Einfluss der Wolfram Elektroden auf das Schweißergebnis beim WIG-Schweißverfahren
Für ein gutes Schweißergebnis ist die Grundvoraussetzung der Einsatz einer guten Schweißstromquelle mit entsprechenden Merkmalen wie HF-Zündung, genaue Einstellung des Schweißstroms, Pulseinrichtung und entsprechende Strombelastbarkeit.
Eine weitere Voraussetzung für ein gutes Schweißergebnis ist die Verwendung des richtigen Schutzgases (entsprechend EN 439). Beim WIG-Schweißen dürfen nur inerte Gase - dies sind sauerstofffreie Gase, die nicht mit der Umgebungsluft reagieren - verwendet werden. Gebräuchlich ist Argon in den Reinheitsstufen „rein“ (Qualität 4.6) oder „hochrein“ (Qualität 4.8). Als Besonderheit wird das Schweißen mit einem geringen Wasserstoffanteil empfohlen, da der Wasserstoff reduzierend auf den Restsauerstoffanteil in der Schweißnaht wirkt.
Für das Handschweißen wird Argon mit 2% Wasserstoffanteil, für das Automatenschweißen Argon mit max. zu 5% Wasserstoffanteil empfohlen. Auf jeden Fall muss aber die Werkstoffverträglichkeit gegeben sein.
Besonders wichtig ist der optimale Gasschutz beim Schweißen. Ein (auch geringer) Anteil von Sauerstoff hat zur Folge, dass zum einen die Elektrode oxidiert (Blaufärbung) und zum anderen Schweißfehler durch Sauerstoffeinschlüsse auftreten. Zugluft ist beim Schweißen in jedem Fall zu vermeiden. Es ist weiter darauf zu achten, dass alle Verbindungen von der Gasflasche bis zur Elektrodenspitze gasdicht sind, damit kein Sauerstoff aus der Umgebungsluft in das Leitungssystem angesogen wird.
Die Keramik um die Elektrode sollte nicht zu klein sein, damit die Elektrode (und die Schweißnaht) entsprechend durch Schutzgas geschützt sind. Die Elektrode sollte nicht mehr als 5 mm aus der Keramik herausragen. Der Schutzgasstrom muss richtig dosiert sein. Ein zu geringer Schutzgasstrom führt zur Vermischung mit der Umgebungsluft beim Schweißen. Aber auch ein zu hoher Schutzgasstrom zieht durch Turbulenzen Sauerstoff in die Schweißnaht. Nach Beendigung der Schweißung muss die Elektrode (und die Schweißung) noch so lange mit Schutzgas umspült werden, bis das Material auf < 300.C abgekühlt ist. Generell wird ein Schutzgasstrom von etwa 6-8 Nl/min und eine Nachspülzeit von mindestens 30 sek. empfohlen. Diese Angaben sind Empfehlungen. Sollten hierzu spezielle Fragen auftreten, oder maschinelle Lösungen benötigt werden, richten Sie sich bitte an die Knautz GmbH & Co. KG (www.schweissmaschinen.net) oder an Ihren Gase - Lieferanten.
Folgende Faktoren sind für ein gutes Schweißergebnis bei der Wolfram Elektrode zu berücksichtigen:
- Wolframelektrodenart
- Elektrodendurchmesser
- Abstand der Elektrode zum Werkstck
- Sauberer und richtiger Anschliffwinkel
Wolframelektroden Typen:
Zur Wahl der richtigen Elektrode sind nachfolgend die gebräuchlichsten Elektrodenarten mit ihrer Kurzbezeichnung und Farbkennung aufgeführt. Als Elektrodenwerkstoff wird Wolfram wegen seines hohen Schmelzpunktes von ~ 3.400 °C verwendet. Durch die Zumischung von Oxiden zum reinen Wolfram (Dotierung) kann das Verhalten der Elektroden und die Standzeit beeinflusst werden. Die wesentlichen Eigenschaften der Elektroden sind ebenfalls aufgeführt (nach DIN EN 26 848).
