Schweißverfahren 111

 

Schweißverfahren 111 – Definition und Geschichte

 

Verfahrenszuordnung und Definition

 

Schweißverfahren 111 – Schweißen gehört zur Gruppe der thermischen Fügeverfahren. Dabei werden zwei oder mehrere Fügepartner stoffschlüssig und unlösbar miteinander verbunden. Die Deutsche Industrienorm (DIN) 8580 klassifiziert Fertigungsverfahren. In ihrer Hauptgruppe 4, Teil 6 wird dieses Verfahren beschrieben.

Das Schweißverfahren Elektrode 111, auch als E-Hand-Schweißen oder Lichtbogenhandschweißen bezeichnet, zählt zu den Schmelzschweiß-Verfahren und ist eine manuelle Verfahrens-Variante des Lichtbogenschweißens. Dabei brennt der Lichtbogen zwischen dem Werkstück und einer abschmelzenden Elektrode. Der Kern-Draht der Elektrode bildet den Zusatzwerkstoff. Die Umhüllung der Stab-Elektrode erzeugt beim Abbrand Schutzgas und Schlacke. Diese schützt das Schweißbad vor dem Einfluss des Sauerstoffes der Umgebungsluft. Die Schlacke wird nach dem Fügen entfernt. In der Norm EN ISO 4063 wird dieses Verfahren unter der Prozess-Nummer 111 geführt.

 

Geschichte, Ursprung, Entwicklung

 

Mit der industriellen Erzeugung des elektrischen Stromes und der Entdeckung des Lichtbogens wird die technische Anwendung auch für das Schmelzschweißen möglich.

Zunächst nutzen Nikolai Nikolajewitsch Benardos und Stanisław Olszewski den elektrischen Lichtbogen zwischen zwei Kohle-Elektroden. Die Weiterentwicklung dieses Prinzips durch Nikolai Gawrilowitsch Slawjanow im Jahre 1891 ersetzte die Kohle-Elektroden durch einen abschmelzenden Metallstab. Dieser übernahm die Funktion von Elektrode und Schweißzusatz. Der Schutz des Schweißbades vor Luftsauerstoff war mit diesem Verfahren nicht gegeben. 1907 führte die Idee Oscar Kjellbergs zur Entwicklung einer Stab-Elektrode mit metallischem Kern und einer Umhüllung. Damit gelang es, die Eigenschaften des Lichtbogens zu optimieren und eine chemische Reaktion von Schmelze und Umgebungsluft zu unterbinden. In der Folge führte die Entwicklung unterschiedlicher Elektroden-Umhüllungen zur Verbesserung der Lichtbogenstabilität. Zudem wurde so die gezielte Beeinflussung der metallurgischen Eigenschaften des Schweißbades und damit der mechanisch technologischen Kennwerte der Fügeverbindung möglich. Das E-Hand-Schweißen 111 mit umhüllten Stabelektroden setzte sich als Standard-Schweißverfahren durch.

 

Schweißverfahren 111 – Technik, Zubehör, Elektroden

 

Die technische Ausstattung für das Elektrode Schweißverfahren 111 beschränkt sich auf eine Schweißstrom-Quelle, die Elektroden, den Elektroden-Halter und das Massekabel.

 

Schweißstrom-Quelle

 

Das E Handschweißen 111 ist mit Gleich- und Wechselstrom möglich. Gleichstromquellen werden bevorzugt eingesetzt. Als Schweißstrom-Quellen werden Schweißtransformatoren, Schweißgleichrichter, sowie Inverter mit steil fallender Kennlinie genutzt.

Bei Schweißtransformatoren sollte die Zündspannung mindestens 50 Volt betragen. Die zur Verfügung gestellte Stromstärke sollte den Wert von 130 Ampere nicht unterschreiten. Die Stromstärke wählst du abhängig von Fugenart, Dicke des Grundwerkstoffes sowie der Strombelastbarkeit der eingesetzten Elektrode. Länge und Durchmesser der Elektrode geben diesen Wert vor. Für Elektroden mit einem Kernstab-Durchmesser von 5 Millimetern nutzt du eine Stromstärke von etwa 250 Ampere, während Kernstäbe mit 2,5 mm einen Wert von etwa 90 Ampere erfordern.

