Inhalt. Grundlagen des Plasmalichtbogen-Schwei. Schweißenen. Verfahrensvarianten Gase zum Plasmalichtbogen-Schwei. Brenner und Brennerausrüstung

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1 Plasmaschweißen en in der Theorie und Praxis Dipl.Wirtsch.Ing.. SFI/EWE Boyan Ivanov 2011 EWM EWM HIGHTEC HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 1

2 Inhalt Grundlagen des Plasmalichtbogen-Schwei Schweißensens Verfahrensvarianten Gase zum Plasmalichtbogen-Schwei Schweißenen Brenner und Brennerausrüstung stung Microplasma-Schwei Schweißenen Plasma-Stichlochschwei Stichlochschweißenen 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 2

3 Grundlagen des Plasmalichtbogen- Schweißens ens 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 3

4 Was ist Plasma? Materie im 4.Aggregatszustand bei Energiezufuhr (Aufheizung) durchläuft Materie nacheinander die Zustände "fest"- "flüssig"-"gasförmig" weitere Energiezufuhr über physikalische Prozesse (Dissoziation, Ionisation), die das Materieverhalten wesentlich verändern, letztlich in den Plasmazustand ein Gas wird bei der Dissoziation zunächst in seine atomaren Bestandteile aufgespaltet in dem nachfolgenden Ionisationsvorgang werden von den Atomen jeweils ein oder mehrere Elektronen abgetrennt es ergibt sich dadurch ein Gemisch von frei beweglichen Elektronen, Ionen und neutral verbliebenen Atomen aufgrund der Existenz frei beweglicher Ladungsträger ist das Plasma durch elektrische und magnetische Felder beeinflussbar 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 4

5 Verfahrensbeschreibung Der Plasmalichtbogen unterscheidet sich von einem frei brennenden WIG - Lichtbogen dadurch, dass dieser durch eine wassergekühlte Kupferdüse eingeschnürt wird, was eine höhere Leistungsdichte gegenüber dem WIG Prozess bewirkt. Beim WIG Lichtbogen wird eine relativ große Fläche des Grundwerkstoffes benetzt und daher weniger Einbrand erreicht, während der Plasma Lichtbogen Materialstärken bis zu 10mm ohne Nahtvorbereitung durchschweißen kann. Um die Schmelze vor der Umgebungsluft zu schützen wird ein Sekundärgas als Schutzgas zugeführt, wobei die Zusammensetzung abhängig vom Grundwerkstoff ist EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 5

6 Verfahrensschema Plasmalichtbogen-Schwei Schweißenen 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 6

7 WIG Lichtbogen Plasmalichtbogen Vergleich WIG- und Plasmalichtbogen 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 7

8 Leistungsdichte unterschiedlicher Schweißverfahren 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 8

9 Temperaturverteilung im Lichtbogen (WIG( WIG-Plasma) 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 9

10 Vergleich v s zu Blechdicke (WIG( WIG-Plasma) 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 10

11 Vorteile des Plasmaschweißens Der eingeschnürte Lichtbogen zeichnet sich durch hohe Energiedichte und geringe Strahldivergenz aus (T= bis K). Der Lichtbogen brennt auch bei extrem niedrigen Strömen (0,05 A) noch stabil (Mikroplasmaschweißen). Aufgrund der großen Lichtbogensteifigkeit ist der Plasmalichtbogen sehr richtungsstabil und z.b. unempfindlich gegenüber Kantenversatz der Werkstücke. Der Schweißprozess ist vergleichsweise unempfindlich gegenüber Änderungen des Abstandes zwischen Brenner und Werkstück. Große Zündsicherheit durch den Pilotlichtbogen, keine Wolframeinschlüsse im Schweißgut. Die Schmelze ist klein, die Wärmeeinflusszonen sind schmal, der Verzug der Werkstücke ist gering. Das Verhältnis von Nahtbreite zur Nahttiefe beträgt etwa 1:1 bis 1: EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 11

12 Vorteile des Plasmaschweißens Beim Schweißen unter Anwendung der Stichlochtechnik ist eine sichere Durchschweißung gegeben. Die Durchschweißung kann während des Schweiß Vorganges kontrolliert und demgemäß zur Qualitätssicherung herangezogen werden. Höhere Schweißgeschwindigkeit, vor allem im Blechdickenbereich oberhalb 2,5 mm (Stichlochschweißung). Nahtüberhöhung und Wurzeldurchgang sind sehr gering, so dass meist eine mechanische Nachbearbeitung der Schweißnaht entfallen kann. Bis zu ca. 10 mm dicke Werkstücke können im I-Stoß in einer Lage verschweißt werden. Energieeintrag und Drahtzufuhr sind vollständig entkoppelt und dadurch ist eine exakte Prozessoptimierung möglich EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 12

13 Verfahrensvarianten des Plasmaschweißens ens 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 13

14 Einteilung der Plasmaverfahren 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 14

15 Einteilung der Plasmaverfahren 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 15

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19 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 19

20 Gase zum Plasmaschweißen en Die Auswahl der Gase zum Plasmaschweißen richtet sich hauptsächlich nach Grundwerkstoff: Passt das Gas zum Grundwerkstoff? Wirkung: Ist z.b. besondere Einbrandtiefe gefragt? 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 20

21 Gase zum Plasmaschweißen Wirkung Gut ionisierbar, gute Zündung, gute Abdeckung, breiter Lichtbogen Schlecht ionisierbar, schlechte Abdeckung, sehr gute Wärmeübertragung, höhere Schweißgeschwindigkeit, gute Benetzung Senkt die Oberflächenspannung, senkt die Neigung zu Einbrandkerben, bindet O 2 dadurch weniger Anlauffarben Nur für un- und niedrig legierte Stähle, erhöht den Wärmeeintrag, höhere Prozessstabilität Gas Argon Helium H 2 (werkstoffabhängig!) CO EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 21

