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 Werkstƒck
• Sauberer und richtiger Anschliffwinkel

Wolframelektroden Typen:

Zur Wahl der richtigen Elektrode sind nachfolgend die gebrä„uchlichsten Elektrodenarten  mit  ihrer  Kurzbezeichnung  und  Farbkennung  aufgefƒührt. 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 aufgefüƒhrt (nach DIN EN 26 848).

* Diese Elektroden sollten wegen ihrer Radioaktivität möglichst vermieden werden!

Einfluss der Dotierung auf die Charakteristik der Elektrode:

WP-00
Undotierte Elektroden; reines Wolfram. Einsatz haupts„ächlich zum Wechselstromschwei…ßen  von Aluminiumlegierungen bei guter Lichtbogenstabilitä„t. Diese Elektrode ist ungeeignet füƒr das Gleichstromschwei…ßen.

WT-10 / WT-20 / WT-30 / WT-40
Der Thoriumgehalt bewirkt (wie alle Oxide) eine Verringerung der Elektronenaustrittsarbeit  und dadurch eine hö†here Elektronenemission. Mit steigendem Thoriumgehalt verbessern sich:
• Züƒndeigenschaften
• Standzeiten
• Strombelastbarkeit
Haupteinsatzgebiet ist das Gleichstromschwei…en von hochlegierten und rostfreien Stä„hlen.

Wegen der Radioaktivitä„t des zur Dotierung eingesetzten Thoriums ist ein Einsatz dieser Elektroden m†öglicht konsequent zu vermeiden. (Siehe hierzu auch die einschlä„gigen Vorschriften der Berufsgenossenschaften).

Die Gefahr der thorierten Elektroden liegt nicht in der Gammastrahlung - sie ist zu vernachl„ässigen. Gef„ährlich ist die Alphastrahlung (Teilchenstrahlung), bei der radioaktive Partikel eingeatmet werden und füƒr alle Zeit in der Lunge verbleiben und die Zellen fortdauernd sch„ädigen, was schlimmstenfalls Lungenkrebs ausl†öst. Kommen trotzdem thorierte Elektroden zum Einsatz, ist auf strengste Absaugung beim Anschleifen - es sind nur Absaugger„te der Staubklasse H (hö†chste Staubklasse) zugelassen - sowie fƒür eine optimale Schwei…ßrauchabsaugung Sorge zu tragen.
Arbeiten mit thorierten Elektroden ohne diese Sicherheitsma…nahmen ist in hohem Ma߅e gesundheitsschä„dlich und nicht zu verantworten. Bei Prüƒfungen 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 üƒberlegen sind. Es ist zu erwarten, dass in absehbarer Zeit diese thorierten Elektroden nicht mehr angeboten werden düƒrfen.

WC-20
Die cerierte Elektrode WC-20 ist die Universalelektrode füƒr nahezu alle Anwendungen:

• Gleichstrom und Wechselstrom
• unlegierter Stahl
• hochlegierter Stahl
• Aluminiumlegierungen
• Titanlegierungen
• Nickellegierungen
• Kupferlegierungen
• Magnesiumlegierungen
Durch Cerzusatz ä„hnliches Verhalten wie thorierte Elektroden. Hervorragend sind sehr gute Züƒndeigenschaften - auch die Wiederzƒündung 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 ƒüberlegen.

WL-10 / WL-15 / WL-20
Die lanthanierte Elektrode WL-15 ist eine Universalelektrode füƒr nahezu alle WIG Anwendungen:
• Gleichstrom und Wechselstrom
• Alle anderen Einsatzbereiche siehe WC-20
Lanthanierte Elektroden (WL) ƒbertreffen cerierte (WC) im Niederstrombereich - hier ist die WL Reihe die erste Wahl. Besondere Einsatzgebiete liegen auch im Plasma- bzw. Mikroplasmaschwei…en.
Hö†herer Lanthangehalt wirkt sich auf die Züƒndfreudigkeit 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, füƒr 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-... mö†glichst zu vermeiden.

Elektrodendurchmesser und Elektrodenlänge

Die Strombelastbarkeit der Elektrode ist abhä„ngig von ihrem Durchmesser, Stromart und Polung, den Legierungszus„ätzen der Elektrode und dem Anschliffwinkel.
Wird die Elektrodenspitze ƒüberlastet, so bildet sich am Elektrodenende ein ausgeprä„gter Schmelztropfen, der in das Schwei߅bad üƒbergehen 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 Standardl„ängen von 50 - 75 - 150 - 175 mm.

Abstand der Elektrode zum Werkstück

Durch einen unterschiedlichen Abstand der Elektrode zum Werkstüƒck verä„ndert sich die Elektrodenspannung, was ebenfalls zu unterschiedlichen Schwei…ßergebnissen füƒhrt. Es ist darauf zu achten, dass ein gleichm„…äßiger Abstand zum Werkstüƒck eingehalten wird. Als praxisgerecht hat sich erwiesen, dass der verwendete Elektrodendurchmesser auch der Abstand zum Werkstƒck sein sollte, also bei einer 2,4 mm Œ Elektrode 2,4 mm Elektrodenabstand zum Werkstüƒck. Bei der Tabelle der Richtwerte der Schwei…ßströ†me ist der jeweilige Durchmesser der Elektrode als Elektrodenabstand berƒücksichtigt.