Elektroden Bezeichnung |
Farbe | Oxidzusätze in Gew. % | Wolfram Anteil |
WP-00 | grün | -- | Wolfram 99,8% |
WT-10 * | gelb | 1,0% Thorium | Rest Wolfram |
WT-20 * | rot | 2,0% Thorium | Rest Wolfram |
WT-30 * | lila | 3,0% Thorium | Rest Wolfram |
WT-40 * | orange | 4,0% Thorium | Rest Wolfram |
WZ-08 | weiß | 0,8% Zirkonium | Rest Wolfram |
WC-20 | grau | 2,0% Cer | Rest Wolfram |
WL-10 | schwarz | 1,0% Lanthan | Rest Wolfram |
WL-15 | gold | 1,5% Lanthan | Rest Wolfram |
WL-20 | blau | 2,0% Lanthan | Rest Wolfram |
WM-20 | türkis | 2,0% Lanthanide | Rest Wolfram |
* Diese Elektroden sollten wegen ihrer Radioaktivität möglichst vermieden werden!
Einfluss der Dotierung auf die Charakteristik der Elektrode:
WP-00
Undotierte Elektroden; reines Wolfram. Einsatz hauptsächlich zum Wechselstromschwei
ßen von Aluminiumlegierungen bei guter Lichtbogenstabilität. Diese Elektrode ist ungeeignet für das Gleichstromschwei
ßen.
WT-10 / WT-20 / WT-30 / WT-40
Der Thoriumgehalt bewirkt (wie alle Oxide) eine Verringerung der Elektronenaustrittsarbeit und dadurch eine höhere Elektronenemission. Mit steigendem Thoriumgehalt verbessern sich:
• Zündeigenschaften
• Standzeiten
• Strombelastbarkeit
Haupteinsatzgebiet ist das Gleichstromschwei
en von hochlegierten und rostfreien Stählen.
Wegen der Radioaktivität des zur Dotierung eingesetzten Thoriums ist ein Einsatz dieser Elektroden möglicht konsequent zu vermeiden. (Siehe hierzu auch die einschlägigen Vorschriften der Berufsgenossenschaften).
Die Gefahr der thorierten Elektroden liegt nicht in der Gammastrahlung - sie ist zu vernachlässigen. Gefährlich ist die Alphastrahlung (Teilchenstrahlung), bei der radioaktive Partikel eingeatmet werden und für alle Zeit in der Lunge verbleiben und die Zellen fortdauernd schädigen, was schlimmstenfalls Lungenkrebs auslöst. Kommen trotzdem thorierte Elektroden zum Einsatz, ist auf strengste Absaugung beim Anschleifen - es sind nur Absauggerte der Staubklasse H (höchste Staubklasse) zugelassen - sowie für eine optimale Schwei
ßrauchabsaugung Sorge zu tragen.
Arbeiten mit thorierten Elektroden ohne diese Sicherheitsma
nahmen ist in hohem Maß
e gesundheitsschädlich und nicht zu verantworten. Bei Prüfungen durch die Berufsgenossenschaften sind bei Nichteinhaltung der Vorschriften massive Probleme zu erwarten.
Es ist heutzutage nicht erforderlich, thorierte Elektroden einzusetzen, da lanthanierte (WL) oder cerierte (WC) Elektroden in allen Bereichen überlegen sind. Es ist zu erwarten, dass in absehbarer Zeit diese thorierten Elektroden nicht mehr angeboten werden dürfen.
WC-20
Die cerierte Elektrode WC-20 ist die Universalelektrode für nahezu alle Anwendungen:
• Gleichstrom und Wechselstrom
• unlegierter Stahl
• hochlegierter Stahl
• Aluminiumlegierungen
• Titanlegierungen
• Nickellegierungen
• Kupferlegierungen
• Magnesiumlegierungen
Durch Cerzusatz ähnliches Verhalten wie thorierte Elektroden. Hervorragend sind sehr gute Zündeigenschaften - auch die Wiederzündung bei warmer Elektrode - bei hoher Standzeit und guter Strombelastbarkeit. Ceroxid ist wesentlich weniger umweltbelastend als Thoriumoxid und nicht radioaktiv. In der Praxis zeigt sich diese Elektrode den thorierten überlegen.
WL-10 / WL-15 / WL-20
Die lanthanierte Elektrode WL-15 ist eine Universalelektrode für nahezu alle WIG Anwendungen:
• Gleichstrom und Wechselstrom
• Alle anderen Einsatzbereiche siehe WC-20
Lanthanierte Elektroden (WL) bertreffen cerierte (WC) im Niederstrombereich - hier ist die WL Reihe die erste Wahl. Besondere Einsatzgebiete liegen auch im Plasma- bzw. Mikroplasmaschwei
en.
Höherer Lanthangehalt wirkt sich auf die Zündfreudigkeit aus, dies ist besonders beim automatisierten Schwei
en (Orbital, Roboter, Drehtische etc.) vorteilhaft.