22 Plasma-Gase zum Plasmaschweißen Grundwerkstoff un- und niedriglegierte Stähle Plasma - Gas Argon hochlegierte Stähle (CrNi-Stahl) Aluminium und Aluminiumlegierungen Ar + 0 bis 2,5% H 2 Argon Argon/Helium - Gemische Argon Argon/Helium - Gemische Nickel und Nickellegierungen Zirkonium Titan und Titanlegierungen Kupfer und Kupferlegierungen Ar + 0 bis 2,5% H 2 Argon Argon/Helium - Gemische Argon Argon/Helium - Gemische Argon Argon/Helium - Gemische 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 22

23 Plasmagas Die Plasmagasmenge zählt zu den wichtigsten Einstellkenngrößen Mit zunehmender Plasmagasmenge steigt der Druck auf die Schmelze Zu geringe Plasmagasmenge erhöht der Verschleiß an der Plasmadüse Einfluss der Plasmagasmenge ( schematisch ) Plasmagasmenge zu niedrig Plasmagasmenge richtig Plasmagasmenge zu hoch 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 23

24 Schutzgase zum Plasmaschweißen Grundwerkstoff un- und niedriglegierte Stähle hochlegierte Stähle (CrNi-Stahl) Kupfer und Kupferlegierungen Aluminium und Aluminiumlegierungen Nickel und Nickellegierungen Zirkonium Titan und Titanlegierungen Schutzgas Ar + 5 bis 10% H 2 Ar + 10 bis 40% CO 2 Ar + 0 bis 10% H 2 Argon Helium Argon/Helium - Gemische Argon Helium Argon/Helium - Gemische Ar + 3 bis 10% H 2 Argon Helium Argon/Helium - Gemische Argon Helium Argon/Helium - Gemische 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 24

25 Einstellung der Gase Einstellung Schutz- und Zentrumsgas Es sollte eine GDE (Gasdosiereinheit) mit speziellen (Bar) Druckminderer verwendet werden. Benutzt man einen normalen Druckminderer (z.b. zum WIG-Schweißen) kann es sein, das der LB erlischt, wenn der Gasschlauch etwas geknickt oder eingeklemmt wird. Bei dünnen Blechen wird mit einem Zentrumgas von 0,2 L bis max. 1 L gearbeitet. Es muß mit einem Vordruck von ca. 3,5 bar gearbeitet werden EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 25

26 Möglichkeiten der Gasführung 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 26

27 Möglichkeiten der Gasführung Wichtig! Achse der Bohrungen immer senkrecht zum Nahtverlauf!!! 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 27

28 Brenner und Brennerausrüstung stung 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 28

29 ABIPLAS WELD 150 CT20 Spannkappe Plasmagas oberer Kühlkreislauf Kühlkörper Wolframelektrode Gasdiffusor Schutzgas unterer Kühlkreislauf Keramische Schutzgasdüse Plasmadüse Querschnitt Plasmabrenner 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 29

30 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 30

31 Varianten von Plasmabrenner PWH 150 PWM 150 PWH 150 KD PWM 150 ROB 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 31

32 PWM 150-ROB 20 MIT KALTDRAHTZUFÜHRUNG Spannmodul Elektrode Drahteinlaufdüse Stützrohr Elektrode Seele O-Ring Gasführungseinsatz Plasmadüse Gaslinse Drahtförderdüse Drahtförderrohr Schutzgasdüse lang 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 32

33 PMW MIT KALTDRAHTZUFÜHRUNG 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 33

34 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 34

35 Geräte zum Plasmaschweißen en 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 35

36 Reparatur- sowie Produktionsarbeiten in der Luft- und Raumfahrtindustrie Lebensmittel- und Chemieindustrie Fahrzeug-, Automobil-, und Schiffbau, Formenbau Tieftemperaturtechnik Mess- und Regeltechnik Medizintechnik Drucktechnik Elektronik Microplasma 20 Microplasma 50 Microplasma 120 Anwendungsbereiche von Microplasma 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 36

37 Plasma-DC-Schweißgeräte Microplasma Steuerung 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 37

38 Anwendungsbeispiele Microplasmaschweißen Bördelnaht an einer Membrane aus hoch legiertem Stahl 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 38

39 Anwendungsbeispiele Microplasmaschweißen Schweißen von Kunststoff 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 39

40 Reparatur- sowie Produktionsarbeiten in der Luft- und Raumfahrtindustrie Lebensmittel- und Chemieindustrie Maschinen- und Anlagenbau, Fahrzeug-, Automobil-, Schienenfahrzeug- und Schiffbau, Formenbau Container-, Behälter-, Apparate- und Rohrleitungsbau Klöpperbödenfertigung Tieftemperaturtechnik Geräte zum Plasma und Plasma-Stichlochschwei Stichlochschweißenen 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 40

41 Plasma-Stichlochschwei Stichlochschweißenen 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 41

42 Stichloch an CrNi - außen Stichloch an CrNi - innen Plasma-Stichlochschwei Stichlochschweißenen 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 42

43 Vorteile der Stichlochtechnik Besonderheiten der Stichlochtechnik 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 43

44 Anwendungsbeispiel Plasma - Stichlochschweißen 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 44

45 Anwendungsbeispiel Plasma - Stichlochschweißen 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 45

46 Einstellung und Parameter 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 46

47 Einstellung und Parameter 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 47

48 Danke für f r die Aufmerksamkeit 2011 EWM HIGHTEC WELDING GmbH Plasmaschweißen in der Theorie und Praxis W.Hahmann, B.Ivanov 48