Wolfram-Inertgas-Schweißen
Das Wolfram-Schutzgasschweißen (WIG) ist ein Lichtbogenschweißverfahren, bei dem eine nicht abschmelzende Wolframelektrode zur Herstellung der Schweißnaht verwendet wird. Der Schweißbereich und die Elektrode werden durch ein inertes Schutzgas (Argon oder Helium) vor Oxidation oder anderen atmosphärischen Verunreinigungen geschützt. Normalerweise wird ein Schweißzusatz verwendet, obwohl einige Schweißnähte, so genannte autogene Schweißnähte oder Schmelzschweißnähte, dies nicht erfordern. Wenn Helium verwendet wird, spricht man vom Heliogravurschweißen. Eine Konstantstrom-Schweißstromversorgung erzeugt elektrische Energie, die über den Lichtbogen durch eine Säule aus hoch ionisierten Gas- und Metalldämpfen, das so genannte Plasma, geleitet wird. Das WIG-Schweißen wird meist zum Schweißen dünner Abschnitte aus Edelstahl und Nichteisenmetallen wie Aluminium, Magnesium und Kupferlegierungen verwendet. Das Verfahren bietet dem Bediener eine größere Kontrolle über die Schweißnaht als konkurrierende Verfahren wie das Schutzgasschweißen und das Metall-Schutzgasschweißen und ermöglicht so stärkere und hochwertigere Schweißnähte. Allerdings ist das WIG-Verfahren vergleichsweise komplexer und schwieriger zu beherrschen und außerdem deutlich langsamer als die meisten anderen Schweißtechniken. Ein verwandtes Verfahren, das Plasmaschweißen, verwendet einen etwas anderen Schweißbrenner, um einen gezielteren Lichtbogen zu erzeugen, und ist daher häufig automatisiert. ⓘ
Beim WIG-Schweißen kann sowohl mit als auch ohne Zusatzwerkstoff gearbeitet werden. Zum manuellen Schweißen werden wie beim Gasschmelzschweißen meist stabförmige Zusätze verwendet. Verwechselungen mit den Gasschweißstäben müssen allerdings unbedingt vermieden werden, da die chemischen Zusammensetzungen voneinander abweichen. ⓘ
Entwicklung
Nach der Entdeckung des kurzen gepulsten Lichtbogens im Jahr 1801 durch Humphry Davy und des kontinuierlichen Lichtbogens im Jahr 1802 durch Wassili Petrow entwickelte sich das Lichtbogenschweißen langsam. C. L. Coffin kam 1890 auf die Idee, in einer Schutzgasatmosphäre zu schweißen, aber selbst zu Beginn des 20. Jahrhunderts blieb das Schweißen von Nichteisenmetallen wie Aluminium und Magnesium schwierig, da diese Metalle schnell mit der Luft reagieren, was zu porösen, krätzegefüllten Schweißnähten führt. Verfahren mit flussmittelumhüllten Elektroden schützten den Schweißbereich nicht zufriedenstellend vor Verunreinigungen. Um das Problem zu lösen, wurden Anfang der 1930er Jahre in Flaschen abgefüllte Schutzgase verwendet. Einige Jahre später kam in der Luftfahrtindustrie ein Gleichstrom-Schutzgas-Schweißverfahren zum Schweißen von Magnesium auf. ⓘ
Russell Meredith von Northrop Aircraft perfektionierte das Verfahren im Jahr 1941. Meredith nannte das Verfahren Heliarc, weil es mit einem Wolfram-Elektroden-Lichtbogen und Helium als Schutzgas arbeitete, es wird jedoch häufig auch als Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) bezeichnet. Die offizielle Bezeichnung der American Welding Society lautet Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW). Linde Air Products entwickelte eine breite Palette von luft- und wassergekühlten Brennern, Gaslinsen zur Verbesserung der Abschirmung und anderes Zubehör, das die Anwendung des Verfahrens vereinfachte. Anfänglich überhitzte die Elektrode schnell, und trotz der hohen Schmelztemperatur von Wolfram wurden Wolframpartikel in die Schweißnaht übertragen. Um dieses Problem zu lösen, wurde die Polarität der Elektrode von positiv auf negativ geändert, was jedoch dazu führte, dass sie für das Schweißen vieler Nichteisenwerkstoffe ungeeignet war. Die Entwicklung von Wechselstromgeräten ermöglichte es schließlich, den Lichtbogen zu stabilisieren und qualitativ hochwertige Aluminium- und Magnesiumschweißnähte herzustellen. ⓘ
In den folgenden Jahrzehnten wurden die Entwicklungen fortgesetzt. Linde entwickelte wassergekühlte Brenner, die eine Überhitzung beim Schweißen mit hohen Strömen verhindern sollten. In den 1950er Jahren, als das Verfahren immer beliebter wurde, wendeten sich einige Anwender Kohlendioxid als Alternative zu den teureren Schweißatmosphären aus Argon und Helium zu, das sich jedoch für das Schweißen von Aluminium und Magnesium als inakzeptabel erwies, da es die Schweißnahtqualität beeinträchtigte, weshalb es heute beim WIG-Schweißen nur noch selten verwendet wird. Die Verwendung von Schutzgasen, die eine Sauerstoffverbindung enthalten, wie z. B. Kohlendioxid, verunreinigt die Wolframelektrode schnell und macht sie für das WIG-Verfahren ungeeignet. 1953 wurde ein neues, auf dem WIG-Verfahren basierendes Verfahren, das Plasmaschweißen, entwickelt. Es bietet eine bessere Kontrolle und verbessert die Schweißqualität durch den Einsatz einer Düse zur Fokussierung des Lichtbogens, ist aber weitgehend auf automatisierte Systeme beschränkt, während das WIG-Verfahren nach wie vor hauptsächlich manuell und mit der Hand ausgeführt wird. Auch das WIG-Verfahren hat sich weiterentwickelt, und heute gibt es eine Reihe von Varianten. Zu den beliebtesten gehören das Impulsstromverfahren, das manuelle programmierte Verfahren, das Hitzdrahtverfahren, das Tupfverfahren und das Verfahren mit erhöhter Eindringtiefe (GTAW). ⓘ
