Schweißen

Vorschriften, Gefahren, Schutzausrüstung, Erste Hilfe, technische Gase, elektrischer Stromkreis, Stromarten, der Transformator, Gleichrichterschaltungen, Leistungsteil, Leistungsteile im Vergleich, Einschaltdauer, Schweißpositionen, E-Hand, WIG, MIG-MAG, Auftragschweißen

Es gibt weitere Scheißverfahren, wie z.B.: UP-Schweißen, Engspaltschweißen, Pressschweißen, Punktschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißen und andere.

 

 

Vorschriften

Zur Sicherheit für Personen und Sachwerte wurden eine Reihe von Verordnungen und Vorschriften erlassen, welche bei Schweißarbeiten einzuhalten sind.
Als oberste Vorschrift kann die Unfallverhütungsvorschrift „Schweißen, Schneiden und verwandte Verfahren“ VBG 15, angeführt werden.
Weitere Vorschriften sind:
             Acetylenverordnung TRAC Technische Regeln für Acetylenanlagen und Calciumcarbidlager
             Gefahrstoffverordnung TRGS Technische Regeln GefahrStoffe
             Druckbehälterverordnung
                          TRB Technische Regeln Druckbehälter
                          TRG Technische Regeln Druckgase
                          TRR Technische  Regeln Rohrleitungen
                                                     
Unfallverhütungsvorschriften
             UVV „Allgemeine Vorschriften“ VBG 1
             UVV „Schweißen, Schneiden und verwandte Verfahren“
             UVV „Gase“ VBG 61
             UVV „Sauerstoff“ VBG 62
             UVV „Arbeitsmedizinische Vorsorge“ VBG 100
             UVV „Lärm“ VBG 121

Für die Sicherheit am Arbeitsplatz sind alle verantwortlich, der Unternehmer, die Führungskräfte und die Arbeiter.
Die Sicherheit wird durch sicherheitsgerechte Einrichtungen, durch sicherheitsgerechten Betrieb und durch sicherheitsgerechtes Verhalten erreicht.

Gefahren beim Schweißen

             Brand
             Explosion
             Gefährdung durch elektrischen Strom
             Schadstoffe: Gas, Dampf, Staub, Rauch
             Optische Strahlung
             Bedienfehler
             Lärm

>Gefahren durch Sauerstoff
Undichte Stellen und dadurch unkontrolliert ausströmendes Gas führen zu erhöhtem Sauerstoffanteil in der Umgebungsluft und fördern die Entflammbarkeit, die Verbrennungstemperatur und -Geschwindigkeit
Deshalb niemals Sauerstoff verwenden zum: Belüften, Kühlen, Reinigen von Kleidung oder Geräten oder zur Dichtigkeitsprüfung von Hohlkörpern
Armaturenbrand durch Öl, Fett oder falscher Dichtwerkstoffe können durch eine sehr heiße Flamme zum Schmelzen des Druckminderers und des Flaschenventils führen.
Alle Sauerstoffdruckminderer müssen die Aufschrift „Sauerstoff! Öl- und fettfrei halten!“ oder „Sauerstoff! mit entsprechendem Symbol „durchkreuzte Ölkanne“ haben!

>Gefahren durch Acetylen
Acetylenzerfall entsteht durch Flammrückschlag vom Brenner bis in die Acetylenflasche oder durch äußere Erwärmung am Flaschenventil oder Druckminderer.
Erkennbar ist Acetylenzerfall am rußenden oder qualmenden ausströmenden Gas mit beißendem Geruch oder an der ansteigenden Temperatur der Flaschenwand.
Flaschenventil sofort schließen!
Feuerwehr benachrichtigen!
Flache mit viel Wasser kühlen!
Flasche kennzeichnen und nicht weiter verwenden!

>Gefahr durch Funkenflug
Schweiß-, Schneid- und Schleiffunken, sowie Schlackespritzer können weit fliegen und Brände verursachen.

