Lichtbogen

DeSta::Microcut
August 18, 2025

Ein Lichtbogen bildet sich in einem Gas dann aus, wenn es durch Anlegen einer ausreichend hohen elektrischen Spannung und Stromdichte zu einer Stoßionisation kommt. Es handelt sich dabei um eine selbstständige Gasentladung, die ein Plasma bildet. Charakteristisch für Lichtbögen sind hohe Temperaturen bis zu 20.000 °C und eine intensive Licht- und Wärmeabgabe. Lichtbögen sind essenziell für das Schweißen und können bei ungewollten Störlichtbögen eine ernste Gefahr sein. Anwendungsfelder für Lichtbögen reichen von Schweißverfahren wie MIG / MAG / WIG und E-Handschweißen über Lichtbogenöfen in der Stahlerzeugung bis zum Plasmalichtbogenverfahren.

Faszination und Gefahr – das Phänomen Lichtbogen

Der Lichtbogen ist ein Phänomen der Elektrizität: Liegt zwischen zwei elektrischen Polen eine genügend hohe elektrische Spannung und Stromdichte vor, kommt es zu einer selbständigen Gasentladung. Der elektrische Lichtbogen ist demnach als eine Form des elektrischen Durchschlags in Gasen zu verstehen. Eine eindrucksvolle natürliche Form des Lichtbogens ist der Blitz bei einem Gewitter. Technisch wird der gezielt erzeugte Lichtbogen in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt. Unerwünschte Störlichtbogen können in elektrischen Anlagen große Schäden bewirken.

Auslöser für einen Lichtbogen

Es gibt mehrere unterschiedliche Ursachen, die einen Lichtbogen auslösen können:

Durchschlagfestigkeit wird überschritten: Zu einem elektrischen Durchschlag kommt es dann, wenn die elektrische Spannung zwischen den beiden Leitern so hoch ist, dass die isolierende Wirkung des Mediums nicht mehr ausreicht. Es kommt zur Ionisation des Gases und es entsteht ein leitfähiges Plasma.
Annäherung von Leitern: Stehen zwei elektrische Leiter unter Spannung und nähern sie sich einander an, dann wird an einem bestimmten Punkt der verbleibende Luftspalt zu klein, um die Spannung zu halten. Die Folge ist ein Überschlag und die Lichtbogenbildung.
Stromkreisunterbrechung: Werden Kontakte in einem Stromkreis physisch getrennt, dann entsteht ein Luftspalt. Dies ist beispielsweise beim Ausschalten eines Schalters oder dem Lösen einer Steckverbindung der Fall. Wird der Stromfluss dabei nicht unmittelbar unterbrochen, so kann sich zwischen den sich trennenden Kontakten ein Lichtbogen zünden. Besonders bei hohen Strömen ist dies kritisch.
Kurzschluss: Berühren sich stromführende Leiter bzw. ein stromführender Leiter die Erde, so kann dies zu einem Kurzschluss führen. Kurzzeitig fließt ein hoher Strom, der zu einer starken Wärmeentwicklung führt. Dies kann zur Ionisation des umgebenden Gases führen und einen Lichtbogen erzeugen.
Defekte Kabelisolierung: Beschädigte Kabelisolierungen bzw. abgenutzte oder korrodierte elektrische Komponenten können die Ursache für unkontrollierte Strompfade sein. Es besteht das Risiko für die ungewollte Ausbildung eines Lichtbogens.