WZ-08
Durch Zirkoniumzusatz geringere Gefahr der Schmelze-Verunreinigung durch Wolfram. Einsatzgebiet Wechselstromschweßi
en, für Gleichstromschwei
ßen nur beding geeignet. Generell haben sich heute als Standardtypen WC-20 (grau) und WL-15 (gold) etabliert. Diese Typen decken einen weiten Werkstoffbereich wie Aluminium, Edelstahl, Kohlenstoffstahl, Bronze, Titan, Kupfer, etc. ab. Wegen der damit verbundenen Gesundheitsgefahren sind die thorierten Elektroden WT-... möglichst zu vermeiden.
Elektrodendurchmesser und Elektrodenlänge
Die Strombelastbarkeit der Elektrode ist abhängig von ihrem Durchmesser, Stromart und Polung, den Legierungszusätzen der Elektrode und dem Anschliffwinkel.
Wird die Elektrodenspitze überlastet, so bildet sich am Elektrodenende ein ausgeprägter Schmelztropfen, der in das Schweiß
bad übergehen kann. Bei zu geringer Belastung der Elektrodenspitze brennt der Lichtbogen unruhig (siehe Tabelle weiter unten). Standarddurchmesser sind 1,0 - 1,6 - 2,0 - 2,4 - 3,0 - 3,2 - 4,0 - 4,8 - 6,0 - 6,4 mm bei Standardlängen von 50 - 75 - 150 - 175 mm.
Abstand der Elektrode zum Werkstück
Durch einen unterschiedlichen Abstand der Elektrode zum Werkstück verändert sich die Elektrodenspannung, was ebenfalls zu unterschiedlichen Schwei ßergebnissen führt. Es ist darauf zu achten, dass ein gleichm äßiger Abstand zum Werkstück eingehalten wird. Als praxisgerecht hat sich erwiesen, dass der verwendete Elektrodendurchmesser auch der Abstand zum Werkstck sein sollte, also bei einer 2,4 mm Elektrode 2,4 mm Elektrodenabstand zum Werkstück. Bei der Tabelle der Richtwerte der Schwei ßströme ist der jeweilige Durchmesser der Elektrode als Elektrodenabstand berücksichtigt.
Anschliff der Wolframelektroden
Die Form der Elektrodenspitze bestimmt im wesentlichen den Schwei
ßablauf und die Güte der Schwei
ßnaht. Vor dem Anschliff ist darauf zu achten, dass das Elektrodenende nicht abgebrochen oder abgekniffen ist. Die Korngrenzenfestigkeit der Elektroden ist nämlich geringer als die Festigkeit der einzelnen Kristalle. Deshalb neigen Elektroden dazu, bei mechanischer Beanspruchung entlang der Korngrenzen geschwächt zu werden. Die starke Erwärmung beim Schwei
ßen führt dann zur Rissbildung an der Spitze.
Der Anschliff der Wolframelektroden muss äu
ßerst sorgfältig geschehen, um auch hier eine Korngrenzenschdigung durch mechanische Kräfte zu verhindern. Der Anschliff sollte mit einem Elektrodenschleifgerät durchgeführt werden und darf nur mit leichtem Druck erfolgen, da durch einen zu gro
ßen Wärmestau ebenfalls eine Kornverspannung und Korngrenzenschädigung auftreten kann. Ein freihändiges Schleifen muss ganz vermieden werden. Elektroden-Geometrie siehe unten.
Das Schliffbild: Es sollte eine Schleifscheibe mit möglichst feiner Körnung verwendet werden. Am besten sind Diamant - Schleifscheiben (je nach Belastung mit Kunststoff- oder Metallbindung).
Korundschleifscheiben zeigen aufgrund der Härte von Wolfram schlechtere Schleifergebnisse. Die Standzeit der Elektrode erhöht sich, je feiner der Schliff ist.
Wolfram Elektroden Anschleifgert EAG-3 mit Diamantschleifscheibe und Winkeleinstellung für Wolfram Elektroden von 1,0 - 4,0 mm Durchmesser.
Die Schleifrichtung: Wichtig ist, dass in Längsrichtung geschliffen wird!
Bei einem Querschliff führen die Riefen zu einem instabilen Lichtbogen und zum Ausbrechen von Wolframteilchen, die dann in das Schmelzbad gelangen können. Deshalb soll die Elektrode beim Anschleifen immer nur sehr langsam gedreht werden.
Die Zentrik: Es kommt sehr darauf an, dass
die Spitze so zentrisch wie möglich in der
Elektroden-Längsachse liegt.