>Gefahr durch Sekundärflamme
Beim Austritt unverbrannten Gases aus Rohrleitungen kann es bei Vermischung mit Luftsauerstoff noch in großer Entfernung von der Schweißstelle zu Bränden kommen.

>Gefahren durch Arbeiten in brandgefährdeten Bereichen
Mit erhöhter Brandgefahr ist in Bereichen zu rechnen, welche nicht für Schweiß- und Schneidearbeiten eingerichtet sind.
Deshalb müssen vor Beginn der Arbeiten die örtlichen Gegebenheiten, auch der angrenzenden Räume, kontrolliert werden.
Gegebenenfalls müssen vorbeugende Maßnahmen getroffen werden. (Abdecken von brennbaren Stoffen, Abdichten von Öffnungen, Brandwache, mehrmalige Kontrolle nach Beendigung der Arbeit)

>Gefahren bei Arbeiten in engen Räumen (Kessel, Tanks, Behälter)
Durch: Schadstoffe, Sauerstoffmangel oder –Überschuss, Brenngas, elektrischen Strom
Be- und Entlüftung einrichten (kein Schweiß-Sauerstoff)!
Schutzkleidung tragen!
Dichtheit der Arbeitsgeräte prüfen!
Geräte außerhalb des engen Raumes aufstellen!
Zugelassene Stromquellen verwenden!
Beleuchtung und elektrische Betriebsmittel mit Schutzspannung verwenden!

>Gefahren durch Schadstoffe
Eine Gesundheitsgefährdung entsteht bei der Aufnahme von Schadstoffen durch: Einatmen, Verschlucken oder durch Aufnahme durch die Haut.
Entsprechende Schutzkleidung ist zu tragen!

>Gefahren durch elektrischen Strom
treten auf durch Berühren von, unter Spannung stehender Teile (eingespannte Elektroden, Drahtelektrode am Lichtbogenbrenner, unisolierte Teile an den Schweißstromleitungen)
Elektrischer Strom welcher den Körper durchfließt kann zu Muskelkrämpfen, Atemlähmung, Herzrhythmusstörungen und Herzstillstand führen, folglich zum Tot.

>Gefahren durch Lärm
Der Lärm kann verursacht werden durch: Schleifgeräte, große Einlochbrenner, Schweißumformer, Plasmaschneidgeräte
Schaldruck über 85dB (A) kann zu bleibenden Gehörschäden führen.
Gehörschutz tragen!

>Gefahren durch optische Strahlung
Beim Schweißen entstehen optische Strahlungen in Form von Wärme, Licht und ultravioletter Strahlung, welche zu Verbrennungen, Trübung, Blendung führen kann.
Geeignete Schutzmaßnahmen sind: Schutzbrille, Schutzschild, Schutzhaube, entsprechend den Anforderungen und Normen.
Schutzstufen nach DIN EN 169:
hell
1 / 2 / 3 Helfer
4 / 5 / 6 Gas
7 / 8 / 9 Elektrode
10 / 11 / 12 7/13 / 14 WIG/MAG
15
dunkel

>Gefahren durch Bedienungsfehler
Diese Gefahren können dadurch vermieden werden, dass die Betriebsanleitungen und die darin enthaltenen Sicherheitsempfehlungen, sowie die gültigen Normen und Verordnungen eingehalten werden.

Persönliche Schutzausrüstung
Je nach Art der auszuführenden Arbeit gehören zur Schutzausrüstung eines Schweißers:
Schweißerschutzfilter, Brille (auch für Helfer)
Schutzhandschuhe
Schwer entflammbarer Arbeitsanzug
Lederschürze
Lederärmel
Schutzhaube
Sicherheitsschuhe
Gehörschutz

Erste Hilfe
Erste Hilfe ersetzt keine ärztliche Behandlung. Bei einem Unfall ist sofort ein ausgebildeter Ersthelfer zu verständigen!


Sofortmaßnahmen

>Wunden
keimfrei abdecken. Bei stark blutenden Wunden Druckverband anlegen. Verletzte Körperteile ruhig stellen.

