Plasmaschweißen

Ein hochproduktives, verzugsarmes Schweißverfahren für höchste Qualitätsanforderungen

• Nahezu zylindrischer Plasma-Lichtbogen ermöglicht sehr genaue und konzentrierte Wärmeeinbringung
• Schmales Schmelzbad führt zu geringerem Materialverzug
• Hohe Stabilität des Lichtbogens bei Längenänderung oder Kantenversatz
• 100% Zündsicherheit durch Pilotlichtbogen
• Stichlochschweißen bis 8 mm Materialstärke, einlagig im I-Stoß
• Höhere Schweißgeschwindigkeit als beim WIG-Schweißen (bis zum Faktor 1,5 möglich)

Verfahren des Plasmaschweißens
Beim Plasmaschweißen brennt der Plasma-Lichtbogen ebenso wie beim WIG-Schweißen zwischen der Wolframelektrode und dem Werkstück. Während der Lichtbogen beim WIG-Verfahren frei brennt, wird er beim Plasmaschweißen durch eine zusätzliche wassergekühlte Plasmadüse eingeschnürt. Zwischen der Wolfram­elektrode und der Plasmadüse wird ein Plasmagas - fast immer 100 % Argon - geleitet.

Verfahrensprinzip
Beim Plasmaschweißen brennt zwischen der Wolframelektrode und der Plasmadüse zusätzlich der Pilotlichtbogen. Die Stromstärke des Pilotlichtbogens beträgt meist zwischen 3 und 15 A. Der Pilot­lichtbogen ionisiert die Lichtbogenstrecke und führt dadurch zu der für das Plasmaschweißen charakteristischen außerordentlich hohen Zündzuverlässigkeit ohne HF.
Als Schutzgas kommen reines Ar oder Ar-reiche Gasgemische mit Wasserstoff oder Helium infrage. Der Plasma-Lichtbogen hat eine gegenüber dem WIG-Lichtbogen abweichende Lichtbogenkennlinie. Dadurch ist es möglich, bereits bei Stromstärken ab 0,1 A mit einem einfach beherrschbaren stabilen Lichtbogen zu arbeiten.

Durch die hohe Leistungsdichte des Plasma-Lichtbogens ist dieser auch bei derart niedrigen Schweißstromstärken praktisch mit er­staunlichen Ergebnissen nutzbar. Der Plasma-Lichtbogen hat im Vergleich zu den anderen konven­tionellen Lichtbogenschweißverfahren eine wesentlich höhere Ener­giedichte und eine geringere Strahldivergenz. Die „Härte“ des Plasma-Lichtbogens kann durch die Wahl der Plasmadüse und der Plasmagasmenge beeinflusst werden. Ein großer Düsendurchmesser in Verbindung mit niedriger Plasmagasmenge führt zu einem weichen Plasma-Lichtbogen. Der harte Plasma-Lichtbogen, der zum Schweißen dickerer Bleche mit der „Stichlochtechnik“ verwendet wird, entsteht durch die Wahl einer höheren Plasmagasmenge.

Weitere Verfahrensvorteile

• Ebenso wie beim WIG-Schweißen wird Zusatzwerkstoff getrennt vom eigentlichen Lichtbogen zugeführt. Dadurch ist eine ex­aktere Prozessführung als bei Verfahren mit abschmelzender Elektrode möglich. Das ist eine der Ursachen für die Über­legenheit des WIG- und Plasmaschweißens bei hohen Qualitäts­anforderungen.
• Die Nahtüberhöhung und der Wurzeldurchhang sind sehr gering. Das kann zu erheblichen Einsparungen führen, wenn andernfalls die Schweißnaht mechanisch bearbeit werden muss.

