Triconstant-Elektroden entstehen nach Kundenzeichnungen. Dabei fließen sowohl das Leistungsspektrum als auch Anforderungen an konkrete Abmessungen mit ein.

Triconstant-Elektroden entstehen nach Kundenzeichnungen. Dabei fließen sowohl das Leistungsspektrum als auch Anforderungen an konkrete Abmessungen mit ein. (Bild: Wolfram Industrie)

Vorteile durch Wolfram

Anhand des Beispiels eines Zulieferers für die Automobilindustrie erläutert Wolfram Industrie die Vorteile von Widerstandschweißelektroden gegenüber gelöteten Elektroden. Zum Einsatz kam die Widerstandschweißelektrode WHG3, bei der ein Einsatz aus Wolfram mit Kupfer hintergossen wird. Durch diese Kombination unterschiedlicher Werkstoffe verkraften die Elektroden nicht nur höhere thermische und mechanische Belastungen, auch technische und wirtschaftliche Vorteile entstehen.

Als gängiges und leicht zu handhabendes Schweißverfahren kommt das Widerstandsschweißen in allen Bereichen zum Einsatz, in denen Metalle ohne Lufteinschlüsse oder Einbußen der leitenden Fähigkeiten miteinander zu verbinden sind. Das ist vorrangig in der Automobil-, Luftfahrt-, Elektro- und Elektronik- sowie der Haushaltsgeräteindustrie der Fall. Ein Vorteil des Widerstandsschweißens ist die Reproduzierbarkeit der Verbindungsstelle, wofür unter anderem die Qualität der Elektrode ausschlaggebend ist.

Das bayerische Unternehmen Wolfram Industrie bietet mit Triconstant eine Widerstandsschweißelektrode, die eine sichere Verbindung zwischen dem Kupfer und dem Wolframeinsatz ermöglicht und so für einen ununterbrochenen Stromübergang und eine bessere Wärmeabfuhr sorgt. Das liegt daran, dass der Wolframkern der Elektroden mit Kupfer oder Kupferlegierungen hintergossen ist. So entstehen keine Lufteinschlüsse, die bei gelöteten Elektroden häufig vorkommen und für schlechtere Ergebnisse sorgen.

Beispiel aus der Praxis

Ein Elektrotechnikbetrieb, der als Zulieferer für die Automobilindustrie tätig ist, verschweißt täglich mehrere tausend Drahtenden aus Kupfer an den Spulen von Elektromotoren. Indes waren dem Unternehmen die Ergebnisse der bislang gelöteten Elektroden jedoch zu unterschiedlich und unsicher. Deshalb kommt seit Herbst 2014 die Widerstandsschweißelektrode WHG3 zum Einsatz, eine Triconstant-Elektrode von Wolfram Industrie, die exaktere und reproduzierbare Ergebnisse für Punkt-, Naht-, Buckel- und Stumpfschweißen liefert. Dafür wird ein Einsatz aus Wolfram oder Wolfram-Lanthan mit Kupfer hintergossen, wobei die genaue Konfiguration der Widerstandsschweißelektrode exakt an die zu verbindenden Werkstoffe angepasst ist. Nur so ist eine solide Schweißung gesichert.

Bei gelöteten Elektroden können Lufteinschlüsse zwischen Elektrodenmantel und -kern die Ergebnisse des Schweißvorganges beeinträchtigen.

Bei gelöteten Elektroden können Lufteinschlüsse zwischen Elektrodenmantel und -kern die Ergebnisse des Schweißvorganges beeinträchtigen. Wolfram Industrie

Zudem gibt es eine Variante, die noch zusätzlich mit reinem Kupfer versetzt ist. Kupfer senkt zwar die mechanische Festigkeit der Elektrode, verbessert aber im Gegenzug die Stromübertragung und Wärmeabfuhr. Dadurch kann die Standzeit im Einzelfall wesentlich höher ausfallen.
„Die spezielle Verbindung der einzelnen Werkstoffe erreichen wir durch eine genaue Prozessführung, bei der Temperaturverläufe, Zeiten und auch Druckverläufe eine wichtige Rolle spielen“, berichtet Michael Bisaha, Produktmanager Verbundwerkstoffe bei Wolfram Industrie.

Temperaturverläufe, Zeiten und Druckverläufe spielen eine wichtige Rolle bei einer genauen Prozessführung: Michael Bisaha von Wolfram Industrie.

