Plasmaschweißen von Aluminiumwerkstoffen- Gleich- oder Wechselstrom?

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1 Plasmaschweißen von Aluminiumwerkstoffen- Gleich- oder Wechselstrom? D. Dzelnitzki, Mündersbach Zusammenfassung Der Werkstoff Aluminium ist, nach Stahl, das am meisten verwendete Metall. Er verfügt über viele positive Eigenschaften, die ihn für vielseitige Anwendungen empfehlen. Allerdings erschweren seine hohe Wärmeleitfähigkeit, die große Wärmedehnung sowie eine hochschmelzende Oxidschicht die schweißtechnische Verarbeitung. Insofern erfordert Aluminium ein Schweißverfahren, wie das Plasmaschweißen, daß die Wärme gezielt einbringt, die Oxide beseitigt und sich rationell einsetzen läßt. Der vorliegende Bericht erklärt grundlegend das Funktionsprinzip dieses Schweißprozesses und zeigt die unterschiedlichen Verfahrensvarianten auf. Unter Berücksichtigung modernster Stromquellen- und Verfahrenstechnik wird der Anwender in die Lage versetzt eigene Einsatzmöglichkeiten zu erkennen und in die Praxis zu überführen. Aktuelle Anwendungsbeispiele, technologische Leistungsdaten wie auch zukünftige Entwicklungstendenzen vervollständigen den Blick auf eine Fügetechnologie, die Schweißverbindungen von hoher Qualität an Aluminiumwerkstoffen erzeugt. 1 Einleitung Metalle bestimmen zu einem hohen Grad die technische Entwicklung. Aluminium hat sich dabei als besonders vielseitig erwiesen. Seine positiven Eigenschaften lassen es mit anderen Werkstoffen wie Stahl, Kupfer oder Holz konkurrieren und machen ihnen die klassischen Anwendungsfelder streitig. Aluminium ist leicht, gut formbar und verarbeitbar. Es besitzt eine hohe Wärme- und elektrische Leitfähigkeit und ist gut beständig gegenüber Witterung, Lebensmitteln und einer Vielzahl chemischer Substanzen. Legierungselemente erhöhen die Festigkeit. Bei tiefen Temperaturen nimmt die Kerbschlagzähigkeit nur geringfügig ab, Aluminium versprödet nicht. Aus diesen Gründen ist der Werkstoff, nach Stahl, das am häufigsten verwendete Metall [1, 2]. Vergleicht man die physikalischen Charakteristiken, Tabelle 1, beider Materialien miteinander, so zeigen Tabelle 1. Gegenüberstellung wichtiger physikalischer Größen von Aluminium und Eisen [1,2] sich grundlegende Unterschiede, die in der schweißtechnischen Verarbeitung Berücksichtigung finden müssen. Die Wärmeleitfähigkeit des Aluminiums übersteigt diejenige von un- und niedriglegierten Stählen um den Faktor 3 bis 4, gegenüber hochlegierten Stählen ist sie sogar 12mal so groß. Die Wärmedehnung beträgt etwa das Doppelte von Stahl und das 1,6fache von Edelstahl [3]. Solche Faktoren erschweren natürlich das Aufschmelzen des Werkstoffs, die hochschmelzende Oxidschicht setzt zusätzlich die Schweißeignung herab. Der Anwender benötigt also ein Schweißverfahren, daß die Wärme gezielt und konzentriert einbringt, den Bauteilverzug vermindert, die Oxide sicher beseitigt und wirtschaftlich einzusetzen ist. In dieser Hinsicht spricht alles für das Plasmaschweißen. 2 Prinzip des Plasma-Lichtbogenschweißens Das Plasma-Lichtbogenschweißen hat sich aus dem WIG-Verfahren entwickelt. Während beim WIG- Schweißen der Lichtbogen zwischen einer nichtabschmelzenden Wolframelektrode und dem Werkstück frei brennt, wird er beim Plasmaschweißen durch eine Düse und einen Gasstrom zusätzlich eingeschnürt, Bild 1. Bild 1. Prinzip der Plasmaschweißverfahren Aufgrund hoher Lichtbogentemperaturen ist dieser kleine Gasstrom, auch Plasma- oder Zentrumsgas 2000 EWM HIGHTEC WELDING GmbH 1/9 WM doc; 07.99

