Ausführlicher Ratgeber zum Plasmaschweißen, Teil I

Ausführlicher Ratgeber zum Plasmaschweißen, Teil I

Das Plasmaschweißen zählt zu den jüngsten Schmelz-Schweißverfahren. In Deutschland wird es erst seit den 1960er-Jahren angewendet.

Als Schweißverfahren aus der Gruppe des Wolfram-Schutzgasschweißens ist das Plasmaschweißen in Anlehnung an die englische Bezeichnung als “Lichtbogenschweißen unter Nutzung eines eingeschnürten Lichtbogens” definiert. In einem ausführlichen Ratgeber zum Plasmaschweißen erklären wir alles Wichtige und Wissenswerte zu diesem Schweißverfahren.

 

Der Hintergrund

Es wurden schon sehr früh Versuche unternommen, dadurch eine höhere Leistungsdichte im Lichtbogen zu erreichen, dass der Lichtbogen eingeschnürt wird. Die hohe Energiedichte in einem eingeschnürten Lichtbogen bewirkt, dass die Materie einen gasförmigen Zustand annimmt.

Bei hohen Temperaturen bewegt sich die Materie in diesem Zustand sehr schnell, leuchtet hell und weist besondere elektrische Eigenschaften auf. Der US-amerikanische Physiker und Chemie-Nobelpreisträger Irving Langmuir, der als einer der ersten Wissenschaftler überhaupt mit Plasma arbeitete, bezeichnete diesen Zustand als thermisches Plasma.

Das thermische Plasma setzt sich aus Ionen, Elektronen und neutralen Teilchen zusammen, wobei es aber größtenteils ionisiert ist.

Grundsätzlich ist im Kern von jedem Lichtbogen Materie in diesem Zustand vorhanden. In einem eingeschnürten Lichtbogen ist der Anteil durch die hohe Energiedichte aber sehr viel größer. In der Fügetechnik spielt das thermische Plasma beim Schweißen, beim thermischen Spritzen und beim Schmelzschneiden eine Rolle.

 

Das Plasmaschweißen im Allgemeinen

Beim Plasmaschweißen wird der Lichtbogen durch eine Kupferdüse gezwängt. Die Kupferdüse wird mit Wasser gekühlt und ist mit einer engen Bohrung ausgestattet. Auf diese Weise wird der Lichtbogen eingeschnürt. In der Folge hat der Lichtbogen fast die Form eines Zylinders und geht nur leicht auseinander. So kommt die hohe Energiedichte zustande.

Innen in der Plasmadüse brennt der Lichtbogen an einer Wolframelektrode. Sie ist nadelförmig und wird von Plasmagas umspült. Das Gas, das beim Schweißen durch die kleine Bohrung austritt, kann die Schweißstelle aber natürlich nur bedingt schützen. Aus diesem Grund steuert eine zweite Düse das benötigte Schutzgas bei.

[Plasmaschweißen]

Plasmascheißen Ratgeber

 

Beim Lichtbogen wiederum wird zwischen einem übertragenden und einem nichtübertragenden Lichtbogen unterschieden. Beim übertragenden Lichtbogen befindet sich der Schweißstromkreis zwischen der Elektrode und dem Werkstück. In diesem Fall wird auch vom Plasma-Lichtbogenschweißen gesprochen.

Im Unterschied dazu wird ein nichtübertragender Lichtbogen zwischen der Elektrode und der Kupferdüse gezündet. Dadurch brennt der Lichtbogen nur innerhalb des Schweißbrenners und die Gase strömen gebündelt in einem Strahl heraus. Deshalb wird diese Variante auch Plasma-Lichtstrahlschweißen genannt. Tatsächlich wird das Plasma-Lichtstrahlschweißen beim Schweißen und Schneiden aber nicht angewendet. Es spielt lediglich beim Plasmaspritzen eine Rolle.

 

Die Stromart beim Plasmaschweißen

Wenn Stahl mittels Plasmaschweißen gefügt wird, wird in aller Regel mit Gleichstrom gearbeitet. Der Minuspol der Stromquelle liegt in diesem Fall an der Elektrode an. Eine andere Möglichkeit ist, auf das Impulsschweißen zurückzugreifen.

