TIG-Schweißen

Das Schweißverfahren wurde Anfang der 1940er-Jahre in den USA für schwer schweißbare Metalle wie Magnesium und Aluminium entwickelt, wobei vor allem die Luftfahrtindustrie die Entwicklung vorantrieb.

Anfangs verwendete man Helium als Schutzgas, später jedoch Argon, das günstiger ist und in einigen Aspekten bessere Eigenschaften besitzt. Die ersten Elektroden bestanden aus Graphit oder Wolfram, wurden jedoch im Laufe der Zeit durch legierte Wolframvarianten ersetzt, die verbesserte Eigenschaften bieten. Während in den frühen Jahren das sogenannte Kratzstartverfahren üblich war, um den Lichtbogen zu zünden, ging man aufgrund der Gefahr von Verunreinigungen im Schweißgut zur HF-Zündung (Hochfrequenzzündung) über.

Heute ist das TIG-Schweißen als Verfahren vollständig anerkannt und weit verbreitet, insbesondere in den USA. Dank seiner zahlreichen positiven Eigenschaften wird TIG auch in Zukunft ein wichtiges Schweißverfahren bleiben. Ursprünglich war TIG-Schweißen unter dem Namen „Argonschweißen“ bekannt, doch da Argon mittlerweile bei vielen Schweißmethoden zum Einsatz kommt, ist dieser Begriff heute nicht mehr eindeutig.

Zunächst wurde TIG ausschließlich für manuelles Schweißen verwendet, doch mit der Zeit entwickelte sich das Verfahren auch für mechanische und automatische Anwendungen weiter. Heute ist es gängig in Robotern, Rohrverbindungssystemen, Rohrinnenschweißmaschinen und Längsnahtschweißautomaten – um nur einige Beispiele zu nennen

Das Prinzip des TIG-Schweißens

Beim TIG-Schweißen entsteht ein Lichtbogen zwischen einer nicht abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück. Elektrode, Lichtbogen, Schmelze und ggf. Zusatzwerkstoff werden durch ein chemisch inaktives Schutzgas, meist Argon, vor der Einwirkung der Luft geschützt. In der Regel wird mit Gleichstrom geschweißt, wobei die Elektrode an den Minuspol angeschlossen ist. Für Leichtmetalle wird jedoch meist Wechselstrom verwendet, da dieser eine oxidauflösende Wirkung hat. Bei Gleichstromschweißen entwickelt sich etwa 70 % der Wärme am Pluspol, weshalb man die Elektrode üblicherweise an Minus und das Werkstück an Plus anschließt. Beim Wechselstromschweißen verteilt sich die Wärme gleichmäßig auf beide Pole (50/50).

Das Schweißen kann nur durch das Aufschmelzen des Grundwerkstoffs erfolgen, in der Praxis wird jedoch meist Zusatzwerkstoff verwendet. Dieser bringt Legierungselemente in die Schweißnaht ein und sorgt für stabilere Verbindungen. Der stromlose Zusatzdraht wird von der Seite zugeführt. Im Unterschied zum MIG-Schweißen lässt sich hier das Verhältnis zwischen Wärmeeintrag und Zusatzwerkstoff exakt steuern. Wichtig ist, dass das Drahtende stets vom Schutzgas umhüllt bleibt, damit es nicht oxidiert. Vor jedem neuen Start sollte die oxidierte Drahtspitze entfernt werden, um Verunreinigungen in der Schmelze zu vermeiden.

Das Zünden des Lichtbogens erfolgt üblicherweise über einen in der Stromquelle eingebauten HF-Generator. Bei Gleichstromschweißen schaltet dieser automatisch ab, sobald der Lichtbogen gezündet ist. Beim Wechselstromschweißen erlischt der Lichtbogen bei jedem Nulldurchgang des Stroms, weshalb der HF-Generator dauerhaft zugeschaltet sein muss. Nachteil: HF-Zündung kann Funk- und Elektronikgeräte stören, z. B. Computer, wenn diese nicht ausreichend abgeschirmt sind.

Weitere Zündmethoden sind:

Kratzstart: Elektrode am Werkstück anstreichen, wodurch die Leerlaufspannung den Lichtbogen zündet. Nachteil: Wolfram kann ins Werkstück gelangen.

Lift-Arc: Elektrode aufs Werkstück setzen, eine geringe Stromstärke fließt, beim Anheben zündet der Lichtbogen. Vorteil: keine Wolfram-Einschlüsse.

Nach der Zündung steigt die Stromstärke über eine einstellbare Zeit stufenlos auf den Sollwert an (Slope-Up). Das verhindert eine Überlastung der Elektrode, verlängert deren Lebensdauer und stabilisiert den Schweißbeginn. Beim Beenden der Naht wird der Strom stufenlos heruntergeregelt (Slope-Down), um Kraterbildung zu vermeiden. Danach strömt Schutzgas nach, bis Schmelze und Elektrode ausreichend gegen Oxidation geschützt sind.

