Plasma-Lichtbogenschweißen (PAW): Prozess, Aufbau & Funktionsweise

Was ist Plasmaschweißen?

Plasma-Lichtbogenschweißen (PAW) ist ein Lichtbogenschweißverfahren, das dem WIG-Schweißen (GTAW) sehr ähnlich ist, da der Lichtbogen zwischen einer spitzen Wolfram-Elektrode und dem Werkstück entsteht. Durch die Positionierung der Elektrode im Inneren des Brenners kann der Plasmabogen jedoch vom Schutzgashülle getrennt werden. Das Plasma wird dann durch eine feinbohrige Kupferdüse gezwungen, die den Bogen verengt.

Der entscheidende Unterschied zum WIG-Schweißen (GTAW) besteht darin, dass beim PAW die Elektrode im Brennerkörper positioniert ist, sodass der Plasmabogen vom Schutzgashülle getrennt wird. Das Plasma wird dann durch eine feinbohrige Kupferdüse gezwungen, die den Bogen verengt, und der Plasmastrahl verlässt die Düse mit hohen Geschwindigkeiten (sich der Schallgeschwindigkeit annähernd) und einer Temperatur von annähernd 28.000 °C (50.000 °F) oder höher.

Lichtbogenplasma ist ein vorübergehender Zustand eines Gases. Das Gas wird durch den durchfließenden elektrischen Strom ionisiert und wird zum Leiter von Elektrizität. Im ionisierten Zustand werden Atome in Elektronen (−) und Kationen (+) aufgespalten, und das System enthält ein Gemisch aus Ionen, Elektronen und hochangeregten Atomen.

Der Ionisationsgrad kann zwischen 1 % und über 100 % liegen (möglich durch doppelte und dreifache Ionisation). Solche Zustände existieren, da mehr Elektronen aus ihren Bahnen gezogen werden.

Die Energie des Plasmastrahls und damit die Temperatur hängen von der elektrischen Leistung ab, die zur Erzeugung des Lichtbogenplasmas eingesetzt wird. Ein typischer Wert der in einem Plasmaschweißbrenner erreichten Temperatur liegt in der Größenordnung von 28.000 °C (50.000 °F), verglichen mit etwa 5.500 °C (10.000 °F) in einem herkömmlichen elektrischen Schweißlichtbogen. Alle Schweißlichtbögen sind (teilionisierte) Plasmen, aber der im Plasmalichtbogenschweißen ist ein verengter Lichtbogenplasma.

Düsendurchmesser (Bore Diameter)

Durch Variation des Düsendurchmessers und der Plasmagasflussrate können drei Betriebsarten erzeugt werden:

1. Mikroplasma: 0,1 bis 15 A

Der Mikroplasmabogen kann bei sehr niedrigen Schweißströmen betrieben werden. Der säulenförmige Bogen ist stabil, auch wenn die Bogenlänge bis zu 20 mm variiert.

2. Mittlerer Strom: 15 bis 200 A

Bei höheren Strömen, von 15 bis 200 A, sind die Prozesseigenschaften des Plasmabogens ähnlich denen des WIG-Bogens, aber da das Plasma verengt ist, ist der Bogen steifer. Obwohl die Plasmagasflussrate erhöht werden kann, um die Schweißbadpenetration zu verbessern, besteht die Gefahr der Einmischung von Luft und Schutzgas durch übermäßige Turbulenzen im Gasschild.

3. Schlüsselloch-Plasma (Keyhole Plasma): über 100 A

Durch Erhöhen des Schweißstroms und der Plasmagasflussrate wird ein sehr leistungsstarker Plasmastrahl erzeugt, der eine volle Durchdringung in einem Material erreichen kann, ähnlich wie beim Laser- oder Elektronenstrahlschweißen.

Während des Schweißens schneidet sich das Loch progressiv durch das Metall, wobei der flüssige Schweißpool hinterherfließt und unter Oberflächenspannungskräften die Schweißnaht formt. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um dickeres Material (bis zu 10 mm Edelstahl) in einem einzigen Durchgang zu schweißen.