Betrieb
Das manuelle Wolfram-Lichtbogenschweißen ist ein relativ schwieriges Schweißverfahren, da es vom Schweißer eine gewisse Koordination erfordert. Ähnlich wie beim Brennerschweißen sind beim WIG-Schweißen normalerweise zwei Hände erforderlich, da der Schweißer bei den meisten Anwendungen mit einer Hand einen Zusatzwerkstoff in den Schweißbereich einbringen und mit der anderen Hand den Schweißbrenner bedienen muss. Wichtig ist auch die Einhaltung einer kurzen Lichtbogenlänge, wobei ein Kontakt zwischen der Elektrode und dem Werkstück vermieden werden muss. ⓘ
Um den Lichtbogen zu zünden, sorgt ein Hochfrequenzgenerator (ähnlich einer Teslaspule) für einen elektrischen Funken. Dieser Funke leitet den Schweißstrom durch das Schutzgas und ermöglicht die Zündung des Lichtbogens, während die Elektrode und das Werkstück in der Regel etwa 1,5 bis 3 mm voneinander entfernt sind. ⓘ
Sobald der Lichtbogen gezündet ist, bewegt der Schweißer den Brenner in einem kleinen Kreis, um ein Schweißbad zu erzeugen, dessen Größe von der Größe der Elektrode und der Stromstärke abhängt. Während der Bediener einen konstanten Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück aufrechterhält, bewegt er den Brenner leicht zurück und kippt ihn um etwa 10-15 Grad aus der Senkrechten nach hinten. Der Schweißzusatz wird je nach Bedarf manuell in das vordere Ende des Schweißbads eingebracht. ⓘ
Schweißer entwickeln oft eine Technik, bei der sie den Brenner schnell abwechselnd vorwärts bewegen (um das Schweißbad vorzuschieben) und Schweißzusatz hinzufügen. Der Schweißzusatz wird bei jedem Vorschub der Elektrode aus dem Schweißbad herausgezogen, bleibt aber immer im Schutzgas, um eine Oxidation seiner Oberfläche und eine Verunreinigung der Schweißnaht zu verhindern. Schweißzusatzwerkstoffe aus Metallen mit niedriger Schmelztemperatur, wie z. B. Aluminium, erfordern, dass der Bediener einen gewissen Abstand zum Lichtbogen einhält, während er sich innerhalb des Schutzgases aufhält. Wird er zu nahe an den Lichtbogen gehalten, kann der Schweißzusatz schmelzen, bevor er mit dem Schweißbad in Berührung kommt. Wenn sich die Schweißung der Vollendung nähert, wird der Lichtbogenstrom oft allmählich reduziert, damit der Schweißkrater erstarren kann und sich am Ende der Schweißung keine Kraterrisse bilden. ⓘ
Sicherheit
Die Schweißer tragen Schutzkleidung, darunter leichte und dünne Lederhandschuhe und langärmelige Schutzhemden mit hohem Kragen, um eine Exposition gegenüber starkem UV-Licht zu vermeiden. Da es beim WIG-Schweißen keinen Rauch gibt, wird das Licht des Lichtbogens nicht wie beim Stangenschweißen oder Schutzgasschweißen durch Rauch und Partikel verdeckt und ist daher sehr viel heller, so dass die Bediener starkem UV-Licht ausgesetzt sind. Der Lichtbogen hat einen anderen Wellenlängenbereich und eine andere Stärke des UV-Lichts als das Sonnenlicht, aber der Schweißer befindet sich sehr nahe an der Lichtquelle und die Lichtintensität ist sehr stark. Zu den möglichen Schäden durch Lichtbogenlicht gehören versehentliche Blitze im Auge oder im Lichtbogenauge sowie Hautschäden, die einem starken Sonnenbrand ähneln. Die Schweißer tragen undurchsichtige Helme mit dunklen Augengläsern und einer vollständigen Abdeckung von Kopf und Nacken, um diese UV-Exposition zu vermeiden. Moderne Helme sind häufig mit einer flüssigkristallartigen Gesichtsplatte ausgestattet, die sich selbst verdunkelt, wenn sie dem hellen Licht des gezündeten Lichtbogens ausgesetzt ist. Transparente Schweißvorhänge aus einer stark gefärbten Polyvinylchlorid-Kunststofffolie werden häufig verwendet, um Arbeiter in der Nähe und Umstehende vor dem UV-Licht des Lichtbogens zu schützen. ⓘ
Schweißer sind außerdem häufig gefährlichen Gasen und Feinstaub ausgesetzt. Das Verfahren erzeugt zwar keinen Rauch, aber die Helligkeit des Lichtbogens beim WIG-Schweißen kann die Umgebungsluft zersetzen und Ozon und Stickstoffoxide bilden. Das Ozon und die Stickoxide reagieren mit dem Lungengewebe und der Feuchtigkeit und erzeugen Salpetersäure und Ozonverbrennungen. Die Ozon- und Stickoxidwerte sind moderat, aber die Dauer der Exposition, die wiederholte Exposition sowie die Qualität und Quantität der Rauchabsaugung und der Luftwechsel im Raum müssen überwacht werden. Schweißer, die nicht sicher arbeiten, können sich ein Lungenemphysem und ein Lungenödem zuziehen, was zu einem frühen Tod führen kann. Ebenso können sich durch die Hitze des Lichtbogens giftige Dämpfe aus Reinigungs- und Entfettungsmitteln bilden. Reinigungsarbeiten mit diesen Mitteln sollten nicht in der Nähe der Schweißstelle durchgeführt werden, und zum Schutz des Schweißers ist eine angemessene Belüftung erforderlich. ⓘ
Anwendungen
Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist zwar einer der Hauptanwender des Wolfram-Lichtbogenschweißens, aber das Verfahren wird auch in vielen anderen Bereichen eingesetzt. Viele Industriezweige nutzen das WIG zum Schweißen dünner Werkstücke, insbesondere von Nichteisenmetallen. Es wird in großem Umfang bei der Herstellung von Raumfahrzeugen eingesetzt und wird auch häufig zum Schweißen von dünnwandigen Rohren mit kleinem Durchmesser, wie sie in der Fahrradindustrie verwendet werden, verwendet. Darüber hinaus wird das WIG-Verfahren häufig für Wurzelschweißungen oder Schweißungen im ersten Durchgang bei Rohrleitungen verschiedener Größen verwendet. Bei Wartungs- und Reparaturarbeiten wird das Verfahren häufig für die Reparatur von Werkzeugen und Matrizen verwendet, insbesondere für Bauteile aus Aluminium und Magnesium. Da das Schweißgut nicht wie bei den meisten Lichtbogenschweißverfahren direkt über den Lichtbogen übertragen wird, steht dem Schweißtechniker eine große Auswahl an Schweißzusatzwerkstoffen zur Verfügung. Tatsächlich erlaubt kein anderes Schweißverfahren das Schweißen von so vielen Legierungen in so vielen Produktkonfigurationen. Schweißzusatzwerkstoffe wie elementares Aluminium und Chrom können durch den Lichtbogen aufgrund von Verflüchtigung verloren gehen. Dieser Verlust tritt beim GTAW-Verfahren nicht auf. Da die entstehenden Schweißnähte die gleiche chemische Integrität wie das ursprüngliche Grundmetall aufweisen oder mit den Grundmetallen besser übereinstimmen, sind WIG-Schweißnähte über lange Zeiträume hinweg äußerst korrosions- und rissbeständig, was WIG zum bevorzugten Schweißverfahren für kritische Vorgänge wie die Versiegelung von Behältern mit abgebrannten Kernbrennstoffen vor dem Vergraben macht. ⓘ
Qualität
Da das Wolfram-Lichtbogenschweißen im Vergleich zu anderen Schweißverfahren eine bessere Kontrolle über den Schweißbereich ermöglicht, lassen sich mit diesem Verfahren qualitativ hochwertige Schweißnähte herstellen, wenn es von qualifiziertem Personal ausgeführt wird. Maximale Schweißnahtqualität wird durch Sauberkeit gewährleistet - alle verwendeten Geräte und Materialien müssen frei von Öl, Feuchtigkeit, Schmutz und anderen Verunreinigungen sein, da diese zu Poren in der Schweißnaht und folglich zu einer Abnahme der Schweißnahtfestigkeit und -qualität führen. Zum Entfernen von Öl und Fett können Alkohol oder ähnliche handelsübliche Lösungsmittel verwendet werden, während eine Drahtbürste aus rostfreiem Stahl oder ein chemisches Verfahren Oxide von den Oberflächen von Metallen wie Aluminium entfernen kann. Rost auf Stählen lässt sich entfernen, indem man die Oberfläche zunächst sandstrahlt und dann mit einer Drahtbürste den eingebetteten Rost entfernt. Diese Schritte sind besonders wichtig, wenn Gleichstrom mit negativer Polarität verwendet wird, da eine solche Stromversorgung im Gegensatz zu Gleichstrom mit positiver Polarität oder Wechselstrom keine Reinigung während des Schweißvorgangs ermöglicht. Um ein sauberes Schweißbad während des Schweißens zu erhalten, sollte der Schutzgasstrom ausreichend und gleichmäßig sein, damit das Gas die Schweißnaht bedeckt und Verunreinigungen in der Atmosphäre blockiert. Beim WIG-Schweißen in windigen oder zugigen Umgebungen erhöht sich die Menge des zum Schutz der Schweißnaht erforderlichen Schutzgases, was die Kosten erhöht und das Verfahren im Freien unattraktiv macht. ⓘ
Auch die Höhe der Wärmezufuhr wirkt sich auf die Schweißqualität aus. Eine geringe Wärmezufuhr, die durch einen niedrigen Schweißstrom oder eine hohe Schweißgeschwindigkeit verursacht wird, kann den Einbrand begrenzen und dazu führen, dass sich die Schweißraupe von der zu schweißenden Oberfläche abhebt. Ist die Wärmezufuhr jedoch zu hoch, wird die Schweißraupe breiter und die Wahrscheinlichkeit eines übermäßigen Einbrandes und von Spritzern (kleine, unerwünschte Tropfen geschmolzenen Metalls) steigt. Wenn der Schweißbrenner zu weit vom Werkstück entfernt ist, wird das Schutzgas unwirksam, was zu Porosität in der Schweißnaht führt. Das Ergebnis ist eine Schweißnaht mit Nadellöchern, die schwächer ist als eine typische Schweißnaht. ⓘ
Wenn die verwendete Stromstärke die Leistungsfähigkeit der Elektrode übersteigt, kann es zu Wolframeinschlüssen in der Schweißnaht kommen. Dies kann durch Röntgenaufnahmen festgestellt und durch einen Wechsel der Elektrodenart oder eine Vergrößerung des Elektrodendurchmessers verhindert werden. Darüber hinaus kann die Elektrode verschmutzt oder verunreinigt werden, wenn sie nicht gut durch das Schutzgas geschützt ist oder der Bediener sie versehentlich mit dem geschmolzenen Metall in Berührung kommen lässt. Dies führt häufig dazu, dass der Lichtbogen instabil wird und die Elektrode mit einem Diamantschleifmittel geschliffen werden muss, um die Verunreinigung zu entfernen. ⓘ
Ausrüstung
Die für das Wolfram-Lichtbogenschweißen erforderliche Ausrüstung umfasst einen Schweißbrenner mit einer nicht abschmelzenden Wolframelektrode, eine Konstantstrom-Schweißstromversorgung und eine Schutzgasquelle. ⓘ
Schweißbrenner
