Wolfram und Kupfer für optimalen Stromübergang

Als 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 Unternehmen Wolfram Industrie bietet mit Triconstant eine Widerstandsschweiß-Elektrode an, die eine einwandfreie Verbindung zwischen dem Kupfer und dem Wolframeinsatz garantiert und so für einen ununterbrochenen Stromübergang und eine bessere Wärmeabfuhr sorgt. Dies wird dadurch erreicht, dass der Wolframkern der Elektroden mit Kupfer oder Kupferlegierungen hintergossen wird.

Der Autor: Dipl.-Ing. Wolfgang Jung, Forschung & Entwicklung, Wolfram

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 ein paar Monaten nun die neue Elektrode zum Widerstandsschweißen, WHG3, verwendet, 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. Nur so ist eine solide Schweißung gesichert. 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 erreichen wir durch eine genaue Prozessführung, bei der Temperaturverläufe, Zeiten und auch Druckverläufe eine wichtige Rolle spielen“, erklärt MichaelBisaha, Produktmanager Verbundwerkstoffe bei Wolfram Industrie.

Elektroden zum Widerstandsschweißen aus unterschiedlichen Werkstoffen bieten deutliche Vorteile, wenn sie optimal miteinander kombiniert werden. Beispielsweise können deren Schäfte und Arbeitsflächen 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.

Verbindung beruht auf Infiltration und oberflächlicher Benetzbarkeit

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-WCu-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“, erläutert Bisaha die zu erwartenden Ergebnisse. „Durch die Verwendung verschiedener Einsätze – wie zum Beispiel reines Wolfram oder Wolfram mit Dotierungen wie WLa20 oder WCe20 – kann die Hitzebeständigkeit und Leitfähigkeit individuell 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.

Vorteile der Schweißverbindung gegenüber der Lötverbindung

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 kN. Daher muss eine ausreichende mechanische Festigkeit der Elektrode über die gesamte Lebensdauer gewährleistet werden.

Ursache für den starken Verschleiß der Elektroden ist aber oftmals die starke thermische Wechselbelastung: Die Elektroden werden in schneller Folge durch kurze Strömstöße mit Stromstärken von mehreren kA, die teilweise weniger als 100 ms anliegen, stark belastet. Je besser die Wärmeleitfähigkeit und 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.

Aufbau der Elektrode

„Derzeit lässt sich eine porenfreie Lötverbindung technisch nicht reproduzierbar realisieren“, berichtet Bisaha. „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“, so Bisaha. Typische Anwendungen finden sich beim Erodieren oder bei Kontaktmaterial. bt

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