Inverter arbeiten mit höheren Stromfrequenzen, sind leicht und verfügen über eine hohe Mobilität. Moderne Geräte nutzen eine Arc Force Regelung, die den Schweißstrom abhängig von der Längenänderung des Lichtbogens dynamisch anpasst. Zudem erleichtert eine kurzzeitige Erhöhung des Schweißstromes, die Hotstart Funktion, das Zünden des Lichtbogens. Um das Anhaften der Elektrode am Werkstück zu verhindern, verringern Inverter bei Bedarf die Höhe des Schweißstromes selbsttätig. Diese Funktion ist als „Anti Stick“ bekannt.

 

Elektroden-Halter, Stromkabel, Masse-Zange

 

Das Elektrodenschweißen benötigt wie alle Lichtbogen-Schweißverfahren einen geschlossenen Stromkreis. Stromkabel, Elektroden-Halter und Masse-Zange sind vor diesem Hintergrund notwendige Zubehöre. Der Elektroden-Halter wird manuell vom Schweißer geführt. Er sollte handlich und leicht sein und das rasche und sichere Einspannen sowie den unkomplizierten Wechsel der Elektrode ermöglichen. Um dich als Schweißer vor dem Schweißstrom zu schützen, muss dieser vollständig isoliert sein.

Bei dem ebenfalls isolierten Stromkabel sollte ein hinreichend großer Leitungs-Querschnitt gegeben sein, um elektrischen Widerstand und Spannungsabfall gering zu halten. Dies dient dem Wirkungsgrad der Anlage. Die Masse-Zange fixierst du am zu fügenden Werkstück und ermöglichst damit den geschlossenen Stromkreis.

 

Stabelektrode

 

Ein Kerndraht mit mehrheitlich mineralischer Umhüllung bildet die Stabelektrode.

Die Umhüllung hat Einfluss auf das Zündverhalten des Lichtbogens und die Schweißeigenschaften. Stabelektroden liegen mit dünner, mitteldicker und dicker Umhüllung vor. Die Umhüllung von Stabelektroden kann Feuchtigkeit aufnehmen. Je nach Art der Umhüllung sowie der umgebenden Atmosphäre kann vor dem Lichtbogenhandschweißen 111 eine Trocknung der Elektroden erforderlich werden. Dies reduziert die Gefahr einer wasserstoffinduzierten Rissbildung in der Naht, insbesondere bei höherlegierten Stählen.

 

Schweißverfahren 111 – Einfluss der Umhüllung

 

Zelluloseumhüllung, Typ C Elektroden

 

Mit Zellulose umhüllte Stab-Elektroden eignen sich sehr gut für das Fallnaht-Schweißen. Sie ermöglichen hohe Abschmelzleistung und Schweißgeschwindigkeit sowie einen tiefen Einbrand. Aufgrund des grobtropfigen Werkstoffüberganges ist eine gute Spaltüberbrückung bei grobschuppigen Nahtoberflächen gegeben. Das Schweißen mit Stab-Elektroden des Typs C erfordert hohe Spannungen. Typische Anwendungsgebiete des Cellulose Schweißens 111 sind Rohrleitungen und Groß-Pipelines.

 

Saure Umhüllung, Typ A Elektroden

 

Die saure Umhüllung führt dem Lichtbogen mehr Sauerstoff zu. Dadurch kommt es zu einer verringerten Oberflächenspannung im Schweißgut und in der Folge zu einem sehr feintropfigen Werkstoffübergang. Der Sauerstoff bewirkt einen sehr heißen Lichtbogen. Dies ermöglicht hohe Schweißgeschwindigkeiten, kann jedoch auch zu unerwünschtem Einbrand führen. Elektroden dieses Typs kommen in Deutschland nur noch selten zum Einsatz.

 

Rutilsaure Umhüllung, Typ RA Elektroden

 

Stab-Elektroden mit rutilsaurer Umhüllung sind hoch strombelastbar und haben eine hohe Abschmelzleistung. Ihr Werkstoffübergang ist feintropfig. Die Nahtoberfläche ist feinschuppig, mit leicht zu entfernender Schlacke. Sie eignen sich gut für das Schweißen von Kehlnähten sowie für das anschließende Beschichten.

