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Das Lichtbogenschweißen ist eine Art von Schmelzschweißverfahren, bei dem unedle Metalle durch Wärmezufuhr verschmolzen werden, so dass sie miteinander verschmelzen. Die erforderliche Wärme wird von einem Lichtbogen geliefert, der zwischen dem Plus- und Minuspol eines mit einer Stromquelle ausgestatteten Stromkreises entsteht. Zum Schweißen wird das Werkstück an einem Pol und die Elektrode an einem anderen Pol angeschlossen, so dass der Lichtbogen zwischen ihnen im externen Stromkreis entsteht. Da Elektronen immer vom Minuspol zum Pluspol eines externen Stromkreises fließen, sind je nach Anschluss zwei Fälle möglich:

1. Die Elektrode ist mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden, während das Grundmetall mit dem Pluspol verbunden ist.
2. Die unedlen Metalle sind mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden, während die Elektrode mit dem Pluspol verbunden ist.

Wenn die Stromquelle jedoch Wechselstrom (AC) liefert, treten beide Zustände nacheinander in jedem Zyklus auf. Grundsätzlich können Lichtbogenschweißstromquellen entweder Gleichstrom oder Wechselstrom liefern. Einige moderne Stromquellen enthalten auch eine Vorrichtung zur Umwandlung des einen in den anderen (mit integriertem AC-DC-Wandler), so dass diese Quellen sowohl Wechsel- als auch Gleichstrom liefern können. Daher kann das Lichtbogenschweißen in jeder der folgenden drei Polaritäten durchgeführt werden; jede hat jedoch bestimmte Vorteile gegenüber der anderen, wie in den folgenden Abschnitten erläutert wird.

Die Polarität gibt die Richtung des Stromflusses (mit anderen Worten: der Elektronen) zwischen den Grundplatten und der Elektrode im äußeren Stromkreis an. Denken Sie daran, dass die Richtung des Stromflusses dem Fluss der Elektronen entgegengesetzt ist.

• Gleichstrom mit gerader Polarität – tritt auf, wenn die Elektrode negativ und die Grundplatten positiv sind. So fließen Elektronen von der Elektrodenspitze zu den Grundplatten.
• Gleichstrom umgekehrte Polarität – tritt auf, wenn die Elektrode positiv und die Grundplatten negativ gemacht werden. So fließen Elektronen von den Grundplatten zur Elektrode.
• Wechselstrom-Polarität: Wenn die Stromquelle Wechselstrom liefert, treten die beiden oben genannten Fälle nacheinander in jedem Zyklus auf. In der einen Hälfte des Zyklus ist die Elektrode negativ (also sind die Grundplatten positiv) und in der nächsten Hälfte ist die Elektrode positiv (also ist die Grundplatte negativ). Die Anzahl der Zyklen pro Sekunde hängt von der Frequenz der Stromversorgung ab. Bei einer 60-Hz-Versorgung treten beispielsweise 60 Zyklen pro Sekunde auf.

Gleichstromelektrode positiv (DCEP) Polarität beim Lichtbogenschweißen

Wenn bei Gleichstrom (DC) die Elektrode mit dem positiven Pol und die Grundplatte mit dem negativen Pol verbunden ist, spricht man von Gleichstromelektrode positiv (DCEP) oder Gleichstromumkehrpolarität (DCRP). Die Elektronen lösen sich also von der Grundplatte und fließen über den äußeren Stromkreis zur Elektrode. Der kontinuierliche Fluss der Elektronenlawine in einem kleinen Durchgang erzeugt den Lichtbogen (Wärmequelle).

Die aus den Grundplatten (negative Polarität) austretenden Elektronen werden aufgrund der vorhandenen Potenzialdifferenz beschleunigt und können mit sehr hoher Geschwindigkeit auf die Elektrode (positive Polarität) treffen. Beim Auftreffen wird die kinetische Energie der Elektronen in Wärmeenergie umgewandelt, was letztlich zu einer starken Wärmeentwicklung in der Nähe der Elektrodenspitze führt. Als Faustregel gilt, dass zwei Drittel (66 %) der gesamten Lichtbogenwärme an der Elektrode erzeugt werden, während nur ein Drittel (33 %) der Wärme an der Grundplatte erzeugt wird. Dies hat zur Folge, dass die Elektrode schnell schmilzt und die Metallabscheidungsrate steigt (nur bei Verbrauchselektroden). Andererseits verschmelzen die Grundplatten mangels ausreichender Wärme nicht richtig, so dass verschiedene Defekte auftreten, wie z. B. unzureichende Verschmelzung, mangelnde Durchdringung, hohe Verstärkung usw. Der Elektronenstrom von der Grundplatte entfernt jedoch Öl, Beschichtung, Oxidschicht oder Staubpartikel, die sich auf der Oberfläche der Grundplatte befinden (als Oxidreinigungswirkung bezeichnet).

