Plasmalichtbogenschweißen (PAW): Prinzip, Ausrüstung, Vor- & Nachteile

Plasmalichtbogenschweißen (PAW / Prozess 15) ist eine Weiterentwicklung des WIG-Schweißens. Durch eine wassergekühlte Konstriktor-Düse wird der Lichtbogen eingeengt → höhere Energiedichte, stabilerer Bogen, Keyhole-Effekt (Durchdringung). Dieser Artikel deckt Prinzip, Ausrüstung, Anwendungen, Vor-/Nachteile ab.

Funktionsprinzip

Wie WIG: Wolfram-Elektrode (nicht verbrauchbar) + Schutzgas. Zusatz: Konstriktor-Düse (Nozzle) um die Elektrode.

• Plasmasgas (Zentralgas): Strömt durch Düse → wird vom Lichtbogen ionisiert → Plasma (hochenergetisch, ~15.000–25.000 K). Bildet den eigentlichen Schweißbogen.
• Schutzgas (Mantelgas): Strömt ringförmig um Düse → schützt Schmelzbad & Elektrode vor Luft. Meist Ar, Ar/He, Ar/H₂.
• Zwei Bogenarten:
  • Transferred Arc (übertragener Bogen): Bogen zwischen Elektrode (+) und Werkstück (-). Werkstück Teil des Stromkreises. Hauptverfahren zum Schweißen/Schneiden.
  • Non-Transferred Arc (nicht übertragener Bogen): Bogen zwischen Elektrode (-) und Düse (+). Werkstück nicht im Stromkreis. Für Plasmaspritzen, Pulverauftragschweißen (PTA).

Keyhole-Effekt: Bei hoher Leistung/Düsendurchmesser schmilzt Loch durch Blech → Plasma strahlt durch → vollständige Durchdringung einlagig (bis 8–10 mm Stahl, 6–8 mm Al).

Ausrüstung & Komponenten

• Stromquelle: CC (Konstantstrom), DC (meist), AC (selten). Pulsfähigkeit Standard. Hohe Leerlaufspannung (80–100 V) für sichere Zündung.
• Hochfrequenz-Zündgerät (HF-Start): Integriert oder extern. Zündet Pilotbogen (Elektrode-Düse) → Hauptbogen übertragen.
• Plasma-Brenner (Torch): Wassergekühlt (Pflicht!). Komponenten: Elektrodenhalter, Wolfram-Elektrode (WL20/WC20), Konstriktor-Düse (Cu, Bohrung 0,8–3,0 mm – kritisch!), Gasverteiler (Plasma/Schutzgas getrennt), Kühlwasseranschlüsse.
• Gasversorgung: Zwei getrennte Leitungen (Plasma / Schutzgas) mit je Regler, Durchflussmesser. Gase: Ar, He, H₂, Mischungen. Reinheit ≥ 4.6 (99,996 %).
• Stromkabel & Steuerkabel: Hochstrom (Wassergekühlt), Steuerleitung (Zündung, Gasventile, Stromregelung).
• Spannungs-/Stromregelung (Contour Control): Für Keyhole-Schweißen: Bogenlänge (Spannung) regelnd nachführen (AVC – Arc Voltage Control).
• Vorrichtungen (Fixtures): Starre, präzise Spannung (Spaltmaß, Versatz < 0,1 mm). Keyhole erfordert exakte Spaltführung. Gasdichtung (Backing Gas) für Wurzelseite.

Anwendungen

• Mikroplasma (0,1–15 A): Dünnblech < 0,5 mm (Folien, Gehäuse, Sensoren, Medizintechnik, Elektronik). Draht- & Mesh-Schweißen.
• Rohr- & Rohrleitungsbau: Edelstahl, Titan, Duplex, Nickelbasis. Wurzelpass (Keyhole, einlagig durchdringend) → Füllung (WIG/MAG). Hohe Qualität, Dichtheit.
• Werkzeug- & Formenbau: Reparatur (Rissverzahnung, Eckenaufbau), Auftragschweißen (Pulver/PTA). Geringer Verzug.
• Turbinen & Luftfahrt: Schaufelreparatur (Tip-Repair, Leading Edge), Beschichtung (MCrAlY, PTA). Hohe Temperaturfestigkeit.
• Elektronikindustrie: Gehäuseverschweißen (Hermetisch), Batteriekontakte, Sensoren. Mikroplasma.
• Automobil: Abgasanlagen (Edelstahl), Kraftstoffleitungen, Sensoren (Laser-Hybrid-Konkurrenz).

Vor- & Nachteile

Vorteile

• Hohe Energiedichte & Bogenstabilität: Konstriktor bündelt Bogen → weniger Streuung, stabiler gegen Störungen (Magnetische Ablenkung, Spaltänderungen).
• Keyhole-Effekt: Einlagige Durchdringung (bis 8–10 mm) → extrem hohe Geschwindigkeit, minimaler Wärmeeintrag, geringer Verzug, keine Wurzelnaht nötig.
• Schnellere Schweißgeschwindigkeit: 2–5× WIG-Geschwindigkeit bei gleicher Tiefe.
• Bessere Spaltüberbrückung & Toleranzausgleich (Keyhole "schluckt" Spalt).
• Schmalere Wärmeeinflusszone (WEZ) vs. WIG (bei Keyhole) → feineres Gefüge, weniger Verzug.
• Vielseitigkeit: Schweißen, Schneiden, Löten, Spritzen (PTA), Bohren mit einer Anlage (Parameter/Düse wechseln).
• Einfach zu automatisieren: Klare Parameter (Strom, Spannung, Gase, Drehzahl, Vorschub), AVC, Roboter-Integration Standard.
• Schmalerer Kerf (Schneiden) vs. Autogen → weniger Materialverlust.

Nachteile

• Hohe Investitionskosten: Anlage (Stromquelle, Brenner, Kühler, HF, AVC, Gase) 3–10× WIG-Anlage.
• Spezialisiertes Personal nötig: Einstellung (Düse, Gase, Drücke, AVC), Fehlerdiagnose (Keyhole-Kollaps, Double Arcing), Wartung (Düsenverschleiß, Kühlwasser).
• Höherer Lärmpegel: Plasmaschneiden > 100 dB(A) → Gehörschutz Pflicht. Schweißen leiser, aber noch lauter als WIG.
• Empfindlich gegen Verunreinigungen: Düse verstopft → Bogeninstabilität. Saubere Schmelze, Gase, Werkstücke zwingend.
• Begrenzte Zugänglichkeit: Brennerkopf größer als WIG (Wasserkühlung, Doppeldüse) → enge Stellen schwieriger.
• Nicht für alle Werkstoffe/Dicken optimal: Sehr dicke Wand (> 10 mm) → Mehrlagig (Keyhole nur 1. Lage) → WIG/MAG oft wirtschaftlicher. Sehr dünn (< 0,1 mm) → Mikroplasma oder Laser besser.

PAW ist das Präzisionswerkzeug für hochwertige, reproduzierbare Nähte in mitteldicken Blechen (1–8 mm) mit Keyhole-Vorteil und für Mikroanwendungen. Die hohen Anlagen- und Personalkosten rechtfertigen sich bei: Serienfertigung (Rohre, Behälter), Hochwertige Reparatur (Turbinen, Werkzeuge), Dünnblech-Präzision (Elektronik, Medizintechnik), wo WIG an Geschwindigkeits- oder Qualitätsgrenzen stößt. Moderne Inverter-PAW-Anlagen mit digitaler Prozessüberwachung (Kraft-Weg, Spannung, Strom, Gas) ermöglichen lückenlose Dokumentation (Industrie 4.0).