BLOG: Die Wahl der Richtigen Wolframelektrode

Wolfram ist ein seltenes Metallelement, das bei Herstellung von Elektroden verwendet wird, welche beim Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW – Gas Tungsten Arc Welding) zum Einsatz kommen. In der Fortführung wird statt GTAW ein Begriff verwenden, mit dem wir mehr vertraut sind, das WIG-Schweißen bzw. Schweißen nach dem WIG-Verfahren.

Der WIG-Prozess wird sowohl von der Beständigkeit bei höheren Temperaturen, die für die Übertragung des Schweißstroms in die Schweißnaht wichtig sind, als auch von der Härte des Wolframs geprägt. Wolfram erreicht mit 3.410 Grad Celsius den höchsten Schmelzpunkt unter allen Metallen.

Wolframelektroden sind in verschiedenen Längen, Farben und Durchmessern erhältlich und bestehen aus reinem Wolfram oder einer Legierung aus Wolfram und anderen seltenen Erdelementen und deren Oxiden wie z.B. Cer und Lanthan, die am häufigsten verwendeten Elektrodentypen. Die Wahl der Elektrode für das WIG-Verfahren hängt von der Art und Dicke des Grundmaterials sowie von der Schweißstromart, dem Wechselstrom (AC) oder dem Gleichstrom (DC) ab.

Besonders wichtig ist auch die Art der Verarbeitung der Spitze, diese kann entweder zu einem runden Punkt oder zu einem Schnittpunkt geschliffen werden. Dabei können die Methode und das Verfahren des Schleifens, abhängig vom Werkstückmaterial, das Schweißergebnis bzw. die Schweißnaht stark beeinflussen.

Jeder Wolframelektrodentyp ist eindeutig farbcodiert. Das Ende der Elektrode ist gefärbt und jede Farbe steht für einen Elektrodentyp.

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 Typ der Wolframelektrode  Farbe  Bezeichnung Oxidzusatz %    Wechselstrom AC  Gleichstrom DC  Anwendungsbereiche
 Wla - Wolfram mit Lanthan-Oxid  Schwarz  WL-10  1,0% Lanthan LaO2  x  x  Universalelektrode für AC & DC Schweißen. Erste Wahl im Niederstrombereich, mit sehr guter und hoher Zündfähigkeit!
   Gold  WL-15  1,5% Lanthan LaO2  x  x  Mit denen können un- und hochlegierte Stähle, Titan-, Nickel-,Kupfer-, Aluminium- & Magnesiumlegierungen geschweißt werden.
   Blau  WL-20  2,0% Lanthan LaO2  x  x  
 WCe – Wolfram mit Cerdioxid  Grau  WC-20  2,0% Cer LaO2  x  x  Universalelektrode für AC & DC Schweißen. Mit denen können im unteren und mittleren Strombereich Stähle, Aluminium-, Nickel-, Titan-, Kupfer- und Magnesiumlegierungen geschweißt werden.
 WTh – Wolfram mit Thorium-Oxid ThO2 * aktive Partikel  Gelb  WT-10  1,0% Thorium ThO2  x  x  Wegen der radioaktiven Partikel raten wir von einem Einsatz ab! Gute Alternativen sind z.B. (WL / WC) mit sogar besseren Eigenschaften.
   Rot  WT-20  2,0% Thorium ThO2  x  x  Wenn jene aber doch verwendet werden, können damit hochlegierte Werkstoffe geschweißt werden. Es sind Sicherheitsvorkehrungen einzuhalten!
   Violett  WT-30  3,0% Thorium ThO2  x  x  
   Orange  WT-40  4,0% Thorium ThO2  x  x  
 WZr – Wolfram mit Zirconiumoxid ZrO2  Braun  WT-03  0,3% Zirkonium ZrO2  x    Geeignet zum AC-Schweissen von Aluminiumlegierungen, nur bedingt für zum DC-Schweissen geeignet.
   Weiß  WT-08  0,8% Zirkonium ZrO2  x    
 WP – Undotierte Wolfram-Elektrode  Grün  WP-00  99,8% Wolfram  x    Geeignet zum AC-Schweissen von Aluminiumlegierungen, zum DC-Schweissen ungeeignet.

Am häufigsten werden folgende Farben der Wolframelektroden verwendet:

  • Grün – reines Wolfram
  • Rot
  • Gold
  • Grau
  • Orange
  • Blau

Einige Typen der Wolframelektroden sind auch in unserem Onlineshop erhältlich, werfen Sie einen Blick auf das Angebot: https://www.ipotools.de/product-category/schweisszubehoer/schweisszusatzwerkstoff/

In diesem Blog werden wir näher in die am häufigsten verwendeten Wolframelektroden eingehen.

