Was ist ein Lichtbogen und wie funktioniert Lichtbogenschweißen?

Ein grelles, bläuliches Licht. Es knistert und surrt. Spannung liegt in der Luft. Diese Eindrücke verbinden wohl die meisten mit dem Wort „Lichtbogen“. Im Alltag kann man ihn bei Gewittern in Form von Blitzen sehen. Auch im Bahnnetz können zwischen Oberleitung und Stromabnehmer manchmal kurz entstehende Lichtbögen beobachtet werden. Schweißer setzen ihn gezielt für das Verbinden von Metallen ein. Doch was passiert hier genau?

Was ist ein Lichtbogen und wie entsteht er?

Damit ein Lichtbogen entsteht, muss eine elektrische Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten bestehen: Auf der einen Seite besteht ein Überschuss an Elektronen (das sind negativ geladene Elementarteilchen in der Atomhülle) und somit eine negative Ladung. Auf der anderen Seite führt ein Mangel an Elektronen zu einer positiven elektrischen Ladung. Dieser Unterschied erzeugt Spannung.

Unter bestimmten Umständen kommt es zu einem sogenannten Spannungsdurchschlag – dem Versuch der physikalischen Kräfte, das Ungleichgewicht der Ladungen auszugleichen. Hierbei bildet sich ein Kanal, in dem durch Hitze und die hohe Spannung das Gas zwischen den Polen ionisiert wird und ein elektrisch leitendes Plasma entsteht. In diesem Plasma-Kanal kann nun der Strom fließen. Je nach Art der Stromquelle, kann der Durchschlag als Funke oder Blitz auftreten und schnell erlöschen, sobald die Ladungs-Differenz ausgeglichen ist. Oder er brennt als Lichtbogen weiter.

Exkurs: Plasma

Wenn hohe Energie auf Gas (zum Beispiel Strom auf unsere Atmosphäre) einwirkt, kommt es durch die entstehende Hitze zur Ionisation von Gas-Teilchen. Bei diesem Vorgang werden Elektronen aus neutralen Atomen entfernt, sodass positiv geladene Ionen und die negativ geladene Elektronen separat zurückbleiben. Dieses Teilchengemisch aus geladen aber auch neutralen Komponenten nennt man Plasma.

Plasma ist im Gegensatz zu Gasen elektrisch leitfähig, da die freien Ladungsträger (also die Ionen und Elektronen) Strom transportieren können.

Wenn die freien Elektronen auf Ionen treffen und sich verbinden, geben sie die zuvor bei der Trennung aufgenommene Energie in Form von Licht wieder ab. Was wir als Blitz, elektrischen Funken oder Lichtbogen sehen, ist also die Plasma-Säule, in der der Strom fließt. Der Strom selbst ist unsichtbar.

Was ist Lichtbogenschweißen?

Die Plasmasäule des Lichtbogens hat eine Temperatur zwischen 3.500 und 15.500 Grad Celsius. Diese Hitze kann verwendet werden, um Metall aufzuschmelzen und zu verbinden. Dafür brennt ein Lichtbogen zwischen dem Grundmaterial und der gegensätzlich gepolten Schweißelektrode.

Man unterscheidet zwischen verschiedenen Lichtbogenschweißverfahren:

Lichtbogen-Schweißverfahren mit abschmelzender Elektrode

Metallschutzgasschweißen (MSG) verwendet ein Gas, welches das geschmolzene Metall vor einer Reaktion mit der Atmosphäre schützt. Je nachdem ob inertes, also reaktionsträges Gas wie etwa Helium, Argon oder deren Gemische, verwendet wird, oder aktives Gas wie CO₂, spricht man entweder von Metall-Inertgas (MIG) oder Metall-Aktivgas (MAG) Schweißen. Die endlose Drahtelektrode (Schweißdraht) schmilzt dabei ab und dient so als Zusatzwerkstoff.

Lichtbogenhandschweißen auch genannt Elektrodenschweißen oder E-Handschweißen, nutzt eine abschmelzende Stabelektrode. Die Umhüllung der Elektrode schmilzt beim Schweißen und bildet eine Schutzgasglocke sowie schützende Schlacke. So wird keine zusätzliche Gaszufuhr benötigt.

Fülldrahtschweißen verwendet das Prinzip der Stabelektrode und die Handhabung von MIG/MAG Schweißen: Die endlose Drahtelektrode besteht aus einem metallischen Mantel (Zusatzmaterial), der mit Pulver (für Schlacke) gefüllt ist. Meist wird ein Schutzgas verwendet; ein selbstschützender Fülldraht (Self-Shielded Flux Cored Wire) benötigt jedoch kein zusätzliches Schutzgas.

Beim Unterpulverschweißen übernimmt eine Pulveraufschüttung dieselbe Funktion wie die Elektrodenumhüllung beim E-Hand Prozess: Die kontinuierlich zugeführte Drahtelektrode schmilzt unter einer Aufschüttung von schützendem Pulver ab.

Lichtbogen-Schweißverfahren mit nicht-abschmelzender Elektrode

Beim Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) werden eine nicht-abschmelzende Wolframelektrode und ein inertes Schutzgas verwendet. Geschweißt werden kann entweder mit oder ohne Zusatzwerkstoff.

Plasmaschweißen erfordert wie WIG eine nichtabschmelzende Elektrode. Diese befindet sich im Brennergehäuse und erhitzt dort das Gas, sodass Plasma entsteht. Das Plasma wird durch eine gekühlte, enge Gasdüse zum Werkstück geleitet – daher spricht man auch von einem eingeschnürten Lichtbogen. So wird eine sehr hohe Energiedichte erzielt. Das Plasma wird zudem von inertem Schutzgas umgeben, um das Schmelzbad vor Reaktionen mit Sauerstoff zu schützen.

Mehr Informationen dazu, wann welches Lichtbogen-Schweißverfahren zum Einsatz kommt, bietet der Blog Artikel:
WIG, MIG/MAG oder Elektroden Schweißen: Wann wird welches Schweißverfahren eingesetzt?