Ratgeber zum WIG-Schweißen, Teil III

Ratgeber zum WIG-Schweißen, Teil III 

Das WIG-Schweißen gilt als sauberes und vor allem universell einsetzbares Schweißverfahren. Deshalb ist es auch kein Wunder, dass sich das WIG-Schweißen sehr schnell einen festen Platz in der Fügetechnik gesichert hat und heute in der Industrie wie im Handwerk gleichermaßen geschätzt ist.

Allerdings ist das WIG-Schweißen in der praktischen Anwendung durchaus anspruchsvoll. Grund genug, dem WIG-Schweißen einen mehrteiligen Ratgeber zu widmen. Dabei ging es in Teil I und Teil II des Ratgebers um Grundlagen und die Durchführung des Verfahrens. Jetzt im dritten und zugleich letzten Teil stehen die Werkstoffe im Vordergrund.   

Zu den größten Pluspunkten des WIG-Schweißens gehört, dass es ermöglicht, eine Vielzahl von Werkstoffen zu fügen. Im Prinzip kann jeder Werkstoff, der grundsätzlich für das Schmelzschweißen geeignet ist, auch mit diesem Verfahren geschweißt werden.

Je nach Werkstoff wird dabei teils mit Gleichstrom und teils mit Wechselstrom gearbeitet. Werkstoffabhängig müssen jedoch mitunter ein paar Besonderheiten beachtet werden.

 

Aluminium und Aluminiumlegierungen

Werkstoffe aus Aluminium werden normalerweise mit Wechselstrom geschweißt, denn dadurch kann die Oxidschicht auf dem Schmelzbad entfernt werden. Während der Schmelzpunkt von Reinaluminium als Grundwerkstoff bei 650 Grad Celsius liegt, schmilzt Aluminiumoxid erst bei 2050 Grad Celsius. Gleichzeitig ist Aluminium aus chemischer Sicht eng mit Sauerstoff verwandt.

Deshalb bilden sich beim Schweißen auf der Oberfläche des Grundwerkstoffs schnell Oxidschichten, selbst wenn das Werkstück gründlich vorbereitet wurde. Durch den hohen Schmelzpunkt schmelzen die Oxidschichten sogar direkt unter dem Lichtbogen nur teilweise auf. Würde mit Gleichstrom geschweißt, wäre die Nahtoberfläche somit größtenteils von einer festen Aluminiumoxidschicht verdeckt.

Wird hingegen mit Wechselstrom gearbeitet, können Ladungsträger im Lichtbogen die Oxidschicht aufbrechen und entfernen. Die geringe Masse der Elektronen hat jedoch nicht die notwendige kinetische Energie. Aus diesem Grund kommen als Ladungsträger nur die Ionen in Frage. Liegt der Minuspol an der Elektrode, treffen die Elektronen von der Elektrode aus auf das Werkstück, während die verbliebenen Ionen vom Werkstück zur Elektrode wandern.

Eine Reinigungswirkung ergibt sich bei einer solchen Polung aber nicht. Im Unterschied dazu wandern die schwereren Ionen bei umgekehrter Polung von der Elektrode zum Werkstück. Ihre kinetische Energie reicht aus, um die Oxidschicht zu entfernen. Das Schweißen am heißeren Pluspol würde aber die Strombelastbarkeit der Elektrode deutlich reduzieren.

Deshalb eignet sich das WIG-Schweißen in dieser Form nur bei Aluminiumwerkstoffen bis zu einer Wandstärke von etwa zweieinhalb Millimetern. Die Kompromisslösung ist deshalb das Schweißen mit Wechselstrom. Liegt die positive Halbwelle an der Elektrode, ergibt sich die Reinigungswirkung, während die darauffolgende negative Halbwelle ermöglicht, dass die Elektrode wieder abkühlt. Deshalb wird in diesem Zusammenhang auch von der Reinigungs- und der Kühlhalbwelle gesprochen.  