Auswirkungen eines Lichtbogens

Der Lichtbogen ist ein energiereiches und damit auch gefährliches Phänomen. Daher spielen Kontrollierbarkeit und Sicherheit bei gezielt erzeugten Lichtbögen und der Schutz vor ungewollten Lichtbögen eine zentrale Rolle in der Elektrotechnik. Dies sind die unterschiedlichen Auswirkungen eines Lichtbogens:

Extreme Hitze: Ein Lichtbogen weist hohe Temperaturen auf, die von mehreren Tausend Grad Celsius bis zu 20.000 °C reichen können. Bei derart hohen Temperaturen verdampft das in unmittelbarer Nähe befindliche Material. Dieser Vorgang erzeugt ein Plasma, das wiederum den Stromfluss aufrechterhält.
Emission von Licht- und UV-Strahlung: Kommt es zu einem Lichtbogen, so strahlt dieser helles Licht in hoher Intensität aus. Das Spektrum der abgegebenen Strahlung reicht vom Infrarot über den sichtbaren Bereich bis hin zu ultravioletter Strahlung.
Druckwelle und Knall: Das Gas in einem Lichtbogen erwärmt sich schnell und dehnt sich schlagartig aus. Dies führt zu einer Druckwelle und bewirkt einen lauten Knall. Die Druckwelle eines starken Lichtbogens kann zu mechanischen Schäden an umgebenden Strukturen führen.
Verdampfen und Schmelzen des Materials: Die extreme Hitze des Lichtbogens bewirkt das Aufschmelzen und Verdampfen des Materials an den Kontaktstellen. Dieser Effekt ist beim Schweißen erwünscht, da er die dauerhafte Verbindung der Metalle nach dem Abkühlen ermöglicht. Ungewollte Störlichtbögen führen jedoch zur Zerstörung von Bauteilen und Komponenten.
Brandgefahr: Ein Lichtbogen ist extrem heiß und kann das Glühen von Metallteilen bewirken. Beide Effekte sind in der Lage, brennbare Materialien in der Umgebung zu entzünden. Die Brandgefahr im Umfeld von Lichtbögen ist hoch.
Verrußung: Häufig erzeugen Lichtbögen Rußpartikel sowie Metallrauch. Beides lagert sich auf Oberflächen ab. Die Ablagerungen sind potenziell leitfähig und können Kriechströme bzw. Kurzschlüsse verursachen, was zur Beeinträchtigung der Isolation in elektrischen Anlagen führen kann.
Chemische Reaktionen: Die ungewöhnlich hohen Temperaturen begünstigen chemische Reaktionen in der Umgebungsluft. Dabei kann es zur Bildung toxischer Gase wie beispielsweise von Stickoxiden wie Ozon, Stickstoffmonoxid bzw. Stickstoffdioxid kommen.

Ein Lichtbogen ist damit potenziell gefährlich. Vor allem dann, wenn er ungewollt als Störlichtbogen auftritt. Die Gefahren resultieren nicht nur aus der extremen Hitze, die zu schweren Verbrennungen führen kann. Die intensive Strahlung kann Hautverbrennungen und Augenschäden zur Folge haben. Die starke Druckwelle mit bis zu 140 dB kann Schäden am Trommelfell und innere Verletzungen bewirken. Infolge der Druckwelle werden potenziell geschmolzene Isolations- und Metallpartikel mit hoher Geschwindigkeit weggeschleudert. Sie können ebenso zu schweren Verletzungen führen. Die Brandgefahr ist durch die enorme Hitze in der unmittelbaren Umgebung hoch. Die hohen Temperaturen können zu chemischen Reaktionen und in Folge zur Bildung toxischer Gase führen.

Spezielle Schutzmaßnahmen und eine persönliche Schutzausrüstung sind dort unerlässlich, wo es potenziell zu einem Störlichtbogen kommen kann bzw. wenn wie beim Schweißen mit einem Lichtbogen gearbeitet wird.

Stromstärke und Spannung bei Lichtbögen

Der elektrische Lichtbogen ist ein bedeutendes Phänomen der Elektrotechnik und Physik. Die Charakteristika des Lichtbogens sind intensive Hitze sowie helles Licht und eine in der Regel nichtlineare Beziehung zwischen Strom und Spannung. Die Ionisierung der Atome und Moleküle des Gases bildet ein Plasma aus, das elektrisch leitfähig ist. Man spricht von einem Plasmakanal. Durch diesen kann elektrischer Strom fließen. Bedingt durch die extreme Hitze verdampfen sowohl das Elektrodenmaterial als auch das umgebende Gas. Dies führt zu einer zusätzlichen Ausbildung von Plasma und hat zur Folge, dass der Lichtbogen aufrechterhalten wird.