Einsatzgebiete des Plasmaschweißens
Der tiefe schmale Einbrand führt zu geringerem Verzug. Die hohe Viskosität der Schweißbäder hochlegierter Stähle er­möglicht es, bei Stumpfstößen ohne Badsicherung zu arbeiten. Die Nahtwurzel bildet sich frei aus, ohne dass das Schmelzbad „durchfällt“. Die hohe Leistungsdichte führt auch beim Schweißen gut wärmeleitfähiger Metalle wie Kupfer und Kupferlegierung zu Vorteilen.

Das Plasmaschweißen von un- und niedriglegierten Stählen wird zunehmend eingesetzt. Die höhere Produktivität im Vergleich zum WIG-Schweißen begründet den Verfahrens­einsatz. Beim Dünnblechschweißen bis 3 mm findet neben dem maschinellen Schweißen auch das Handschweißen seine Berechtigung. Besonders bei sehr dünnen Blechen und Folien besitzt der wesentlich feiner einstellbare Mikroplasmalichtbogen klare Vorteile gegenüber dem WIG-Lichtbogen.

Geräteseitige Voraussetzungen
Die Maschinenkennlinien der Schweißstromquellen von Plasma­schweißgeräten und WIG-Geräten sind gleich. Wegen der oben beschriebenen hohen Leistungsdichte des Plasma- schweißens führen jedoch Änderungen des Schweißstromes zu wesentlich stärkeren Veränderungen des Schweiß­ergebnisses als beim WIG-Schweißen. Deshalb sollten Plasmaschweißgeräte möglichst über einen sehr fein und exakt einstellbaren Schweißstrom verfügen. Unverzichtbar ist das besonders bei sehr niedrigen Schweißstromstärken. Hier liefert die abweichende Lichtbogenkennlinie des eingeschnürten Plasmalichtbogens die Möglichkeit des Mikroplasmaschweißens.

Plasmaschweißgeräte müssen einen möglichst fein einstellbaren Pilotlichtbogen liefern. Da der Pilotlichtbogen permanent im Brenner brennt, muss auch die Wasserkühlung des Schweißgerätes kontinuierlich laufen. Die hohe Leistung des Plasma-Lichtbogens erfordert eine leistungsfähige Brenner­kühlung. Dies ist in der Regel nur bei speziell zum Plasma­schweißen ausgelegten Geräten erfüllt.

Insgesamt stehen Geräte der Leistungsklassen 20–350 A für das Handschweißen bzw. das automatisierte Schweißen zur Verfügung. Im Automatenbetrieb mit sehr hoher Einschaltdauer werden Anlagen mit integrierter, leistungsstarker Rückkühleinheit eingesetzt. Unter Umständen, insbesondere im oberen Leistungsbereich oder bei höherer Einschaltdauer ist das jedoch nicht ausreichend. Deshalb werden diese Geräte zusätzlich mit einem Wärmetauscher ausgestattet, der ohne zusätzliche Maß­nahmen den Anschluss an ein externes Rückkühlgerät ermöglicht. Der Rückkühlkreis bleibt vom Brennerkühlkreis dabei getrennt.

Darüber hinaus stehen Plasmastichlochschweißanlagen zur Verfügung, die serienmäßig für den Anschluss externer Rückkühleinheiten vorbereitet sind. Für automatisch arbeitende Schweißanlagen gibt es auf dem Markt Geräte, die über eine integrierte Siemens-SPS-Steuerung eine einfache Verknüpfung mit übergeordneten Prozess­steuerungen ermöglichen. Als preiswerte Einstiegslösung zum Plasmaschweißen werden Systeme angeboten, die es ermöglichen, in Verbindung mit einem wassergekühlten WIG-DC Schweißgerät einfache Schweißanlagen zu einer Gleichstrom-Plasmaschweißanlage auszubauen.

In der Regel kann man bei der Investition in diese Technologie mit einem Anschaffungspreis von ca. 3.000 – 40.000 €  rechnen. Die detaillierten Kosten richten sich hierbei jedoch nach Anwendung, Aufgabenstellung und notwendiger Ausstattung des jeweiligen Gerätes.