>Augen
Bei Blendung geeignete Augentropfen einträufeln. Bei Verletzung beide Augen abdecken. Bei Verätzungen mit viel Wasser ausspülen.

>Vergiftungen durch Gase
Verletzte bergen. Für Frischluftzufuhr sorgen. Liegend transportieren.

>Verbrennungen
Mit Wasser kühlen. Keimfrei abdecken. Keine Salben oder Puder auftragen.

>Stromunfälle
Strom abschalten. Wenn nicht sofort möglich, Verletzten auf andere Weiße vom Strom trennen. (Auf eigene Sicherheit achten!)

>Atem-und Herzstillstand
Sofort einen Arzt rufen und Wiederbelebungsmaßnahmen bis zum Eintreffen des Arztes durchführen.

 

 

Die üblichen technischen Gase

 
    BRENNGASE SCHUTZGASE
Gasart
Sauerstoff Acetylen Flüssiggas
Proban-Butan-
Gemische
Mischgas
Kohlendioxyd
Argon Formiergas
Kennzeichnung  Flaschen
Schäuchen
Rohren

blau & weiß
blau
blau

gelb & braun
rot
gelb

rot
orange
gelb

grau
schwarz
schwarz

grau & grün
schwarz
schwarz

grau & rot
rot
gelb
Dichte schwerer als Luft leichter als Luft schwerer als Luft schwerer als Luft schwerer als Luft leichter als Luft
Besonderheiten
bei Entnahme
Vereisung bei zu großer
Entnahmemenge
Entnahmemenge
begrenzt
Vereisung bei
zu großer
Entnahmemenge
Vereisung bei
zu großer
Entnahmemenge
Entnahmemenge
unbegrenzt
Entnahmemenge
unbegrenzt
Verwendung Verbrennungs-
förderung
Brenngas Brenngas Schutzgas Schutzgas Schutzgas
Wurzelschutz
Gefahren Ist selbst nicht brennbar. Durch Sauerstoffanareicherung der Luft, erhöte
Verbrennungsgeschwin-
digkeit.
Sauerstoff nie zweckent-
fremden! Kein Öl, kein Fett!
explosiv
ab 2Vol.-% in Luft
zündfähig bei 300°C
explosiver Acetylenzerfall ist
möglich

explosiv zwischen
2 & 9 Vol.-% in Luft
zündfähig bei 470°C
Ersticken
durch Verdrängung
der Atemluft
Ersticken
durch
Verdrängung
der Atemluft
Ersticken
durch Verdrängung
der Atemluft
zündfähig ab 5 Vo.-
% H2-Anteil
Ersticken
durch Verdängung
der Atemluft

 

Der elektrische Stromkreis

Die von einer Spannungsquelle erzeugt elektrische Spannung U in Volt (V) treibt die Elektronen als Ladungsträger mit einer Stromstärke I in Amper (A) durch die Stromleiter (Schweißleitung, Elektrode, Werkstück). Die Stromstärke I entspricht einer bestimmten Anzahl Elektronen pro Sekunde. Sie Erhöht sich mit steigender Spannung der Stromquelle. Alle elektrischen Wiederstände R in Ohm (Ω), z.B. Leitungen, Berührungskontakte oder Lichtbögen, vermindern die Stromstärke. Der Hauptwiederstand in einem Schweißstromkreis ist der Lichtbogen.

Die Wirkungen des elektrischen Stroms sind:
             Wärmewirkung, z.B. Heizlüfter mit Wiederstandsheizdraht
             Lichtbogen, z.B. an der Spitze der Schweißelektrode
             Magnetwirkung, z.B. Elektromagnet am Schrottplatz
             Chemische Wirkung, z.B. im Galvanisierbad oder im Akkumulator

Stromarten

Beim Schweißen werden die Stromarten Gleichstrom, Wechselstrom und Drehstrom verwendet.
Beim Gleichstrom ist die Stromrichtung gleichbleibend. Es gibt zwei stromführende Leiter.