 

Rutilumhüllung, Typ R und Typ RR Elektroden

 

Der Werkstoffübergang dick rutilumhüllter Elektroden (RR) ist sehr feintropfig. Ihr Einsatz führt zu gleichmäßigen, feinschuppigen Nahtoberflächen. Die Schlacke lässt sich sehr leicht entfernen. Sie sind für das Schweißen dünner Bleche geeignet und gestatten das Fügen in allen Schweißpositionen. Eine Ausnahme bildet das Fallnaht-Schweißen.

 

Rutilzellulose Umhüllung, Typ RC Elektroden

 

Das Schmelzbad der mit Rutilzellulose umhüllten Elektroden ist zähflüssig. Sie erzeugen wenig Schlacke. Nahezu universell einsetzbar werden sie überwiegend unter Montagebedingungen für das Fallnaht-Schweißen von Kehlnähten genutzt. Die Eignung für das Fügen von Stumpfnähten an Rohren ist weniger gut.

 

Rutilbasische Umhüllung, Typ RB Elektroden

 

Mit diesem Elektroden-Typ wird eine hohe Abschmelzleistung bei mitteltropfigem Werkstoffübergang erreicht. Ihre Eignung für die Zwangslagen- und Wurzelschweißung ist sehr gut. Sie werden vorzugsweise im Stahl- und Rohrleitungsbau eingesetzt.

 

Basische Umhüllung, Typ B Elektroden

 

Basisch umhüllte Elektroden weisen einen grobtropfigen Werkstoffübergang auf. Die mit ihnen hergestellten Schweißverbindungen haben eine hohe Zähigkeit bei geringer Kaltrissneigung. Dies ermöglichen sehr gute mechanisch technologische Eigenschaften auch bei tiefen Temperaturen. Sie kommen bei großen Wanddicken und für Stähle mit eingeschränkter Schweißeignung zum Einsatz. Das Fallnaht-Schweißen in allen Positionen ist möglich.

 

Schweißverfahren 111 – Besonderheiten

 

Vor- und Nachteile

 

Beim Schweißprozess 111 handelt es sich um ein erprobtes und robustes Verfahren. Die Unempfindlichkeit gegen industrieübliche Verschmutzungen mit Ölen und Fetten macht eine weitergehende Reinigung der Fügepartner unnötig. Der Umfang an erforderlicher technischer Ausrüstung ist übersichtlich. Die einzelnen Komponenten, insbesondere die Schweißstrom-Quelle ist wegen ihrer kompakten Bauweise sowie ihres geringen Gewichtes gut zu transportieren. Zusätzliche Schutzgase werden nicht benötigt; das Mitführen von Gasflaschen ist nicht erforderlich. Damit zeichnet sich dieses Verfahren durch außerordentliche Flexibilität und Vielfalt in Bezug auf die unterschiedlichen Nutzungsmöglichkeiten sowie eine hohe Mobilität aus. Wenig empfindlich gegen Witterungseinflüsse eignet sich der Fügeprozess 111 zum Einsatz für den Innen- und vor allem Außenbereich. Selbst unter Wasser für die Arbeit an Off Shore Anlagen wird das E-Handschweißen erfolgreich eingesetzt. Wegen der vergleichsweisen niedrigen Anschaffungskosten ist dieses Verfahren in allen Bereichen der Industrie sowie im Handwerk verbreitet.

Verfahrensnachteile bestehen in der nur bedingt gegebenen Automatisierungsmöglichkeit. Der Schweißprozess kann wegen des wiederkehrend erforderlichen Elektrodenwechsels nicht kontinuierlich erfolgen. Aufgrund der Verunreinigung der Fügeteile mit Spritzern und Schlacke während des Prozesses bedürfen diese nach dem Schweißen reinigender Nacharbeit. Beim Verbrennen der Elektrodenumhüllung kommt es teilweise zu intensiver, gesundheitsschädlicher Rauchbildung. Sofern nicht im Freien gearbeitet wird, muss für eine zusätzliche Absaugung gesorgt werden. Wegen der lichtintensiven Strahlung des Lichtbogens ist ein Augenschutz erforderlich.