Aufbau der Plasmalichtbogenschweißmaschine

Die Plasmalichtbogenschweißanlage besteht aus folgenden Komponenten:

• Stromversorgung (Power Supply)
• Plasmaschweißbrenner (Plasma Welding Torch)
• Wasser-Rückführungskühler (Water Re-circulator)
• Wolfram-Elektrode (Tungsten Electrode)
• Schutzgas (Shielding Gas)
• Plasmagas (Plasma Gas)
• Brenner-Zubehörsatz (Torch Accessory Kit: Spitzen, Keramiken, Spannzangen, Elektroden, Einstelllehren)
• Zusatzwerkstoff (Filler Material)

Hier ein kurzer Überblick über jede Komponente.

1. Stromversorgung (Power Supply)

Der Plasmalichtbogenschweißprozess benötigt eine leistungsstarke Gleichstromquelle, um den elektrischen Funken zwischen der Wolfram-Elektrode und den Schweißplatten zu erzeugen.

Dieses Verfahren kann bei niedrigen 2 Ampere schweißen und der maximale Strom, den es bewältigen kann, beträgt etwa 300 Ampere. Es benötigt etwa 80 Volt für den ordnungsgemäßen Betrieb.

Die Stromquelle besteht aus einem Transformator, Gleichrichter und Steuerkonsole.

2. Plasmaschweißbrenner (Plasma Welding Torch)

Dies ist der wichtigste Teil des Plasmaschweißprozesses.

Dieser Brenner ähnelt stark dem, der beim WIG-Schweißen verwendet wird.

PAW-Brenner sind wassergekühlt, da der Lichtbogen im Inneren des Brenners enthalten ist, was hohe Hitze erzeugt, daher wird eine Wassermantel außerhalb des Brenners bereitgestellt.

3. Wasser-Rückführungskühler (Water Re-circulator)

Dieser Mechanismus dient zur Kühlung des Schweißbrenners durch den kontinuierlichen Wasserfluss außerhalb des Schweißbrenners.

4. Wolfram-Elektrode (Tungsten Electrode)

In dieser Maschine wird eine nicht-verbrauchende Wolfram-Elektrode verwendet. Wie bekannt, kann Wolfram sehr hohen Temperaturen standhalten.

5. Schutzgas (Shielding Gas)

In diesem Schweißverfahren werden zwei Inertgase verwendet. Wir müssen einen niedrigen Druck aufrechterhalten, um Turbulenzen beim Schweißen zu vermeiden; aufgrund dieses niedrigen Drucks wird der Gasschild wöchentlich gebildet, deshalb müssen wir ein weiteres Inertgas durch den äußeren Teil der Schweißkraft mit hoher Flussrate zuführen, um den Schweißschild nachhaltig zu machen.

Die in diesem Prozess verwendeten Inertgase können Helium, Argon und auch Wasserstoff je nach Bedarf sein, und es hängt völlig von der Temperatur ab.

6. Plasmagas (Plasma Gas)

Es ist ein ionisiertes heißes Gas, bestehend aus annähernd gleicher Anzahl von Elektronen und Ionen. Es hat genügend Energie, um Elektronen aus Molekülen, Atomen und Elektronen zu befreien, um sie zu synchronisieren.

Es ist die Hauptenergiequelle dieses Schweißverfahrens.

7. Brenner-Zubehörsatz (Torch Accessory Kit)

Diese Sätze werden verwendet, um die Leistung des Schweißbrenners zu erweitern.

8. Zusatzwerkstoff (Filler Material)

Beim Plasmaschweißen wird kein Zusatzwerkstoff verwendet. Wenn Zusatzwerkstoff verwendet wird, wird er direkt in die Schweißzone eingebracht.

Wie funktioniert Plasmaschweißen?

Ein Plasma ist ein Gas, das auf eine extrem hohe Temperatur erhitzt und ionisiert wird, sodass es elektrisch leitfähig wird. Ähnlich wie beim WIG-Schweißen (GTAW) nutzt der Plasmalichtbogenschweißprozess dieses Plasma, um einen elektrischen Lichtbogen auf ein Werkstück zu übertragen. Das zu schweißende Metall wird durch die intensive Hitze des Bogens geschmolzen und verschmilzt zusammen.

Im Plasmaschweißbrenner befindet sich eine Wolfram-Elektrode in einer Kupferdüse mit einer kleinen Öffnung an der Spitze. Ein Pilotlichtbogen wird zwischen der Brennerelektrode und der Düsenspitze initiiert. Dieser Bogen wird dann auf das zu schweißende Metall übertragen.

