FT1_03
WIG + Plasma
WIG + Plasma
Aufbau des WIG-Brenners
Links ist das Verfahrensprinzip des WIG-Schweißens dargestellt. Beim WIG- Schweißen brennt der Lichtbogen frei zwischen Elektrode und Werkstück. Die Elektrode ist üblicherweise negativ gepolt (Ausnahmen: Aluminium, Magnesium etc.), da die thermische Belastung der Elektrode bei dieser Polungsart geringer ist. Das WIG-Schweißen kann mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoff durchgeführt werden. Wenn Zusatzwerkstoff verwendet wird, wird dieser entweder manuell (Stabform) oder maschinell (Drahtspule) zugeführt. Ein wesentlicher Vorteil des WIG-Schweißens gegenüber Verfahren wie dem MSG-Schweißen ist die Tatsache, dass die Energieeinbringung weitgehend unabhängig von der Menge des eingebrachten Zusatzwerkstoffs ist.
Potentialverlauf eines Lichtbogens
Der Potentialverlauf des hier gezeigten idealen Lichtbogens lässt sich in drei charakteristische Bereiche einteilen:
1. Kathodenfallgebiet
2. Licht-bogen
3. Anodenfallgebiet
Im Bereich des Kathodenfalls ist auf einer Strecke von \(10^{-4}\) mm fast 50% des Gesamtspannungsabfalls zu verzeichnen. Eine ähnlich große Spannung fällt im Bereich des Anodenfalls ab; hier allerdings auf einer Strecke von 0,5 mm. Der Spannungsabfall auf der restlichen Lichtbogenstrecke ist im Vergleich hierzu gering. Der Hauptenergieumsatz findet dementsprechend im Bereich des Anoden- und Kathodenfallgebiets statt.
drei charakteristische Bereiche des Potentialverlauf beim WIG-Schweißen
1. Kathodenfallgebiet
2. Lichtbogen
3. Anodenfallgebiet
WIG - Lichtbogenkennlinien für verschiedene Schutzgase
Je nach Wahl des Schutzgases ergeben sich unterschiedliche Lichtbogenkennlinien. Da He-lium gegen-über Argon ein höheres Ionisationspotential aufweist, ist für Helium eine höhere Lichtbogenspannung erforderlich, um das Gas in den Plasmazustand zu versetzen. Dementsprechend besitzt Helium bei der Lichtbogenzündung schlechtere Zündeigenschaften, ermöglicht durch die größere Wärmemenge im Heliumlichtbogen allerdings auch eine höhere Schweißgeschwindigkeit.
energetische Verluste beim WIG-Schweißen
- Lichtbogenstrahlung
- Wärmeableitung
- Wärmeumsatz in der Elektrode
Was wird durch den Oxidgehalt in den Elektroden beeinflusst?
Oxide senken Elektronenaustrottsarbeit
--> Elektroden zünden schneller
Prinzipieller Anlagenaufbau für das WIG - Schweißen
Eine konventionelle WIG-Schweißanlage besteht aus Transformator, Gleichrichtersatz und Schweißbrenner. Für die meisten Anwendungen wird eine negativ gepolte Elektrode eingesetzt. Zum Schweißen von Aluminium hingegen wird Wechselstrom verwendet. Zur Zündung werden hochfrequente Hochspannungsimpulse überlagert, die die Lichtbogenstrecke zwischen Elektrode und Werkstück ionisieren, d.h. elektrisch leitfähig machen, sodass der Lichtbogen zünden kann.
Arbeitspunktverschiebung bei unterschiedlichen Lichtbogenlängen
Wie in der Abbildung dargestellt wird der Lichtbogen kürzer, wenn sich der Brennerabstand verringert. Dadurch verkleinern sich der Widerstand sowie die Spannung und die Stromstärke steigt an, sodass sich eine neue Lichtbogenkennlinie und damit ein anderer Arbeitspunkt einstellen.
Durch die Verwendung einer Stromquelle mit steil fallender Stromquellenkennlinie ändert sich beim WIG-Schweißen die Stromstärke bei Brennerabstandsänderungen nur geringfügig. Die Energiezufuhr an das Schmelzbad und die Einbrandtiefe bleiben so relativ konstant.
