Mikroplasmaschneiden

Schweißverfahren - Teil 2 -

Das Mikroplasma-Schweißverfahren ist ein seit über 30 Jahren bewährtes Feinschweißverfahren, das mittels übertragenen, mechanisch eingeschnürten Lichtbogens im Schwachstrombereich von 0,1 bis 25 A eingesetzt wird. Der zylindrische Lichtbogen erreicht Temperaturen von 10.000 bis 15.000 K und Leistungsdichten von mehr als 104 W/cm2.

26. Juni 2003

Die Plasmaschweißverfahren gehören, wie auch das WIG-Verfahren, in die Gruppe der Schutzgas-Lichtbogen-Schmelzschweißverfahren und werden ihrerseits in Abhängigkeit der maximal umsetzbaren Energiemengen unterteilt in:

- Mikroplasmaschweißen von 0,1 bis 25 A für Materialdicken von 0,01 bis 1,5 mm

- Plasmaschweiß-Durchdrück-Technik von 25 bis 50 A für Materialdicken von 1,5 bis 3,0 mm.

- Plasma-Stichlochschweißen & t; 60 A für Materialdicken von 3,0 bis 10,0 mm in einer Lage, darüber hinaus mehrlagig.

Diese Gliederung ist gerechtfertigt, da hinsichtlich der physikalischen Vorgänge im Lichtbogen wie auch anwendungstechnisch ganz wesentliche Unterschiede bestehen.

Der Plasmaschweißbrenner kann in seinem Aufbau einem WIG-Brenner gegenübergestellt werden, an dem man ergänzend eine gekühlte mechanische Einschnürung anbringt. Durchläuft der Lichtbogen auf seinem Weg von der Elektrode zum Werkstück diese Einschnürung, so wird er in Abhängigkeit des Düsendurchmessers mehr oder weniger stark komprimiert.

Die Verringerung des Entladungsquerschnitts führt zu einer Zunahme der Leistungsdichte und zu einem bedeutenden Anstieg der Plasmatemperatur. So brennen offene WIG-Lichtbogen zwischen 6.000 bis 12.000 K und Leistungsdichten von 102 bis 104 W/cm2, eingeschnürte Lichtbögen hingegen zwischen 10.000 und 25.000 K, in manchen Fällen noch bedeutend höher, und Leistungsdichten von 104 bis 106 W/cm2. Elektronenstrahl-Leistungsdichten von 105 bis 108 W/cm2 sind realisierbare Werte. Dieser Vergleich stellt klar, daß sich in dieser Beziehung das Plasmaschweißverfahren zwischen dem WIG- und dem Elektronenstrahl-Schweißverfahren einordnen. Inzwischen ist jedoch die größte Konkurrenz des Plasmaschweißens das Laserstrahlschweißen mit seinem kleinen und hoch konzentrierten Brennfleck von 2,5 x 106 W/cm2. Wahrscheinlich wird nach einer entsprechenden Entwicklungsphase das Atomlaserstrahlschweißen eine noch stärkere Konkurrenz darstellen, denn der Atomlaserstrahl läßt sich auf einen tausendmal kleineren Bereich als der Laserstrahl aus Licht fokussieren.

Eine weitere wesentliche Verbesserung gegenüber dem offenen Lichtbogen unter Schutzgasatmosphäre besteht in der Richtungsstabilität eingeschnürter Lichtbögen. Das Plasmagas, das im Inneren des Brenners durch den Hilfslichtbogen hoch ionisiert wird und durch die Einschnürung den Brenner verläßt, verfolgt aufgrund seiner kinetischen Energie den in der Einschnürung vorgegebenen Weg und bildet zwischen Brennermündung und Werkstück einen zylindrischen stromleitenden Kanal, welchem der Lichtbogen gezwungenermaßen verfolgen muß. Ein offener Lichtbogen sucht sich je nach Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks und Spannungsangebotes einen Fußpunkt selbst. Ändert man die Bogenlänge eines offenen Lichtbogens, so ergibt sich neben einer Verschiebung der elektrischen Parameter auch eine Veränderung der beaufschlagten Fläche. Ein komprimierter Lichtbogen hingegen behält, bedingt durch seine zylindrische Form, die Größe der beaufschlagten Fläche bei.