 

Vorbereitung

 

Mit dem Lichtbogenhandschweißen als Prozess 111 lassen sich alle gebräuchlichen Stoßarten fügen. Beim E-Handschweißen von Kehlnähten solltest du die Spaltbreite minimal halten, um das Eindringen von Schlacke zu unterbinden. Das Ausformen der Fügekanten bei V-, X- oder Y-Fugen erfordert Sorgfalt, darf jedoch in grob toleriertem Rahmen erfolgen. Üblicherweise nutzt du dafür thermische Trennverfahren. Autogenes Brennschneiden hat sich für un- und niedriglegierte Stähle durchgesetzt. Bei hochlegierten Stählen setzt du den Plasmalichtbogen ein. Die beim thermischen Trennen entstehende Oxidhaut kann auf den Fügeteilen verbleiben. Sind engere Toleranzen für die Nahtvorbereitung gefordert, wählst du mechanische Trennverfahren. Dies ist jedoch weniger häufig der Fall. Eine weitergehende Reinigung der Fügeteile vor dem Schweißen ist nicht erforderlich.

 

Herstellen der Schweißnaht und Nahtqualität

 

Je nach Wahl des Elektroden-Typs lassen sich mit dem Lichtbogenhandschweißen Nähte herstellen, die grobschuppig rau oder feinschuppig glatt sind. Die handwerkliche Fähigkeit des Schweißers nimmt anders als bei automatisierten Verfahren starken Einfluss auf die Qualität der Naht. Dies vor allem in Bezug auf das Einhalten einer konstanten Lichtbogenlänge über den gesamten Verlauf der Schweißnaht. Die Elektrode sollte beim Schweißen senkrecht oder leicht schräg in Schweißrichtung geneigt sein. Das Legen der Naht erfolgt durch leichtes Pendeln bei üblicherweise schleppendem Schweißen. Auf die mögliche Blaswirkung der Elektrode musst du achten. Dies ist die magnetische Ablenkung des Lichtbogens aus der Mittellage. Einbrand an den Nahträndern und Schlacke-Einschlüsse in der Naht können die Folge sein. Darüber hinaus solltest du Fehlstellen im Bereich des Nahtansatzes sowie die Ausbildung von Endkratern vermeiden. Abhängig von der Schweißposition ist die passende Elektrode mit einem geeigneten Werkstoffübergang zu wählen. Im Vorfeld des Fügens musst du die Notwendigkeit einer Rücktrocknung der Elektroden klären, um ein qualitativ hochwertiges Schweißergebnis zu erzielen. Bitte beachte, dass Stromstärke und Elektrodendurchmesser in geeigneter Relation zueinanderstehen und die Wahl des Elektrodendurchmessers der Wanddicke der Fügepartner entsprechend erfolgt. Im Rahmen einer Nacharbeit musst du die Schweißnaht von Schlacke und Spritzern befreien.

 

Schweißverfahren 111 – Werkstoffe und Materialdicke

 

Werkstoffe

 

Mittels Lichtbogenhandschweißen kannst du prinzipiell alle schweißgeeigneten Stähle, Stahlguss sowie Nickelbasislegierungen, Kupfer und Kupferlegierungen, Aluminium und Aluminiumlegierungen fügen. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist jedoch das Schweißen von Baustahl, sowie hochfesten, warmfesten und kaltzähen Stahllegierungen. Auch nichtrostende Stähle und Nickelbasislegierungen kannst du mittels E-Handschweißen verbinden. Neben dem Verbindungsschweißen ist das Auftragsschweißen von Hartlegierungen eine wesentliche Anwendung dieses Verfahrens.