Der Lichtbogen kann nur in einem begrenzten Längenbereich brennen. Oberhalb von „lang“ würde er abreißen, unterhalb von „kurz“ im Kurzschluss erlöschen.
Welchen Einfluss hat ein größerer Anteil der positiven Halbwelle des Wechselstroms auf folgende Größen?:
- Reinigungswirkung
- Wärmebelastung der Elektrode
- Nahtbreite
- Reinigungswirkung stärker
- Wärmebelastung der Elektrode größer
- Nahtbreite größer
Leichtmetallschweißen --> Wechselstrom
Wiederzünden des WIG-Wechselstromlichtbogens durch Spannungsimpulse
Das Schutzgas besitzt keine Lichtbogenstabilisatoren in Form leicht ionisierbarer Metallverbindungen wie z.B. das Schweißpulver beim UP-Schweißen. Wegen der geringen Restionisation der Lichtbogenstrecke ist eine selbstständige Neuzündung des Lichtbogens nach dem Erlöschen beim Nulldurchgang der Spannung nicht sichergestellt. Die für die kontaktlose Neuzündung erforderliche Ionisation der Lichtbogenstrecke zwischen Elektrode und Werkstück wird durch hochfrequente Hochspannungsimpulse nach jedem Nulldurchgang realisiert.
Elektrodenformen für das WIG-Schweißen
Die thermische Elektrodenbelastung ist an der Form der Elektrodenspitze zu erkennen. Während das normalbelastete, negativ gepolte Elektrodenende spitzkegelig (Spitzenwinkel ca. 10°) ausgebildet ist, ergibt sich beim Wechselstromschweißen (höhere thermische Belastung durch positive Halbwellenanteile) eine abgeflachte Elektrodenspitze. Bei einer thermisch überlasteten Elektrode bildet sich die Spitze halbkugelförmig aus, was zu einer stärkeren Auffächerung des Lichtbogens und damit zu breiteren Schweißnähten mit geringerem Einbrand führt.
Anwendungen des WIG-Verfahrens
Werkstoffe / Blechdicken / Nahtarten / Anwendungsbeispiele
Werkstoffe:
Stähle, besonders hochlegierte
Aluminium und Aluminiumlegierungen
Kupfer und Kupferlegierungen
Nickel und Nickellegierungen
Titan
Zirkon
Tantal
Werkstückdicken: 0,5-5,0mm
Nahtarten:
I-, V-, Bördel-, Kehlnähte
alle Positionen
Auftragschweißungen
Anwendungsbeispiele:
Einschweißung von Rohren in Rohrböden
Orbitalschweißungen
Wurzelschweißungen
Orbitalschweißung
Zum Verschweißen kleiner Rohrdurchmesser können Orbital-Handschweißzangen mit austauschbaren Spanneinsätzen eingesetzt werden.
Plasmastrahlschweißen Aufbau
In der Schweißtechnik wird vom Plasma-schweißen gesprochen, wenn der Lichtbogen nicht frei brennt, sondern von einer wassergekühlten Kupferdüse eingeschnürt wird. Aus physikalischer Sicht ist allerdings jeder Schweißlichtbogen ein Plasma. Beim Plasmastrahlschweißen brennt der Lichtbogen zwischen der Wolframelektrode (- Pol) und der Plasmagasdüse (+ Pol) innerhalb des Brenners. Dieser wird als nicht übertragener Lichtbogen bezeichnet. Das vorbeiströmende Plasmagas wird aufgeheizt und in Form eines hell leuchtenden Plasmastrahls aus der Düse ausgeblasen. Aufgrund der vergleichsweise geringen Energieeinbringung wird das Plasmastrahlschweißen hauptsächlich beim Metallspritzen und für das Schweißen von Metallfolien eingesetzt.