Anschliff der Wolframelektroden

Die Form der Elektrodenspitze bestimmt im wesentlichen den Schwei…ßablauf und die Güƒte der Schwei…ßnaht. Vor dem Anschliff ist darauf zu achten, dass das Elektrodenende nicht abgebrochen oder abgekniffen ist. Die Korngrenzenfestigkeit der Elektroden ist nä„mlich geringer als die Festigkeit der einzelnen Kristalle. Deshalb neigen Elektroden dazu, bei mechanischer Beanspruchung entlang der Korngrenzen geschw„ächt zu werden. Die starke Erwä„rmung beim Schwei…ßen füƒhrt dann zur Rissbildung an der Spitze.
Der Anschliff der Wolframelektroden muss ä„u…ßerst sorgfä„ltig geschehen, um auch hier eine Korngrenzensch„digung durch mechanische Krä„fte zu verhindern. Der Anschliff sollte mit einem Elektrodenschleifgerät durchgeführt werden und darf nur mit leichtem Druck erfolgen, da durch einen zu gro…ßen Wä„rmestau ebenfalls eine Kornverspannung und Korngrenzenschä„digung auftreten kann. Ein freihä„ndiges Schleifen muss ganz vermieden werden. Elektroden-Geometrie siehe unten.

Das Schliffbild: Es sollte eine Schleifscheibe mit mö†glichst feiner Kö†rnung verwendet werden. Am besten sind Diamant - Schleifscheiben (je nach Belastung mit Kunststoff- oder Metallbindung).
Korundschleifscheiben zeigen aufgrund der Hä„rte von Wolfram schlechtere Schleifergebnisse. Die Standzeit der Elektrode erhö†ht sich, je feiner der Schliff ist.

Wolfram Elektroden Anschleifger„t EAG-3 mit Diamantschleifscheibe und Winkeleinstellung füƒr Wolfram Elektroden von 1,0 - 4,0 mm Durchmesser.

Die Schleifrichtung: Wichtig ist, dass in Längsrichtung geschliffen wird!
Bei einem Querschliff füƒhren die Riefen zu einem instabilen Lichtbogen und zum Ausbrechen von Wolframteilchen, die dann in das Schmelzbad gelangen kö†nnen. 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 mö†glich in der
Elektroden-Lä„ngsachse 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
Werkstƒück zur Elektroden-Lä„ngsachse
erfolgt, durch die mangelnde Zentrik die Schwei߅energie aber nicht an die gewüƒnschte
Stelle gebracht wird.

Der Anschliffwinkel: Im Zusammenwirken mit dem Durchmesser der Wolframelektrode hat der Anschliffwinkel den entscheidenden Einfluss auf die Schwei…ßnahtqualitä„t.
Im nachfolgenden Bild wird schematisch verdeutlicht, wie sich ein Schmelzbad bei gleicher Stromstä„rke, aber unterschiedlichem Anschliffwinkel, ausprä„gt.
Der Lichtbogen stellt ein Spiegelbild des Anschliffwinkels dar.

Bei einer spitzen Elektrode wird die Energie
auf eine kleine Oberflä„che gebracht mit
einem tiefen Einbrand.
Bei einer stumpfen Elektrode wird die
Energie bei gleichem Schwei…strom auf
eine gro…ße Oberflä„che gebracht mit einem
verh„ältnism„…äßigem flachem Schmelzbad.

Richtwerte Strombelastung (A) und Schweißbarkeit

Als Richtwert füƒr die Wahl des Elektrodendurchmessers und des Anschliffwinkels wird die cerierte Wolframelektrode füƒr das WIG Schwei…ßen genannt, aus diesem Mittelwert kann die Wahl anderer Elektroden abgeleitet werden.
Die Lä„nge der Elektrodenspitze sollte etwa das 1 - 1,5 - fache des Elektrodendurchmessers betragen ( 2,4 mm Elektrode - Lä„nge 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 Œ 2,4 mm ~ 0,25 mm). Dies füƒhrt 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 Planfl„äche güƒnstig 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 erhö†ht.
Fƒür die Schwei…nahtqualit„ät ist zu beachten, dass die Wurzellage des Schmelzbades bei dem WIG Schwei…en pro mm Wandst„ärke etwa 1 mm schmaler als die Decklage werden sollte. Nur so ist gew„ährleistet, dass nicht zu viel Energie eingebracht wird, was zur Gefüƒgeverä„nderung des Schwei…gutes füƒhrt. Dies bedeutet bei einem Grundmaterial von 2 mm Wandst„ärke 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 üƒberbrüƒckt.

Als praxisgerecht hat sich bei einer 2,4 mm Œ 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 sorgfä„ltig 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 Züƒndeigenschaften schlecht sind. Schon dann sind die vorherigen Schwei…ergebnisse zweifelhaft und die schlechten Züƒndeigenschaften kö†nnen zu Signalstö†rungen der Maschinen oder zu Wolfram-Einschlƒüssen in der Schwei…naht füƒhren.

Anschlifflänge der Elektrode
als Funktion von Elektrodendurchmesser und Anschliffwinkel

Alle Angaben sind lediglich als Empfehlungen bzw. Richtwerte zu verstehen!