2 genannt, weitgehend ionisiert und von einer großen Anzahl an Ladungsträgern gekennzeichnet. Beim Durchströmen der Plasmadüse wird ihm eine hohe Austrittsgeschwindigkeit verliehen und der Lichtbogen erhält die Gestalt eines Plasmastrahls. Temperatur und Feldstärke steigen mit dem Gasdurchsatz an und formen eine sehr energiereiche Lichtbogensäule. Unterschiedliche Gase sowie Veränderungen des Gasstroms beeinflussen ebenfalls die Druckwirkung und den Kontraktionsgrad des Plasmalichtbogens. Das eingeschnürte Plasma zwischen Wolframelektrode und Werkstück verfügt über eine hohe Energiedichte. In der Strahlmitte steigen die Temperaturen auf bis 20000K [4]. Im Unterschied zum WIG-Lichtbogen ( K), der mit seiner konischen Form einen großen Teil der Energie in die Randbereiche ableitet, überträgt der eingeschnürte Plasmastrahl sie direkt in das Werkstück. Das Schmelzbad bleibt klein, die Wärmeeinflußzonen sind schmal und der Verzug ist gering. Bedingt durch die wesentlich geringere Strahldivergenz toleriert der Plasmalichtbogen größere Abstandsänderungen zwischen Brenner und Werkstück. So läßt eine 20%ige Querschnittsvergrößerung des Plasmastrahls gegenüber dem WIG-Lichtbogen eine 10fache Längenänderung zu, Bild 2 [5]. Bild 3. Nahtoberseiten und Einbrand beim Plasmaschweißen von AlMg3, t=3mm, kein Zusatz a) Plasma-Pluspolschweißen I=35A, U=26V, v S=40cm/min, Plasmagas: Ar, Schutzgas: 70%Ar / 30%He b) Plasma-Minuspolschweißen I=70A, U=20V, v S=90cm/min, Plasmagas: 30%Ar / 70%He, Schutzgas: He c) Plasma-Wechselstromschweißen I=45A, U=26V, v S=40cm/min, Plasmagas: Ar, Schutzgas: 70%Ar / 30%He Um die physikalischen Grundlagen genauer zu beleuchten, wurden die Schweißungen so ausgeführt, daß sich bei gleichem Gasdurchfluß an der Blechoberseite eine durchgehende Schweißnaht ausbildete und an der Blechunterseite keine Anschmelzungen zu verzeichnen waren. Die Einstellungen von Schweißstrom, Schweißspannung, Schweißgeschwindigkeit sowie die Gasauswahl orientierten sich an den verfahrenstechnischen Erfordernissen. 2.1 Plasma-Pluspolschweißen Bild 2. Vergleich von WIG- und Plasmalichtbogen [15] Diese Stabilität macht den Plasmalichtbogen unempfindlich gegen Kantenversatz im Nahtbereich. Das Verhältnis von Nahtbreite zum Einbrand (Nahttiefe) beträgt etwa 1:1 bis 1:2 [6]. Das Nahtprofil ist schmal und tief, so daß die eingebrachte Menge Zusatzwerkstoff und der Wärmeeintrag deutlich reduziert werden können. Im Gegensatz zum MIG-Verfahren sind beim Plasmaschweißen Energieeintrag und Drahtzufuhr vollständig entkoppelt. Dieser Vorteil ermöglicht eine exakte Prozeßoptimierung. Die Plasmaschweißverfahren mit Gleichstrom, Elektrode am Plus- bzw. Minuspol, und mit Wechselstrom werden vorgestellt und miteinander verglichen. Ausgangspunkt der Betrachtungen ist die Umschmelzung einer Blechoberfläche (Werkstoff: AlMg3, t=3mm) unter den drei Verfahrensvarianten, Bild 3. Das Plasmaschweißen mit positiv gepolter Elektrode zeichnet sich durch eine sehr gute Reinigungswirkung aus und erzeugt eine hohe Nahtqualität. Die Gasionen reißen, aufgrund ihrer relativ großen Masse, die hochschmelzende Oxidschicht (Schmelzpunkt etwa 2050 C) der Aluminiumlegierungen im Moment des Aufpralls mechanisch auf. Die Theorie der Zerstörung dieser Oxidhaut von aus dem Aluminium austretenden Elektronen gilt nach heutigem Erkenntnisstand als unwahrscheinlich, da die Austrittsarbeit der Elektronen aus dem Oxid um die Hälfte niedriger ist, als aus dem reinen Aluminium [2, 4]. Die Elektronenemission startet somit von der Oxidschicht aus und nicht von dem darunterliegenden Metall, Bild 4. Einerseits sorgen die Oxide zwar für die gute Korrosionsbeständigkeit des Aluminiums, da sie sich sofort an Atmosphäre wieder neu bilden, andererseits erzeugen sie jedoch nichtmetallische Einschlüsse, durch ein Absinken ins Schmelzbad [2, 7]. Ein weiteres Problem beim Schweißen von Aluminiumwerkstoffen ist der ausgeprägte Löslichkeitssprung von Wasserstoff. Einer guten Wasserstofflöslichkeit im flüssigen Zustand steht eine geringe Löslichkeit im festen Aggregatzustand entgegen. Beim schnellen 2000 EWM HIGHTEC WELDING GmbH 2/9 WM doc; 07.99