Plasmalichtbogenschweißen Aufbau
Beim Plasmalichtbogenschweißen brennt der Lichtbogen zwischen der Wolframelektrode (- Pol) und dem Werkstück (+ Pol). Dieser Lichtbogen wird "übertragener" Lichtbogen ge-nannt. Die angegebene Polung wird für Stähle, Nickel-, Kupferwerk-stoffe u.ä. eingesetzt. Aluminium, Magnesium etc. werden wie beim WIG-Schweißen mit Wechselstrom geschweißt, bei geringen Stromstärken oder mit speziell konstruierten Brennern auch mit Pluspolung an der Elektrode. Die gekühlte Kupferdüse schnürt den Lichtbogen ein. Die Einschnürung kann durch einen zusätzlichen Fokussier-gas-strom oder durch die Verwendung einer Bypass-Bohrung verstärkt werden. Die starke Bündelung des Lichtbogens und die Plasmagasströmung führen zu einer sehr hohen Energiedichte im Lichtbogen und einer deutlich konzentrierteren Wärmeeinbringung als beim WIG-Schweißen. Dies ermöglicht die Ausnutzung des "Stichlocheffekts". Das Plasmalichtbogenschweißen wird hauptsächlich zum Verbindungsschweißen eingesetzt.
Prinzip des Stichlocheffekts beim Plasmalichtbogenschweißen
Beim Plasmalichtbogenschweißen über 2,5 mm Blechdicke wird der sogenannte "Stichlocheffekt" ausgenutzt. Dabei wird die mit dem übertragenen Schweißlichtbogen so viel Energie zugeführt, dass der Werkstoff in seiner ganzen Tiefe aufschmilzt und sich eine Schweißöse bildet. Der Plasmastrahl muss an der Werkstückunterseite frei austreten können. Beim Schweißen bewegt sich der Plasmastrahl mit der Schweißöse an den Stoßkanten entlang. Hinter dem Plasmastrahl fließt das geschmolzene Metall infolge der Oberflächenspannung des Schmelzbads und des Dampfdrucks in der Schweißöse wieder zusammen und bildet so die Schweißnaht. Mit dem Stichlochschweißen ist es möglich, Werkstoffe von bis zu 10 mm Dicke in einer Lage zu verschweißen. Das Stichlochschweißen von Hand ist nicht zu empfehlen, da schon kleinere Änderungen der Brenner- vorschubgeschwindigkeit zu Unregelmäßigkeiten bei der Stichlochbildung führen.
Plasmastrahl - Plasmalichtbogenschweißen Aufbau
Das Plasmastrahl-Plasmalichtbogenschweißen stellt eine Kombination aus den beiden vorgenannten Verfahren dar. Es werden dabei zwei Stromquellen verwendet. Diese Verfahrensvariante wird beim Mikroplasmaschweißen, beim Plasmapulverauftragschweißen und beim Verbindungsschweißen an Aluminium eingesetzt.
Lichtbogenformen beim Plasmaschweißen mit verschiedenen Schutzgasen
Das Schutzgas hat beim Plasmaschweißen aufgrund seiner thermi-schen Leitfähigkeit einen entscheidenden Einfluss auf die Lichtbogenausbildung. Die Verwendung eines Argon-Wasserstoff-Gemischs verstärkt die vielfach erwünschte zylindrische Lichtbogenausbildung.
Vorteile des WIG-Impulslichtbogenschweißens gegenüber dem WIG-Schweißen mit konstantem Strom:
- Geringere Streckenenergieeinbringung
- Besseres Tiefen-/Breitenverhältnis bei größeren Wanddicken
- Stabilerer Lichtbogen
- Gleichmäßigere Wurzelausbildung
- Bessere Zwangslageneignung
- Geringerer Verzug der Werkstücke
- Bessere Modellierbarkeit des Schmelzbades
- Bessere Spaltüberbrückbarkeit
Vorteile Plasmastichlochschweißen
sichere Durchschweißung möglich
sehr begrenzte Wärmeeinflusszone und dadurch ein geringerer Verzug
große Blechdicken einlagig schweißbar
es sind sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten möglich
Stumpfstöße mit I-Naht möglich und dadurch Kostenreduktion bei der Nahtvorbereitung
Welche drei unterschiedlichen Arten der elektrischen Anschlussschaltung werden beim WIG- oder beim Plasmaschweißen eingesetzt und wie unterscheiden sie sich (Stromart, Elektroden- und Werkstoffpolung, realisierbare Schweißstromstärke, Anwendungsgebiete)?
