Ratgeber zum Plasmaschweißen

Ratgeber zum Plasmaschweißen

Das Plasmaschweißen ist immer weiter auf dem Vormarsch. Denn sowohl bei manuellen als auch bei automatischen Anwendungen bietet es gegenüber anderen Schweißverfahren wie etwa dem Schutzgas-, dem WIG– oder dem Laserschweißen eine Reihe von Vorteilen.

Doch wie funktioniert das Plasmaschweißen? Und was sind mögliche Einsatzgebiete?

Diese und weitere Fragen beantwortet der folgende Ratgeber zum Plasmaschweißen:

Das Plasmaschweißen als Schweißverfahren

Ähnlich wie beim WIG-Schweißen brennt auch beim Plasmaschweißen ein Lichtbogen zwischen dem Werkstück und der Wolframelektrode. Doch während der Lichtbogen beim WIG-Schweißen frei brennt, wird der Hauptlichtbogen beim Plasmaschweißen durch eine zusätzliche Düse eingeschnürt. Zwischen dieser Düse und der Wolframelektrode strömt ein Plasmagas. Da die Düse wassergekühlt ist, kommt es zu einer Kühlwirkung, die den einschnürenden Effekt thermisch verursacht und gleichzeitig elektromagnetisch verstärkt.

Neben dem Hauptlichtbogen brennt beim Plasmaschweißen zwischen der Plasmadüse und der Wolframelektrode noch ein Pilotlichtbogen. Die Stromstärke dieses Pilotlichtbogens bewegt sich üblicherweise in einem Bereich zwischen drei und 15 Ampere. Das Plasmagas, bei dem es sich meist um reines Argon handelt, drückt den Pilotlichtbogen minimal aus der Plasmadüse heraus. Dadurch ist der Pilotlichtbogen an dieser Stelle als heller Lichtpunkt zu sehen. Da der Pilotlichtbogen die Strecke des Lichtbogens ionisiert, entsteht die enorm hohe Zündzuverlässigkeit, die das Plasmaschweißen auszeichnet.

Für den Schutz des Schmelzbades ist das Schutzgas zuständig, das zwischen der äußeren Schutzgasdüse und der Plasmadüse zugeführt wird. Als Schutzgas wird ebenfalls entweder reines Argon oder ein Gasgemisch aus Argon und Wasserstoff oder Helium verwendet.

[Plasmaschweißen]

Verglichen mit anderen Lichtbogenschweißverfahren, ist die Energiedichte des eingeschnürten Lichtbogens beim Plasmaschweißen deutlich höher und seine Strahldivergenz gleichzeitig geringer. Der Durchmesser des Lichtbogens nimmt zwischen der Elektrodenspitze und dem Werkstück kaum zu. Vielmehr bleibt er nahezu gleich.

 

Die Einsatzbereiche vom Plasmaschweißen

Mittels Plasmaschweißen können alle Metalle gefügt werden, die für Schmelzschweißverfahren geeignet sind. Am häufigsten findet das Schweißverfahren aber bei hochlegierten Stählen Anwendung. Ein Grund hierfür ist der hohe Nahtformfaktor, also das Verhältnis zwischen Tiefe und Breite der Schweißnaht, der zu einem geringen Verzug und einer hohen Schweißnahtqualität führt.

Da die Schweißbäder von hochlegierten Stählen eine hohe Viskosität aufweisen, kann deshalb bei Stumpfstößen auf eine Sicherung des Schmelzbades verzichtet werden. Denn die Nahtwurzel bildet sich frei aus, ohne dass die Gefahr besteht, dass das Schmelzbad durchfällt.

Beim Fügen von Metallen, die wie beispielsweise Kupfer oder Kupferlegierungen die Wärme gut leiten, spricht die hohe Leistungsdichte dafür, das Plasmaschweißen einzusetzen.

Seit einiger Zeit wird auch Aluminium mittels Plasmaschweißen gefügt, wobei sich hier die Elektrode am Pluspol befindet. Daneben wird bei niedrig- und unlegierten Stählen immer häufiger das Plasmaschweißen angewendet. Dies begründet sich in erster Linie in der Produktivität, die höher ist als beispielsweise beim WIG-Schweißen.

Nachteilig hingegen ist, dass der hohe Nahtformfaktor eine verstärkte Porenbildung begünstigen kann, wenn das Schweißgut nicht ausreichend ausgast. Aus diesem Grund wird es mitunter notwendig sein, einen Zusatzwerkstoff hinzuzufügen.

Bleche mit einer Stärke bis zu drei, allerhöchstens vier Millimetern können auch manuell geschweißt werden. Sind die Bleche stärker, ist nur noch das maschinelle Plasmaschweißen möglich. Im Gegenzug kommt beim Schweißen von sehr dünnen Blechen und Folien mit niedrigem Schweißstrom sowohl beim Handschweißen als auch beim maschinellen Schweißen ein weiterer Pluspunkt vom Plasmaschweißen zum Tragen.