Durch das Zwingen des Plasmagases und des Bogens durch eine verengte Öffnung liefert der Brenner eine hohe Konzentration von Wärme auf einen kleinen Bereich. Mit Hochleistungsschweißgeräten erzeugt der Plasmaprozess außergewöhnlich hochwertige Schweißnähte.

Plasmagase sind normalerweise Argon. Der Brenner verwendet auch ein Sekundärgas – Argon, Argon/Wasserstoff oder Helium –, das beim Schutz des flüssigen Schweißpools hilft und so die Oxidation der Schweißnaht minimiert.

Vorteile des Plasmalichtbogenschweißens

Die Vorteile des Plasmalichtbogenschweißens sind folgende:

• Brennerdesign ermöglicht bessere Kontrolle des Lichtbogens.
• Diese Methode bietet mehr Freiheit, den Schweißvorgang zu beobachten und zu kontrollieren.
• Die höhere Wärmekonszentration und der Plasmastrahl ermöglichen höhere Vorschubgeschwindigkeiten.
• Die hohe Temperatur und hohe Wärmekonszentration des Plasmas ermöglichen den Schlüsselloch-Effekt (Keyhole Effect).
• Dies ermöglicht vollständige Durchdringung mit einlagigem Schweißen vieler Nähte.
• Die wärmebeeinflusste Zone (HAZ) ist kleiner im Vergleich zum WIG-Schweißen (GTAW).
• Es verwendet weniger Stromeingang im Vergleich zu anderen Schweißverfahren.

Nachteile des Plasmalichtbogenschweißens

Die Nachteile des Plasmalichtbogenschweißens sind:

• Es erzeugt breitere Schweißnähte und wärmebeeinflusste Zonen im Vergleich zu Laserstrahlschweißen (LBW) und Elektronenstrahlschweißen (EBW).
• Plasmaschweißgeräte sind sehr kostspielig. Daher fallen höhere Anschaffungskosten an.
• Es erfordert Schulung und Spezialisierung, um Plasmaschweißen durchzuführen.
• Es erzeugt ultraviolette und infrarote Strahlung.
• Das Verfahren erzeugt höheren Lärm in der Größenordnung von etwa 100 dB.
• Der Brenner ist sperrig, weshalb manuelles Schweißen etwas schwieriger ist und eine Schulung erfordert, wie erwähnt.

Anwendungen des Plasmalichtbogenschweißens

Die Anwendung des Plasmalichtbogenschweißens umfasst:

• Dieses Schweißen wird in der Marine- und Luftfahrtindustrie eingesetzt.
• Dies wird zum Schweißen von Rohren und Schläuchen aus Edelstahl oder Titan verwendet.
• Es wird hauptsächlich in der Elektronikindustrie eingesetzt.
• Auch wird dies zur Reparatur von Werkzeugen, Matrizen und Formen verwendet.
• Dies wird zum Schweißen oder Beschichten von Turbinenschaufeln verwendet.

FAQs

Was ist Plasmaschweißen?

Plasma-Lichtbogenschweißen (PAW) ist ein Lichtbogenschweißverfahren, das dem Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW) ähnlich ist. Der elektrische Lichtbogen wird zwischen einer Elektrode (die meist, aber nicht immer, aus gesintertem Wolfram besteht) und dem Werkstück gebildet. Der entscheidende Unterschied zum GTAW besteht darin, dass beim PAW die Elektrode im Brennerkörper positioniert ist, sodass der Plasmabogen vom Schutzgashülle getrennt wird.

Das Plasma wird dann durch eine feinbohrige Kupferdüse gezwungen, die den Bogen verengt, und der Plasmastrahl verlässt die Öffnung mit hohen Geschwindigkeiten (sich der Schallgeschwindigkeit annähernd) und einer Temperatur von annähernd 28.000 °C (50.000 °F) oder höher.

Wofür wird Plasmalichtbogenschweißen verwendet?

Plasmaschweißen wird verwendet, um sowohl Schlüsselloch- als auch Nicht-Schlüsselloch-Schweißnähte herzustellen. Herstellung einer Nicht-Schlüsselloch-Schweißnaht: Der Prozess kann Nicht-Schlüsselloch-Schweißnähte an Werkstücken mit einer Dicke von 2,4 mm und darunter herstellen.

Was ist der Plasmalichtbogenschweißprozess?