1.) Gleichstrom; Elektrode negativ
2.) Gleichstrom; Elektrode positiv
3.) Wechselstrom
Eigenschaften
Gleichstrom; Elektrode negativ
- Elektrode negativ und Werkstück positiv gepolt in der Regel für Stahlwerkstoffe eingesetzt
- tiefer Einbrand
- hohe Schweißströme realisierbar ohne thermische Überlastung der Elektrode
- kann mit Argon als Schutzgas nicht zum Schweißen von Magnesium und Aluminium verwendet werden.
Eigenschaften
Gleichstrom; Elektrode positiv
- Elektrode permanent positiv und Werkstück negativ gepolt
- sehr hohe thermische Belastung --> mit konventionellen Schweißbrennern nur geringe Stromstärken realisierbar
- Keine technische Bedeutung dieser Polungsart
Eigenschaften
Variable Polarity (Wechselstrom)
- Wechselnde Polarität an beiden Elektroden
- Kompromiss der Reinigungswirkung der plusgepolten Elektrode mit geringerer thermischer Belastung durch negativen Phasenanteil
- Üblicherweise werden Werkstoffe mit hochschmelzenden Oxiden (Aluminium etc.) mit dieser Polung geschweißt
Beschreibe das Wolfram-Inertgasschweißen stichwortartig.
• Wolfram-Inertgasschweißen ist ein Lichtbogenverfahren
• Der Lichtbogen brennt zwischen nicht abschmelzender Wolframelektrode und Werkstück, --> Werkstück wird aufgeschmolzen
• Um Wolframelektrode und Schmelzbad vor Oxidation zu schützen, werden sie von inertem Gas (Argon, Helium) umströmt.
Nennen Sie die drei charakteristischen Bereiche eines idealen Lichtbogens! Skizzieren Sie die Lichtbogensäule mit dem dazugehörigen Potentialverlauf und die drei charakteristischen Bereiche!
1. Kathodenfallgebiet
2. Lichtbogen
3. Anodenfallgebiet
Nennen Sie die unterschiedlichen „Plasmaarten“ beim Plasma-Schweißen!
1) Plasmastrahlschweißen
2) Plasmalichtbogenschweißen
3) Plasmastrahl – Plasmalichtbogenschweißen
Plasmastrahlschweißen
•Beim Plasmastrahlschweißen brennt der Lichtbogen zwischen der Wolframelektrode (- Pol) und der Plasmagasdüse (+ Pol) („nicht übertragener“ Lichtbogen).
•Der Plasmastrahl tritt als Flamme aus der Düse aus. Der zu bearbeitende Werkstoff ist nicht gepolt.
•Niedrige Energiedichte gegenüber dem Plasmalichtbogenschweißen.
Plasmalichtbogenschweißen
•Beim Plasmalichtbogenschweißen brennt der Lichtbogen zwischen der Wolframelektrode (- Pol) und dem Werkstück (+ Pol) („übertragener“ Lichtbogen).
•Das Werkstück ist Teil des elektrischen Stromkreises.
•Hohe Wärmeübertragung in das Werkstück
Plasmastrahl – Plasmalichtbogenschweißen
Kombination aus übertragenem und nicht-übertragenem Lichtbogen
Welche Vorteile ergeben sich durch die für das Plasmaschweißverfahren charakteristische, mechanische Einschnürung des Lichtbogens?
• gute Richtungsstabilität des Plasmastrahles.
• Plasmastrahl ist verhältnismäßig steif --> Beeinflussung durch magnetische Felder sehr gering ist.
• Hohe Stromdichten und hohe Energiekonzentration, sehr hohe Temperaturen im Plasmalichtbogen möglich (bis ca. 20000 K)
Definition Aufmischungsgrad
\(A_m = {F_E \over F_E + F_A}\)
Definition Einbrandtiefe:
\(E_t = {F_E \over b}\)
Was ist Plasma?
Als Plasma wird ein Gas bezeichnet, das durch hohe Energiezufuhr (durch Wärme/Strahlung/elektr. Entladungen...) in einen elektrisch leitenden Zustand gebracht wurde. Das Plasma besteht aus neutralen Teilchen (Atome, Moleküle) sowie aus Ionen und freien Elektronen.