Denn beim WIG-Schweißen mit einer Stromstärke unter zehn Ampere muss der Lichtbogen sehr kurz gehalten werden. Das Schweißen wird dadurch recht schwierig. Beim Plasmaschweißen hingegen kann der Lichtbogen deutlich länger bleiben. Dabei wird der Lichtbogen beim Plasmaschweißen durch die Plasmadüse und die Menge an Plasmagas reguliert. Je größer der Durchmesser der Düse und je höher die Menge an Plasmagas ist, desto weicher ist der Lichtbogen. Umgekehrt führt eine kleine Düse und eine hohe Menge an Plasmagas zu einem harten Lichtbogen.

Ein harter Lichtbogen wird eingestellt, wenn dickere Bleche mit der sogenannten Stichlochtechnik gefügt werden. Beim Stichlochschweißen dringt der harte Lichtbogen durch das Material. Dadurch entsteht eine Öse und der Plasmastrahl ist auch auf der Blechunterseite zu sehen. Hinter dem Plasmastrahl verbindet sich das Schweißgut wieder. Durch dieses Zusammenfließen entsteht die Schweißnaht. Angewendet wird die Stichlochtechnik vor allem im I-Stoß bei drei bis acht Millimeter starken Blechen.

 

Die Gase beim Plasmaschweißen

Als Plasmagas wird so gut wie immer reines Argon verwendet. Je nach Brennertyp und Schweißstromstärke liegt die Menge an Plasmagas zwischen 0,1 und 1,1 Liter Argon pro Minute.

Als Schutzgas kommt ebenfalls reines Argon oder ein Gasgemisch aus Argon mit Wasserstoff oder Helium zum Einsatz. Wasserstoff und Helium erhöhen die Einbrandtiefe und ermöglichen höhere Schweißgeschwindigkeiten. Die Zugabe von Wasserstoff führt außerdem dazu, dass sich bei hochlegierten Stählen weniger Anlauffarben bilden. Die benötigte Schutzgasmenge beträgt je nach Brennertyp und Schweißstromstärke zwischen drei und zwölf Liter pro Minute.

 

Die Vorteile vom Plasmaschweißen

Das Plasmaschweißen zeichnet sich durch die hohe Energiedichte des Lichtbogens aus. Er ermöglicht einerseits hohe Schweißgeschwindigkeiten und andererseits schmale Schweißnähte. Ein weiterer Pluspunkt sind die qualitativ sehr hochwertigen, porenarmen und spritzerfreien Schweißnähte. Mit Blick auf die eingebrachte Energiemenge punktet das Plasmaschweißen dadurch, dass es ein verzugfreieres Schweißen ermöglicht.

Die enorm hohen Schweißgeschwindigkeiten, die beim Laserschweißen erreicht werden können, sind beim Plasmaschweißen zwar nicht möglich. Dafür hat das Plasmaschweißen aber klar die Nase vorn, wenn es um die Spaltüberbrückung und die Positionierungstoleranzen geht. Nicht zuletzt sprechen die Investitions- und die Betriebskosten eindeutig für das Plasmaschweißen.

Auch beim Plasmaschweißen ist eine sorgfältige Planung und gründliche Vorbereitung des Schweißverfahrens Pflicht. Richtig ausgeführt, ergeben sich im Vergleich mit anderen Schweißverfahren aber insbesondere folgende Vorteile:

  • Es können höhere Schweißgeschwindigkeiten als beim WIG-Schweißen erreicht werden.
  • Die Wärmeeinflusszone ist schmal, das Schmelzbad klein und die Schweißnahtbreite gering (das Verhältnis zwischen Breite und Tiefe der Schweißnaht liegt bei 1:1, höchstens 1:2). Dadurch kommt es nur zu einem geringen Verzug der Werkstücke.
  • Durch den tiefen Einbrand können Bleche bis zu einer Dicke von acht Millimetern im I-Stoß geschweißt werden, ohne dass eine aufwändige Vorbereitung der Schweißnaht notwendig ist oder Schweißzusatzwerkstoffe hinzugefügt werden müssen. Andersherum können bereits Metallwerkstoffe ab einer Stärke von 0,1 Millimeter per Plasmaschweißen gefügt werden.
  • Durch den Pilotlichtbogen kann der Lichtbogen berührungslos gezündet werden. Gleichzeitig ist die Zündsicherheit außergewöhnlich hoch.
  • Auch bei Längenänderungen oder Kantenversatz brennt der Lichtbogen sehr stabil. Dabei ist die hohe Lichtbogenstabilität selbst bei sehr niedrigen Schweißstromstärken ab 0,1 Ampere sichergestellt.
  • Die Nahtüberhöhung und der Wurzeldurchhang sind minimal. Dadurch muss die Schweißnaht gar nicht oder kaum nachbearbeitet werden.
  • Dass das Plasmaschweißen trotz der vielen Vorteile bislang eher wenig verbreitet ist, dürfte in erster Linie daran liegen, dass viele Schweißer einfach noch zu wenig Kenntnisse und Erfahrungen mit diesem Schweißverfahren haben.

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