TIG SCHWEISSEN
LICHTBOGENSCHWEISSEN UNTER SCHUTZGAS MIT NICHT ABSCHMELZENDER WOLFRAMELEKTRODE (W.I.G. - WOLFRAM-INERTGAS-SCHWEISSEN
A. VORBEMERKUNG
Beim Verfahren des Lichtbogenschweißens unter Schutzgas mit nicht abschmelzender Wolframelektrode (Wolfram-Inert-Gas-Schweißen) erzeugt die nötige Prozesswärme einen elektrischen Lichtbogen, der zwischen einer sich nicht verbrauchenden Elektrode und dem Werkstück gezogen wird. Als Stromleiter dient eine Elektrode aus Wolfram oder einer seiner Legierungen. Das Schutzgas schützt die Schweißzone, das geschmolzene Metall und die nicht abschmelzende Elektrode vor dem Zutritt atmosphärischer Luft. Zugeführt wird das Schutzgas über den Brenner, der gleichzeitig Elektrodenhalter ist.
Beim WIG-Verfahren wird entweder ein Zusatzwerkstoff (Stab mit Schweißzusatz) zugeführt oder der Grundwerkstoff wird mit der Wärme des Lichtbogens zum Schmelzen gebracht.
B. DIE SCHWEISSANLAG
Sie besteht im Wesentlichen aus folgenden Elementen:
1. Schweißstromgenerator
2. Brenner mit Wolframelektrode und Schlauchpaket
3. Schweißstab mit Zusatzwerkstoff
4. Gasflasche mit Druckkreislauf
5. Werkstückklemme mit Massekabel
6. Wasserkühlaggregat
1. Schweißstromgenerator
Der Stromgenerator speist den Lichtbogen, der sich zwischen dem Grundwerkstoff und der Wolframelektrode bildet, mit einer Strommenge, die für die Aufrechterhaltung des Bogens ausreicht.
In seinem Innern befindet sich meist eine Vorrichtung zur Regelung des Schweißstroms, die entweder mechanisch (Magnet-Shunt) oder elektronisch (Thyristor- oder Invertersystem) arbeitet.
Es gibt zwei Kategorien von Generatoren:
a)Wechselstromgenerator AC (alternating current)
Der Strom bzw. die Spannung am Generatorausgang hat die Form einer typischen Quadratwelle, die in regelmäßigen Zeitabständen mit einer vom Generatortyp abhängigen Frequenz von 20 bis 200 oder mehr Zyklen pro Sekunde (Hertz) ihre Fließrichtung ändert. Erzeugt wird die Welle von einer oder mehreren Einrichtungen, die den sinusförmigen Netzstrom/Netzspannung in einen zum Schweißen geeigneten Wechselstrom/Wechselspannung umzuformen.
b) Gleichstromgenerator DC (direct current)
Der Strom am Generatorausgang hat die Form einer kontinuierlichen Welle. Gebildet wird sie von Geräten, die den Wechselstrom in Gleichstrom umformen.
Wird ein Gleichstromgenerator (DC) eingesetzt, kann nach der Art, wie die Pole der Schweißstromquelle mit dem Werkstück verbunden werden, oder nach der Wellenform des Schweißstroms eine weitere Unterscheidung getroffen werden:
i) Gleichstrom mit negativ gepoltem Anschluß
Bei der negativen Polung wird der Brenner über das zugehörige Kabel an den Minuspol, das Werkstück an den Pluspol der Stromquelle. Die Elektronen fließen also von der Elektrode zum Werkstück und verursachen dort die Schmelzung.
Dieser Schweißstrom wird für das WIG-Verfahren am meisten benutzt, weil sich - mit Ausnahme von Aluminium - fast alle Metalle und die gängigen Legierungen schweißen lassen. Gleichstrom mit negativer Polung erzeugt ein eng begrenztes und tiefes Schweißbad, der Einbrand ist wesentlich höher als bei der umgekehrten Polarität.
ii) Gleichstrom mit positiv gepoltem Anschluß
Diese Art der Stromspeisung wird selten verwendet, weil ein flaches Schmelzbad mit geringem Einbrand entsteht. Durch die inverse Polarität wird die Elektrode überhitzt. Damit sie nicht durchbrennt, dürfen deswegen nur sehr niedrige Stromstärken erreicht werden. Das erklärt, warum dieser Strom so selten benutzt wird.
Zu den Gleichstromgeneratoren gehören neben Generatoren, die sich in der Art des Anschlusses unterscheiden, auch Gleichstromgeneratoren, die modulierten oder pulsierten Strom erzeugen.
Der Generator von moduliertem Gleichstrom besitzt besondere Vorrichtungen zur Veränderung der Schweißstromamplitude. Modulierter oder pulsierter Schweißstrom entsteht dadurch, daß man dem zugrundeliegenden Dauerstrom eine weitere Komponente - in der Regel in Quadratwellenform - überlagert und dadurch eine periodische Pulsation des Lichtbogens hervorruft. Mit diesem System erhält man eine Schweißnaht aus kontinuierlich übereinander gelagerten Schweißpunkten, die zusammengenommen eine durchgehende Naht bilden.