Reines Wolfram (Grün)

Reine Wolframelektroden (WP-00) enthalten 99,50% Wolfram, haben die höchste Verschleißrate aller Elektroden und sind normalerweise billiger als ihre Legierungen.

Diese Elektroden bilden beim Erhitzen eine saubere, runde Spitze und bieten eine hervorragende Lichtbogenstabilität für das Wechselstromschweißen (AC) an. Reines Wolfram sorgt auch beim AC Schweißen mit sinusförmigen Stromwellen für eine gute Lichtbogenstabilität insbesondere beim Schweißen von Aluminium, Magnesium und deren Legierungen. Normalerweise kommen diese Elektroden aber nicht beim Gleichstromschweißen (DC) zum Einsatz, da jene keinen starken Lichtbogen liefern, anders als Wolframelektroden mit z.B. der Farbe Rot.

Wolframelektrode (Rot)

Thorium-Wolframelektroden (Bezeichnung WT-20) enthalten mindestens 97,30 Wolfram-Wolfram und 1,70 bis 2,20 Prozent Thorium und werden als 2 Prozent Thorium bezeichnet. Heutzutage sind dies aufgrund ihrer langen Lebensdauer und Benutzerfreundlichkeit die am häufigsten verwendeten Elektroden.

Thorium erhöht die Elektronenemissionseigenschaften der Elektrode, was den Lichtbogenstart verbessert und eine höhere Schweißleistung ermöglicht. Diese Elektrode kommt weit unterhalb der Schmelztemperatur zum Einsatz, was zu einer deutlich geringeren Abnutzung führt. Im Vergleich zu anderen Elektroden übertragen die Thorium-Wolframelektroden weniger Wolfram in die Schweißschmelze und verursachen daher weniger Schweißverunreinigungen.

Diese Elektroden werden hauptsächlich beim speziellen Wechselstromschweißen (wie dünne Aluminiumbleche und Materialien von weniger als 1,5 mm Dicke) sowie beim Gleichstromschweißen von Kohlenstoff- und rostfreien Stählen als auch bei Nickel und Titan mit verwendet.

Bei der Herstellung dieser Elektroden wird Thorium gleichmäßig mit Wolfram gemischt, was dazu beiträgt, dass Wolfram nach dem Schleifen eine scharfe Kante beibehält – die ideale Elektrodenform zum Schweißen von dünnem Stahl.

Hinweis: Thorium ist leicht radioaktiv, daher müssen Sie stets bei der Verwendung immer die Warnungen, Anweisungen und Sicherheitsdatenblätter des Herstellers befolgen.

Wolframelektrode (Gold)

Lanthan-Wolfram-Elektroden (WL-15) enthalten mindestens 97,80% Wolfram und 1,30% bis 1,70% Lanthan und werden als 1,5% Lanthan-Elektroden bezeichnet. Sie zeichnen sich durch eine hervorragende Lichtbogenzündung, geringere Abnutzung, sehr gute Lichtbogenstabilität und hervorragende Wiederzündungseigenschaften aus – in vielerlei Hinsicht ähnlich wie Cer-Wolfram-Elektroden.

Lanthan-Elektroden teilen auch die elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften von 2% Wolfram-Thorium. In einigen Fällen können 1,5% Lanthanelektroden eine 2% Thoriumelektrode vollständig ersetzen, ohne dass sich die Schweißparameter wesentlich ändern.

Lanthan-Wolfram-Elektroden sind ideal zur Optimierung Ihrer Schweißleistung. Jene eignen sich ideal auf negative AC oder DC-Elektrode mit spitzem Ende, wobei Sie diese auch beim AC-Schweißen verwenden können. Beim Schweißen mit Lanthan-Wolfram wird die Form einer scharfen Spitze erhalten, was ein großer Vorteil beim Schweißen von Stahl und Edelstahl mit Gleichstrom oder Wechselstrom mit rechteckigen Stromwellen ist.

Im Gegensatz zu Wolfram-Thorium eignen sich diese Elektroden auch zum Wechselstromschweißen (AC) und ermöglichen wie Cer-Wolfram-Elektroden, dass der Lichtbogen auch bei niedrigeren Spannungen startet und aufrechterhalten wird. Im Vergleich zu reinem Wolfram mit 1,5% Lanthan wird die maximale Stromleitfähigkeit bei gegebener Elektrodengröße um ca. 50% erhöht.

