Einfluss des Elektrodenabstands beim WIG-Kaltdrahtschweißen

Ein aktuelles Beispiel zeigt, wie praxisnah TIME agiert: Bei einem Kunden kommt es beim automatisierten WIG-Kaltdrahtschweißen zu erhöhtem Ausschuss. Teilweise zeigen die geschweißten Bauteile auf einem Drittel der Schweißnahtlänge Unregelmäßigkeiten in Form von unregelmäßiger Schuppung sowie lokalem Nahteinfall und lokaler Nahtüberhöhung. Was ist passiert?

Wie bei allen Schweißaufgaben hängt auch beim WIG-Kaltdrahtschweißen die Prozessstabilität in hohem Maße von der richtigen Einstellung der Schweißparameter ab. Ein kritischer, aber manchmal weniger beachteter Faktor ist dabei der Abstand zwischen Wolframelektrode und Werkstück, also die Lichtbogenlänge. Bereits geringe Abweichungen können maßgeblich Einfluss auf Einbrand, Nahtform und die Qualität der Drahtaufschmelzung haben.

Der Elektrodenabstand ist also ein wichtiger Stellhebel für die Prozesssicherheit beim WIG-Kaltdrahtschweißen. Abweichungen im Bereich weniger Zehntelmillimeter können hier den Unterschied zwischen stabiler Naht und Schweißfehlern ausmachen.

Auswirkungen von Abstandsänderungen

Bei einem zu großen Abstand führt der längere Lichtbogen zu einer größeren Lichtbogenspannung. Da sich dadurch der Wärmeeintrag diffuser verteilt, kommt es zu einem geringeren Einbrand mit dem Ergebnis einer breiten und flachen Nahtgeometrie. Damit einher geht das Risiko von Bindefehlern und Porenbildung.

Gleichzeitig wird durch den größeren Abstand die Schutzgasabdeckung geschwächt, was zu Oxidation führt – insbesondere bei Edelstahl und Aluminium. Womöglich befindet sich die Drahtspitze teilweise außerhalb des Lichtbogens, was eine ungleichmäßige oder verzögerte Aufschmelzung zur Folge hat.

Bei einem zu kleinen Abstand besteht das Risiko des Kontaktierens der Elektrode mit dem Werkstück. Die Folge wäre ein Kurzschluss und/oder Wolfram-Einschlüsse und/oder sogar ein temporärer Ausfall des Lichtbogens. Ebenso erfolgt die Energieeinbringung sehr konzentriert, was Einbrandkerben und/oder Durchbrand besonders bei dünnen Blechen zur Folge haben kann. Bei Beinahe-Berührungen wird der Lichtbogen instabil, was zur unregelmäßigen Drahtförderung und einer unruhigen Naht führt. Außerdem wird die Gasströmung eingeschränkt, wenn die Düse zu nahe am Bauteil geführt wird.

Zulässige Toleranzen für einen stabilen Prozess

Die zulässige Abweichung des Elektrodenabstands hängt von Werkstoff, Materialdicke und der Art der Schweißführung (manuell oder automatisiert) ab. Wichtig ist, den Draht im richtigen Verhältnis zur Lichtbogenposition zu führen. Der optimale Drahtüberstand zur Schweißstelle beträgt in der Regel 2…6 mm. Abweichungen führen hier schnell zu ungleichmäßigem Aufschmelzen oder Spritzern.

Der passende Abstand hängt zudem davon ab, ob der Schweißprozess manuell oder mechanisiert bzw. automatisiert ausgeführt wird. Beim manuellen WIG-Kaltdrahtschweißen wird ein typischer Arbeitsabstand von 1,5…3,0 mm empfohlen. Die praktikable Toleranz beträgt ±0,5 mm.

Für das automatisierte WIG-Kaltdrahtschweißen wird ein typischer Arbeitsabstand von 1,5…2,5 mm und eine Toleranz: ±0,1…0,3 mm, abhängig von der Schweißaufgabe und Qualitätsanforderung, empfohlen.

Fehlerbilder als Diagnosehilfe

Wenn die Schweißnaht sich flach und breit ausbildet mit unzureichendem Einbrand, ist der Elektrodenabstand zu groß. Bei Wolframeinschlüssen und Lichtbogenaussetzer kann man davon ausgehen, dass der Elektrodenabstand zu klein ist und die Elektrode das Werkstück berührt. Kommt es zu einer unregelmäßigen Nahtbreite und schwankenden Tropfenbildung, ist das die Folge von schwankendem Elektrodenabstand bzw. Überschreitung der angegebenen Toleranzwerte.

Dies Empfehlungen gibt TIME für die Praxis

1. Konstante Handführung bei manueller Schweißung trainieren; kleine, gleichmäßige Bewegungen beibehalten.
2. Automatisierte Verfahren mit Abstandsregelung oder Lichtbogen-Längensteuerung ausrüsten.
3. Vorversuche: Abstand variieren und das Nahtbild bewerten, um den optimalen Arbeitsbereich für das jeweilige Bauteil zu ermitteln.
4. Gasdüse anpassen: Kleinere Düsendurchmesser begünstigen stabile Gasführung bei kurzem Elektrodenabstand.
5. Elektrodenschliff optimieren: Eine korrekt zugeschliffene Elektrode (konischer oder stumpf-konischer Schliff) stabilisiert den Lichtbogen zusätzlich.