WIG-Schweißbrenner sind entweder für den automatischen oder manuellen Betrieb ausgelegt und mit Luft- oder Wasserkühlsystemen ausgestattet. Automatik- und Handbrenner sind ähnlich aufgebaut, wobei der Handbrenner einen Handgriff hat, während der Automatikbrenner in der Regel mit einer Halterung ausgestattet ist. Der Winkel zwischen der Mittellinie des Handgriffs und der Mittellinie der Wolframelektrode, der so genannte Kopfwinkel, kann bei einigen Handbrennern je nach Vorliebe des Bedieners verändert werden. Luftkühlsysteme werden am häufigsten für das Schweißen mit niedrigen Strömen (bis zu etwa 200 A) verwendet, während für das Schweißen mit hohen Strömen (bis zu etwa 600 A) eine Wasserkühlung erforderlich ist. Die Brenner werden mit Kabeln an die Stromversorgung und mit Schläuchen an die Schutzgasquelle und gegebenenfalls an die Wasserversorgung angeschlossen. ⓘ
Die inneren Metallteile eines Brenners bestehen aus harten Kupfer- oder Messinglegierungen, damit sie Strom und Wärme gut übertragen können. Die Wolframelektrode muss mit einer entsprechend dimensionierten Spannzange fest in der Mitte des Brenners gehalten werden, und Öffnungen um die Elektrode herum sorgen für einen konstanten Schutzgasstrom. Die Größe der Spannzangen richtet sich nach dem Durchmesser der Wolframelektrode, die sie halten. Das Gehäuse des Schweißbrenners besteht aus hitzebeständigem, isolierendem Kunststoff, der die Metallteile abdeckt und den Schweißer vor Hitze und Elektrizität schützt. ⓘ
Die Größe der Schweißbrennerdüse richtet sich nach der Größe der gewünschten Schutzgasfläche. Die Größe der Gasdüse richtet sich nach dem Durchmesser der Elektrode, der Verbindungskonfiguration und der Zugänglichkeit der Verbindung für den Schweißer. Der Innendurchmesser der Düse beträgt vorzugsweise mindestens das Dreifache des Durchmessers der Elektrode, aber es gibt keine festen Regeln. Der Schweißer beurteilt die Wirksamkeit der Abschirmung und vergrößert die Düse je nach Bedarf, um den durch das äußere Gasschild geschützten Bereich zu vergrößern. Die Düse muss hitzebeständig sein und besteht daher in der Regel aus Aluminiumoxid oder einem keramischen Material, aber auch geschmolzener Quarz, ein hochreines Glas, bietet eine bessere Sichtbarkeit. Für spezielle Anwendungen können Vorrichtungen in die Düse eingesetzt werden, z. B. Gaslinsen oder Ventile zur besseren Steuerung des Schutzgasflusses, um Turbulenzen und das Eindringen verunreinigter Atmosphäre in den geschützten Bereich zu verringern. Handschalter zur Steuerung des Schweißstroms können in die manuellen WIG-Brenner eingebaut werden. ⓘ
Stromzufuhr
Beim Wolfram-Lichtbogenschweißen wird eine Konstantstromquelle verwendet, d. h. der Strom (und damit der Wärmestrom) bleibt relativ konstant, auch wenn sich der Lichtbogenabstand und die Spannung ändern. Dies ist wichtig, da die meisten Anwendungen des WIG-Schweißens manuell oder halbautomatisch sind und ein Bediener den Brenner halten muss. Wird stattdessen eine Stromquelle mit konstanter Spannung verwendet, ist es schwierig, einen angemessenen Lichtbogenabstand aufrechtzuerhalten, da dies zu dramatischen Wärmeschwankungen führen und das Schweißen erschweren kann. ⓘ
Die bevorzugte Polarität des WIG-Systems hängt weitgehend von der Art des zu schweißenden Metalls ab. Gleichstrom mit einer negativ geladenen Elektrode (DCEN) wird häufig beim Schweißen von Stählen, Nickel, Titan und anderen Metallen verwendet. Sie kann auch beim automatischen WIG-Schweißen von Aluminium oder Magnesium eingesetzt werden, wenn Helium als Schutzgas verwendet wird. Die negativ geladene Elektrode erzeugt Wärme, indem sie Elektronen aussendet, die sich durch den Lichtbogen bewegen, eine thermische Ionisierung des Schutzgases verursachen und die Temperatur des Grundmaterials erhöhen. Das ionisierte Schutzgas strömt zur Elektrode und nicht zum Grundwerkstoff, wodurch sich Oxide auf der Oberfläche der Schweißnaht bilden können. Gleichstrom mit einer positiv geladenen Elektrode (DCEP) ist weniger gebräuchlich und wird hauptsächlich für flache Schweißnähte verwendet, da im Grundwerkstoff weniger Wärme erzeugt wird. Anstatt von der Elektrode zum Grundwerkstoff zu fließen, wie bei DCEN, fließen die Elektronen in die andere Richtung, wodurch die Elektrode sehr hohe Temperaturen erreicht. Damit die Elektrode ihre Form beibehält und nicht erweicht, wird häufig eine größere Elektrode verwendet. Während die Elektronen zur Elektrode fließen, strömt ionisiertes Schutzgas zum Grundwerkstoff zurück und reinigt die Schweißnaht, indem es Oxide und andere Verunreinigungen entfernt und so deren Qualität und Aussehen verbessert. ⓘ