Wolframelektrode (Grau)

Graue Wolframelektroden (Bezeichnung WC-20) enthalten unbestimmte Additive seltener Metalloxide oder Hybridkombinationen verschiedener Oxide. Die Hersteller müssen jedoch jedes Additiv und seinen Prozentsatz auf der Verpackung angeben. Abhängig von den Additiven können die gewünschten Ergebnisse einen stabilen Lichtbogen in AC- und DC-Verfahren, eine längere Lebensdauer als Wolfram-Thorium, die Verwendungsmöglichkeit einer Elektrode mit kleinerem Durchmesser für dieselbe Arbeit, die Verwendung eines höheren Stroms für Elektroden identischer Größe und eine geringere Wolframablagerung auf das Werkstück beinhalten.

Wolframelektrode (Orange)

Eine Cer-Wolfram-Elektrode (Bezeichnung WT-40) enthält mindestens 97,70 Wolfram und 1,80 bis 2,20 Prozent an Cer. Diese Elektroden eignen sich am besten für das Gleichstromschweißen bei niedrigen Stromeinstellungen, wobei jene auch bei Schweißprozessen mit Wechselstrom anwendbar sind. Mit deren hervorragender Lichtbogenqualität bei niedriger Stromstärke ist Cer-Wolfram besonders beliebt beim Schweißen und Orbitalschweißen von Röhren, dünnen Blech und bei Arbeiten, die kleine und empfindliche Teile beinhalten.

Gleich wie Thorium ist auch Cer-Wolfram am besten zum Schweißen von Kohlenstoffstahl, Edelstahl, Nickellegierungen und Titan geeignet und kann in einigen Fällen auch eine 2% Thorium-Elektrode ersetzen. Die elektrischen Eigenschaften bei Cer-Wolfram sind zwar etwas anders als bei Thorium, die meisten Schweißer können aber zwischen diesen nicht unterscheiden.

Die Verwendung größerer Elektroden bei höheren Stärken ist nicht empfehlenswert, da bei höheren Stromstärken die Oxide schnell an die Wärme der Spitze übergehen, wodurch der Oxidgehalt entfernt wird und auch die Schweißvorteile schwinden.

Wahl der Dicke/Durchmessers der Wolframelektrode

Die folgende Tabelle gibt die empfohlenen Werte der Schweißströme für einen bestimmten Durchmesser der Wolframelektrode an. In der Regel sorgt eine dünnere Elektrode für eine bessere Zündung des Schweißlichtbogens als eine dickere, gleichzeitig wird aber die dünnere Elektrode schneller abgenutzt. Wenn wir für einen bestimmten Schweißstrom eine zu dicke Elektrode auswählen, kann das während des Schweißens zu einem instabilen Lichtbogen führen, was natürlich die Qualität und Form der Schweißnaht beeinträchtigt.

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  Gleichstrom (A)     Wechselstrom (A)  
 Durchmesser der Wolframelektrode  Elektrodenpolung -  Elektrodenpolung +  50/50 AC Balance
 0,3  0,1 bis 15  /  0,1 bis 15
 0,5  5-20  /  5-20
 1,0  15-80  /  20-60
 1,6  70-150  10-20  60-120
 2,4  150-250  15-30  100-180
 3,2  250-400  25-40  160-250
 4,0  400-500  40-55  200-320
 4,8  500-750  55-80  290-390
 6,4  750-1000  80-125  240-525

Tabelle 1 – Typische Schweißstrombereiche für verschiedene Wolframelektrodendurchmesser beim WIG-Schweißen.

Vorbereitung – Anschleifen der Wolframelektroden – Spitze, runde oder geschnittene Spitze?

Nachdem Sie sich für einen Elektrodentyp entscheiden, folgt der nächste Schritt, die Wahl der Schleifmethode. Die drei häufigsten Methoden zum Schleifen der Wolframelektroden sind das Schleifen in eine Spitze, in eine runde Spitze oder in eine geschnittene Spitze.

Normalerweise wird eine runde Spitze für reine Wolframelektroden mit Bezeichnung Grün verwendet, und bei Wechselstromschweißen (AC) mit sinusförmigen Stromwellen und bei herkömmlichen WIG-Schweißgeräten mit rechteckigen Stromwellen empfohlen. Um die Spitze der Wolframelektrode richtig zu formen, verwenden Sie einfach den empfohlenen Wechselstrom für einen bestimmten Elektrodendurchmesser (Tabelle 1), und es wird sich am Ende der Elektrode eine runde Spitze bilden. Der Durchmesser der gebildeten Rundung sollte das 1,5-fache des Durchmessers der Elektrode nicht überschreiten (z. B. darf die Elektrode mit einem Durchmesser von 1,6 mm eine runde Spitze mit einem Durchmesser von ca. 2 bis 2,5 mm nicht überschreiten). Eine größere Kugel an der Spitze der Elektrode kann die Stabilität des Lichtbogens verringern. Außerdem kann die runde Spitze abfallen und die Schweißnaht verunreinigen.