Beim Schweißen mit Wechselstrom ist die Strombelastbarkeit niedriger als beim Gleichstromschweißen. Um eine Reinigungswirkung zu erzielen, genügt aber ein knappes Drittel der positiven Halbwelle. Moderne WIG-Stromquellen nutzen diese Erkenntnis, indem sie einen rechteckförmigen Wechselstrom erzeugen.

Dazu schalten sensible Transistoren abwechselnd den Plus- und den Minuspol der Gleichstromquelle auf die Elektrode. Der Schweißer kann dadurch das Verhältnis zwischen den beiden Halbwellen abändern. Je geringer der Anteil des Pluspols dabei eingestellt wird, desto höher ist die Strombelastbarkeit der Elektrode. Durch eine höhere Frequenz wird die Elektrode außerdem auch geschont.

Ein weiterer Pluspunkt des rechteckförmigen Wechselstroms ist, dass die Totzeiten des Lichtbogens sehr viel kürzer sind. Dies führt dazu, dass der Lichtbogen sicherer wieder entzündet werden kann und insgesamt stabiler brennt. Zunächst ungewohnt für den Schweißer wird aber vielleicht das Brummgeräusch sein, das beim Wiederentzünden des Lichtbogens entsteht.

Moderne WIG-Schweißgeräte machen es möglich, sowohl mit Gleichstrom als auch mit sinusförmigem und mit rechteckförmigem Wechselstrom zu schweißen. Eine weitere Variante ist das WIG-Schweißen am Minuspol mit einem Schutzgas mit einem hohen Anteil an Helium. Allein das Schweißen am Minuspol würde nicht ausreichen, um die Oxidschicht aufzureißen.

Der energiereiche Heliumlichtbogen hat aber eine so hohe Temperatur, dass sich die Oxidschicht verflüssigt und folglich kaum noch stört. Das gute Einbrandverhalten sorgt dafür, dass diese Form des WIG-Schweißens bevorzugt bei Reparaturschweißungen angewendet wird.

Eine weitere Besonderheit beim Schweißen von Aluminium ergibt sich durch die Neigung zur Porenbildung bei der Aufnahme von Wasserstoff. Im Unterschied zu Eisen oder Stahl ist bei Aluminium in festem Zustand praktisch keine Lösungsfähigkeit für Wasserstoff mehr vorhanden. Damit keine Poren im Schweißgut entstehen, muss deshalb der gesamte Wasserstoff, der beim Schweißen eingebracht wurde, vor dem Erstarren des Schweißguts wieder austreten.

Der überwiegende Teil des Wasserstoffs gelangt dabei durch die Oxidschichten auf dem Grundwerkstoff in das Schweißgut, denn die Oxidschichten binden Feuchtigkeit. Wichtig ist deshalb, die Oxidschichten sorgfältig zu entfernen. Andererseits lässt eine dünne Oxidschicht den Lichtbogen ruhiger brennen.

In der Praxis hat es sich deshalb bewährt, die Oxidschichten etwa zwei Stunden vor dem Schweißprozess gründlich zu beseitigen. In der Zeit zwischen der Vorbereitung der Wertstückoberflächen und dem Schweißen bildet sich so eine hauchdünne Oxidhaut, die für einen stabilen Lichtbogen sorgt, ohne eine Porenbildung zu begünstigen.

 

Kupfer und Kupferlegierungen

Kupfer kennzeichnet sich durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit. Sie macht es notwendig, den Bereich um den Anfang der Schweißnaht vorzuwärmen. Im weiteren Verlauf breitet sich die Schweißwärme aus, so dass der notwendige Vorwärmeffekt automatisch entsteht.

Ein großflächiges Vorwärmen ist dann nur erforderlich, wenn die Werkstücke eine Wandstärke von mehr als fünf Millimetern haben. Dabei kann beim WIG-Schweißen der Lichtbogen als Wärmequelle für ein Vorwärmen eingesetzt werden. Dazu wird der Lichtbogen in kreisenden Bewegungen über den Schweißnahtbereich geführt. Auf diese Weise wird Wärme in das Werkstück eingebracht.