• Weiterlesen: Gleichstrom-Umkehrpolung (DCRP) beim Lichtbogenschweißen.

Vorteile der DCEP-Polarität beim Lichtbogenschweißen

• Bessere Reinigungswirkung des Lichtbogens, daher geringere Gefahr von Einschlussfehlern.
• Hohe Abschmelzleistung der Abschmelzelektrode, daher schnelleres Schweißen.
• Bessere Leistung beim Schweißen dünner Bleche. Es reduziert den Verzug, die Eigenspannung, das vollständige Schneiden usw.
• Geeignet zum Verbinden von Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt, wie Kupfer und Aluminium.

Nachteile der DCEP-Polarität beim Lichtbogenschweißen

• Kürzere Elektrodenlebensdauer für nicht abschmelzende Elektroden.
• Höhere Verstärkung, wenn die Geschwindigkeit nicht richtig eingestellt ist.
• Unzureichendes Abschmelzen und unvollständiges Eindringen.
• Kann dicke Bleche oder Metalle mit hohem Schmelzpunkt nicht richtig aufschmelzen.

Gleichstromelektrode Negativ (DCEN) Polarität beim Lichtbogenschweißen

Im Gegensatz zu DCEP, wenn die Elektrode mit dem negativen Pol und die Grundplatten mit dem positiven Pol verbunden sind, wird dies als Gleichstromelektrode Negativ (DCEN) oder Gleichstromgerade Polarität (DCSP) bezeichnet. Die Elektronen fließen also von der Elektrode zu den Grundplatten. Folglich entsteht an der Grundplatte mehr Wärme als an der Elektrode, so dass die Metallabscheidungsrate sinkt. Außerdem werden verschiedene Defekte, die durch unzureichendes Aufschmelzen des Grundmetalls verursacht werden, beseitigt. DCEN hat jedoch keine Reinigungswirkung, so dass Einschlussfehler auftreten können, wenn die Grundplatten vor dem Schweißen nicht ordnungsgemäß gereinigt werden. Vor- und Nachteile der DCEN-Polarität werden im Folgenden erörtert.

• Weiterlesen: Gleichstromgerade Polarität (DCSP) beim Lichtbogenschweißen.
• Weiterlesen: Der Unterschied zwischen DCEN und DCEP beim Lichtbogenschweißen.

Vorteile der DCEN-Polarität beim Lichtbogenschweißen

• Ausreichende Verschmelzung der unedlen Metalle und damit gutes Einbrandverhalten
• geringere Gefahr von Wolframeinschlüssen (beim WIG-Schweißen) und auch geringere Verstärkung.
• Bessere Wahl für das Schweißen von Metallen mit hohem Schmelzpunkt, wie Titan, Edelstahl usw.
• Dicke Bleche können ebenfalls gut verbunden werden.

Nachteile der DCEN-Polarität beim Lichtbogenschweißen

• Keine Reinigungswirkung des Lichtbogens, daher Gefahr von Einschlussfehlern.
• Hoher Verzug.
• Hohe Eigenspannungen an den geschweißten Bauteilen.
• Breitere Wärmeeinflusszone (WEZ).
• Geringere Produktivität aufgrund der geringeren Abschmelzleistung.
• Nicht für das Schweißen dünner Bleche geeignet.

Wechselstrompolarität beim Lichtbogenschweißen

Die Wechselstrompolarität bietet die Vorteile von DCEN und DCEP, allerdings nur bis zu einem gewissen Grad. Bei der Wechselstromquelle wird die Elektrode in der Hälfte des Zyklus negativ und in der nächsten Hälfte des Zyklus wird die Elektrode positiv. Dieser Zyklus wiederholt sich je nach Netzfrequenz (50 Hz oder 60 Hz) 50- oder 60-mal in einer Sekunde. Einige Stromquellen bieten auch die Möglichkeit, diese Frequenz zu ändern.