Beim Plasmaschweißen von Aluminiumwerkstoffen wird am Pluspol geschweißt, um so die Reinigungswirkung auszugleichen, die beim Schweißen am Minuspol fehlt. Allerdings muss der Schweißer die Stromstärke dann vergleichsweise niedrig einstellen, weil die Elektrode am Pluspol keine hohe Strombelastbarkeit aufweist. Ein Kompromiss wiederum kann das Wechselstromschweißen sein. Denn hier ist die Strombelastbarkeit höher und die Reinigungswirkung reicht aus.

Moderne Schweißanlagen nutzen einen rechteckförmigen Wechselstrom. Zudem ist es inzwischen möglich, Aluminium am Gleichstrom-Minuspol zu schweißen und dabei Schutzgase mit hohem Heliumanteil einzusetzen.

 

Die Elektroden beim Plasmaschweißen

Beim Plasmaschweißen wird mit den gleichen Wolframelektroden gearbeitet wie beim WIG-Schweißen. Die Durchmesser bewegen sich in einem Bereich zwischen 1,6 und 8 Millimetern. Am gebräuchlichsten sind aber Elektroden mit 1,6 bis 4 Millimeter Durchmesser.

Elektroden, denen Oxide beigemengt sind, haben eine höhere Strombelastbarkeit als reine Wolframelektroden. Denn aus den Oxiden, die in der Elektrode eingeschlossen sind, treten weniger Elektronen aus. Dadurch erwärmen sich diese Elektroden trotz gleicher Stromstärke nicht so sehr. Außerdem sind oxidhaltige Elektroden zündfreudiger. Während früher in erster Linie Elektroden mit Thorium verwendet wurden, sind inzwischen Elektroden mit Ceroxid gebräuchlicher.

Wird mit Gleichstrom am Minuspol geschweißt, werden die Elektroden üblicherweise spitz angeschliffen. Im Unterschied dazu werden die Enden der Elektroden beim Schweißen mit Gleichstrom am Pluspol und beim Wechselstromschweißen entweder nur in Form eines stumpfen Kegels oder überhaupt nicht angeschliffen.

 

Die Gase beim Plasmaschweißen

Das Plasmagas, das beim Plasmaschweißen verwendet wird, wird auch als Zentrumsgas bezeichnet. Und meist handelt es sich dabei um Argon. Denn Argon ist leicht ionisierbar und erreicht deshalb einen hohen Ionisierungsgrad. Wenn Chrom-Nickel-Stähle und Legierungen auf Nickelbasis geschweißt werden, werden dem Argon mitunter kleine Mengen Wasserstoff beigemischt.

Dadurch ist die Wärmeübertragung besser und es können höhere Schweißgeschwindigkeiten erreicht werden. Eine ähnliche Wirkung ergibt sich beim Schweißen von Aluminium, Titan und Zirkon, wenn dem Argon als Plasmagas Helium beigemischt wird.

Als äußeres Schutzgas wird beim Fügen von unlegierten und hochlegierten Stählen meist ebenfalls Argon oder ein Gemisch aus Argon und Wasserstoff eingesetzt. Bei un- und niedriglegierten Stählen ist auch ein aktives Mischgas aus Argon und Kohlendioxid oder Argon und Sauerstoff möglich.

Argon oder eine Mischung aus Argon und Helium wird als Schutzgas beim Schweißen von Aluminium, Titan und Zirkon verwendet. Tatsächlich sind beim Plasmaschweißen also das Plasma- und das äußere Schutzgas meist gleich.

 

Die Schweißzusätze beim Plasmaschweißen

Ähnlich wie beim WIG-Schweißen wird der Schweißzusatz beim manuellen Plasmaschweißen in Form von Stäben zugegeben. Beim vollmaschinellen Plasmaschweißen ist die Anlage mit einer speziellen Einheit ausgestattet, die den drahtförmigen Schweißzusatz zuführt und gleichzeitig einschmilzt.

Ein Metallpulver als Schweißzusatz wiederum kommt beim Plasmapulverschweißen zum Einsatz. Er wird beim Auftragsschweißen in einem eigenständigen Gasstrom und beim Verbindungsschweißen zusammen mit dem Schutzgas zugeführt.

Dabei sind die Zusatzwerkstoffe beim Plasmaschweißen die gleichen, die auch beim WIG-Schweißen genutzt werden. Vergleichen mit dem Grundwerkstoff, sollten sie die gleiche Zusammensetzung haben oder leicht überlegiert sein.

In Teil II geht es mit den verschiedenen Schweißverfahren innerhalb des Plasmaschweißens weiter.

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