Bei einer Abweichung besteht die Gefahr,
dass der Lichtbogen instabil wird.
Besonders beim automatisierten
Schwei
ßen besteht weiter die Gefahr, dass
zwar eine Justierung der Elektrode zum
Werkstück zur Elektroden-Längsachse
erfolgt, durch die mangelnde Zentrik die Schweiß
energie aber nicht an die gewünschte
Stelle gebracht wird.
Der Anschliffwinkel: Im Zusammenwirken mit dem Durchmesser der Wolframelektrode hat der Anschliffwinkel den entscheidenden Einfluss auf die Schwei
ßnahtqualität.
Im nachfolgenden Bild wird schematisch verdeutlicht, wie sich ein Schmelzbad bei gleicher Stromstärke, aber unterschiedlichem Anschliffwinkel, ausprägt.
Der Lichtbogen stellt ein Spiegelbild des Anschliffwinkels dar.
Bei einer spitzen Elektrode wird die Energie
auf eine kleine Oberfläche gebracht mit
einem tiefen Einbrand.
Bei einer stumpfen Elektrode wird die
Energie bei gleichem Schwei
strom auf
eine gro
ße Oberfläche gebracht mit einem
verhältnism
äßigem flachem Schmelzbad.
Richtwerte Strombelastung (A) und Schweißbarkeit
Als Richtwert für die Wahl des Elektrodendurchmessers und des Anschliffwinkels wird die cerierte Wolframelektrode für das WIG Schwei
ßen genannt, aus diesem Mittelwert kann die Wahl anderer Elektroden abgeleitet werden.
Die Länge der Elektrodenspitze sollte etwa das 1 - 1,5 - fache des Elektrodendurchmessers betragen ( 2,4 mm Elektrode - Länge der Spitze 2,4 - 3,6 mm).
Generell gilt : Die Spitze der Elektrode sollte nach dem Schleifen abgestumpft werden, wobei der Durchmesser der stumpfen Spitze ca. 10 % des Elektrodendurchmessers betragen soll (Elektroden 2,4 mm ~ 0,25 mm). Dies führt zu einer erheblichen verringerten Belastung der Spitze und so zu einer deutlichen Verbesserung der Standzeit.
Schweißnahtqualität:
Die Spitze der Elektrode sollte nach dem Anschliff auf einen Durchmesser von ca.10 % des Durchmessers der Wolframelektrode wieder plan geschliffen werden. Der Elektronenaustritt wird durch die Planfläche günstig beeinflusst und bewirkt ein besseres Schwei
ergebnis, gerade in Bezug auf Einbrandkerben. Durch das Abflachen wird auch ein Partikelausbruch aus der Elektrodenspitze verhindert; ebenfalls ist die Standzeit der Elektrode erheblich erhöht.
Für die Schwei
nahtqualität ist zu beachten, dass die Wurzellage des Schmelzbades bei dem WIG Schwei
en pro mm Wandstärke etwa 1 mm schmaler als die Decklage werden sollte. Nur so ist gewährleistet, dass nicht zu viel Energie eingebracht wird, was zur Gefügeveränderung des Schwei
gutes führt. Dies bedeutet bei einem Grundmaterial von 2 mm Wandstärke eine Schwei
nahtbreite in der Decklage von etwa 5 mm Breite und in der Wurzel von etwa 3 mm Breite. Durch diese Schwei
form werden auch etwaiger Kantenversatz und kleinere Schwei
spalte überbrückt.
Als praxisgerecht hat sich bei einer 2,4 mm Elektrode ein Anschliffwinkel von 30 bis 45 und ein Durchmesser der abgestumpften Spitze von ~ 0,25 mm erwiesen.
Es ist darauf zu achten, dass die Wolframelektroden in einem regelm äßigen Intervall sorgfältig nachgeschliffen werden und zwar bevor die Elektrodenspitze abgenutzt ist. Auf keinen Fall sollte so lange gewartet werden, bis sich das Schwei ergebnis sichtbar verschlechtert oder die Zündeigenschaften schlecht sind. Schon dann sind die vorherigen Schwei ergebnisse zweifelhaft und die schlechten Zündeigenschaften können zu Signalstörungen der Maschinen oder zu Wolfram-Einschlüssen in der Schwei naht führen.
Anschlifflänge der Elektrode
als Funktion von Elektrodendurchmesser und Anschliffwinkel
Alle Angaben sind lediglich als Empfehlungen bzw. Richtwerte zu verstehen!