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Lernkarten
Aufbau des WIG-Brenners
Links ist das Verfahrensprinzip des WIG-Schweißens dargestellt. Beim WIG- Schweißen brennt der Lichtbogen frei zwischen Elektrode und Werkstück. Die Elektrode ist üblicherweise negativ gepolt (Ausnahmen: Aluminium, Magnesium etc.), da die thermische Belastung der Elektrode bei dieser Polungsart geringer ist. Das WIG-Schweißen kann mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoff durchgeführt werden. Wenn Zusatzwerkstoff verwendet wird, wird dieser entweder manuell (Stabform) oder maschinell (Drahtspule) zugeführt. Ein wesentlicher Vorteil des WIG-Schweißens gegenüber Verfahren wie dem MSG-Schweißen ist die Tatsache, dass die Energieeinbringung weitgehend unabhängig von der Menge des eingebrachten Zusatzwerkstoffs ist.
Potentialverlauf eines Lichtbogens
Der Potentialverlauf des hier gezeigten idealen Lichtbogens lässt sich in drei charakteristische Bereiche einteilen:
1. Kathodenfallgebiet
2. Licht-bogen
3. Anodenfallgebiet
Im Bereich des Kathodenfalls ist auf einer Strecke von \(10^{-4}\) mm fast 50% des Gesamtspannungsabfalls zu verzeichnen. Eine ähnlich große Spannung fällt im Bereich des Anodenfalls ab; hier allerdings auf einer Strecke von 0,5 mm. Der Spannungsabfall auf der restlichen Lichtbogenstrecke ist im Vergleich hierzu gering. Der Hauptenergieumsatz findet dementsprechend im Bereich des Anoden- und Kathodenfallgebiets statt.
drei charakteristische Bereiche des Potentialverlauf beim WIG-Schweißen
1. Kathodenfallgebiet
2. Lichtbogen
3. Anodenfallgebiet
WIG - Lichtbogenkennlinien für verschiedene Schutzgase
Je nach Wahl des Schutzgases ergeben sich unterschiedliche Lichtbogenkennlinien. Da He-lium gegen-über Argon ein höheres Ionisationspotential aufweist, ist für Helium eine höhere Lichtbogenspannung erforderlich, um das Gas in den Plasmazustand zu versetzen. Dementsprechend besitzt Helium bei der Lichtbogenzündung schlechtere Zündeigenschaften, ermöglicht durch die größere Wärmemenge im Heliumlichtbogen allerdings auch eine höhere Schweißgeschwindigkeit.
energetische Verluste beim WIG-Schweißen
- Lichtbogenstrahlung
- Wärmeableitung
- Wärmeumsatz in der Elektrode
Was wird durch den Oxidgehalt in den Elektroden beeinflusst?
Oxide senken Elektronenaustrottsarbeit
--> Elektroden zünden schneller
Prinzipieller Anlagenaufbau für das WIG - Schweißen
Eine konventionelle WIG-Schweißanlage besteht aus Transformator, Gleichrichtersatz und Schweißbrenner. Für die meisten Anwendungen wird eine negativ gepolte Elektrode eingesetzt. Zum Schweißen von Aluminium hingegen wird Wechselstrom verwendet. Zur Zündung werden hochfrequente Hochspannungsimpulse überlagert, die die Lichtbogenstrecke zwischen Elektrode und Werkstück ionisieren, d.h. elektrisch leitfähig machen, sodass der Lichtbogen zünden kann.
Arbeitspunktverschiebung bei unterschiedlichen Lichtbogenlängen
Wie in der Abbildung dargestellt wird der Lichtbogen kürzer, wenn sich der Brennerabstand verringert. Dadurch verkleinern sich der Widerstand sowie die Spannung und die Stromstärke steigt an, sodass sich eine neue Lichtbogenkennlinie und damit ein anderer Arbeitspunkt einstellen.
Durch die Verwendung einer Stromquelle mit steil fallender Stromquellenkennlinie ändert sich beim WIG-Schweißen die Stromstärke bei Brennerabstandsänderungen nur geringfügig. Die Energiezufuhr an das Schmelzbad und die Einbrandtiefe bleiben so relativ konstant.