Beim Wechselstrom, der häufig beim manuellen oder halbautomatischen Schweißen von Aluminium und Magnesium verwendet wird, werden die beiden Gleichströme kombiniert, indem die Elektrode und der Grundwerkstoff abwechselnd positiv und negativ geladen werden. Dadurch wechselt der Elektronenstrom ständig die Richtung und verhindert eine Überhitzung der Wolframelektrode, während die Wärme im Grundwerkstoff erhalten bleibt. Während des positiv geladenen Teils des Zyklus werden weiterhin Oberflächenoxide entfernt, und während des negativ geladenen Teils des Zyklus wird das Grundmaterial stärker erhitzt. Einige Stromversorgungen ermöglichen es den Anwendern, eine unausgewogene Wechselstromwelle zu verwenden, indem sie den genauen Prozentsatz der Zeit, die der Strom in jedem Polaritätszustand verbringt, ändern, wodurch sie mehr Kontrolle über die von der Stromquelle gelieferte Wärmemenge und Reinigungswirkung erhalten. Darüber hinaus müssen sich die Bediener vor der Gleichrichtung hüten, bei der der Lichtbogen beim Übergang von der geraden Polarität (negative Elektrode) zur umgekehrten Polarität (positive Elektrode) nicht wieder zündet. Um dieses Problem zu beheben, kann eine Rechteckstromquelle verwendet werden, ebenso wie eine Hochfrequenzquelle, um die Stabilität des Lichtbogens zu fördern. ⓘ
Elektrode
| ISO Klasse |
ISO Farbe |
AWS Klasse |
AWS Farbe |
Legierung ⓘ |
|---|---|---|---|---|
| WP | Grün | EWP | Grün | Keine |
| WC20 | Grau | EWCe-2 | Orange | ~2% CeO2 |
| WL10 | Schwarz | EWLa-1 | Schwarz | ~1% La2O3 |
| WL15 | Gold | EWLa-1.5 | Gold | ~1,5% La2O3 |
| WL20 | Himmelblau | EWLa-2 | Blau | ~2% La2O3 |
| WT10 | Gelb | EWTh-1 | Gelb | ~1% ThO2 |
| WT20 | Rot | EWTh-2 | Rot | ~2% ThO2 |
| WT30 | Violett | ~3% ThO2 | ||
| WT40 | Orange | ~4% ThO2 | ||
| WY20 | Blau | ~2% Y2O3 | ||
| WZ3 | Braun | EWZr-1 | Braun | ~0,3% ZrO2 |
| WZ8 | Weiß | ~0,8% ZrO2 |
Die beim WIG-Schweißen verwendete Elektrode besteht aus Wolfram oder einer Wolframlegierung, da Wolfram mit 3.422 °C (6.192 °F) die höchste Schmelztemperatur unter den reinen Metallen aufweist. Daher wird die Elektrode beim Schweißen nicht verbraucht, obwohl ein gewisser Abbrand auftreten kann. Elektroden können entweder eine saubere oder eine geschliffene Oberfläche haben - saubere Elektroden wurden chemisch gereinigt, während geschliffene Elektroden auf eine einheitliche Größe geschliffen wurden und eine polierte Oberfläche haben, wodurch sie optimal für die Wärmeleitung sind. Der Durchmesser der Elektrode kann zwischen 0,5 und 6,4 Millimetern variieren, und ihre Länge kann zwischen 75 und 610 Millimetern liegen. ⓘ
Eine Reihe von Wolframlegierungen wurden von der Internationalen Organisation für Normung (ISO 6848) und der American Welding Society (AWS A5.12) für die Verwendung in WIG-Elektroden genormt und sind in der nebenstehenden Tabelle zusammengefasst.
- Reine Wolframelektroden (klassifiziert als WP oder EWP) sind Allzweck- und kostengünstige Elektroden. Sie haben eine geringe Wärmebeständigkeit und Elektronenemission. Sie werden nur begrenzt zum Wechselstromschweißen von z. B. Magnesium und Aluminium verwendet.
- Thoriumoxid- (oder Thorium-) Legierungselektroden bieten eine hervorragende Lichtbogenleistung und Startfähigkeit, was sie zu beliebten Allzweckelektroden macht. Thorium ist jedoch in gewissem Maße radioaktiv, so dass das Einatmen von Dämpfen und Staub ein Gesundheitsrisiko und die Entsorgung ein Umweltrisiko darstellt.
- Ceroxid (oder Ceroxid) als Legierungselement verbessert die Lichtbogenstabilität und die Startfähigkeit und verringert den Abbrand. Der Zusatz von Cerium ist nicht so wirksam wie Thorium, funktioniert aber gut, und Cerium ist nicht radioaktiv.
- Eine Legierung aus Lanthanoxid (oder Lanthan) hat eine ähnliche Wirkung wie Cer, ist aber ebenfalls nicht radioaktiv.
- Elektroden, die Zirkoniumoxid (oder Zirkoniumdioxid) enthalten, erhöhen die Stromkapazität und verbessern gleichzeitig die Lichtbogenstabilität und den Start, während sie gleichzeitig die Lebensdauer der Elektrode verlängern. ⓘ
Schweißzusatzwerkstoffe werden bei fast allen Anwendungen des WIG-Schweißens eingesetzt, mit Ausnahme des Schweißens von dünnen Werkstoffen. Schweißzusatzwerkstoffe sind mit unterschiedlichen Durchmessern erhältlich und bestehen aus einer Vielzahl von Materialien. In den meisten Fällen wird der Zusatzwerkstoff in Form eines Stabs manuell in das Schweißbad eingebracht, aber einige Anwendungen erfordern einen automatisch zugeführten Zusatzwerkstoff, der oft auf Spulen oder Coils gelagert wird. ⓘ
Schutzgas
Wie bei anderen Schweißverfahren, z. B. dem Metall-Lichtbogenschweißen, sind auch beim WIG-Schweißen Schutzgase erforderlich, um den Schweißbereich vor atmosphärischen Gasen wie Stickstoff und Sauerstoff zu schützen, die bei Kontakt mit der Elektrode, dem Lichtbogen oder dem Schweißgut zu Schmelzfehlern, Porosität und Versprödung des Schweißguts führen können. Das Gas überträgt auch die Wärme von der Wolframelektrode auf das Metall und hilft beim Zünden und Aufrechterhalten eines stabilen Lichtbogens. ⓘ