Reines Kupfer und die meisten Kupferlegierungen werden mit Gleichstrom bei negativ gepolter Elektrode geschweißt. Lediglich bei Messing und Bronze mit Aluminiumanteil ist Wechselstrom die bessere Wahl.

 

Stahl

Un- und niedriglegierte Stähle können mit allen Schmelzschweißverfahren gefügt werden. Dabei wird das Schweißverfahren aber meist weniger mit Blick auf die Qualität, sondern in erster Linie auf Basis der Wirtschaftlichkeit ausgewählt. Die vergleichsweise geringe Leistung führt deshalb dazu, dass bei un- und niedriglegierten Stählen eher andere Schweißverfahren zum Einsatz kommen.

Es gibt aber zwei große Ausnahmen. Die erste Ausnahme bildet das Schweißen von Wurzellagen. Wurzeln werden sehr oft im WIG-Verfahren geschweißt. Bei Werkstücken mit einer Wandstärke von mehr als sechs Millimetern bleibt es dann auch bei der Wurzelschweißung mittels WIG, während bei den übrigen Lagen ein leistungsfähigeres Schweißverfahren angewendet wird.

Die zweite Ausnahme bildet das Schweißen von Rohren mit kleinen Durchmessern. Hierfür ist das WIG-Schweißen geradezu prädestiniert. Allerdings kann es beispielsweise bei unlegierten Rohrstählen oder Tiefziehstählen zur Porenbildung kommen. Der Grund hierfür ist, dass Sauerstoff aus der Atmosphäre aufgenommen wird, der Kohlenmonoxid im Schweißgut entstehen lässt und so Poren begünstigt.

Um dies zu vermeiden, sollte großzügig ein Schweißzusatz eingebracht werden, der den Sauerstoff bindet. 

CrNi-Stahl ist hervorragend für das WIG-Schweißen geeignet. Die vorteilhafte Viskosität des Schweißguts ermöglicht glatte Schweißraupen und flache Wurzelunterseiten. Allerdings kann die langsame Schweißgeschwindigkeit in Kombination mit der geringen Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs vor allem bei dünnen Wandstärken schnell zu einer Überhitzung führen.

Das Ergebnis können Heißrisse und eine reduzierte Korrosionsbeständigkeit sein. Gegensteuern kann der Schweißer, indem er die Werkstücke kühlt oder Pausen zur Abkühlung einlegt. Dies reduziert dann gleichzeitig auch den Verzug.

Um der Korrosion entgegenzuwirken, müssen die Anlauffarben und die Oxidhäute, die nach dem Schweißen auf der Schweißnaht, an den Schweißnahträndern und auf der Wurzelseite zurückbleiben, entfernt werden. Andernfalls droht hier eine verstärkte Korrosion.

 

Weitere Werkstoffe

Nickel und Legierungen aus Nickel und Chrom oder Nickel und Kupfer werden ebenfalls mittels WIG-Schweißen gefügt. Gleiches gilt für Titan und Titanlegierungen. Bei diesen Werkstoffen wird üblicherweise mit Gleichstrom und negativ gepolter Elektrode gearbeitet. Beim Schweißen von Titan reicht es aber nicht aus, nur den Bereich um die Schweißnaht herum mittels Schutzgas abzuschirmen.

Stattdessen muss die Werkstoffoberfläche großflächig, teilweise zusätzlich sogar auch auf der Rückseite durch Schutzgas geschützt werden. Andernfalls nimmt der Werkstoff atmosphärische Gase auf, was einerseits zu Anlauffarben und andererseits zu einer Versprödung führt.

Mehr Anleitungen, Tipps und Ratgeber zum Schweißen:

Thema: Ratgeber zum WIG-Schweißen, Teil III

Kommentar verfassen