Der Lichtbogen kann nur in einem begrenzten Längenbereich brennen. Oberhalb von „lang“ würde er abreißen, unterhalb von „kurz“ im Kurzschluss erlöschen.
Welchen Einfluss hat ein größerer Anteil der positiven Halbwelle des Wechselstroms auf folgende Größen?:
- Reinigungswirkung
- Wärmebelastung der Elektrode
- Nahtbreite
- Reinigungswirkung stärker
- Wärmebelastung der Elektrode größer
- Nahtbreite größer
Leichtmetallschweißen --> Wechselstrom
Wiederzünden des WIG-Wechselstromlichtbogens durch Spannungsimpulse
Das Schutzgas besitzt keine Lichtbogenstabilisatoren in Form leicht ionisierbarer Metallverbindungen wie z.B. das Schweißpulver beim UP-Schweißen. Wegen der geringen Restionisation der Lichtbogenstrecke ist eine selbstständige Neuzündung des Lichtbogens nach dem Erlöschen beim Nulldurchgang der Spannung nicht sichergestellt. Die für die kontaktlose Neuzündung erforderliche Ionisation der Lichtbogenstrecke zwischen Elektrode und Werkstück wird durch hochfrequente Hochspannungsimpulse nach jedem Nulldurchgang realisiert.
Elektrodenformen für das WIG-Schweißen
Die thermische Elektrodenbelastung ist an der Form der Elektrodenspitze zu erkennen. Während das normalbelastete, negativ gepolte Elektrodenende spitzkegelig (Spitzenwinkel ca. 10°) ausgebildet ist, ergibt sich beim Wechselstromschweißen (höhere thermische Belastung durch positive Halbwellenanteile) eine abgeflachte Elektrodenspitze. Bei einer thermisch überlasteten Elektrode bildet sich die Spitze halbkugelförmig aus, was zu einer stärkeren Auffächerung des Lichtbogens und damit zu breiteren Schweißnähten mit geringerem Einbrand führt.
Anwendungen des WIG-Verfahrens
Werkstoffe / Blechdicken / Nahtarten / Anwendungsbeispiele
Werkstoffe:
Stähle, besonders hochlegierte
Aluminium und Aluminiumlegierungen
Kupfer und Kupferlegierungen
Nickel und Nickellegierungen
Titan
Zirkon
Tantal
Werkstückdicken: 0,5-5,0mm
Nahtarten:
I-, V-, Bördel-, Kehlnähte
alle Positionen
Auftragschweißungen
Anwendungsbeispiele:
Einschweißung von Rohren in Rohrböden
Orbitalschweißungen
Wurzelschweißungen
Orbitalschweißung
Zum Verschweißen kleiner Rohrdurchmesser können Orbital-Handschweißzangen mit austauschbaren Spanneinsätzen eingesetzt werden.
Plasmastrahlschweißen Aufbau
In der Schweißtechnik wird vom Plasma-schweißen gesprochen, wenn der Lichtbogen nicht frei brennt, sondern von einer wassergekühlten Kupferdüse eingeschnürt wird. Aus physikalischer Sicht ist allerdings jeder Schweißlichtbogen ein Plasma. Beim Plasmastrahlschweißen brennt der Lichtbogen zwischen der Wolframelektrode (- Pol) und der Plasmagasdüse (+ Pol) innerhalb des Brenners. Dieser wird als nicht übertragener Lichtbogen bezeichnet. Das vorbeiströmende Plasmagas wird aufgeheizt und in Form eines hell leuchtenden Plasmastrahls aus der Düse ausgeblasen. Aufgrund der vergleichsweise geringen Energieeinbringung wird das Plasmastrahlschweißen hauptsächlich beim Metallspritzen und für das Schweißen von Metallfolien eingesetzt.
