Das Plasma-Punktschweißen (PSW)

Schweißverfahren - Teil 5

Als der österreichische Hersteller SBI Produktion techn. Anlagen, Hollabrunn, auf der letztjährigen Euroblech seinen „Plasma-Spot-Welder“ (Plasma-Punktschweißgerät) vorstellte, traf er auf reges Interesse. Mit diesem neuen, patentierten Fügeverfahren ist es möglich, reproduzierbare Punktschweißverbindungen mit Hilfe der Plasma-Technologie zu erzeugen. Dieses Verfahren dürfte das konventionelle Widerstandspunkt-, Buckel- und Laserstrahlschweißen in idealer Weise ergänzen. Mit diesem interessanten Verfahren beschließt Bänder Bleche Rohre die Serie der Schweißverfahren.

24. September 2003

Beim Plasma-Punktschweißen handelt es sich um ein Strahlschweißverfahren ohne Zuführung von Zusatzwerkstoff. Die Kathode besteht aus einem Wolframstab. Während des Zündvorgangs springt ein Hochfrequenzfunke von der Wolframelektrode des Brenners zum Werkstück (Anode) über. Das Plasmagas wird ionisiert, so daß ein Lichtbogen entsteht. Der erzeugte Plasmastrahl wird durch eine geeignete Düsengeometrie eingeschnürt und auf das Bauteil fokussiert. Der Abstand zum Werkstück wird durch Aufsetzen des Plasmabrenners sichergestellt.

Das Material wird aufgeschmolzen, das Schweißgut gegebenenfalls durch den Einsatz der Pulstechnik (zerhacken des Stromimpulses) vermengt. Energieträger während des Schweißvorgangs ist im wesentlichen der Plasmastrahl, nicht der oben genannte Lichtbogen. Die Energiedichte und Temperatur des Plasmastrahls liegen deutlich über denen eines WIG-Lichtbogens. Daher sind die Schweißergebnisse denen einer Laserschweißung ähnlich. Die Temperatur des Lichtbogens ist abhängig von Menge und Art des verwendeten Plasmagases (Argon 14.000 bis 20.000°C).

Vorteile des Verfahrens

Das Plasma-Punktschweißen kann auch eingesetzt werden, wenn Bauteile nur von einer Seite zugänglich sind (keine Zange notwendig/kein aufwendiges Unterwerkzeug), beispielsweise Rohre und Hohlkörper. Es entstehen mit diesem Schweißverfahren gleichmäßige Oberflächen nach dem Verschweißen und ein optisch einwandfreies Schweißbild. Die Materialrückseite/Werkstückunterseite wird bei korrekter Einstellung kaum beschädigt oder verändert. Es kommt zu keiner Materialeinschnürung / Querschnittsschwächungen im Schweißbereich durch Elektrodenabdrücke.

Der leichte Plasmabrenner ist auch als Handpistole erhältlich. So kommt es zu einem geringeren Investitionsvolumen für Handling als beispielsweise beim Widerstandsschweißen. Das Plasma-Punktschweißen zeichnet sich zudem durch eine gute Dosierbarkeit der Energiemenge und Reproduzierbarkeit der Schweißung durch geeignete Software für Parametrierung, Dokumentation und Prozeßkontrolle aus. Kurze Schweißzeiten und dadurch geringer Wärmeverzug sind ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens. Zudem ist das Verschweißen von verschiedensten legierungsfähigen Stählen und NE-Metallen möglich.

Immer schön kühl bleiben

Die Schweißung erfolgt nur mit geringer Andruckkraft. Daher kommt es zu keiner ungewollten Verformung des Bauteils durch das Schweißwerkzeug/die Schweißzange. Da das einzige Verschleißteil die Wolframelektrode ist, die zudem mehrmals nachgearbeitet werden kann, ist nur eine geringe Verschleiß- und Ersatzteilhaltung notwendig. Das System arbeitet mit integrierter Wasser-Umlaufkühlung, daher ist keine Druckluft und kein Kühlwasservor- und Kühlwasserrücklauf notwendig.

Bei geeigneter Massezuführung können auch Bleche mit einseitiger Schutzfolie verschweißt werden. Auch verölte/gefettete Bleche hatten bei Schweißversuchen keinen Einfluß auf die Qualität der Schweißung. Zudem besticht das Plasma-Punktschweißen durch eine geringe Anschlußsleistung des Gerätes und einem hohen Wirkungsgrad. Geringe Emissionen sind ebenso als Systemvorteile zu nennen, wie die Möglichkeit der Lageunabhängigen Einsetzbarkeit. Im Vergleich zur Laser- und Elektronenstrahlschweißung sind beim Plasma-Punktschweißen nur geringe Investitionskosten zu Veranschlagen.

Vorteile gegenüber dem WIG-SchweißenAuch nach einer durch den Abbrand veränderten Elektrodenform bleibt die Ausbildung des Lichtbogens unverändert. Zudem besticht das Plasma-Pulsschweißen auch bei niedrigen Strömen durch eine hohe Stabilität des Lichtbogens. Die Ablenkung des Lichtbogens durch Kanten und andere Werkstückeinflüsse ist gering. Höhere Energiedichte, tiefer Einbrand und dadurch höhere Schweißgeschwindigkeiten ergeben eine schmale Schmelzzone, geringe Wärmeeinbringung und damit weniger Verzug.

