Ausführlicher Ratgeber zum Plasmaschweißen, Teil VI

Ausführlicher Ratgeber zum Plasmaschweißen, Teil VI

Das Plasmaschweißen ist ein Schmelz-Schweißverfahren aus der Gruppe der Wolfram-Schutzgas-Schweißverfahren. Es weißt eine große Nähe zum WIG-Schweißen auf, hat im direkten Vergleich aber einige Vorteile. Das dürfte ein Grund dafür sein, warum sich das recht junge Schweißverfahren längst als Fügeverfahren in Handwerk und Industrie etabliert hat.

Ratgeber zum Plasmaschweißen

In einem ausführlichen Ratgeber zum Plasmaschweißen schauen wir uns das Fügeverfahren einmal ganz genau an. Dabei haben wir in der Beitragsreihe Basiswissen, die verschiedenen Verfahren beim Plasmaschweißen, die Schweißanlage, die Durchführung, die Schweißparameter und die Arbeitssicherheit besprochen.

Nun kümmern wir uns um die Werkstoffe, die sich fürs Plasmaschweißen eignen:

Unlegierte und niedriglegierte Stähle

Sowohl unlegierte als auch niedriglegierte Stähle können per Plasmaschweißen gefügt werden. Allerdings muss der Schweißer auf ein paar Kleinigkeiten achten. Das Plasmaschweißen geht zum einen mit einem tiefen Einbrand einher.

Zum anderen entstehen die typischen Fugen mit großen Stegen, die es aufzuschmelzen gilt. Die Folge davon ist, dass ein großer Teil des Schweißguts aus Grundwerkstoff besteht, der aufgeschmolzen ist. Bei einem unlegierten Stahl mit wenig Silizium kann die Sauerstoffaufnahme dazu führen, dass sich metallurgische Poren im Schweißgut bilden.

Aus diesem Grund sollte der Schweißer den Siliziumgehalt bei der Auswahl der Werkstoffe im Blick haben. Reicht dieser nicht aus, kann der Schweißer gegensteuern, indem er entsprechend legierte Zusatzwerkstoffe einsetzt.

Hochlegierte Stähle

Hochlegierte Stähle lassen sich vor allem per Plasmaschweißen mit Stichlochtechnik gut fügen. Die Viskosität des Schweißguts, die sich durch den Werkstoff ergibt, sorgt für Unterraupen, die besonders flach und fein gefiedert sind. Deshalb kann der Schweißer meist darauf verzichten, das Schmelzbad mechanisch abzusichern.

Die vergleichsweise hohe Schweißgeschwindigkeit gleicht es aus, dass durch den konzentrierten Lichtbogen mehr Wärme eingebracht wird.

Heißrisse, eine reduzierte Korrosionsbeständigkeit und ähnliche negative Folgen sind dadurch eigentlich nicht zu befürchten. Bei Bauteilen, die später durch Korrosion beansprucht werden können, sollte der Schweißer aber zumindest auf der gefährdeten Seite die Korrosionshäute, die beim Schweißen entstehen, entfernen. Das kann durch Bürsten, Schleifen, Beizen oder Strahlen erfolgen. Unter den Häuten ist die Gefahr eines Korrosionsangriffs nämlich größer.

Aluminium und Alulegierungen

Es ist nicht möglich, Aluminiumwerkstoffe am Minuspol mit Argon als Schutzgas zu schweißen. Denn die Oxidschicht auf dem Schmelzbad kann auf diese Weise nicht entfernt werden.

Der Schmelzpunkt von Aluminiumoxid liegt bei etwa 2.050 Grad Celsius. Im Unterschied dazu schmilzt der Grundwerkstoff schon deutlich früher, ein Reinaluminium beispielsweise bei 650 Grad Celsius. Aus chemischer Sicht ist Aluminium eng mit Sauerstoff verwandt.

Die Folge davon ist, dass auf der Oberfläche des Schmelzbades sehr schnell Oxidhäute entstehen, selbst wenn der Schweißer die Werkstoffoberfläche sorgfältig von Oxiden befreit hatte. Durch den hohen Schmelzpunkt schmelzen die Oxidhäute nur direkt unter dem Lichtbogen auf und sogar hier auch nur zum Teil. Der Großteil der Nahtoberfläche würde hingegen mit einer festen Aluminiumoxidschicht bedeckt bleiben, wenn der Schweißer mit Gleichstrom arbeitet.

Genau diese Schicht verhindert dann, dass der Schweißer das Schmelzbad beobachten kann. Außerdem wird es durch die Schicht sehr schwer, einen Zusatzwerkstoff hinzuzufügen. Ähnlich wie beim Löten wäre es zwar grundsätzlich möglich, die Oxidschicht mithilfe von Flussmitteln zu entfernen. Das wäre aber mit entsprechendem Zusatzaufwand verbunden.