• Weiter lesen: Wechselstrompolarität beim Lichtbogenschweißen.
• Weiterlesen: Vergleich zwischen DCEN, DCEP und AC-Polaritäten beim Schweißen.

Vorteile der AC-Polarität beim Lichtbogenschweißen

• Mäßige Reinigungswirkung des Lichtbogens.
• Kompatibel mit den meisten Elektrodentypen (aber nicht mit allen).
• Bessere Durchschmelzung und Schweißguteindringung.
• Geeignet für eine breite Palette von Blechdicken.

Wie wirkt sich die Polarität auf die Leistung des Lichtbogenschweißens aus?

Die Polarität ist einer der entscheidenden Faktoren, die die Qualität der Schweißverbindungen beeinflussen. Vor dem Schweißen muss der Schweißer je nach Anforderung, Art des Schweißzusatzes, Elektrodentyp und Grundwerkstoff die richtige Polarität wählen. In der folgenden Liste sind die Parameter aufgeführt, die in der Regel von der Schweißpolarität beeinflusst werden. Lesen Sie für weitere Einzelheiten: Wie sich die Polarität auf die Leistung beim Lichtbogenschweißen auswirkt?

• Zusatzwerkstoffabscheidung – Bei abschmelzender Elektrode erhöht die DCEP-Polarität die Metallabscheidungsrate. Lesen: Welche Polarität ergibt die höchste Abschmelzleistung beim Lichtbogenschweißen und warum?
• Einbrand – Die Polarität DCEN erhöht den Einbrand der Schweißnaht. Lies: Welche Polarität ergibt einen besseren Einbrand beim Lichtbogenschweißen und warum?
• Reinigung der Grundplatte – DCEP hilft bei der Reinigung der Grundplatten während des Schweißens und verringert so die Gefahr von Einschlussfehlern. Lesen: Welche Polarität bewirkt eine bessere Oxidreinigung beim Lichtbogenschweißen und warum?
• Verstärkung – DCEP bewirkt eine kugelförmige Übertragung des Metalls und erhöht somit die Breite der Schweißnaht.
• WEZ – DCEP-Polarität heizt die Grundplatten schnell auf, und wenn die Geschwindigkeit nicht angepasst wird, wird die WEZ breiter.
• Aussehen der Schweißnaht – AC, hängt stark von vielen anderen Faktoren ab.

Wie wählt man die richtige Schweißpolarität?

Es ist zu beachten, dass bei der Auswahl der Schweißpolarität eine Vielzahl von Faktoren zu berücksichtigen ist; im Folgenden werden jedoch nur einige grundlegende Faktoren erörtert. Bei der Auswahl der Polarität für eine bestimmte Anwendung sollte man sorgfältig vorgehen.

• Wenn Ihr Grundmetall Aluminium oder Magnesium ist, ist DCEP die bessere Wahl, da es die Oxidschicht (Aluminiumoxid-Al2O3) auf der Blechoberfläche aufbrechen kann. Außerdem ist der Schmelzpunkt von Aluminium recht niedrig (660ºC), so dass eine hohe Wärmeentwicklung in der Nähe der Grundplatte nicht erforderlich ist.
• Wenn Sie Titan oder Edelstahl schweißen, dann ist AC die bessere Wahl, da es Ihnen alle gewünschten Vorteile bietet. Hier kann DCEN die WEZ-Zone vergrößern.
• Wenn das Arbeitsmaterial ein schlechtes Elektronenemissionsvermögen hat oder eine hohe Spannung für die Elektronenemission benötigt, dann ist DCEP die falsche Wahl, da es zu einem instabilen Lichtbogen führen kann.
• Wenn die Grundplatte dicker ist (>6mm), dann ist DCEN die bessere Wahl. Eine Kantenvorbereitung ist ebenfalls erforderlich. Bei dünnen Blechen sollte DCEP gewählt werden.
• Beim WIG-Schweißen kann die Verwendung der DCEP-Polarität zur Bildung von Kugeln an der Elektrodenspitze führen, was zu einer geringeren Lebensdauer der Elektrode führt. Es kann auch zu Wolframeinschlüssen führen.