Die Wahl des Schutzgases hängt von mehreren Faktoren ab, darunter die Art des zu schweißenden Materials, die Art der Verbindung und das gewünschte Aussehen der Schweißnaht. Argon ist das am häufigsten verwendete Schutzgas für das WIG-Schweißen, da es dazu beiträgt, Defekte aufgrund einer variierenden Lichtbogenlänge zu vermeiden. Bei Verwendung von Wechselstrom führt Argon zu einer hohen Schweißqualität und einem guten Aussehen. Ein weiteres gebräuchliches Schutzgas, Helium, wird am häufigsten verwendet, um den Einbrand in eine Schweißnaht zu erhöhen, die Schweißgeschwindigkeit zu steigern und Metalle mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer und Aluminium zu schweißen. Ein erheblicher Nachteil ist die Schwierigkeit, mit Heliumgas einen Lichtbogen zu zünden, und die geringere Schweißqualität, die mit einer variierenden Lichtbogenlänge einhergeht. ⓘ
Argon-Helium-Gemische werden ebenfalls häufig beim WIG-Schweißen verwendet, da sie eine bessere Kontrolle der Wärmezufuhr ermöglichen und gleichzeitig die Vorteile der Verwendung von Argon beibehalten. Normalerweise bestehen die Gemische hauptsächlich aus Helium (oft zu 75 % oder mehr) und einem Rest Argon. Diese Gemische erhöhen die Geschwindigkeit und die Qualität des Wechselstromschweißens von Aluminium und erleichtern auch das Zünden des Lichtbogens. Ein anderes Schutzgasgemisch, Argon-Wasserstoff, wird beim maschinellen Schweißen von leichtem Edelstahl verwendet, aber da Wasserstoff zu Porosität führen kann, ist seine Verwendung begrenzt. In ähnlicher Weise kann Stickstoff manchmal dem Argon zugesetzt werden, um den Austenit in austenitischen nichtrostenden Stählen zu stabilisieren und das Eindringen beim Schweißen von Kupfer zu erhöhen. Aufgrund von Porositätsproblemen in ferritischen Stählen und begrenzten Vorteilen ist Stickstoff jedoch kein beliebtes Schutzgasadditiv. ⓘ
Das Schutzgas wird aus der Flasche über den Schlauch in das Steuergerät und anschließend zum Schweißbrenner auf das Schmelzbad geführt. Da der Fülldruck bis zu 300 bar betragen kann, muss der Druck durch einen Druckminderer auf den richtigen Arbeitsdruck reduziert werden. Als Faustregel gilt: Gasdüseninnendurchmesser = 1,5 × Schmelzbadbreite. Die Schutzgasdurchflussmenge ist unter anderem von Nahtform, Werkstoff, Schweißposition, Schutzgas und Düsendurchmesser abhängig; Informationen dazu lassen sich den Datenblättern der Hersteller entnehmen. Das Heften von Stumpfnähten kann problematisch sein, wenn ein Spalt vorhanden ist und so wurzelseitig Sauerstoff Zutritt hat. ⓘ
Werkstoffe
Das Wolfram-Lichtbogenschweißen wird am häufigsten zum Schweißen von rostfreiem Stahl und Nichteisenwerkstoffen wie Aluminium und Magnesium eingesetzt, kann aber für fast alle Metalle verwendet werden, mit einer bemerkenswerten Ausnahme: Zink und seine Legierungen. Die Anwendungsmöglichkeiten bei Kohlenstoffstählen sind nicht aufgrund von Verfahrensbeschränkungen begrenzt, sondern weil es wirtschaftlichere Stahlschweißverfahren gibt, wie z. B. das Metall-Gasschweißen und das Metall-Schutzgasschweißen. Darüber hinaus kann das WIG-Schweißen je nach den Fähigkeiten des Schweißers und den zu schweißenden Werkstoffen in einer Vielzahl von Positionen ausgeführt werden, die nicht flach sind. ⓘ
Aluminium und Magnesium
Aluminium und Magnesium werden am häufigsten mit Wechselstrom geschweißt, aber auch die Verwendung von Gleichstrom ist möglich, je nach den gewünschten Eigenschaften. Vor dem Schweißen sollte der Arbeitsbereich gereinigt werden und kann auf 175 bis 200 °C (347 bis 392 °F) bei Aluminium oder auf maximal 150 °C (302 °F) bei dicken Magnesiumwerkstücken vorgewärmt werden, um den Einbrand zu verbessern und die Verfahrgeschwindigkeit zu erhöhen. Wechselstrom kann einen Selbstreinigungseffekt bewirken, indem er die dünne, feuerfeste Aluminiumoxidschicht (Saphir) entfernt, die sich innerhalb weniger Minuten an der Luft auf Aluminiummetall bildet. Diese Oxidschicht muss entfernt werden, damit das Schweißen möglich ist. Bei Verwendung von Wechselstrom sind reine Wolframelektroden oder zirkonisierte Wolframelektroden den thorierten Elektroden vorzuziehen, da letztere eher dazu neigen, Elektrodenpartikel über den Lichtbogen in die Schweißnaht zu spucken". Stumpfe Elektrodenspitzen werden bevorzugt, und bei dünnen Werkstücken sollte reines Argon-Schutzgas verwendet werden. Die Zugabe von Helium ermöglicht eine größere Eindringtiefe bei dickeren Werkstücken, kann aber den Start des Lichtbogens erschweren. ⓘ
Gleichstrom beider Polaritäten, positiv oder negativ, kann auch zum Schweißen von Aluminium und Magnesium verwendet werden. Gleichstrom mit einer negativ geladenen Elektrode (DCEN) ermöglicht eine hohe Eindringtiefe. Argon wird üblicherweise als Schutzgas für das DCEN-Schweißen von Aluminium verwendet. Schutzgase mit hohem Heliumgehalt werden häufig für einen höheren Einbrand bei dickeren Materialien verwendet. Thorierte Elektroden sind für das DCEN-Schweißen von Aluminium geeignet. Gleichstrom mit einer positiv geladenen Elektrode (DCEP) wird vor allem für flache Schweißnähte verwendet, insbesondere für solche mit einer Verbindungsdicke von weniger als 1,6 mm (0,063 in). In der Regel wird eine thorierte Wolframelektrode zusammen mit reinem Argon-Schutzgas verwendet. ⓘ
Stähle