Typischerweise wird dieses Verfahren bei dünnwandigen Werkstoffen angewendet, weil dort durch kontrollierten Wärmeeintrag vorrangig Lochbrand verhindert werden muß, ohne daß dadurch die Einbrandtiefe leidet.
2. Brenner mit Wolframelektrode und Schlauchpaket
Der Brenner, der gleichzeitig die Wolframelektrode aufnimmt, wird mit Hilfe von Kabeln an den Generator angeschlossen. Diese Kabel haben die Funktion, den Brenner elektrisch zu speisen und das Schutzgas heranzuführen.
Bei geringen Schweißstromstärken sind die Schweißbrenner nur schutzgasgekühlt, bei größeren Stromstärken (200 - 500 A) und häufiger Benutzung wassergekühlt.
3. Schweißstab mit Zusatzwerkstoff
Die Werkstoffdicke, der Anschluß und die gewünschten Schweißeigenschaften fließen in die Entscheidung ein, ob dem Schweißbad ein Zusatzmetall zugeführt wird. Der Schweißzusatz wird von Hand im Wärmebereich des Lichtbogens zugeführt, indem man den Stab seitlich des Schmelzbades hält.
Das Zusatzmetall, dem Grundwerkstoff zumeist sehr ähnlich, wird häufig durch geringe Mengen von Desoxydationsmitteln oder anderen Elementen angereichert, um die Eigenschaften der Schmelzzone zu verbessern.
4. Gasflasche mit Druckkreislauf
Die Glasflasche mit Druckkreislauf besteht aus:
- einer Schutzgasflasche
- einem Manometer, der die verbliebene Gasmenge in der Flasche anzeigt
- einem Druckminderer
- einem Magnetventil, falls der Brenner mit einem Zündknopf ausgestattet ist, der dem Schweißer während der Arbeit gleichzeitig als Steuerschalter für die Öffnung und Schließung des Gasstromes dient.
5. Werkstückklemme mit Massekabel
Die Klemme verbindet über das Massekabel den Stromgenerator mit dem zu schweißenden Grundwerkstoff. Der Querschnitt und die Länge des Kabels bemessen sich nach der Höchstintensität der Stromquelle.
6. Wasserkühlaggregat
Mit dieser Einrichtung wird, falls es sich um eine entsprechende Ausführung handelt, der Brenner gekühlt, um dessen Überhitzung bei der Arbeit mit hohen Schweißströmen zu verhindern. Ständig wird das umlaufende Wasser zur Kühlung in den Brenner gepumpt.
C. SCHUTZGAS
Das Schutzgas hat hauptsächlich die Funktion, die Luft in der Nähe des Schmelzbades, der Elektrode und des Schweißstabes zu verdrängen und so das Risiko einer Verunreinigung durch atmosphärische Schadstoffe auszuschließen.
Die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Schutzgases können das Schweißergebnis - je nach Metall - auf verschiedene Weise beeinflussen. Als Schutzgas werden beim WIG-Schweißen vorwiegend eingesetzt: Argon, Helium, Argonheliumgemische und Argonwasserstoffgemische.
Es ist sehr wichtig, daß diese Gase möglichst rein sind, denn auch unerhebliche Anteile an Unreinheiten können die Schweißgüte so sehr beeinflussen, daß sie nicht mehr annehmbar ist.
Beim Schweißen mit Argon ist der Lichtbogen relativ stabil, dafür ist das Schmelzbad nicht so heiß. Dieses Gas ist somit besser zum Schweißen dünnwandiger Werkstücke geeignet.
Es ist zu beobachten, daß der Einsatz von Argon wegen seiner im Vergleich zum Helium wesentlich geringeren Gestehungskosten weit verbreitet ist. Dieser Faktor spielt also offensichtlich die größte Rolle bei der Auswahl des Schutzgases.
Der Lichtbogen entwickelt in Helium eine größere Wärme als in Argon, sein Einsatz ist also für das Schweißen von thermisch hochleitenden Werkstoffen zu empfehlen, wo eine hohe Schweißgeschwindigkeit erforderlich ist.
Helium ist leichter als Luft; um das Schmelzbad wirksam zu schützen, ist die Verbrauchsmenge im Vergleich zu Argon also größer.
Argonheliumgemische kommen dort zum Einsatz, wo Schutzgase mit durchschnittlichen Eigenschaften benötigt werden.
D. DIE NICHT ABSCHMELZBAREN ELEKTRODEN
Im Handel sind unterschiedliche Typen von nicht abschmelzbaren Elektroden erhältlich:
- Elektroden aus reinem Wolfram. Sie werden wegen ihres stabilen Lichtbogens dort eingesetzt, wo mit geringen Stromstärken und Wechselstrom gearbeitet wird. Wirtschaftlich gesehen sind sie sehr kostspielig.
- Thorierte Wolframelektroden. Sie halten hohe Stromstärken aus. Der Lichtbogen läßt sich leicht zünden und bleibt - einmal gezündet - relativ stabil. Diese Elektroden eignen sich besonders zum Schweißen von Stahl mit Gleichstrom und negativer Polung.