Beim Gleichstrom ist die Stromrichtung gleichbleibend. Es gibt zwei stromführende Leiter.

Diem Wechselstrom ändert sich die Stromrichtung ständig. Die Wechselhäufigkeit wird vom Stromerzeuger, z.B. Stromgenerator (mechanisch durch die Rotationsgeschwindigkeit), oder elektronisch gesteuerte Transformatoren (elektronisch durch Steuerung) vorgegeben. Die Wechselhäufigkeit (Frequenz) beträgt im deutschen Stromnetz 50 Herz. Das heißt, die Stromrichtung ändert sich 50 mal pro Sekunde. Es gibt zwei stromführende Leiter.

Beim Drehstrom werden drei Wechselströme zusammengesetzt verkettet. Es gibt drei stromführende Leiter und einen Mittelpunktleiter, welcher bei gleicher Belastung der drei Leiter stromlos bleibt, aber bei ungleicher Belastung der drei Leiter die Differenz zur Stromquelle zurück leitet.

Der Transformator

In einem Transformator wird eine Spannung mittels magnetischer Induktion in eine höhere oder niedrigere Spannung umgewandelt.
Die Ausgangsspannung ist abhängig vom Verhältnis der Primärwicklungsanzahl zur Sekundärwicklungsanzahl.
Da die Stromstärke im Schweißstromkreis auch in Abhängigkeit von der Spannung steht, kann diese einfach durch Verändern der Spannung eingestellt werden. (I=U/R) Der Wiederstand im Schweißstromkreis ändert sich praktisch nur durch Erwärmung von Leitungen und Werkstück.
In einfachen Geräten wird der Schweißstrom durch einen Stufenschalter an der Eingangswicklung oder durch einen Streukern verändert.

Steuerung des Schweißstroms durch Stufenschalter

Stufenlose Steuerung des Schweißstroms durch Streukern

Stufenlose Steuerung des Schweißstromes an einem Drehstromschweißgleichrichter

 

Gleichrichterschaltungen

Da die Erwärmung durch Elektronenbeschuss an der Anode (Pluspol) höher ist als an der Kathode (Minuspol) und man sich dieses Phänomen zu Nutzen macht, sind viele Schweißgeräte als Schweißgleichrichter aufgebaut. Die Wechselspannung vom Transformator muss dazu gleichgerichtet werden.

Leistungsteil

Moderne Schweißgeräte haben Leistungsteile mit Transistoren.
Es werden drei transistorierte Leistungsteile Unterschieden, analoge, sekundär getaktete und primär getaktete.
Letztere sind als Inverter bekannt.

Transistorierte Leistungsteile im Vergleich

Prinzip analog sekundär
getaktet
primär
getaktet
Prozeßstabilität sehr gut gut
Taktfrequenz
gut
Taktfrequenz
elektron. Aufwand
& Störempfindlichkeit
gering gering sehr groß
Wirkungsgrad schlecht
35%-80%
sehr gut
>80%
sehr gut
>80%
Netzrückwirkungen
(ohne Filter)
keine keine vorhanden
Gewicht groß mittel gering

 

Einschaltdauer

Zur Vermeidung unzulässiger Erwärmung der Schweißstromquelle dürfen je nach Schweißstromstärke bestimmte Einschaltdauern nicht überschritten werden.

Die Einschaltdauer (ED) wird am Schweißgerät mit dem Symbol X angegeben.

          Schweißzeit
ED = ---------------- * 100%    (bezogen auf eine Spieldauer von 10 Minuten)
         Spieldauer

Je niedriger die Einschaltdauer, desto höher kann der Schweißstrom eingestellt werden.

Beispiele

Beim E-Handschweißen ist die Schweißzeit gleich die Abschmelzzeit der Elektrode. Die Pausenzeit wird zum Wechseln der Elektrode und zum Abschlagen der Schlacke usw. benötigt.