Beim WIG-Schweißen von Kohlenstoff- und Edelstählen ist die Auswahl des Schweißzusatzwerkstoffs wichtig, um übermäßige Porosität zu vermeiden. Oxide auf dem Zusatzwerkstoff und den Werkstücken müssen vor dem Schweißen entfernt werden, um Verunreinigungen zu vermeiden, und unmittelbar vor dem Schweißen sollte die Oberfläche mit Alkohol oder Aceton gereinigt werden. Bei unlegierten Stählen mit einer Dicke von weniger als einem Zoll ist ein Vorwärmen in der Regel nicht erforderlich, aber bei niedrig legierten Stählen kann ein Vorwärmen notwendig sein, um den Abkühlungsprozess zu verlangsamen und die Bildung von Martensit in der Wärmeeinflusszone zu verhindern. Werkzeugstähle sollten ebenfalls vorgewärmt werden, um Rissbildung in der Wärmeeinflusszone zu verhindern. Austenitische nichtrostende Stähle müssen nicht vorgewärmt werden, martensitische und ferritische Chromstähle dagegen schon. Normalerweise wird eine DCEN-Stromquelle verwendet, und es werden thorierte, spitz zulaufende Elektroden empfohlen. Bei dünnen Werkstücken wird reines Argon verwendet, mit zunehmender Dicke kann jedoch auch Helium eingesetzt werden. ⓘ
Ungleiche Metalle
Das Schweißen von artfremden Metallen bringt oft neue Schwierigkeiten beim WIG-Schweißen mit sich, da die meisten Werkstoffe nicht so leicht zu einer festen Verbindung verschmelzen. Schweißnähte aus ungleichen Werkstoffen haben jedoch zahlreiche Anwendungen in der Fertigung, bei Reparaturarbeiten und zur Vermeidung von Korrosion und Oxidation. Bei einigen Verbindungen wird ein kompatibler Schweißzusatz gewählt, um die Verbindung zu unterstützen. Dieser Schweißzusatz kann derselbe sein wie einer der Grundwerkstoffe (z. B. ein Schweißzusatz aus rostfreiem Stahl bei Verwendung von rostfreiem Stahl und Kohlenstoffstahl als Grundwerkstoff) oder ein anderes Metall (z. B. die Verwendung eines Nickel-Zusatzwerkstoffs für die Verbindung von Stahl und Gusseisen). Sehr unterschiedliche Werkstoffe können mit einem Material beschichtet oder "gebuttert" werden, das mit einem bestimmten Zusatzwerkstoff kompatibel ist, und dann geschweißt werden. Darüber hinaus kann das WIG-Schweißen auch zum Plattieren oder Überlagern unterschiedlicher Werkstoffe verwendet werden. ⓘ
Beim Schweißen von artfremden Metallen muss die Verbindung passgenau sein und die richtigen Spaltmaße und Fasenwinkel aufweisen. Es sollte darauf geachtet werden, dass der Grundwerkstoff nicht zu stark schmilzt. Gepulster Strom ist für diese Anwendungen besonders nützlich, da er hilft, die Wärmezufuhr zu begrenzen. Der Schweißzusatz sollte schnell zugeführt werden, und ein großes Schweißbad sollte vermieden werden, um eine Verdünnung des Grundmaterials zu verhindern. ⓘ
Verfahrensvarianten
Gepulster Strom
Beim Impulsstromverfahren wechselt der Schweißstrom schnell zwischen zwei Stufen. Die höhere Stromstärke wird als Impulsstrom bezeichnet, während die niedrigere Stromstärke als Grundstrom bezeichnet wird. Während des Impulsstroms wird der Schweißbereich erwärmt und die Schweißung erfolgt. Nach dem Abfallen auf den Grundstrom wird der Schweißbereich abgekühlt und erstarrt. Das gepulste WIG-Schweißen hat eine Reihe von Vorteilen, darunter eine geringere Wärmeeinbringung und folglich eine Verringerung von Verzug und Verwerfungen bei dünnen Werkstücken. Außerdem ermöglicht es eine bessere Kontrolle des Schweißbades und kann den Einbrand, die Schweißgeschwindigkeit und die Qualität der Schweißung erhöhen. Ein ähnliches Verfahren, das manuell programmierte WIG, ermöglicht es dem Bediener, eine bestimmte Rate und Stärke der Stromschwankungen zu programmieren, was es für spezielle Anwendungen nützlich macht. ⓘ
Dabber
Die Dabber-Variante wird verwendet, um das Schweißgut präzise an dünnen Kanten zu platzieren. Das automatische Verfahren ahmt die Bewegungen des manuellen Schweißens nach, indem ein kalter oder heißer Zusatzdraht in den Schweißbereich geführt und in den Lichtbogen getupft (oder oszilliert) wird. Es kann in Verbindung mit gepulstem Strom eingesetzt werden und wird zum Schweißen einer Vielzahl von Legierungen verwendet, darunter Titan, Nickel und Werkzeugstähle. Zu den üblichen Anwendungen gehören die Reparatur von Dichtungen in Düsentriebwerken und die Herstellung von Sägeblättern, Fräsern, Bohrern und Rasenmäherblättern. ⓘ
Unterteilung des Schweißverfahrens
Die EN ISO 4063:2011-03, „Schweißen und verwandte Prozesse – Liste der Prozesse und Ordnungsnummern“, unterscheidet zwischen 6 Untergruppen für das WIG-Schweißen.
- Hauptgruppe
- 14:Wolfram-Schutzgas-schweißen
- Untergruppen
- 141:Wolfram-Inertgasschweißen mit Massivdraht- oder Massivstabzusatz; WIG-Schweißen
- 142:Wolfram-Inertgasschweißen ohne Schweißzusatz
- 143:Wolfram-Inertgasschweißen mit Fülldraht- oder Füllstabzusatz
- 145:Wolfram-Schutzgas-schweißen mit reduzierenden Gasanteilen im ansonsten inerten Schutzgas und Massivdraht- oder Massivstabzusatz
- 146:Wolfram-Schutzgas-schweißen mit reduzierenden Gasanteilen im ansonsten inerten Schutzgas und Fülldraht- oder Füllstabzusatz
- 147:Wolfram-Schutzgas-schweißen mit aktiven Gasanteilen im ansonsten inerten Schutzgas ⓘ
Zündung des Lichtbogens
Es gibt zwei Arten, den Lichtbogen zu zünden, die Kontakt- und die Hochfrequenzzündung.
