Schweißen statt Löten: Hintergossene  Widerstandsschweißelektroden aus Wolfram und Kupfer sollen für einen optimalen Stromübergang sorgen und so als Alternative zu Lötverfahren dienen.

von MICHAEL BISAHA

Vergleich der Elektroden: Bei gelöteten Elektroden können durch Lufteinschlüsse zwischen Elektrodenmantel und -kern die Ergebnisse des Schweißvorgangs beeinträchtigt werden (links). Ein Einsatz aus Wolfram oder Wolfram-Lanthan wird mit Kupfer hintergossen (mittig). Zudem gibt es eine Variante, die noch zusätzlich mit reinem Kupfer versetzt ist (rechts).

Als gängiges und leicht zu handhabendes Schweißverfahren wird das Widerstandsschweißen in allen Bereichen eingesetzt, in denen Metalle ohne Lufteinschlüsse oder Einbußen ihrer leitenden Fähigkeiten miteinander verbunden werden müssen. 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 an, die eine einwandfreie Verbindung zwischen dem Kupfer und dem Wolframeinsatz bietet und so für einen optimalen, ununterbrochenen Stromübergang und eine bessere Wärmeabfuhr sorgen soll. Dies wird dadurch erreicht, dass der Wolframkern der Elektroden mit Kupfer oder Kupferlegierungen hintergossen wird, wodurch die Lufteinschlüsse, die bei gelöteten Elektroden häufig vorkommen und für schlechtere Ergebnisse sorgen, vollständig vermieden werden können.

Reproduzierbare Ergebnisse durch Schweißprozesse

Ein Elektrotechnikbetrieb, der als Zulieferer für die Automobilindustrie tätig ist, verschweißt täglich mehrere tausend Drahtenden aus Kupfer an den Spulen von Elektromotoren. Da dem Unternehmen die Ergebnisse der bislang gelöteten Elektroden jedoch zu unterschiedlich und unsicher waren, wird seit Herbst 2014 die Widerstandsschweißelektrode WHG3 verwendet. Dies ist eine Form der Triconstant-Elektroden 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 Werkstoffe angepasst wird, die verbunden werden sollen. Zudem gibt es eine Variante, die noch zusätzlich mit reinem Kupfer versetzt ist. Kupfer senkt zwar die  mechanische Festigkeit der Elektrode, allerdings verbessert es im Gegenzug die Stromübertragung und die Wärmeabfuhr. Dadurch kann die Standzeit im Einzelfall wesentlich erhöht werden.
Die spezielle Verbindung der einzelnen Werkstoffe erreicht Wolfram Industrie durch eine genaue Prozessführung. Hierbei spielen Temperaturverläufe, Zeiten und auch Druckverläufe eine wichtige Rolle. Widerstandsschweißelektroden aus unterschiedlichen Werkstoffen bieten deutliche Vorteile, wenn sie optimal miteinander kombiniert werden. So können beispielsweise die Schäfte und Arbeitsflächen der Elektroden besser hohen thermischen wie auch mechanischen Belastungen standhalten und zudem technische und wirtschaftliche Vorteile schaffen: Anwendungstechnisch wird eine größtmögliche Verbindung von Härte, Elastizität, Wärme- und elektrischer Leitfähigkeit erzeugt, betriebswirtschaftlich eine leistungsfähige Verbindung von hoher Standzeit, besserer Qualität und damit größerer Effizienz.

Bessere Ergebnisse durch Werkstoffverbunde

Im Vergleich zu Konkurrenzmaterialien wie reinem Kupfer, reinem Wolfram, KupferChrom-Zirkonium-Verbindungen oder gelöteten Wolfram-Kupfer-Chrom-ZirkoniumVerbindungen liefert die WHG3 aus hintergossenen Wolfram-Kupfer-Verbundwerkstoffen bessere Ergebnisse bei 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 verwendeten Schweißparametern und den Materialien, die verschweißt werden. Durch die Verwendung verschiedener Einsätze – zum Beispiel reines Wolfram oder Wolfram mit Dotierungen wie WLa20 oder WCe20 –  kann die Hitzebeständigkeit und Leitfähigkeit individuell an die Anforderungen der Kunden angepasst werden. 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 speziellen Eigenschaften des Elektrodenmaterials sind äußerst wichtig für ein optimales Arbeitsergebnis: Die Kräfte, mit denen zwei gegenüberliegende Elektroden beim Widerstandsschweißen punktuell zusammengepresst werden, sind material- und prozessabhängig und liegen oft im Bereich von mehreren Kilonewton. Daher muss eine ausreichende mechanische

Festigkeit der Elektrode über die gesamte Lebensdauer gewährleistet werden.
Ursache für den starken Verschleiß der Elektroden ist oftmals die starke thermische Wechselbelastung: Die Elektroden werden in schneller Folge durch kurze Strömstöße mit Stromstärken von mehreren Kiloampere, die teilweise weniger als 100 ms anliegen, stark belastet. Je besser die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit sind, desto positiver wirkt sich das auf die Standzeit aus. Vorteile bieten hier hintergossene Elektroden, da sich bei gelöteten Elektroden die Eigenschaften von Elektrode zu Elektrode stark unterscheiden können. Derzeit lässt sich eine porenfreie Lötverbindung technisch nicht reproduzierbar realisieren.
Die Verbindung und damit auch die elektrische Kontaktierung ändern sich, wodurch der Widerstand und damit 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 wird. Typische Anwendungen finden sich beim Erodieren oder bei Kontaktmaterial.