Für das Fügen von Kupfer und Kupferlegierungen sowie Aluminium und Aluminiumlegieren dominieren besser geeignete Verfahrensalternativen. Grundwerkstoff und Elektroden-Typ geben beim Schweißen mit Gleichstrom die Polung von Elektrode und Werkstück vor. Üblich ist eine positive Polung der Elektrode für hochlegierte und rostfreie Stähle. Für unlegierte sowie niedriglegierte Stähle wird eine negative Polung der Elektrode empfohlen. Oftmals wird von diesem Prinzip abgewichen. Fügeteile aus niedriglegierten Stählen, die du mit Elektroden basischer Umhüllung schweißt, sollten positiv gepolt sein. Ähnliches gilt für Zellulose-Elektroden. Das E-Handschweißen mit Wechselstrom ist ebenfalls möglich. Diese Verfahrensvariante ist jedoch nicht für alle Elektroden-Typen geeignet.

 

Materialdicke

 

In Bezug auf die Materialdicke der Fügepartner werden für das Lichtbogenhandschweißen 1,5 bis 2 Millimeter als Mindestwert angegeben. Aufgrund der Option mehrlagig zu schweißen, existiert eine Obergrenze für diesen Parameter, von wirtschaftlichen Erwägungen abgesehen, grundsätzlich nicht.

 

Schweißverfahren 111 – Anwendungen

 

Die bereits aufgeführten Verfahrensvorteile wie Robustheit und hohe Mobilität prädestinieren das E-Hand-Schweißen für die folgenden Anwendungen:

• Rohrleitungsbau, Trassenbau, Pipelinebau im Bereich der Rohstoff- und Energieversorgung
• Kessel- und Behälterbau im Bereich der energieerzeugenden Industrie
• Montageschweißungen im Schiffbau und auf Baustellen
• Reparaturschweißen im Baustellenbetrieb, in der Landwirtschaft und der Off Shore Technik
• Stahlbau von Tragwerken und in der Bauindustrie
• Metallhandwerk im Geländer- und Gitterbau
• Verbindungs- und Auftragsschweißen in der instandsetzenden Industrie

 

 

Schweißverfahren 111 – Prüfmöglichkeiten, Prüfverfahren

 

Zerstörungsfreie Prüfverfahren

 

Um Fehler in der Schweißnaht wie Lunker, Poren, Fremdstoff-Einschlüsse oder Risse zu detektieren, nutzt du folgende zerstörungsfreie Prüfverfahren:

• Sichtprüfung
• Magnetpulverprüfung
• Farbeindringprüfung
• Ultraschallprüfung
• Röntgenprüfung und Digitales Röntgen

 

 

Zerstörende Prüfverfahren

 

Mechanisch technologische Eigenschaften der Fügeverbindung, wie Härte, Zähigkeit, Zugfestigkeit oder Zeitstandfestigkeit untersuchst du mittels zerstörender Prüfung.

Dafür stehen dir die folgenden Prüfverfahren zur Verfügung:

• Zugversuch
• Biegeprüfung
• Kerbschlagbiegeversuch
• Härteprüfung
• Metallografische Untersuchungen
• Korrosionsprüfung

 

 

Schweißverfahren 111 – Qualifikation und Schweißerprüfung

 

Die Anforderungen der Prüfung als Schweißer für das Schmelzschweißen sind im Dokument des Deutschen Institutes für Normung DIN EN ISO 9606 definiert. Ziel der Prüfung ist die Qualitätssicherung beim manuellen Schweißen. Mit der bestandenen Schweißerprüfung weist du nach, dass du für die Herstellung stoffschlüssiger Verbindungen qualifiziert bist. Für das Bestehen der Prüfung werden eine relevante Ausbildung sowie schweißtechnische Praxis, beispielsweise Erfahrungen beim MMA Schweißen mit Stabelektroden, vorausgesetzt. Zunächst musst du also das E-Hand-Schweißen erlernen und die handwerkliche Fertigkeit entwickeln. Mit bestandener Prüfung bist du für die Ausführung von Schweißarbeiten im Geltungsbereich deiner Prüfung qualifiziert. Jedes Schweißverfahren, so auch das MMA Schweißen mit Stabelektroden, erfordert eine separate Prüfung.