"Temperaturverläufe, Zeiten und Druckverläufe spielen eine wichtige Rolle bei einer genauen Prozessführung": Michael Bisaha von Wolfram Industrie. Wolfram Industrie

Widerstandsschweißelektroden aus unterschiedlichen Werkstoffen bieten deutliche Vorteile, wenn sie optimal miteinander kombiniert sind. Beispielsweise können deren Schäfte und Arbeitsflächen besser hohen thermischen wie auch mechanischen Belastungen standhalten und zudem technische und wirtschaftliche Vorteile schaffen: Anwendungstechnisch entsteht eine größtmögliche Verbindung von Härte, Elastizität, Wärme- und elektrischer Leitfähigkeit, betriebswirtschaftlich eine leistungsfähige Verbindung von langer Standzeit, besserer Qualität und damit größerer Effizienz.

Leistungsfähiger Kupfer-Verbund

Im Vergleich zu Konkurrenzmaterialien wie reinem Kupfer, reinem Wolfram, Kupfer-Chrom-Zirkonium-Verbindungen oder gelöteten Wolfram-Kupfer-Chrom-Zirkonium-Verbindungen liefert die WHG3 aus hintergossenen Wolfram-Kupfer-Verbundwerkstoffen (WCu) bessere Ergebnisse in Sachen Härte beziehungsweise Festigkeit, elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, Hitzebeständigkeit, Erosion und Klebeneigung sowie Standzeiten. „Die jeweiligen Werte hängen nicht nur von der Geometrie ab, sondern auch von der Punktschweißmaschine, den Schweißparametern und den Materialien, die verschweißt werden“, erläutert Bisaha. „Durch die Verwendung verschiedener Einsätze etwa aus reinem Wolfram oder Wolfram mit Dotierungen wie WLa20 oder WCe20 lässt sich die Hitzebeständigkeit und Leitfähigkeit individuell anpassen.“

Ein Einsatz aus Wolfram oder Wolfram-Lanthan wird mit Kupfer hintergossen. So entsteht eine einwandfreie Verbindung ohne Lufteinschlüsse

Ein Einsatz aus Wolfram oder Wolfram-Lanthan wird mit Kupfer hintergossen. So entsteht eine einwandfreie Verbindung ohne Lufteinschlüsse Wolfram Industrie

Zudem hat die WHG3 keine Sandwichstruktur wie andere typische Verbundmaterialien, da die Verbindung auf Infiltration beziehungsweise einer oberflächlichen Benetzbarkeit beruht. Das Unternehmen fertigt die Triconstant-Elektroden jeweils nach Kundenanforderungen und deren Zeichnungen. Dabei fließen sowohl das Leistungsspektrum als auch Anforderungen an konkrete Abmessungen mit ein.

Die Eigenschaften des Elektrodenmaterials sind äußerst wichtig für ein optimales Arbeitsergebnis. Denn die Kräfte, die zwei gegenüberliegende Elektroden beim Widerstandsschweißen punktuell zusammenpressen, liegen material- und prozessabhängig oft im Bereich von mehreren Kilonewton. Daher muss eine ausreichende mechanische Festigkeit der Elektrode über die gesamte Lebensdauer gewährleistet sein.

Mechanisch und thermisch belastbarer

Ursache für den starken Verschleiß der Elektroden ist aber oftmals die starke thermische Wechselbelastung: Kurze Strömstöße mit Stromstärken von mehreren Kiloampere für teilweise weniger als 100 ms belasten die Elektroden stark. Je besser die Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit, desto länger die Standzeit. Hintergossene Elektroden bieten hier Vorteile, da sich bei gelöteten Elektroden die Eigenschaften von Elektrode zu Elektrode stark unterscheiden können.

Eine Variante der Elektrode ist zusätzlich mit reinem Kupfer versetzt. Kupfer senkt die mechanische Festigkeit, verbessert aber Stromübertragung und Wärmeabfuhr.

Eine Variante der Elektrode ist zusätzlich mit reinem Kupfer versetzt. Kupfer senkt die mechanische Festigkeit, verbessert aber Stromübertragung und Wärmeabfuhr. Wolfram Industrie

„Derzeit lässt sich eine porenfreie Lötverbindung technisch nicht reproduzierbar realisieren“, betont Bisaha. „Die Verbindung und damit auch die elektrische Kontaktierung ändern sich, wodurch der Widerstand und demzufolge auch das Schweißverhalten zwischen einzelnen Elektroden sehr stark schwanken können.“

Generell arbeitet Wolfram Industrie ausschließlich mit Wolfram beziehungsweise Werkstoffverbunden wie Tungstit aus beispielsweise Wolfram und Kupfer respektive Wolfram und Silber. „Dabei handelt es sich um ein Durchdringungsverbundmaterial, bei dem ein poröser Sinterkörper aus Wolfram mit Kupfer oder Silber infiltriert ist“, erklärt Bisaha. Typische Anwendungen finden sich beim Erodieren oder bei Kontaktmaterial.

Dipl.-Ing. Wolfgang Jung

Forschung und Entwicklung bei Wolfram Industrie.

(mou)

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