Hat der Lichtbogen nun die Einschnürung verlassen und brennt frei von den darin wirkenden Kräften, so wird nur bei verhältnismäßig hohen Strömen die zylindrische Form bis zum Werkstück aufrechterhalten, nämlich dann, wenn die Lorenz-Kräfte, die mit der Energiedichte und der Stromstärke zunehmen, im sogenannten Pinch-Effekt zum Wirken kommen. Ein Mikroplasma-Lichtbogen mit Stromstärken von 20 mA bis 25 A hingegen erfordert „zusätzliche Maßnahmen“.

Führt man als Schutzgas, das für die Abdeckung des Schmelzbades gegen atmosphärische Einflüsse benötigt wird, reines Argon zu, identisch mit dem Bogengas, so wird sich die Entladung durch Kontaktionisation aufweiten und seine Steifheit und Leistungsdichte verlieren. Ohne Schutzgaszufuhr, das heißt in der Luft, bleibt die Bündelung bestehen, da die molekularen Gase der Luft nur schwer ionisierbar sind und somit den Lichtbogen in seinen Randzonen kühlen. Derselbe Effekt wird erreicht, wenn man dem Argon einen gewissen Prozentsatz Wasserstoff beimengt, der bei etwa 4.000 K eine der mechanischen Einschnürung ähnliche Barriere bildet. Der sehr heiße Kern des Lichtbogens ist von einem Mantel verhältnismäßig kühler Gase umgeben, in dem Wasserstoffmoleküle durch Energieaufnahme aus dem Lichtbogen dissoziiert werden und bei ihrem Auftreffen auf dem kalten Werkstück wieder rekombinieren. So trägt der Wasserstoff nicht nur zur Bündelung des Lichtbogens bei, sondern leistet auch einen erheblichen Anteil des Energietransportes. Überdies verringert er die Oberflächenspannung des Schmelzbades und bindet den Sauerstoff durch Verbrennung zu Wasserdampf, der in die Atmosphäre entweichen kann.

Mit den beschriebenen Vorgängen stellt sich gleichzeitig eine Verschiebung der elektrischen Bogenkennlinie nach oben ein, unter Wegfall des steil ab- fallenden Astes niedriger Strombereiche des offenen Lichtbogens. Dieser Umstand ermöglicht erst die perfekte Stabilisierung vom Schwachstromlichtbogen im Bereich des Mikroplasma-Einsatzgebietes.

Der Aufbau einer Mikroplasma-Schweißanlage

Eine Mikroplasma-Schweißanlage besteht im wesentlichen aus einer Stromquelle mit fallender statischer Kennlinie und einem Steuerteil für die Speisung des übertragenen Lichtbogens, einer zweiten Stromquelle mit überlagertem Hochfrequenzgenerator für die Speisung und Zündung des Hilfslichtbogens, Kühlwasser- und Gasversorgungskreisen sowie dem Scheißbrenner. Es wird in der Regel mit Gleichstrom gearbeitet. Mikroplasmabrenner sind immer wassergekühlt. Eine thorierte Wolframelektrode wird mittels Spannzange und Spannzangensupport in der Brennerachse angeordnet. Das zugespitzte Ende der Elektrode befindet sich in einem durch die Einschnürung gebildeten Raum, in dem das Plasmagas durch die im Hilfslichtbogen umgesetzte Energie hoch ionisiert wird und in diesem Zustand den Brenner durch die zentrale Düsenmündung verläßt. Durch eine, der Einschnürung konzentrisch angeordnete keramische Ping-Düse wird das Schutzgas zugeführt, welches das Schmelzbad gegen atmosphärische Einflüsse abdeckt. Über das Schlauchpaket wird der Brenner mit Wasser, Gas und Schweißströmen versorgt.