Vorbereitung – Anschleifen der Wolframelektroden

Beim WIG-Schweißen mit Inverter-Schweißgeräten mit Gleich- oder Wechselschweißstrom werden die Wolframelektroden zu einer Spitze oder zu einer angeschleiften Spitze angeschliffen. Um eine Kontamination der Elektroden zu vermeiden, empfehlen wir die Verwendung spezieller Schleifscheiben zum Schleifen von Wolfram. Diamantschleifer eignen sich dafür am besten.

Achten Sie beim Schleifen der Thorium-Wolfram-Elektroden darauf, dass diese abgesaugt und belüftet werden, da der beim Schleifen entstehende Staub giftig und gesundheitsschädlich ist. Befolgen Sie Warnungen, Anweisungen und Sicherheitsdatenblätter des Herstellers.

Die Elektrode wird parallel zur Schleifscheibe geschliffen, so dass die Schleifspuren in Längsrichtung zur Elektrode verlaufen, wodurch ein stabiler Lichtbogen gewährleistet und die Möglichkeit einer Schweißkontamination verringert wird.

Wir empfehlen Ihnen auch, dass Sie die Wolframelektrode so zentrisch wie möglich anschleifen, denn je zentrischer diese geschliffen wird umso stabiler verhaltet sich der Lichtbogen, wovon auch die Lichtbogenqualität abhängt.

Der Konus am Ende der Elektrode sollte nicht größer als das 2,5-fache des Elektrodendurchmessers sein. Beispielsweise sollte der Konus bei einer 1,6-mm-Elektrode ca. 4 mm lang sein. Auf diese Weise angeschliffene Elektrode garantiert eine bessere Zündung und mehr Präzision beim Lichtbogen.

Wenn Sie ein dünnes Material mit einem sehr geringen Strom (von 0,1 bis 1,00 mm) schweißen, ist es am besten, dass die Elektrode zu einer Spitze angeschliffen wird. In diesem Fall sorgt die spitzgeschliffene Wolframelektrode für maximale Konzentration des Lichtbogens und verhindert so eine übermäßige Wärmeübertragung auf die Schweißnaht. In der Praxis bedeutet dies weniger Biegen des Werkstücks.

Es wird nicht empfohlen, dass Sie eine spitze Wolframelektrode bei höheren Schweißströmen verwenden, denn ein erhöhter Schweißstrom kann dazu führen, dass die Spitze der Elektrode abfällt und die Schweißnaht dadurch verunreinigt wird. Fürs Schweißen bei höheren Stromstärken ist es am besten, dass die Elektrodenspitze geglättet und geschliffen wird. Schärfen Sie also die Elektrode wie oben beschrieben und schleifen Sie dann die Oberseite der Spitze leicht ab. Die flache Oberfläche am Ende der Elektrode verhindert, dass Wolfram über den Lichtbogen übertragen wird, sowie die Bildung einer Kugel.

Natürlich gibt es auch spezielle Elektrodenschleifer zum Schleifen von Wolframelektroden doch aufgrund der hohen Preisen und deren Nichtverfügbarkeit werden jene hier nur erwähnt. Wenn Sie Anweisungen zur Auswahl und Vorbereitung der Wolframelektroden befolgen, können Sie auch ohne spezielle Maschinen und Geräte hervorragende Ergebnisse erzielen.

Fazit

Es hängt vom Anschliffwinkel ab, wie sich der Lichtbogen und der Einband verhalten. Bei einem spitzen Winkel bewirkt, dass Einbrand tiefer ist, während bei einem stumpfen Winkel bei gleichem Schweißstrom der Einbrand flacher wird. Um aber ein gutes Schweißergebnis zu erzielen und die Spitze gering zu belasten, gilt als Richtwert, dass die Spitze der Elektrode nach dem Anschliff um ca. 10% des Elektrodendurchmessers abgestumpft werden kann (2,4mm = ca. 0.24mm abstumpfen). Bei der Länge gilt, der Durchmesser der Elektrode ca. mal 1 – 1,5. Also bei der Länge einer 1,6er Elektrode ist gleich 1,6 – 2,4mm.

Für Wolframelektroden geeignete WIG-Schweißgeräte