Warum TIG-Schweißen?

Im Vergleich zu anderen Verfahren zeichnet sich TIG durch besonders hohe Schweißqualität aus. Es wird vor allem für rostfreie und hochlegierte Stähle sowie für Nichteisenmetalle genutzt – prinzipiell ist es für alle Werkstoffe außer Zink geeignet.

Mit entsprechender Nahtvorbereitung lassen sich alle Blechdicken schweißen, am meisten eingesetzt wird das Verfahren jedoch für dünne Materialien. Der präzise Wärmeeintrag ermöglicht das Verschweißen selbst kleinster Bauteile.

Die Schweißnähte sind sehr sauber, glatt und optisch hochwertig – ideal für Anwendungen, bei denen Ästhetik und Oberflächenqualität eine Rolle spielen. Nachteil: Im Vergleich zu MIG/MAG ist TIG langsamer, besonders bei dicken Materialien. In Kombination mit anderen Methoden kann jedoch eine hohe Geschwindigkeit bei gleichbleibender Qualität erreicht werden.

Anwendungen und Branchen

TIG-Schweißen kommt überall dort zum Einsatz, wo höchste Nahtqualität gefordert wird, z. B. in der:

• Kerntechnik
• Lebensmittelindustrie
• Luftfahrt
• Offshore-Industrie

Typische Anwendungen sind Rohrverbindungen und das Einschweißen von Rohren in Rohrplatten.

Charakteristische Merkmale des TIG-Schweißens

• Sehr hohe Nahtqualität
• Besonders geeignet für dünnwandige Materialien
• Universell für viele Werkstoffe einsetzbar
• Glatte, saubere Nähte ohne Spritzer
• Genaue Maßhaltigkeit
• Schweißen auch ohne Zusatzmaterial möglich
• Keine Schweißrauche
• In allen Schweißpositionen möglich

Stromquelle

Für das WIG-Schweißen gibt es verschiedene Stromquellen. Die einfachste für manuelles Schweißen ist eine MMA-Stromquelle, die mit Kratzstart verwendet wird. Sie liefert einen konstanten Strom, was für das WIG-Schweißen erforderlich ist. Der Schweißstrom muss stabil bleiben und darf sich nicht ändern, wenn sich die Lichtbogenspannung verändert.

Es gibt auch Doppelstromquellen, die sowohl Gleich- als auch Wechselstromschweißen ermöglichen.

MIG/MAG-Stromquellen haben hingegen eine konstante Spannung und können nicht für das WIG-Schweißen eingesetzt werden.

WIG-Brenner

Der WIG-Brenner besteht aus einem Brennerkopf, an dem ein Kabel für den Schweißstrom und ein Schlauch für die Schutzgaszufuhr angeschlossen sind. Je nach Stromstärke wird der Brenner entweder mit Luft oder mit Wasser gekühlt.

Luftgekühlte Brenner sind einfacher zu handhaben, halten jedoch nur ca. 50–150 A aus.

Wassergekühlte Brenner sind etwas unhandlicher, da zusätzliche Schläuche benötigt werden, bieten aber klare Vorteile und sind daher bei höheren Strömen (250–600 A) die Standardlösung.

Die Elektrode wird in einer Kupfer-Spannhülse fixiert, die den Strom überträgt. Die Spannhülse sitzt in einer Gaslinse oder einem Elektrodendüseneinsatz, darüber befindet sich eine Gaskappe, die den Gasstrom zur Schweißnaht lenkt. Hinten wird die Elektrode durch ein Bakstück mit O-Ring abgedichtet. Zwischen Gaskappe und Elektrodenhalter befindet sich zusätzlich ein Dichtring.

Gaskappe

Gaskappen gibt es in vielen Größen und Ausführungen. Als Faustregel wählt man eine Gaskappe, deren Innendurchmesser etwa dem Vierfachen des Elektroden-Durchmessers entspricht. Je kleiner der Durchmesser der Gaskappe, desto höher ist die Austrittsgeschwindigkeit des Gases. Das ist vorteilhaft in Umgebungen mit starker Luftbewegung, allerdings wird der Gasstrahl schmaler und deckt eine kleinere Fläche ab – nachteilig etwa bei Heißschweißungen. Eine größere Gaskappe deckt eine größere Fläche ab, benötigt aber höheren Gasdurchfluss.

Elektrode

Die beim WIG-Schweißen verwendete Elektrode besteht aus Wolfram, da dieses Material bei den hohen Temperaturen im Schweißprozess nicht schmilzt. Wolframelektroden haben einen Schmelzpunkt von 3410 °C und eine sehr gute Strom- und Wärmeleitfähigkeit.