Plasma-Lichtbogenschweißen (PAW) ist ein Lichtbogenschweißverfahren, das dem WIG-Schweißen sehr ähnlich ist, da der Lichtbogen zwischen einer spitzen Wolfram-Elektrode und dem Werkstück gebildet wird. Durch die Positionierung der Elektrode im Inneren des Brenners kann der Plasmabogen jedoch vom Schutzgashülle getrennt werden.

Was sind die zwei Arten des Plasmalichtbogenschweißens?

Es gibt zwei Arten von Plasma-Lichtbogenbearbeitungssystemen (PAM): Übertragener Lichtbogen (Transferred Arc) PAM-System und Nicht-übertragener Lichtbogen (Non-Transferred Arc) PAM-System. Im übertragenen Lichtbogen-PAM-System wird der Plasmabogen zwischen Elektrode und Werkstück übertragen.

Was ist der einzige Unterschied zwischen Plasmalichtbogenschweißen und WIG-Schweißen?

Der Aufbau des Brenners ist der einzige Unterschied zwischen Plasmalichtbogenschweißen und WIG-Schweißen. Sowohl WIG als auch PAW verwenden Wolfram-Elektroden.

Kann ich mit einem Plasmaschneider schweißen?

Mit dem richtigen Brennerdesign kann eine Stickstoff-Wasser-Injektion, die günstiger ist als andere Gase, gut funktionieren, wenn Plasmaschneiden von Aluminium und Edelstahl für das anschließende Schweißen durchgeführt wird. Der Prozess umfasst eine von Stickstoff umgebene Elektrode, die durch einen elektrischen Lichtbogen erhitzt wird, um das Plasma zu bilden.

Was ist der Unterschied zwischen Plasmaschweißen und WIG-Schweißen?

Beim WIG-Schweißen wird der Lichtbogen durch eine Elektrode (Wolfram) gebildet und in einer Schutzgashülle aufrechterhalten. Es dient für feine Arbeiten an dünnen Materialien. Beim Plasmalichtbogenschweißen wird die Elektrode in den Brenner platziert und der Bogen mit Gas angereichert.

Was sind die drei Arten des Plasmaschweißens?

Drei Hauptarten des Plasmaschweißens:

• Mikroplasmtschweißen, bei dem der Strom zwischen 0,02 und 15 Ampere liegt.
• Plasmaschweißen mit der „Einschmelztechnik“, bei dem das Schweißen ähnlich wie beim WIG-Prozess durchgeführt wird. Die Stromstärke liegt zwischen 15 und 100 Ampere.
• Plasmaschweißen mit der „Schlüssellochtechnik“ (Keyhole Technique).

Welche Industrien nutzen Plasmalichtbogenschweißen?

5 perfekte Plasmalichtbogenschweiß-Anwendungen:

• Herstellung von Stahlrohren. In der Automobilindustrie sind Stahlrohre ein wesentlicher Bestandteil des Abgassystems.
• Schweißen kleiner Metallkomponenten.
• Ideal für Stumpfnähte (Butt Joints).
• Schweißen dünner, elektronischer Chips.
• Medizinische Geräteherstellung.

Welche Elektrode wird beim Plasmalichtbogenschweißen verwendet?

Die für den Plasmaprozess verwendete Elektrode ist Wolfram-2%Thorium und die Plasmadüse ist aus Kupfer.

Wer hat Plasmalichtbogenschweißen erfunden?

Plasma-Lichtbogenschweißen (PAW) wurde 1953 von Robert M. Gage im Linde/Union Carbide Labor in Buffalo, NY, erfunden und patentiert. Etwa 10 Jahre Entwicklung und mehrere nachfolgende Patente vergingen, bevor die Geräte 1964 auf den Markt kamen.

Wie schneidet Plasma?

Plasmaschneiden (Plasma-Lichtbogenschneiden) ist ein Schmelzverfahren, bei dem ein Strahl ionisierten Gases bei Temperaturen über 20.000 °C verwendet wird, um Material aus dem Schnitt zu schmelzen und auszustoßen. Während des Prozesses wird ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer Elektrode (Kathode) und dem Werkstück (Anode) gezündet.

Ist MIG-Schweißen Lichtbogenschweißen?

Metall-Inertgas-Schweißen (MIG) ist ein Lichtbogenschweißverfahren, das eine kontinuierliche Massivdrahtelektrode verwendet, die erhitzt und über eine Schweißpistole in den Schweißpool eingespeist wird. Die beiden Grundwerkstoffe werden zusammen geschmolzen und bilden eine Verbindung.