3 Bild 4. Reinigungseffekt und Elektronenaustrittsarbeit beim Schweißen von Aluminiumlegierungen [11] Erstarren des Schmelzbads (etwa 660 C) kommt es so leicht zum Einfrieren von wasserstoffhaltigen Gasblasen [8]. Der Wasserstoff entsteht bei hohen Lichtbogentemperaturen aus der Feuchtigkeit, die in den Oxiden gebunden ist und verursacht Poren. Ein intensiver Reinigungseffekt, wie beim Plasma-Pluspolschweißen, Bild 3, beseitigt diese Oxide, verdampft Verunreinigungen auf den Aluminiumoberflächen [4] und schafft damit eine grundlegende Voraussetzung für optimale Schweißnahteigenschaften. Allerdings ist diese Polarität mit einer hohen thermischen Belastung der Elektrode verbunden. Die Bewegungsenergie der in Richtung Elektrode beschleunigten Elektronen wird dort in Wärme umgewandelt und bewirkt ein starkes Aufheizen [2]. Es müssen dickere Elektroden mit halbkugelförmigen Enden verwendet werden, die in der Lage sind, die entstehende Wärme schnell genug abzuführen. Die Plasmaströmung von der Anode bestimmt in diesem Fall die Lichtbogengestalt und damit die Druckwirkung auf das Schmelzbad. Charakteristisch ist eine relativ geringe Einschweißtiefe, Bild 3. Die Ursache dafür liegt in der niedrigen Energiedichte bei den dickeren plusgepolten Elektroden. Über ihre Oberfläche ist der Lichtbogenansatz homogen verteilt und verhält sich zeitlich stabil [4]. Die Lichtbogeneinschnürung mittels Plasmadüse und eine Erhöhung der Plasmagasmenge erlauben dem Anwender jedoch, den Druck des Lichtbogens soweit zu steigern, daß nicht nur kleinste, sondern auch große Werkstückdicken geschweißt werden können. Insofern kann die Einbrandtiefe über den Durchsatz an Plasmagas ideal variiert werden. Die hohen Temperaturen des Plasmastrahls bewirken außerdem, daß der erforderliche Schweißstrom nur etwa halb so groß ist wie beim WIG-Schweißen mit Wechselstrom. Lärmbelastungen treten während des Plasma- Pluspolschweißens nicht auf. Der Zündvorgang wird über Hochspannungsimpulse eingeleitet, die von der Elektrode zum Werkstück überspringen. 2.2 Plasma-Minuspolschweißen Das Plasmaschweißen mit negativ gepolter Elektrode ist eine nur wenig genutzte Verfahrensvariante bei der schweißtechnischen Verarbeitung von Aluminiumwerkstoffen. Die beschriebene katodische Reinigungswirkung durch die Ionen kann bei dieser Polarität nicht eintreten. Das Zerstören der hochschmelzenden Oxidschicht muß also auf anderem Wege erfolgen. Durch Verwendung von Helium, das eine wesentlich höhere Lichtbogenspannung bei gleicher Lichtbogenlänge und eine bessere Wärmeleitfähigkeit bei hohen Temperaturen aufweist als Argon, oder hochheliumhaltiger Gase, wird beim Schweißen eine ausreichende Wärmekonzentration erzeugt, die die Oxidhaut verflüssigt [2, 4, 8]. Dabei spielt ihre Zusammensetzung eine wichtige Rolle. So begünstigen besonders Aluminium-Silicium-Legierungen das Plasma- Minuspolschweißen, da die Schmelztemperatur der Oxidschicht mit zunehmendem Siliciumoxidgehalt abnimmt. Magnesiumhaltige Aluminiumlegierungen erschweren dagegen dieses Schweißverfahren, denn durch die Magnesiumaufnahme wird die Schmelztemperatur der Oxidschicht angehoben [16]. Die thermische Zersetzung der Oxide bei Minuspolung, Bild 3, führt jedoch nicht zu der hohen Qualität der Nahtoberfläche, die eine Plasma- Pluspolschweißung kennzeichnet, obwohl die mechanisch-technologischen Gütewerte der Schweißverbindung sehr gut sind. Im Gegensatz zur Pluspolung besitzt die negativ gepolte Elektrode eine bedeutend höhere Strombelastbarkeit. Sie ist keinem Elektronenbeschuß ausgesetzt und wird daher weniger thermisch beansprucht. Außerdem treten an der heißen Elektrodenspitze mehr Elektronen aus, als an der kälteren Werkstückoberfläche bei umgekehrter Polarität [2]. Die Lichtbogenspannung ist somit niedriger. Da die Plasmaströmung in der Lichtbogensäule fast vollständig von der Katode ausgeht, hat der eingeschnürte Plasmastrahl eine sehr hohe Energiedichte [4]. Die Druckwirkung des Lichtbogens wird durch den Plasmagasstrom noch unterstützt. Ein