Die Elektrode und das hintere Ende des Brennerkörpers haben negative Polarität, die Düse und somit der vordere Teil des Brennerkörpers positive Polarität. Hochfrequenz und Hilfslichtbogenstrom fließen über die Elektrode auf die Düse und zurück zur Stromquelle, während der übertragene Lichtbogen seinen Weg über das Werkstück nimmt. Da die Einschnürung dem Lichtbogen Form und Richtung aufprägt, kann man mit ihr den Lichtbogendurchmesser willkürlich festlegen und somit die wärmebeeinflußte Zone am zu verschweißenden Objekt beeinflussen. Die Düsendurchmesser reichen von 0,5 mm bei relativ schwachen Strömen bis zu etwa 2,0 mm. Außerdem kann man den Lichtbogen von der Brennerachse gezielt ablenken. Auf diese Weise werden Innen-Rundnähte von 4 mm Durchmesser an Membranbälgen von 0,025 mm Dicke ausgeführt, was mit dem heutigen Material hinsichtlich der Abmessungen des Objektes auch gleichzeitig die unterste Grenze darstellt.

Mikroplasmaschweißen von Blechen und Feinstbauteilen

Mikroplasmaschweißen beschränkt sich auf Blechdicken von 0,01 bis 1,5 mm und Feinstbauteile, das heißt Bauteile von einigen wenigen Gramm; bei denen die Abmessungen des zu verschweißenden Elements in mindestens einer der drei Raumachsen wesentlich kleiner sind als die beiden anderen, Bei größeren Werkstücken können auch gedrungene Bauteile bearbeitet werden. Ebenso ist es möglich, Elemente verschiedener Massen und Dicken in einem sehr weiten Bereich untereinander zu verbinden. Praktisch alle Metalle, die mit dem WIG-Verfahren geschweißt werden, sind auch dem Mikroplasma-Verfahren zugänglich. Bei Leichtmetallen und deren Legierungen bietet sich jedoch nicht immer eine Lösung an. Im Gegensatz zu Widerstands-Schweißverfahren, wo die Wärmeentwicklung in der Stoßfuge stattfindet, wird beim Mikroplasma-Verfahren die Oberfläche mit Wärme beaufschlagt. Je höher die Temperatur und Energiedichte sind, um so schneller findet der Wärmetransport nach innen statt und um so weniger Wärme kann seitlich abgeleitet werden. Diese Voraussetzungen gestatten Verbindungen mit besonders günstigen Schweißnaht-Breite-Tiefe-Verhältnissen zu bilden, was einen geringeren Verwurf der Bauteile zur Folge hat. Die eingebrachte Energie konzentriert sich ausschließlich auf die Schmelzzone, und die kurze Verweilzeit in Temperaturbereichen metallurgischer Umwandlungen ergibt gesündere Gefüge und besonders schmale Übergangszonen.

Plasmaverbindungsschweißen von verzinkten und aluminierten dünnwandigen Blechen

Mit Hilfe des Plasmaverbindungsschweißen lassen sich dünnwandige (0,5 bis 1 mm), verzinkte oder auch aluminierte Bleche als Bördelnaht in q-, s- und f- Position mit einer Schweißgeschwindigkeit zwischen 50 und 70 cm/min verschweißen. Voraussetzung für gute Schweißergebnisse ist die Verwendung von Argon als Plasmagas und vor allem von sauerstoffhaltigem Schutzgas (besonders geeignet ist Ar S8) sowie die Anwendung eines pulsförmig modulierten Stromes im niedrigen Frequenzbereich um 4 Hz.

Die erstellten Schweißnähte sind sicher aufgeschweißt, sehr regelmäßig und glatt. Sowohl das Schweißgut selbst als auch die nahtnahen Bereiche zeigen eine gute Korrosionsbeständigkeit. Aufgrund der geringen Blechdicke sowie der engbegrenzten Wärmeeinwirkung des Plasmastrahls sind im Vergleich zum Beispiel zum MAG-Schweißen engere Werkstücktoleranzen einzuhalten, das heißt die Spaltbreite darf nicht größer als 10 bis 20 Prozent der Blechdicke sein. Die bisher geprüften Bauteile zeichnen sich durch eine höhere Steifigkeit im Vergleich zu punktgeschweißten Bauteilen aus.

Anwendungen finden sich vor allem im Flugzeugbau, der Kerntechnik, der Elektronik, im Instrumenten- und Apparatebau, der Regel- und Meßtechnik, im Zahnlabor der Nahrungsmittelindustrie und anderen Sachgebieten. Aber auch beim Reparaturschweißen wird das Mikroplasmaverfahren gezielt eingesetzt.

Erschienen in Ausgabe: 03/2003