen wird mit umgekehrt gepoltem Gleichstrom (DC) geschweißt. Da die meisten gußeisernen Strukturen und mechanischen Elemente im Gießverfahren gewonnen werden, beschränken sich Schweißarbeiten auf die Korrektur von Gußdefekten und Reparaturen. Zum Einsatz kommen spezielle Elektroden, der Grundwerkstoff muß vor dem Schweißen vorgewärmt werden.