- Wolframelektroden mit Zirkonium. Sie werden beim manuellen Schweißen von Aluminium, Magnesium und ihren Legierungen eingesetzt, also dort, wo mit mittleren bis niedrigen Stromintensitäten gearbeitet wird.
- Zeriumelektroden. Sie zeichnen sich durch die vermehrte Abgabe von Elektronen aus, der Einbrand ist gut und die Verschleißfestigkeit zufriedenstellend.
E. DIE SYSTEME ZUR LICHTBOGENZÜNDUNG
Der Lichtbogen wird durch einen kurzen Kontakt zwischen Wolframelektrode und Werkstück gezündet. Mit einer entsprechenden Einrichtung ist auch berührungsfreies Zünden möglich.
Damit die Elektrodenspitze nicht auflegiert und um Lichtbogenstöße auf dem Grundwerkstück zu vermeiden, wird der Lichtbogen oft zum Warmbrennen auf einer gut gesäuberten Platte gezündet (aus Kupfer oder aus demselben Material wie der Grundwerkstoff), die sich in der Nähe des Schweißplatzes befindet.
Nachstehend die gängigen Arten der Lichtbogenzündung:
- HF - Zündung (HF = Hochfrequenz).
Der Pilotfunken wird von einem Hochfrequenzgenerator erzeugt, der die Schweißspannung mit einem Hochspannungsimpuls überlagert. Diese Einrichtung kommt mit einer minimalen Leistung aus, die aber ausreicht, um den elektrischen Lichtbogen auf Distanz zu zünden. Für die HF-Zündung ist ein spezieller Schweißbrenner erforderlich, der einen Druckknopf zur Einschaltsteuerung besitzt.
- Zündung mit Pilotbogen.
In diesem Fall wird der Lichtbogen zwischen der Wolframelektrode und einer Hilfselektrode gezogen, die als Düsenring am Brenner sitzen kann. Die Pilotflamme entsteht aus einem Hochfrequenzfunken, der sofort danach abgeschaltet wird.
Der eigentliche Lichtbogen zündet dann durch einfache Entladung der in der Atmosphäre aus ionisiertem Gas glühend gewordenen Wolframelektrode. Diese Methode findet vorwiegend in automatischen Anlagen Verwendung.
- LIFT-Zündung.
Hier bedient man sich einer speziellen Einrichtung, die Niederspannung bereitstellt, um die Spitze der Wolframelektrode bei Berührung mit dem Werkstück nicht zu beschädigen. Entfernt man die Elektrode vom Werkstück, bildet sich ein Funken, der den Lichtbogen zündet. Daraufhin erhöht der Generator den Schweißstrom auf den eingestellten Anfangswert. Weil er ohne Hochfrequenz arbeitet, hat der LIFT-Start den Vorzug, daß er keine elektromagnetischen Störungen verursacht. Bei der Berührung der Elektrodenspitze mit dem Werkstück werden Verunreinigungen in das Schmelzbad eingetragen.
- Strichzündung (Scratch).
Der Lichtbogen wird in dem Moment gezündet, in dem Wolframelektrode über das Werkstück reibt. Wegen des Kontaktes zwischen Elektrode und Werkstück sind am Anfang der Naht Wolframeinschlüsse zu beobachten, die sich negativ auf die Schweißgüte auswirken können.
F. MIT DEM WIG-VERFAHREN VERSCHWEISSBAR
Dieses Verfahren trifft man hauptsächlich dort an, wo rostfreier Stahl, Aluminium und seine Legierungen, Nickel, Kupfer, Titanium und deren Legierungen geschweißt werden. Rostfreier Stahl wird mit negativ gepoltem Gleichstrom (DC) geschweißt.
Werkstücke bis zu einer Stärke von 2,5 mm lassen sich ohne Zusatzwerkstoffe schweißen. Die Ränder dickerer Materialien sind vorher abzuschrägen, anschließend wird mit einem Schweißstab gearbeitet, der speziell auf die Güte des zu schweißenden rostfreien Stahls abgestimmt sein muß. Vor Beginn der eigentlichen Schweißarbeiten empfiehlt es sich, das Werkstück mit einer Bürste aus rostfreiem Stahl sorgfältig zu reinigen. Aluminium und seine Legierungen werden mit Wechselstrom (AC) geschweißt und benötigen eine hochwertige Naht die Verwendung eines Hochfrequenz-Generators mit entsprechenden Merkmalen.
Deutliche Oxydationsspuren sollten mit einer Bürste oder durch Abbeizen (ein chemisches Verfahren zur Oxydbeseitigung) entfernt werden.Auch in diesem Fall könne bis zu 2,5 mm dicke Werkstücke ohne Zusatzwerkstoff geschweißt werden. Die Ränder dickerer Materialien sind abzuschrägen und werden anschließend mit einem Schweißstab bearbeitet.
Mit Wolframelektroden in Argonatmosphäre werden weicher und legierter Stahl, Nickel und seine Legierungen, Kupfer und seine Legierungen, Titanium und Edelmetalle geschweißt. Für die genannten Metalle und Legierungen kommt negativ gepolter Gleichstrom (DC) zur Anwendung.