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Arbeitet der Schweißer mit Gleichstrom am Pluspol, kann er die Oxidschicht durch Ladungsträger im Lichtbogen aufreißen und entfernen. Möglich ist das aber nur mit den Ionen. Denn die Elektronen haben nur eine geringe Masse, so dass ihre kinetische Energie dafür nicht ausreicht. Liegt der Minuspol an der Elektrode, strömen die Elektronen von der Elektrode zum Werkstück, während die übrigen Ionen vom Werkstück zur Elektrode wandern.

Eine Reinigungswirkung entsteht bei dieser Polung nicht. Im Unterschied dazu sorgt der Pluspol an der Elektrode dafür, dass die schwereren Ionen auf die Oberfläche des Werkstücks auftreffen. Ihre kinetische Energie reicht aus, um die Oxidschicht aufzureißen und zu entfernen.

Der Nachteil ist allerdings, dass sich die Strombelastbarkeit der Elektrode deutlich reduziert. Deshalb muss der Schweißer zu dicken Elektroden mit halbkugelförmigen Enden greifen. Trotzdem bleibt der Einbrand vergleichsweise gering.

Beim Schweißen an Wechselstrom ergibt sich eine Reinigungswirkung, wenn die Elektrode an der positiven Halbwelle liegt. Die negative Halbwelle, die anschließend folgt, gibt der Elektrode genug Zeit zum Abkühlen. Aus diesem Grund wir hier auch von der Reinigungs- oder der Kühlhalbwelle gesprochen.

Beim Schweißen an Wechselstrom ist die Strombelastbarkeit niedriger als beim Gleichstrom-Schweißen am Minuspol, aber höher als beim Schweißen am Pluspol. Die Praxis hat gezeigt, dass 20 bis 30 Prozent der positiven Halbwelle für eine solide Reinigungswirkung genügen.

Die ganze Halbwelle ist also gar nicht notwendig. Moderne Stromquellen nutzen diese Erkenntnis, indem sie ermöglichen, die Verteilung der beiden Halbwellen individuell einzustellen. Dabei gilt: Wird der Anteil des Pluspols reduziert, steigt die Strombelastbarkeit der Elektrode. Oft ist zudem möglich, die Frequenz des Wechselstroms zu verändern. Eine höhere Frequenz schont die Elektrode ebenfalls.

Daneben bringt der rechteckförmige Wechselstrom einen weiteren Vorteil mit sich. Der sehr steile Stromverlauf beim Wechsel der Polarität verkürzt die Totzeiten des Lichtbogens beim Nulldurchgang deutlich. Die Folge davon ist, dass der Lichtbogen sicherer wieder zündet und insgesamt stabiler brennt.

Seit einiger Zeit wird auch ein Verfahren angewendet, bei dem am Minuspol geschweißt und ein Schutzgas mit hohem Heliumanteil eingesetzt wird. Damit der Schweißer das Bad vernünftig beobachten kann, muss das Schutzgas bei manuellen Schweißverfahren zu mindestens 90 Prozent aus Helium bestehen. Bei maschinellen Schweißverfahren kann der Anteil von Helium am Schutzgas auf 70 Prozent gesenkt werden.

Die hohe Temperatur vom energiereichen Helium-Lichtbogen reicht aus, um die Oxidhaut zu verflüssigen. Damit stört sie kaum noch.

Ein anderer Punkt ist der: Bei der Aufnahme von Wasserstoff neigt Aluminium dazu, Poren zu bilden. Dabei ist die Problematik größer als bei Stahl. Wenn Eisen vom flüssigen in den festen Zustand übergeht, liegt die Lösungsfähigkeit für Wasserstoff bei 8 cm3 pro 100 g Schweißgut. Aluminium hingegen hat in festem Zustand so gut wie keine Löslichkeit für Wasserstoff.

Folglich muss der komplette Wasserstoff, den das Schweißgut beim Schweißen aufgenommen hat, vor dem Erstarren wieder austreten. Sonst bilden sich im Schweißgut Poren. Die Lieferanten für den Wasserstoff sind beim Schweißen von Aluminium in erster Linie die Oxidhäute auf dem Grundwerkstoff.

Da sie Feuchtigkeit binden, müssen sie vor dem Schweißvorgang sorgfältig beseitigt werden. Auf der anderen Seite lässt eine dünne Oxidhaut auf der Werkstoffoberfläche den Lichtbogen ruhiger brennen. In der Praxis hat es sich deshalb bewährt, wenn der Schweißer die Oxide zwar gründlich entfernt, dann aber eine bis zwei Stunden abwartet. In dieser Zeit kann sich eine neue, dünne Oxidschicht bilden. So ergibt sich ein Kompromiss zwischen einem stabilen Lichtbogen und einer ausreichenden Sicherheit vor Porenbildung.

Im nächsten und zugleich letzten Teil schauen wir uns weitere Werkstoffe an und gehen kurz auf die Anwendungsbereiche vom Plasmaschweißen ein.

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