 

Schweißverfahren 111 – Normen, Regeln, Richtlinien

 

Begriffe und Definitionen

 

DIN EN ISO 2553 – Symbolische Darstellung in Zeichnungen

DIN EN ISO 4063 – Liste der Prozesse und Ordnungsnummern

DIN 1910-100 – Begriffe. Teil 100: Metallschweißprozesse

DIN ISO 857-1 – Begriffe. Teil 1: Metallschweißprozesse

 

Qualitätsanforderungen

 

DIN EN ISO 3834 – Qualitätsanforderungen

DIN EN ISO 5017 – Bewertungsgruppen für Unregelmäßigkeiten

DIN EN ISO 10042 – Bewertungsgruppen von Unregelmäßigkeiten

DIN Fachbericht ISO/TR 17844 – Verfahren zur Vermeidung von Kaltrissen

 

Lichtbogenschweißen von Stahl

 

DIN CEN ISO/TR 15608 Richtlinien für eine Gruppeneinteilung von metallischen Werkstoffen sowie in diesem Kontext DIN CEN ISO/TR 20172, 20174, 20173

DIN EN 1011 Empfehlungen zum Schweißen metallischer Werkstoffe

DIN EN ISO 15614 – Anforderung und Qualifizierung von Schweißverfahren für metallische Werkstoffe – Schweißverfahrensprüfung, Teil 1: Lichtbogen- und Gasschweißen von Stählen und Lichtbogenschweißen von Nickel und Nickellegierungen

 

Schweißnahtvorbereitung

 

DIN EN 29692 / ISO 9692 – Arten der Schweißnahtvorbereitung

 

Schweißzusätze

 

DIN EN 13479 – Allgemeine Produktnorm

DIN EN ISO 2560 – Stabelektroden für unlegierte Stähle und Feinkornstähle

DIN EN ISO 18275 – Stabelektroden für hochfeste Stähle

DIN EN ISO 3580 – Stabelektroden für warmfeste Stähle

DIN EN ISO 3581 – Stabelektroden für nichtrostende Stähle

DIN EN ISO 14172 – Stabelektroden für Nickel und Nickellegierungen

DIN EN 14700 – Schweißzusätze zum Hartauftragen

 

Prüfverfahren

 

Zerstörungsfreie Prüfung

 

DIN EN ISO 17637 – Sichtprüfung

DIN EN ISO 17636 – Durchstrahlungsprüfung

DIN EN ISO 17640 – Ultraschallprüfung

DIN EN ISO 3452 – Eindringprüfung

DIN EN ISO 17643 – Wirbelstromprüfung

 

Zerstörende Prüfung

 

DIN EN ISO 4136 – Querzugversuch

DIN EN ISO 5178 – Längszugversuch

DIN EN ISO 9018 – Zugversuch am Doppel-T-Stoß und Überlappstoß

DIN EN ISO 5173 – Biegeprüfungen

DIN EN ISO 9017 – Bruchprüfung

DIN EN ISO 9016 – Kerbschlagbiegeversuch

DIN EN ISO 9015 – Härteprüfung

DIN EN ISO 17639 – Makroskopische und mikroskopische Untersuchungen

DIN CEN ISO/TR 16060; DIN SPEC 8548 – Ätzungen für die makroskopische und mikroskopische Untersuchung

DIN EN ISO 17641 – Heißrissprüfungen

DIN EN ISO 17642 – Kaltrissprüfungen

DIN EN ISO 16701 – Schnellkorrosionsprüfungen

DIN EN ISO 8249 – Bestimmung Ferritanteil

 

Arbeitsschutz

 

DIN EN IEC 60974 – Schweißstromquellen

DIN EN 169, 175, 379 – Augenschutz

 

Prüfung / Qualifikation

 

DIN EN ISO 9606 – Prüfung, Schmelzschweißen

 

 

 

Quellen:

www.wikipedia.de

www.handschweissen.weebly.com

www.vdb-schweisstechnik.com

www.mussmann.org

www.ewm-group.com

www.mannisweldingchannel.com

www.schweisshelden.de

www.dieschweissprofis.de

Böhler-Welding Wissenshandbuch, Ausgabe Oktober 2018, Handbuch der voestalpine Böhler Welding GmbH, Düsseldorf

www.blackweld.de

www.reiz-schweisstechnik.de