Die Formel dazu lautet: (Abschmelzzeit x 100) : ED% - Abschmelzzeit = Pausenzeit.

Eine Stabelektrode 4 mm, dick rutilumhüllt -RR-, benötigt bei einer Stromstärke von 180 A eine Abschmelzzeit von ungefähr 85 Sekunden. Bei ED 100%:(85 x 100) : 100 - 85 = 0

Pausenzeit = 0, es kann ohne Pause durchgeschweißt werden. Dies ist jedoch für den Handschweißbetrieb nicht realisierbar, da die Pausen für den Elektrodenwechsel zwangsläufig vorkommen. Die Schweißstromquelle ist für diesen Zweck überdimensioniert.

Bei ED 60%:(85 x 100) : 60 - 85 = ca 57

Die Mindestpausenzeit beträgt 57 Sekunden. Dies ist im Allgemeinen eine realistische Zeit für den Elektrodenwechsel etc. Eine Einschaltdauer von ED 60% ist für den Handschweißbetrieb in der Regel am günstigsten.

Bei ED 35%:(85 x 100) : 35 - 85 = ca. 158

Die Mindestpausenzeit beträgt 158 Sekunden. Dies ist allgemein zu viel für den Elektrodenwechsel etc. Entweder wird die Schweißstromquelle überlastet oder die Pausenzeiten werden zu lang und damit die Wirtschaftlichkeit stark reduziert.

 

Schweißpositionen

Zur Angabe von Schweißpositionen gibt es Kurzbezeichnung. Diese finden sich auch auf den Packungen der Elektroden und Fülldrähte wieder, damit der Schweißer sehen kann, ob die ausgewählte Elektrode überhaupt für seine Schweißposition geeignet ist.

E-Handschweißen
Das E-Handschweißen ist eines der ältesten elektrischen Schweißverfahren für metallische Werkstoffe, welches heute noch angewandt wird.
Die benötigte Wärme zum Aufschmelzen des Werkstücks wird durch einen Lichtbogen am Ende einer abschmelzenden, ummantelten Schweißelektrode erzeugt. Dabei dient die Schweißelektrode als Füllmaterial. Beim Abschmelzen der Elektrode entstehen Gase und Schlacke.

Das Verfahren eignet sich für eine Materialdicke ab 3mm, besonders für Montagearbeiten in allen Positionen und zum Auftragschweißen an unlegierten, niedriglegierten, hochlegierten Stahl und Gusseisen. Es kann auch unter schlechten Witterungsverhältnissen, wie beispielsweise Wind und Regen noch fehlerfrei durchgeführt werden.
Da ältere E-Handgeräte lange haltbar sind, sind heute immer noch Schweißumformer, Schweißtransformatoren und Schweißgleichrichter im Einsatz. Heutzutage werden immer mehr Inverter-Geräte verwendet.

Deren Vorteile sind:
Geringes Gewicht
Einstellbare, statische Belastungskennlinien
Schweißstromferneinstellung
Wahl der Stromart, Gleichstrom, Wechselstrom
Polumschaltung +/-
Netzspannungskompensation
„Hotstart“ (Erleichtert das Zünden des Lichtbogens)
„Antistick“ (verhindert das festkleben der Elektrode)
Frequenzerhöhung
u.a.

Im Prinzip kann sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselstrom geschweißt werden, jedoch lassen sich nicht alle Umhüllungstypen von Schweißelektroden mit Wechselstrom verarbeiten. Beim Schweißen mit Gleichstrom wird meist der Elektrodenhalter an den Minuspol angeschlossen, mit Ausnahme von basischen Elektroden und einige Zelluloseelektroden.

Die Aufgaben der Schweißelektrodenumhüllung sind:
Lichtbogen stabilisieren und Lichtbogenraum ionisieren

Schweißgut vor Zutritt von Sauerstoff und Stickstoff aus der Umgebungsluft schützen.

 

Einfluss der Umhüllungsdicke

Neben der Umhüllungsdicke ist auch die Umhüllungsart für die Schweißeigenschaft der Stabelektrode entscheidend.