Es gibt sie in verschiedenen Typen und Dimensionen, die nach der verwendeten Stromstärke ausgewählt werden. Grundregel: So dünn wie möglich wählen → konzentrierter Lichtbogen, kleineres Schmelzbad, tiefere Einbrandtiefe. Wählt man eine zu grobe Elektrode, wird der Lichtbogen instabil.

Richtwerte für Stromverbrauch pro mm Materialstärke:

Kupfer (Cu): 75–80 A

Aluminium (Al): 40–50 A

Edelstahl: 30–40 A

Stahl/niedriglegiert: 30–40 A

Schutzgas

Beim Schweißen müssen Elektrode, Schmelzbad und umliegendes Metall vor Luft geschützt werden. Dringt Sauerstoff oder Stickstoff ein, bilden sich Oxide und Nitride, die eine schlechte Schweißnaht verursachen. Auch die Elektrode wird ohne Schutzgas beschädigt.

Die Schutzgase sind chemisch inerte Edelgase, hauptsächlich Argon (Ar) und Helium (He). Die Wahl des Gases hängt ab von Materialtyp, Materialdicke. Schweißposition, Energiebedarf, Kosten & Arbeitsumgebung. Das Gas leitet außerdem Strom und Wärme und hat eine kühlende Wirkung auf Elektrode und Schmelze.

Richtwerte für Gasdurchfluss:

Normal: ca. 8–10 l/min

Bei Heißschweißen: erhöhen

Bei Kaltarbeiten: reduzieren

Gaslinse

Ein langes Elektrodenausstehen und große Gaskappen erfordern mehr Gasdurchfluss. Hier hilft eine Gaslinse, die den Gasstrom effizient bündelt:

• Gasdurchfluss kann um ca. 50 % reduziert werden
• Elektrodenausstand bis 15–20 mm möglich → besserer Einblick ins Schweißbad, leichteres Arbeiten in engen Bereichen
• Geringeres Risiko für Schweißfehler durch Luftzug

Checkliste für guten Gasschutz:

• Richtiger Gasdurchfluss
• Keine Gaslecks
• Keine Luftdiffusion in
• Richtige Pistolenhaltung
• Keine Feuchtigkeitsaufnahme bei Stillstand
• Ausreichender Druck in der Gasflasche
• Elektrodenausstand nicht zu lang
• Verwendung einer Gaslinse
• Kein Wasserleck im Brenner
• Keine Zugluft im Raum

Um ein zufriedenstellendes Erscheinungsbild und eine optimale Qualität der Schweißnaht zu erreichen, können zahlreiche Schweißparameter eingestellt werden. Nachfolgend eine Übersicht dieser Parameter und ihrer Wirkung auf die Schweißung:

Höherer Pulsstrom

• Erhöhte Einbrandtiefe
• Erhöhtes Risiko für Bindefehler (Unterwölbung, Klasse 6)
• Verringertes Risiko für unvollständige Verschmelzung

Längerer Pulsstrom

• Verringerte Einbrandtiefe
• Erhöhtes Risiko für unvollständige Verschmelzung

Längere Pulszeit

• Erhöhte Einbrandtiefe
• Erhöhtes Risiko für Bindefehler (Kl. 6)
• Verringertes Risiko für unvollständige Verschmelzung

Kürzere Pulszeit

• Verringerte Einbrandtiefe
• Verringertes Risiko für Bindefehler (Kl. 6)
• Erhöhtes Risiko für unvollständige Verschmelzung

Längere Pausenzeit

• Verringerte Einbrandtiefe
• Erhöhtes Risiko für unvollständige Verschmelzung

Kürzere Pausenzeit

• Erhöhte Einbrandtiefe
• Erhöhtes Risiko für Bindefehler (Kl. 6)
• Verringertes Risiko für unvollständige Verschmelzung

Höhere Spannung

• Flachere Schweißnahtüberhöhung
• Verringertes Risiko für unvollständige Verschmelzung

Niedrigere Spannung

• Größere Schweißnahtüberhöhung

Höhere Drahtvorschubgeschwindigkeit

• Größere Wurzelüberhöhung
• Höhere Abschmelzleistung
• Verringertes Risiko für Bindefehler (Kl. 6)
• Erhöhtes Risiko für unvollständige Verschmelzung

Niedrigere Drahtvorschubgeschwindigkeit

• Niedrigere Abschmelzleistung
• Erhöhtes Risiko für Bindefehler (Kl. 6)
• Verringertes Risiko für unvollständige Verschmelzung

Höhere Schweißgeschwindigkeit

• Verringerte Einbrandtiefe
• Geringere Wurzelüberhöhung
• Verringertes Risiko für Bindefehler (Kl. 6)
• Erhöhtes Risiko für unvollständige Verschmelzung

Niedrigere Schweißgeschwindigkeit

• Erhöhte Einbrandtiefe
• Erhöhtes Risiko für Bindefehler (Kl. 6)