Lichtbogenhandschweißen (111): Der Allrounder, der die Welt zusammenhält

Einleitung: Das universelle Werkzeug

Es ist das Verfahren, das auf kaum einer Baustelle fehlt, das in jeder Werft, in jedem Kessel- und Stahlbau zu finden ist und das trotz rasant fortschreitender Automatisierung seinen festen Platz behauptet: das Lichtbogenhandschweißen, in der Normung als Prozess 111 geführt, im Volksmund oft als „E-Hand“-Schweißen bekannt. Während Laser und Roboter in hochautomatisierten Produktionslinien ihre Präzisionsarbeit verrichten, bleibt der Schweißer mit der Elektrode in der Hand die letzte Instanz, wenn es um Flexibilität, Zugänglichkeit und die Verbindung von dickwandigen Bauteilen unter widrigsten Bedingungen geht.

Dieser Artikel eröffnet unsere 20-teilige Reihe über die technischen Möglichkeiten des Metallschweißens mit einem Verfahren, das mehr als 100 Jahre nach seiner Erfindung nichts von seiner Relevanz eingebüßt hat. Wir beleuchten die physikalischen Grundlagen, die vielfältigen Einsatzgebiete und die anhaltende Bedeutung dieses Urgesteins der Fügetechnik.

Der historische Bogen: Von der Kohleflamme zur umhüllten Stabelektrode

Die Geschichte des Lichtbogenhandschweißens ist eng mit dem Namen Nikolai Nikolajewitsch Benardos verbunden, der 1881 ein Verfahren mit Kohleelektrode patentierte. Die entscheidende Weiterentwicklung gelang jedoch dem Russen Nikolai Slawjanow, der 1888 die Metall-Elektrode einführte. Doch erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts, insbesondere durch die Arbeiten von Oscar Kjellberg in Schweden, erhielt das Verfahren seine bis heute gültige Form: die umhüllte Stabelektrode [1].

Kjellbergs Erfindung der Umhüllung war der Durchbruch. Sie löste das bis dahin ungelöste Problem der Luftempfindlichkeit des Schmelzbades. Durch die beim Abbrand der Umhüllung entstehenden Gase und die gebildete Schlacke wird das flüssige Metall effektiv vor Sauerstoff und Stickstoff der Umgebungsluft geschützt. Was wie eine einfache Idee klingt, war die Geburtsstunde eines zuverlässigen, ortsunabhängigen Schweißverfahrens. In den Weltkriegen und der darauffolgenden Industrialisierung wurde das Lichtbogenhandschweißen zur Schlüsseltechnologie, die den Bau von Panzern, Schiffen, Brücken und Hochhäusern in nie dagewesener Geschwindigkeit ermöglichte [2].

Physik und Technik: Der kontrollierte Kurzschluss

Das Prinzip ist denkbar einfach und doch physikalisch hochkomplex. Eine umhüllte Stabelektrode wird in eine Elektrodenhalterung (Stromquelle) eingespannt, das Werkstück wird mit dem anderen Pol verbunden. Zwischen der Elektrodenspitze und dem Werkstück wird ein Lichtbogen gezündet – ein selbstständiger Gasentladungsvorgang, der Temperaturen von über 5000 °C erreicht.

Die moderne Schweißtechnik unterscheidet hierbei verschiedene Lichtbogenarten, die über die Stromart und die Eigenschaften der Umhüllung eingestellt werden können:

• Weichlichtbogen: Charakterisiert durch einen ruhigen, gleichmäßigen Brenner, ideal für dünne Bleche und Wurzellagen.
• Sprühlichtbogen: Harte, durchdringende Lichtbogenform mit feinem Spritzerübergang, optimal für dicke Bleche und Zwangslagen.
• Impulslichtbogen: Eine Sonderform, die den Werkstoffschonenden Übergang durch kontrollierte Stromimpulse ermöglicht und heute auch in vielen modernen Inverter-Maschinen für das Handschweißen realisiert wird.

Das Herzstück jeder Schweißanlage ist die Stromquelle. Während früher sperrige Transformatoren oder rotierende Umformer (Aggregate) dominierten, haben heute kompakte und hocheffiziente Inverter-Geräte den Markt erobert. Sie wandeln die Netzfrequenz (50 Hz) in hochfrequenten Gleichstrom (20-100 kHz) um, was eine präzise Regelung des Schweißstroms, ein geringeres Gewicht (bis zu 70 % leichter als traditionelle Geräte) und eine verbesserte Energieeffizienz ermöglicht [3].

Die Elektrode: Der Schlüssel zum Erfolg

Die Vielseitigkeit des Verfahrens liegt in der schieren Vielfalt der verfügbaren Stabelektroden. Die Einteilung erfolgt nach DIN EN ISO 2560 (für unlegierte und feinkornbaustähle) und umfasst mehrere Klassen, die je nach Umhüllungstyp und vorgesehenem Einsatzgebiet unterschieden werden:

Die Wahl der „richtigen“ Elektrode ist eine Wissenschaft für sich und hängt vom Werkstoff, der Bauteildicke, der Schweißposition und den geforderten mechanisch-technologischen Eigenschaften der Verbindung ab.