Doch auch die Nachteile gegenüber anderen Schweißverfahren sollen hier nicht unerwähnt bleiben. Die zu verschweißenden Bleche sollten beim Plasma-Punktschweißen plan aufliegen, denn es können nur geringe Luftspalte (werkstoffabhängig, circa 0,1 bis 0,2 mm) sicher überbrückt werden. Gegebenenfalls wird eine Spannvorrichtung benötigt um die Werkstücke sicher aufeinander zu drücken und den Luftspalt zu minimieren. Bestimmte Beschichtungen (Zink) sind zum heutigen Zeitpunkt noch nicht prozeßsicher verarbeitbar.

Das Plasmagas und die Handhabung

Vorwiegend wird reines Argon wegen der geringen Ionisierungsspannung verwendet. Zum verschweißen bestimmter Werkstoffe werden gegebenenfalls H2-Zusätze oder HE-Zusätze (Aluminium) verwendet. Der Verbrauch von Schweißargon, wie etwa Argon 4.6, beträgt - bei insgesamt circa 2 bis 3 Sekunden für Stahl 1 mm + Stahl 1 mm - 0,8 bis 2,5 Liter/min (reine Schweißzeit ca. 400 ms).

Der Plasmabrenner wird lotrecht auf das Werkstück aufgesetzt (automatisch oder manuell). Manuell empfiehlt der Hersteller eine leichte Anpreßkraft um die lotrechte Lage über drei Druckpunkte der Gasdüse zu gewährleisten. Danach wird der Start über Handschalter (im Griff der Handpistole) oder Programmanwahl und Schweißstart über Automatisierungsschnittstelle ausgelöst. Soll eine anlauffarbenfreie Oberfläche erzeugt werden, so verbleibt der Brenner bis zum Ende der programmierbaren Nachströmzeit auf dem Werkstück.

Der Einsatzbereich

Bei allen zur Zeit existierenden Brennern hat die Gasdüse einen Durchmesser von circa 20 mm (die Entwicklung kleinerer Sonderbrenner und asymmetrischer Gasdüsen ist denkbar). Blechstärken von 0,1 bis 2,0 mm vieler legierungsfähiger Stähle und NE-Metalle konnten im Versuchsfeld verarbeitet werden. Oberflächenbeschichtungen (Zink, Chrom, Aluminium) bedürfen einer besonderen Prüfung.

Geringe Emissionen

Vorteilhaft ist das Schweißen von dünnen auf dicke Bleche sowie das verarbeiten von Werkstoffen mit vergleichsweise geringem Wärmeleitvermögen. Mittels Sondergasdüsen ist etwa das Verschweißen von Blechen Stoß an Stoß - auch im 90°-Winkel zueinander, von innen oder außen - möglich. Außerdem kann der Inverter über Betriebsartenumschaltung auch als „normale“ WIG-Stromquelle eingesetzt werden.

Durch kurze Schweißzeiten entsteht vergleichsweise wenig Schweißrauch, dennoch, je nach Verschmutzungsgrad der Bleche, ist eine Absaugung empfehlenswert. Ein Sichtschutz (Lichtstrahlung) für den Werker ist bei geeigneter Ausführung der Gasdüse nicht erforderlich. Plasmagas Argon ist nicht toxisch. Die zum Zünden erforderliche HF-Strahlung stellt keine besondere Gefährdung dar (vergleichbar mit handelsüblichem WIG-Schweißgerät) jedoch sollten Personen mit Herzschrittmachern und Körperhilfen, wie Hörgeräten, diese Anlagen meiden.

Automatisierungsmöglichkeiten

Die Automatisierung ermöglichen der Einsatz von Plasma-Roboter-Punktschweißbrennern sowie die Automatisierungsschnittstelle am Gerät. Die Prozeßkontrolle und Dokumentation der Schweißparameter Strom, Spannung, Gas, Kühlung für jede Punktschweißung ist heute möglich. Mit dem nächsten Softwarestand (voraussichtlich 8/2003) wird die Option QSP erhältlich sein - mit selbst zu definierenden Ober- und Untergrenzen für alle prozeßbestimmenden Parameter.

An den Arbeitsplatz werden keine besonderen Anforderungen gestellt. Zugluft sollte jedoch vermieden werden um zusätzliche thermische Belastungen der Keramikdüse/des Brenners auszuschließen. Auf eine gute Be- und Entlüftung sollte dennoch geachtet werden.

Normen und Einsatzgebiete

Da es sich hier um ein neuartiges (Punkt-Schmelz-)Schweißverfahren handelt sind dem Hersteller keine Normen bekannt, welche hier direkt anwendbar sind. Parallelen zeigen sich zum Laser- oder Plasma-Bahnsschweißen. Für das bekannte Plasmaschweißen (Bahnschweißen) existieren DIN-Normen und Merkblätter von Schweißlehranstalten und dem DVS.

Zum Stand 04/2002 befanden sich fünf Geräte bei Kunden der metallverarbeitenden Industrie (Walzwerk, Küchengeräte, Blechverarbeitung) im Einsatz. Vorführgeräte/Vorführanlagen stehen bei Bergmann & Steffen (Deutschland) sowie SBI (Österreich) für Versuchszwecke und Musterschweißungen zur Verfügung.

Erschienen in Ausgabe: 08/2003