- Bei der historischen Kontaktzündung (Streich- oder Anreißzündung) wird ähnlich dem Elektrodenschweißen die Wolframelektrode kurz – gleich einem Streichholz – am Werkstück angestrichen und somit ein Kurzschluss erzeugt. Nach dem Abheben der Elektrode vom Werkstück brennt der Lichtbogen zwischen Wolframelektrode und Werkstück. Ein großer Nachteil dieses Verfahrens ist, dass bei jedem Zünden etwas Material von der Wolframelektrode hängenbleibt, das wegen der höheren Schmelztemperaturen des Wolframs als Fremdkörper im Schmelzbad zurückbleibt. Deshalb wurde häufig eine separate Kupferplatte, auf dem Werkstück liegend, zum Zünden verwendet.
- Die Hochfrequenzzündung hat die Streichzündung praktisch vollständig ersetzt. Bei der Hochfrequenzzündung wird mit Hilfe eines Hochspannungsimpulsgenerators, der eine hohe Spannung auf die Wolframelektrode gibt, das Gas zwischen Elektrode und Werkstück ionisiert, wodurch der Lichtbogen gezündet wird. Durch den hohen Innenwiderstand des Hochspannungsimpulsgenerators können keine gefährlichen Stromstärken erzeugt werden.
- Eine Variante der Kontaktzündung ist die Lift-Arc-Zündung. Die Elektrode wird direkt an der Schweißstelle auf dem Werkstück aufgesetzt. Es fließt ein geringer Strom, der nicht ausreicht, die Elektrode zu beschädigen. Beim Abheben des Brenners zündet der Plasmalichtbogen und die Elektronik der Schweißmaschine erhöht den Strom auf Schweißstromstärke. Vorteil dieser Methode ist das Vermeiden elektromagnetischer Störungen, die bei der Hochfrequenzzündung auftreten können. ⓘ
Spannungsquellen und Polung
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Bei der WIG-Schweißung unterscheidet man Gleich- und Wechselstromschweißen. Das Gleichstromschweißen mit negativ gepolter Elektrode wird zum Schweißen von Stählen aller Art, NE-Metallen und deren Legierungen eingesetzt. Demgegenüber wird das Wechselstromschweißen vorwiegend zum Schweißen der Leichtmetalle Aluminium und Magnesium eingesetzt. In Sonderfällen werden Leichtmetalle auch mit Gleichstrom und mit einer positiven Elektrode geschweißt. Dabei werden Spezialschweißbrenner mit einer sehr dicken Wolframelektrode und Helium als Schutzgas verwendet. Nötig ist die Pluspolung der Wolframelektrode bei Leichtmetallen, da diese zumeist eine harte Oxidschicht mit sehr hohem Schmelzpunkt (wie bei Aluminiumoxid, Magnesiumoxid) auf ihrer Oberfläche bilden. Diese Oxidschicht wird bei einer Minuspolung des Werkstücks aufgebrochen, da vom Werkstück nun die negativen Sauerstoffionen abgeführt werden. ⓘ
Eine Weiterentwicklung des WIG-Schweißens ist das Schweißen mit pulsierendem Strom. Beim WIG-Impulsschweißen pulsiert der Schweißstrom zwischen einem Grund- und Impulsstrom mit variablen Frequenzen, Grund- und Impulsstromhöhen und -breiten. Die Pulsfrequenz, die Impulsbreite und die Impulshöhe sind getrennt voneinander einstellbar. Das WIG-Pulsen mit variablem Stromverlauf kann nur mit einer besonderen Schweißanlage (Schweißinverter) durchgeführt werden. Die fein dosierbare Wärmeeinbringung beim WIG-Impulsschweißen ermöglicht eine gute Spaltüberbrückung, eine gute Wurzelschweißung und ein gutes Schweißen in Zwangslagen. Schweißnahtfehler am Nahtanfang und Nahtende, wie beim Rohrschweißen, werden vermieden. ⓘ
Beim Impulsschweißen von Leichtmetallen kann man erreichen, dass nur die Oberfläche anschmilzt und somit bei dünnen Blechen < 1,0 mm das Durchschmelzen verhindern. Bei Kehlnähten wird die Ecke besser erfasst als beim Standardschweißen mit konstantem Strom. Es lassen sich Bleche mit einer Dicke von 0,6 mm noch stumpf zusammenfügen, da die Stabilität des Lichtbogens sowie die konzentrierte Wärmeeinbringung ein kleines definiertes Schmelzbad erlauben. ⓘ
Elektrodenwerkstoffe
Die DGUV Information 209-049 (Umgang mit thoriumoxidhaltigen Wolframelektroden beim Wolfram-Inertgasschweißen (WIG); früher BGI 746) enthält Hinweise zum sicheren Umgang mit thoriumoxidhaltigen Wolframelektroden für das Wolfram-Inertgasschweißen und beschreibt die notwendigen Schutzmaßnahmen, die ergriffen werden müssen, um mögliche Gefährdungen durch Umgang mit diesen Elektroden auszuschließen oder auf ein vertretbares Maß zu minimieren. Nötig ist dies wegen einer geringen Radioaktivität des Thoriums und der gesundheitsschädigenden Stäube des Schwermetalls. Aufgrund der Verfügbarkeit von mit Lanthan oder seltenen Erden legierten Wolframelektroden kann heute auf den Einsatz von thoriumlegierten Wolframelektroden verzichtet werden. ⓘ
Arbeitsschutz
Auswertungen von Arbeitsplatzmessungen haben ergeben, dass das WIG-Schweißen ein raucharmes Schweißverfahren ist. Alle Schweißrauch-Messergebnisse liegen unter dem Grenzwert für A-Staub von 3 mg/m³. Auch bei Ozon liegen alle Werte unter dem Arbeitsplatzgrenzwert (AGW). Für Chrom(VI)-Verbindungen und Nickeloxid liegen die Werte aller Messdatenkollektive (verschiedene Messarten und -punkte) weit unter den früheren TRK-Werten. ⓘ
Die BG/BGIA-Empfehlungen geben praxisgerechte Hinweise zur Durchführung der Gefährdungsbeurteilung und nennen Schutzmaßnahmen für WIG-Schweißarbeiten. Bei Anwendung dieser Schutzmaßnahmen können die Arbeitsplatzgrenzwerte eingehalten werden. ⓘ