Plasmalichtbogenschweißen Aufbau
Beim Plasmalichtbogenschweißen brennt der Lichtbogen zwischen der Wolframelektrode (- Pol) und dem Werkstück (+ Pol). Dieser Lichtbogen wird "übertragener" Lichtbogen ge-nannt. Die angegebene Polung wird für Stähle, Nickel-, Kupferwerk-stoffe u.ä. eingesetzt. Aluminium, Magnesium etc. werden wie beim WIG-Schweißen mit Wechselstrom geschweißt, bei geringen Stromstärken oder mit speziell konstruierten Brennern auch mit Pluspolung an der Elektrode. Die gekühlte Kupferdüse schnürt den Lichtbogen ein. Die Einschnürung kann durch einen zusätzlichen Fokussier-gas-strom oder durch die Verwendung einer Bypass-Bohrung verstärkt werden. Die starke Bündelung des Lichtbogens und die Plasmagasströmung führen zu einer sehr hohen Energiedichte im Lichtbogen und einer deutlich konzentrierteren Wärmeeinbringung als beim WIG-Schweißen. Dies ermöglicht die Ausnutzung des "Stichlocheffekts". Das Plasmalichtbogenschweißen wird hauptsächlich zum Verbindungsschweißen eingesetzt.
Prinzip des Stichlocheffekts beim Plasmalichtbogenschweißen
Beim Plasmalichtbogenschweißen über 2,5 mm Blechdicke wird der sogenannte "Stichlocheffekt" ausgenutzt. Dabei wird die mit dem übertragenen Schweißlichtbogen so viel Energie zugeführt, dass der Werkstoff in seiner ganzen Tiefe aufschmilzt und sich eine Schweißöse bildet. Der Plasmastrahl muss an der Werkstückunterseite frei austreten können. Beim Schweißen bewegt sich der Plasmastrahl mit der Schweißöse an den Stoßkanten entlang. Hinter dem Plasmastrahl fließt das geschmolzene Metall infolge der Oberflächenspannung des Schmelzbads und des Dampfdrucks in der Schweißöse wieder zusammen und bildet so die Schweißnaht. Mit dem Stichlochschweißen ist es möglich, Werkstoffe von bis zu 10 mm Dicke in einer Lage zu verschweißen. Das Stichlochschweißen von Hand ist nicht zu empfehlen, da schon kleinere Änderungen der Brenner- vorschubgeschwindigkeit zu Unregelmäßigkeiten bei der Stichlochbildung führen.
Plasmastrahl - Plasmalichtbogenschweißen Aufbau
Das Plasmastrahl-Plasmalichtbogenschweißen stellt eine Kombination aus den beiden vorgenannten Verfahren dar. Es werden dabei zwei Stromquellen verwendet. Diese Verfahrensvariante wird beim Mikroplasmaschweißen, beim Plasmapulverauftragschweißen und beim Verbindungsschweißen an Aluminium eingesetzt.
Lichtbogenformen beim Plasmaschweißen mit verschiedenen Schutzgasen
Das Schutzgas hat beim Plasmaschweißen aufgrund seiner thermi-schen Leitfähigkeit einen entscheidenden Einfluss auf die Lichtbogenausbildung. Die Verwendung eines Argon-Wasserstoff-Gemischs verstärkt die vielfach erwünschte zylindrische Lichtbogenausbildung.
Vorteile des WIG-Impulslichtbogenschweißens gegenüber dem WIG-Schweißen mit konstantem Strom:
- Geringere Streckenenergieeinbringung
- Besseres Tiefen-/Breitenverhältnis bei größeren Wanddicken
- Stabilerer Lichtbogen
- Gleichmäßigere Wurzelausbildung
- Bessere Zwangslageneignung
- Geringerer Verzug der Werkstücke
- Bessere Modellierbarkeit des Schmelzbades
- Bessere Spaltüberbrückbarkeit
Vorteile Plasmastichlochschweißen
sichere Durchschweißung möglich
sehr begrenzte Wärmeeinflusszone und dadurch ein geringerer Verzug
große Blechdicken einlagig schweißbar
es sind sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten möglich
Stumpfstöße mit I-Naht möglich und dadurch Kostenreduktion bei der Nahtvorbereitung
Welche drei unterschiedlichen Arten der elektrischen Anschlussschaltung werden beim WIG- oder beim Plasmaschweißen eingesetzt und wie unterscheiden sie sich (Stromart, Elektroden- und Werkstoffpolung, realisierbare Schweißstromstärke, Anwendungsgebiete)?