Richtanalysen der gängigen Umhüllungstypen (Angaben in %)

Saurer Typ (Erstarrungsintervall der Schlacke: groß; Tropfenübergang: fein; Zähigkeit: normal
             Magnetit          50
             Quarz                20
             Kalkspat            10
             FeMn                20
             Wasserglas

Rutiltyp (Erstarrungsintervall der Schlacke: mittel; Tropfenübergang: fein bis mittel; Zähigkeit: gut)
             Rutil                  45
             Magnetit          10
             Quarz                20
             Kalkspat            10
             FeMn                15
             Wasserglas

Zellulosetyp (fast keine Schlacke; Tropfenübergang: mittel; Zähigkeit: gut)
             Zellulose           40
             Rutil                  20
             Quarz                25
             FeMn                15
             Wasserglas

Basischer Typ (Erstarrungsintervall der Schlacke: groß; Tropfenübergang: mittel bis groß; Zähigkeit: sehr gut)
             Fluss                 45
             Kalkspat            40
             Quarz                10
             FeMn                5
             Wasserglas

Auswirkungen des Umhüllungsstoffes auf die Schweißeigenschaften:
>Quarz: Schlackeverdünner, erhöht die Strombelastbarkeit
>Rutil: erleichtert das Wiederzünden, verbessert den Schlackeabgang und Nahtzeichnung
>Flußspat: verschlechtert die Ionisation, Schlackeverdünner bei basischen Elektroden
>Kalkspat: Schutzgas- und Schlackebildner, verringert die Lichtbogenspannung
>Kali-Feldspat: verbessert die Lichtbogenstabilität, ist leicht ionisierbar
>Magnetit: verfeinert den Tropfenübergang
>Zellulose: Schutzgasbildner
>Kaolin: Gleitmittel
>Ferro-Silizium, Ferro-Mangan: Desoxidationsmittel
>Na- oder k-Wasserglas: Bindemittel

 

Zündstelle und ideale Lichtbogenlänge (Abstand der Elektrodenspitze zum Werkstück)
Bei Rutilelektroden R, RR, A, C, sollte die Lichtbogenlänge gleich dem Durchmesser des Kerndrahtes sein.
Bei basischen Elektroden B, sollte die Lichtbogenlänge den halben Durchmesser des Kerndrahtes betragen.
Das Zünden des Lichtbogens hat immer in der schweißfuge zu erfolgen. Die Zündstelle muss anschließend überschweißt und damit aufgeschmolzen werden, weil sonst Rissgefahr besteht.

 

Schweißstromstärke / Materialdicke
Als Richtwerte gelten: A = 20 bis 60 x Kerndrahtdurchmesser

Kerndrahtdurchmesser in mm 1,5 2 2,5 3,2 4 5 6
Stromstärke in A 30 - 40 40 - 80 50 - 100 90 - 150 120 - 200 180 - 270 220 - 360
Faustregel in A   20 - 40 x d 30 - 50 x d 35 - 60 x d
Materialdicke 1mm - 2mm          
        2mm - 4mm        
      4mm - 8mm      
    8mm - 12mm  
                10mm - 15mm
PA (Wannenposition) erhöhter Strom
PB (Horizontalposition normaler Strom
PC (Querposition) weniger Strom
PD (Halbüberkopfposition) weniger Strom
PE (Überkopfposition) sehr wenig Strom
PF (Vertikalposition steigend) weniger Strom
PG (Vertikalposition fallend) normaler Strom

 

Nahtformen

Nahtaufbau und Elektrodenführung

Der Nahtaufbau und Elektrodenführung richten sich nach der Nahtform, der Schweißposition, der Elektrodenart und der Nahtdicke.

Wird die Elektrode zügig, ohne größere Pendelbewegungen geführt, spricht man von Strichraupen.
Wird die Elektrode pendelnd geführt, spricht man von Pendelraupen

Schweißfehler und deren Ursachen