Ausführlicher Ratgeber zum Plasmaschweißen, Teil III

Ausführlicher Ratgeber zum Plasmaschweißen, Teil III

Als Schmelz-Schweißverfahren in der Gruppe der Wolfram-Schutzgas-Schweißverfahren ist das Plasmaschweißen noch gar nicht so lange bekannt. In Deutschland wird es erst seit den 1960er-Jahren angewendet. Trotzdem ist das Schweißverfahren aus Werkstätten und Industriebetrieben nicht mehr wegzudenken.

Plasmaschweißen

In einem ausführlichen Ratgeber zum Plasmaschweißen schauen wir uns das Verfahren einmal ganz genau an. Den Anfang machte Teil I mit Grundlagenwissen. In Teil II ging es um die verschiedenen Schweißverfahren innerhalb des Plasmaschweißens.

Nun, in Teil III der Beitragsreihe, kümmern wir uns um die Schweißanlage. Dabei besteht eine Anlage für das Plasmaschweißen immer aus drei Komponenten, nämlich der Steuerung, der Stromquelle und dem Brenner.

 

Die Steuerung von einer Plasma-Schweißanlage

Die Aufgabe der Steuerung besteht darin, den Schweißstrom zu schalten, bereitzustellen und konstant zu halten. Je nach Anlage kann der Schweißer über das Display verschiedene Parameter einstellen. Neben dem Hauptstrom können das zum Beispiel der Startstrom, das An- und Abfahren des Stroms, der Strom für einen Hilfslichtbogen oder die Vor- und die Nachströmzeit vom Gas sein.

Die Stromquelle einer Plasma-Schweißanlage ist mit einem Zündgerät ausgestattet, das auf Hochspannungsimpulse reagiert. Diese Impulse, die zu einer Wechselspannung von mehreren tausend Volt führen, zünden zunächst einen schwachen, nicht übertragenden Lichtbogen zwischen der Elektrode und der wassergekühlten Kupferdüse.

Das ist der sogenannte Hilfslichtbogen. Während des Schweißvorgangs bleibt er angeschaltet und ionisiert die spätere Strecke des Lichtbogens. Wird der Hauptstromkreis eingeschaltet, kann der Lichtbogen dadurch ohne Berührung zünden.

 

Die Stromquelle beim Plasmaschweißen

Aus dem Netz kommt ein Wechselstrom mit hoher Spannung und niedriger Stromstärke. Die Stromquelle hat nun die Aufgabe, diesen Strom in einen Schweißstrom umzuwandeln, bei dem die Spannung niedrig ist und die Stärke der eingestellten Höhe entspricht. Stromquellen für das Plasmaschweißen nutzen dafür heutzutage meist das sogenannte Inverterprinzip.

Ein Inverter ist eine elektronische Stromquelle, die auf einem anderen Wirkprinzip beruht als eine herkömmliche Stromquelle. Dabei wird der Netzstrom zuerst durch eine Diode gleichgerichtet. Anschließend wird er durch Ein- und Ausschalten in kurze Abschnitte zerhackt, um ihn transformierbar zu machen. Dieser Vorgang wird als Takten bezeichnet.

Möglich wird das Takten durch Transistoren. Das wiederum sind elektronische Schalter, die sehr schnell reagieren. Während es die ersten Inverter auf eine Taktfrequenz von etwa 25 kHz brachten, erreichen heutige, moderne Transistoren Taktfrequenzen von 100 kHz und mehr. Nach dem Takten stellt ein Transformator die benötigte Stromstärke und Stromspannung her. Im Ergebnis ist hinter dem Trafo ein rechteckförmiger Wechselstrom vorhanden. Er durchläuft dann noch einmal einen zweiten Gleichrichter.

Die benötigte Masse des Transformators richtet sich nach der Frequenz des Stroms, der umgewandelt werden muss. Je höher die Taktfrequenz ist, desto kleiner kann der Trafo sein. Deshalb liegt der Vorteil einer hohen Taktfrequenz darin, dass kompakte und leichte Stromquellen gebaut werden können. Eine moderne Anlage für das Plasmaschweißen, die für das Schweißen von Dickblechen mit einer Leistung von 400 Ampere ausgelegt ist, wiegt komplett kaum mehr als 100 Kilogramm. Eine Anlage zum Mikroplasmaschweißen bringt gerade einmal ein paar Kilo auf die Waage.

Anders als konventionelle Stromquellen, die mit Widerständen, Drosseln, Kondensatoren und ähnlichen Komponenten arbeiten, erledigt die Steuerung bei elektronischen Stromquellen vieles elektronisch. Deshalb ist die Steuerung der Anlage mindestens genauso wichtig wie die Stromquelle. So wird beispielsweise die Stromhöhe verändert, indem die Taktfrequenz verstellt wird. Und wenn der Zyklus zwischen Stromein- und -auszeiten geändert wird, entsteht impulsförmiger Strom.

Neue und weiterentwickelte Techniken haben außerdem eine stromgeregelte Stromquelle ermöglicht. Die Schweißtechnik wollte diese schon lange haben. Die elektronische Regelung gleicht den Sollwert des Schweißstroms mit dem Istwert ab und hält ihn selbst dann konstant, wenn sich die Schweißspannung deutlich verändert.

Die geringere Masse des Trafos wiederum verbessert den Wirkungsgrad und reduziert die Leerlaufverluste von Inverter-Stromquellen. Letztere haben für das Plasmaschweißen üblicherweise eine Kennlinie, die im Arbeitsbereich senkrecht abfällt. Diese sogenannte Konstantstrom-Charakteristik bewirkt, dass die Stromstärke gleich bleibt, auch wenn sich die Länge des Lichtbogens verändert.

Beim Plasmaschweißen mit Wechselstrom kommt eine elektronische Stromquelle zum Einsatz, die rechteckförmigen Wechselstrom abgibt. Dieser wird künstlich erzeugt, indem Transistoren den Plus- und den Minuspol einer Gleichstromquelle in schneller Abfolge abwechselnd auf die Elektrode schalten. Durch diese sehr schnellen Schaltvorgänge ergibt sich ein rechteckförmiger Wechselstrom, der beim Wechsel der Polarität einen sehr steilen Nulldurchgang aufweist.

Der Schweißer kann die Frequenz des Wechselstroms meist in einem Bereich zwischen 30 und 300 Hz einstellen. Das Verhältnis der Halbwellen vom Wechselstrom kann der Schweißer üblicherweise mit Werten von 20% Plus und 80% Minus bis 80% Plus und 20% Minus festlegen. Das ist wichtig, weil er damit direkten Einfluss auf die Strombelastbarkeit der Wolframelektrode und die Einbrandwirkung des Lichtbogens nehmen kann.

 

Der Brenner fürs Plasmaschweißen

Das Mikroplasmaschweißen wird in erster Linie manuell umgesetzt. Und bei diesem Schweißverfahren kommen Brenner zum Einsatz, die sowohl mit Blick auf die Größe als auch die Form wie WIG-Schweißbrenner aussehen.

Bei Schweißarbeiten mit höheren Stromstärken wird eine intensive Wasserkühlung des Schweißbrenners notwendig. Außerdem wird mit zwei Schutzgasströmen gearbeitet. Dadurch nimmt auch der Schweißbrenner deutlich an Größe zu. Durch diese Ausmaße ist ein manuelles Schweißen zwar grundsätzlich möglich, in der Praxis aber umständlich und schwierig. Aus diesem Grund wird das vollmechanische Plasmaschweißen in aller Regel mit Maschinenbrennern umgesetzt.

Im nächsten Teil geht es darum, wie das Plasmaschweißen funktioniert.

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