1.) Gleichstrom; Elektrode negativ
2.) Gleichstrom; Elektrode positiv
3.) Wechselstrom
Eigenschaften
Gleichstrom; Elektrode negativ
- Elektrode negativ und Werkstück positiv gepolt in der Regel für Stahlwerkstoffe eingesetzt
- tiefer Einbrand
- hohe Schweißströme realisierbar ohne thermische Überlastung der Elektrode
- kann mit Argon als Schutzgas nicht zum Schweißen von Magnesium und Aluminium verwendet werden.
Eigenschaften
Gleichstrom; Elektrode positiv
- Elektrode permanent positiv und Werkstück negativ gepolt
- sehr hohe thermische Belastung --> mit konventionellen Schweißbrennern nur geringe Stromstärken realisierbar
- Keine technische Bedeutung dieser Polungsart
Eigenschaften
Variable Polarity (Wechselstrom)
- Wechselnde Polarität an beiden Elektroden
- Kompromiss der Reinigungswirkung der plusgepolten Elektrode mit geringerer thermischer Belastung durch negativen Phasenanteil
- Üblicherweise werden Werkstoffe mit hochschmelzenden Oxiden (Aluminium etc.) mit dieser Polung geschweißt
Beschreibe das Wolfram-Inertgasschweißen stichwortartig.
• Wolfram-Inertgasschweißen ist ein Lichtbogenverfahren
• Der Lichtbogen brennt zwischen nicht abschmelzender Wolframelektrode und Werkstück, --> Werkstück wird aufgeschmolzen
• Um Wolframelektrode und Schmelzbad vor Oxidation zu schützen, werden sie von inertem Gas (Argon, Helium) umströmt.
Nennen Sie die drei charakteristischen Bereiche eines idealen Lichtbogens! Skizzieren Sie die Lichtbogensäule mit dem dazugehörigen Potentialverlauf und die drei charakteristischen Bereiche!
1. Kathodenfallgebiet
2. Lichtbogen
3. Anodenfallgebiet
Nennen Sie die unterschiedlichen „Plasmaarten“ beim Plasma-Schweißen!
1) Plasmastrahlschweißen
2) Plasmalichtbogenschweißen
3) Plasmastrahl – Plasmalichtbogenschweißen
Plasmastrahlschweißen
•Beim Plasmastrahlschweißen brennt der Lichtbogen zwischen der Wolframelektrode (- Pol) und der Plasmagasdüse (+ Pol) („nicht übertragener“ Lichtbogen).
•Der Plasmastrahl tritt als Flamme aus der Düse aus. Der zu bearbeitende Werkstoff ist nicht gepolt.
•Niedrige Energiedichte gegenüber dem Plasmalichtbogenschweißen.
Plasmalichtbogenschweißen
•Beim Plasmalichtbogenschweißen brennt der Lichtbogen zwischen der Wolframelektrode (- Pol) und dem Werkstück (+ Pol) („übertragener“ Lichtbogen).
•Das Werkstück ist Teil des elektrischen Stromkreises.
•Hohe Wärmeübertragung in das Werkstück
Plasmastrahl – Plasmalichtbogenschweißen
Kombination aus übertragenem und nicht-übertragenem Lichtbogen
Welche Vorteile ergeben sich durch die für das Plasmaschweißverfahren charakteristische, mechanische Einschnürung des Lichtbogens?
• gute Richtungsstabilität des Plasmastrahles.
• Plasmastrahl ist verhältnismäßig steif --> Beeinflussung durch magnetische Felder sehr gering ist.
• Hohe Stromdichten und hohe Energiekonzentration, sehr hohe Temperaturen im Plasmalichtbogen möglich (bis ca. 20000 K)
Definition Aufmischungsgrad
\(A_m = {F_E \over F_E + F_A}\)
Definition Einbrandtiefe:
\(E_t = {F_E \over b}\)
Was ist Plasma?
Als Plasma wird ein Gas bezeichnet, das durch hohe Energiezufuhr (durch Wärme/Strahlung/elektr. Entladungen...) in einen elektrisch leitenden Zustand gebracht wurde. Das Plasma besteht aus neutralen Teilchen (Atome, Moleküle) sowie aus Ionen und freien Elektronen.