Was sind die Vorteile von Plasmalichtbogenschweißen gegenüber WIG-Schweißen?

Vorteile des Plasmalichtbogenschweißens:

• Brennerdesign ermöglicht bessere Kontrolle des Bogens.
• Diese Methode bietet mehr Freiheit, den Schweißvorgang zu beobachten und zu kontrollieren.
• Die höhere Wärmekonszentration und der Plasmastrahl ermöglichen höhere Vorschubgeschwindigkeiten.
• Die hohe Temperatur und hohe Wärmekonszentration des Plasmas ermöglichen den Schlüsselloch-Effekt.

Was ist Schweißgeschwindigkeit?

Vorschubgeschwindigkeit ist einfach die Geschwindigkeit, mit der der Schweißbrenner oder die Schweißpistole über das Werkstück bewegt wird, gemessen in Millimetern pro Minute. Neben Spannung und Stromstärke ist die Vorschubgeschwindigkeit eine der drei Variablen im Lichtbogenschweißen, die die Wärmeeinbringung bestimmen.

Kann man Aluminium plasmaschweißen?

Plasmaschneiden von Aluminium kann perfekte Schweißnähte erzeugen. Durch die Verwendung eines solchen Schneiders können Sie die Oberfläche des Metalls außerhalb des Schweißbereichs mäßig kühl halten. Außerdem hilft es, die Verformung oder Lackbeschädigung zu verhindern, die normalerweise mit Flammschneidern einhergeht. Plasmaschneider schweißen Aluminiumwerkstücke präzise und schnell zusammen.

Ist ein Plasmaschneider besser als ein Brenner?

Plasma erfordert nicht, dass das Metall vor dem Schneiden vorgeheizt wird, was Zeit spart, und Plasmaschneider übertreffen Oxy-Fuel-Brenner beim Schneiden von gestapelten Metallen. Höhere Geschwindigkeiten können bei dünneren Metallen mit Plasma erreicht werden, mit minimaler oder keiner Metallverformung.

Kann man Wolframkarbid plasmaschneiden?

Es ist gesintertes Wolframkarbid, das geformt wird, nicht geschmolzen oder geschmiedet. Platten sind für bestimmte Lager verfügbar, aber sie können nicht mit Plasma geschnitten werden. Normalerweise sind Hartmetallwerkzeuge Vollhartmetall oder aufgelötete Hartmetall-„Spitzen“ oder Hartmetalleinsätze in Werkzeugen, die aus hochfestem Stahl geschmiedet und bearbeitet wurden.

Welches Gas eignet sich für das Schweißen von Edelstahl-Nickellegierungen durch Plasmalichtbogenschweißen?

Argon oder Argon-Wasserstoff-Gemische werden für Edelstahl und Nickellegierungen verwendet, um die Schweißgeschwindigkeiten zu erhöhen und Oxidfilme zu reduzieren. Beim „Schlüsselloch“-Plasmaschweißen von Dicken von 2,5–6,5 mm wird in rechtwinkligen Stumpfstößen an der vorderen Kante des Schmelzbades ein Loch gebildet.

Was ist die Funktion des Flussmittels beim Unterpulverschweißen?

Die Funktionen des Flussmittels sind: Unterstützung des Lichtbogenzündens und der Stabilität. Bildung einer Schlacke, die den Schweißwulst schützt und formt. Bildung eines Gas-Schilds zum Schutz des flüssigen Zusatzwerkstoffs, der über den Lichtbogengap projiziert wird.

Was ist Schlüsselloch-Plasmalichtbogenschweißen?

Schlüsselloch-Plasmalichtbogenschweißen ist ein einzigartiges Lichtbogenschweißverfahren für tiefe Penetration. Um die Qualität der Schweißnähte zu gewährleisten, ist die Anwesenheit des Schlüssellochs kritisch. Das Verständnis des Schlüssellochs wird sicherlich zur Verbesserung des Prozesses und der Schweißqualität beitragen.

Was ist Plasmalichtbogen-Aushöhlen (Gouging)?

Plasmalichtbogen-Aushöhlen ist eine Variante des Plasmalichtbogenprozesses. Der Lichtbogen wird zwischen einer feuerfesten (meist Wolfram) Elektrode und dem Werkstück gebildet. Intensives Plasma wird durch Verengen des Bogens mit einer feinbohrigen Kupferdüse erreicht.