Einsatzgebiete: Wo der Mensch unverzichtbar bleibt

Trotz des Siegeszugs der Automatisierung in der Industrie gibt es Domänen, in denen das Lichtbogenhandschweißen unangefochten ist:

1. Baustelle und Montage: Kein anderes Verfahren ist so unabhängig von der Bauteilgeometrie und den Umgebungsbedingungen. Wind, Wetter und beengte Platzverhältnisse spielen für den erfahrenen Schweißer nur eine untergeordnete Rolle.
2. Reparatur und Instandhaltung: Ob defekter Baggerlöffel, gerissene Achse oder Leckage in einer Pipeline – das E-Hand-Verfahren ist die erste Wahl für schnelle, zuverlässige Reparaturschweißungen vor Ort.
3. Dickblechbereich: Während MIG/MAG- und WIG-Verfahren bei Blechdicken über 20-30 mm wirtschaftlich an ihre Grenzen stoßen oder mehrlagig aufwendig werden, ist das Handschweißen mit dickeren Elektroden (bis 6 mm Durchmesser) im Kessel- und Behälterbau nach wie vor konkurrenzlos.
4. Unzugängliche Stellen: In Rohrleitungen, engen Ecken oder komplizierten Konstruktionen, wo ein Brenner einer automatisierten Schweißanlage nicht hinkommt, ist die freie Hand des Schweißers die einzige Lösung.

Kontroversen und Grenzen: Die Herausforderungen des Verfahrens

Das Lichtbogenhandschweißen ist kein Verfahren ohne Schattenseiten. Die größte Herausforderung stellt der hohe Qualifikationsanspruch dar. Während automatisierte Prozesse reproduzierbare Ergebnisse liefern, ist die Qualität der Handschweißung unmittelbar abhängig von der Erfahrung, Konzentration und dem Können des Schweißers. Die Prozesssicherheit schwankt – ein Problem, das in sicherheitsrelevanten Bereichen (Kernkraft, Chemieanlagen) durch strenge Prüfungen (Schweißerprüfungen nach DIN EN ISO 9606) adressiert wird.

Kritisch wird auch der Wirkungsgrad gesehen. Bei der automatisierten MIG/MAG-Schweißung können Abschmelzleistungen von mehreren Kilogramm Elektrodendraht pro Stunde erreicht werden. Das Handschweißen bleibt hier aufgrund der begrenzten Stablängen und der notwendigen Zwischenzeiten (Elektrodenwechsel, Schlackeentfernung) deutlich zurück. Die Wärmeeinbringung ist zudem schwerer zu kontrollieren, was bei dünnen Blechen oder verzugsempfindlichen Konstruktionen schnell zu Problemen führen kann.

Schließlich darf die Belastung des Schweißers nicht unterschätzt werden. Die physikalische Beanspruchung in Zwangslagen, die thermische Belastung und vor allem die Gefährdung durch Schweißrauche sind ernst zu nehmende Faktoren. Die Einführung von mobilen Rauchabsaugungen und verbesserten Atemschutzsystemen war hier ein wichtiger Schritt, um die Arbeitsbedingungen zu humanisieren [4].

Ausblick: Sterben oder Wandel?

Wird das Lichtbogenhandschweißen in einer Welt der Cobots, Laserschweißsysteme und digitalisierten Fertigungsstraßen aussterben? Die realistische Einschätzung lautet: nein. Es wird sich weiter wandeln.

Die Entwicklung geht hin zu intelligenten Stromquellen, die über digitale Schnittstellen (z.B. WLAN, Bluetooth) Schweißparameter protokollieren und dokumentieren. So wird die bislang schwer quantifizierbare menschliche Leistung nachvollziehbar. Fortschritte in der Elektrodenentwicklung versprechen höhere Abschmelzleistungen, geringere Spritzerbildung und eine weitere Reduktion der Schweißrauchemissionen. Der Trend geht zu Hybridgeräten, die in einem Gerät die Verfahren 111, 131 (MIG/MAG) und 141 (WIG) vereinen, um dem Anwender maximale Flexibilität zu geben.

Das Lichtbogenhandschweißen bleibt der unverzichtbare „Allrounder“ im Werkzeugkasten der Fügetechnik. Es ist das Verfahren, auf das zurückgegriffen wird, wenn andere an ihre Grenzen stoßen. Es steht für eine handwerkliche Kultur, die sich in der digitalen Zukunft neu erfindet – aber nicht überflüssig wird.

Quellen:

[1] DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V.: Geschichte der Schweißtechnik. DVS Media GmbH, Düsseldorf.

[2] Dilthey, Ulrich: *Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1: Schweiß- und Schneidtechnologien*. 3. Auflage, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg, 2006.

[3] DIN EN ISO 2560: Schweißzusätze – Umhüllte Stabelektroden für das Lichtbogenhandschweißen von unlegierten Stählen und Feinkornstählen – Einteilung. Beuth Verlag, Berlin, aktuellste Fassung.

[4] Fachausschuss für Schweißtechnik im DVS: *Merkmblatt DVS 0909-1: Gefährdungsbeurteilung beim Schweißen und Trennen – Grundlagen*. DVS Media GmbH, Düsseldorf, 2018.