Abhängig von der Art und Weise der Entstehung des Lichtbogens kann die Stromstärke stark variieren:

Glimmentladung – kleine Ströme: Fließt ein Strom unter circa 0,4 Ampere, so kann kein stabiler Lichtbogen aufrechterhalten werden. Man bezeichnet das Phänomen dann als Glimm- bzw. Glühentladung.
Schweißlichtbögen – mittlere Ströme: Für das Lichtbogenschweißen kommen Stromstärken zwischen einigen und mehreren hundert Ampere zur Anwendung. Ströme dieser Stärke sind erforderlich, um für das Schmelzen des Materials ausreichend Wärme zu erzeugen.
Lichtbogenöfen – große Ströme: Für industrielle Anwendungen wie Lichtbogenöfen liegen die Stromstärken im Bereich von Kiloampere, da große Mengen an Material, beispielsweise Stahl, aufgeschmolzen werden müssen.
Kurzschlüsse – hohe Stromstärken: Störlichtbögen bei Kurzschlüssen oder Isolationsfehlern können Stromstärken erreichen, die nur durch den Schleifenwiderstand der Anlage begrenzt werden. Stärken von mehreren Kiloampere sind möglich und zerstörerisch. Man spricht von stromstarken Störlichtbögen.

Damit ein Lichtbogen zündet, muss die in der Regel hohe Durchschlagspannung erreicht werden. Beispielsweise sind dafür circa 3.000 Volt pro Millimeter Elektrodenabstand für Luft bei Standardverhältnissen erforderlich. Die erforderliche Spannung hängt vom Medium, der Temperatur, dem Druck und nicht zuletzt von der Elektrodengeometrie ab.

Ein bemerkenswertes Charakteristikum des Lichtbogens ist, dass nach der Zündung jene Spannung, die für das Aufrechterhalten des Lichtbogens benötigt wird, viel niedriger ist. Man spricht auch von einer fallenden Strom-Spannungs-Kennlinie. In der Praxis bedeutet dies, dass die Spannung über dem Lichtbogen mit steigendem Strom durchaus abnehmen kann.

Liegt ein stabiler Lichtbogen vor, so benötigt dieser – im Vergleich zur Zündspannung – also deutlich niedrigere Spannungen:

Mindestspannung: Ab einer Spannung von etwa 14 Volt und einem Strom von circa 0,4 Ampere bleiben in der Regel Lichtbögen stabil. Sind Spannung bzw. Strom geringer, so verlöscht der Lichtbogen meist von selbst.
Schweißlichtbögen: Übliche Brennspannungen von Schweißlichtbögen bewegen sich in einem Bereich von 15 bis 50 Volt. Dabei hängt die genaue Spannung von der Länge des Lichtbogens, der Art des Schweißverfahrens sowie von den verwendeten Elektroden ab.
Störlichtbögen: Brennspannungen von Störlichtbögen können bei Kurzschlüssen mehrere hundert Volt übersteigen. Schutzschalter dienen in elektrischen Anlagen dazu, den Lichtbogen im Störfall zu löschen.

Die Stromstärke und die Spannung beeinflussen das Verhalten und die Energiebilanz eines Lichtbogens maßgeblich. Damit bestimmen die beiden Größen auch die Anwendungsmöglichkeiten und das Gefahrenpotenzial eines Lichtbogens entscheidend mit.

Lichtbogenkennlinie

Die Lichtbogenkennlinie dient zur Beschreibung des funktionalen Zusammenhangs zwischen der Spannung und dem Strom eines Lichtbogens bei konstanter Lichtbogenlänge. Lichtbogenkennlinien sind unverzichtbar, wenn es um das Verständnis und die Kontrolle von Lichtbögen geht. Insbesondere im Anwendungsumfeld des Schweißens spielt die Lichtbogenkennlinie eine zentrale Rolle.

In einem Lichtbogen besteht im Gegensatz zum ohmschen Widerstand ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Strom und Spannung. In der Regel ist eine Lichtbogenkennlinie fallend, man spricht auch von einem „negativen differentiellen Widerstand“. In der Praxis bedeutet dies: Bei zunehmendem Strom nimmt die Spannung für die Aufrechterhaltung des Lichtbogens ab.

Für eine Schweißstromquelle bedeutet dies, dass sie eine entsprechende – in der Regel steil fallende oder konstante – Kennlinie aufweisen muss, damit der Lichtbogen stabil bleibt. Ist die Kennlinie stark fallend, kann die Stromquelle auf Änderungen der Lichtbogenlänge reagieren. Der Strom wird folglich entsprechend angepasst, damit eine gleichmäßige Schweißung gewährleistet wird. Schweißverfahren, die eine konstante Spannung benötigen, nutzen flachere Kennlinien.

Warum DeSta GmbH & Co KG ?

DeSta::Microcut steht für innovative Ideen, Kreativität in der Problemlösung, gleichbleibende Qualität und langjährige Erfahrung im Laserfeinschneiden. Der moderne Maschinenpark und die hochqualifizierten Mitarbeitenden von DeSta::Microcut stellen sicher, dass die individuellen Bauteile der Kunden mit höchster Sorgfalt und Präzision gefertigt werden.

Von komplexen Formen bis hin zu feinen Details ist nahezu jede Anforderung realisierbar. Zudem fertigt das Unternehmen ab einer Losgröße von einem Stück bis hin zu Klein- und Mittelserien.

Plasmalichtbogenverfahren

Beim Plasmalichtbogenverfahren handelt es sich um eine Technologie, die mithilfe von Plasma Materialien bearbeitet. Primär kommt das Verfahren zum Schneiden und Schweißen von Metallen zum Einsatz. Das Plasmalichtbogenverfahren ist eine Weiterentwicklung klassischer Lichtbogenverfahren. Seine Vorteile sind die hohe Leistungsdichte und Präzision.

Plasma ist ein spezieller Aggregatzustand der Materie. Es entsteht, wenn ein Gas so stark erhitzt wird, dass seine Atome ionisiert werden. Das Plasmalichtbogenverfahren hat zum Ziel, das erzeugte und gebündelte Plasma kontrolliert zu nützen. Das Gemisch aus freien Elektronen, Ionen und neutralen Atomen ist nicht nur elektrisch leitfähig, sondern kann immens hohe Temperaturen erreichen.

Im Verfahren setzt man ein Plasmagas wie beispielsweise Argon, Stickstoff oder Wasserstoff ein. Das Gas wird unter hohem Druck durch eine spezielle, enge Düse in einen Plasmabrenner geleitet. Im Brenner wiederum wird ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer Elektrode und der Düse bzw. dem Werkstück gezündet. Die Elektrode ist dabei nicht abschmelzend. Der Lichtbogen erhitzt das Plasmagas auf hohe Temperaturen und ionisiert es. Temperaturen bis zu 30.000 °C sind möglich. Die enge Düse ist entscheidend, da sie den Lichtbogen stark einschnürt. Die Einschnürung sorgt für die Erhöhung der Energiedichte des Plasmas. Die enorme thermische Energie des Plasmastrahls lässt Materialien schmelzen, verdampfen und durchdringen.

Das Plasmalichtbogenverfahren wird in einer Vielzahl unterschiedlicher Industrien eingesetzt. Zu den wichtigsten Anwendungen gehören Plasmaschneiden, Plasmaschweißen sowie Plasma-Oberflächenbehandlung. Das Verfahren ist schnell, präzise, prägt eine geringe Wärmeeinflusszone aus, ist vielseitig und überzeugt durch hohe Automatisierbarkeit.