tiefer Einbrand, den die größere Wärmemenge beim Schweißen unter Helium oder Helium mit geringen Argonkomponenten zusätzlich verstärkt, bildet sich aus. Unter gleichen Voraussetzungen, Bild 3, muß die Schweißgeschwindigkeit gesteigert werden. Zur Gewährleistung einer ausreichenden thermischen Oxidbeseitigung wird der Schweißstrom erhöht und der Abstand zwischen Plasmadüse und Werkstück in Abhängigkeit von der Oxidzusammensetzung verkürzt. Das führt zu einer weiteren Verringerung der Schweißspannung. Auch das Plasma-Minuspolschweißen verläuft ohne Lärmentwicklung. Die Zündung des Plasmalichtbogens erfolgt mit einem Pilotlichtbogen, der zwischen der spitzen Elektrode und der Plasmadüse brennt. 2.3 Plasma-Wechselstromschweißen Das Plasma-Wechselstromschweißen stellt zu den beiden beschriebenen Gleichstromvarianten einen Kompromiß dar. Es verbindet eine ausreichende Reinigungswirkung, Bild 3, während der Plusphase mit der sehr hohen Energiedichte in der Minusphase. Da die Elektrode in der Minushalbwelle jedes Mal wieder abkühlen kann, verbessert sich ihre Strombelastbarkeit EWM HIGHTEC WELDING GmbH 3/9 WM doc; 07.99

4 Von besonderer Bedeutung ist beim Plasmaschweißen, daß neben der Feldemission auch die erforderlichen hohen Temperaturen zur thermischen Emission erreicht werden [4]. So wirkt sich beim Schweißen von Aluminium der sehr große Temperaturunterschied an den wechselnden Katoden nachteilig aus, denn der Austritt von Elektronen aus einem Werkstoffverbund nimmt bei der thermischen Emission mit steigender Temperatur zu. Damit steht der Elektronenemission aus dem relativ kalten Schmelzbad (Schmelzpunkt für Aluminium bei etwa 660 C) eine erleichterte Emission an der hocherhitzten Wolframelektrode (Schmelzpunkt etwa 3350 C) gegenüber. Liegt der Minuspol an der Elektrode, fließt also wesentlich mehr Strom, als wenn der Grundwerkstoff negativ gepolt ist [4, 9]. In der Plusphase nimmt der Widerstand des Lichtbogens wegen der geringeren Anzahl von Ladungsträgern dagegen zu. Eine Verlängerung des Lichtbogens wirkt sich ähnlich aus, da sie ebenso von einem Spannungsanstieg begleitet wird. Konventionelle Schweißtransformatoren mit fallenden Kennlinien gleichen den Anstieg der Spannung durch einen Abfall der Stromstärke aus, so daß die Lichtbogenleistung in beiden Halbwellen gleich bleibt. Allerdings ist der für diese Technologie typische sinusförmige Stromverlauf von schlechten Zündeigenschaften und einem instabilen Lichtbogen geprägt. Die niedrigere Stromstärke in der positiven Halbwelle hat eine negative Gleichstromkomponente im Wechselstrom zur Folge, die als Gleichrichterwirkung bezeichnet wird. Sie verschlechtert die Reinigungswirkung und führt durch Vormagnetisierung der Transformatorwindungen zu einer stärkeren Erwärmung der Stromquelle. Der negative Gleichstromanteil wird deshalb in der Regel mit einem Filterkondensator beseitigt. Bei modernen elektronischen Schweißanlagen bleibt der Schweißstrom in beiden Halbwellen aufgrund einer Konstantstromcharakteristik unverändert. Die Lichtbogenspannung ist jedoch wegen der geringeren Anzahl von Ladungsträgern in der positiven Halbwelle wesentlich höher [4]. Je nach Einstellung kann die Bogenspannung bei minusgepolter Elektrode nur etwa halb so groß sein wie bei Pluspolung [10]. Mit diesem Effekt sind auch die differierenden Schweißströme zwischen dem Plasma-Wechselstromschweißen und dem Plasma-Pluspolschweißen erklärbar, Bild 3. Um eine etwa gleiche Schweißleistung bei gleichen Randbedingungen zu erzielen, mußte der Schweißstrom auf 45A gesteigert werden, da bei 35A die Blechoberfläche nicht aufgeschmolzen werden konnte. In diesem Zusammenhang spielt ein weiterer Einstellparameter eine wichtige Rolle, die Balance. Sie beschreibt das Verhältnis der Zeitdauer der Plushalbwelle zur Minushalbwelle bezogen auf die Elektrode. Für das Plasma-Wechselstromschweißen haben sich Werte von etwa 30/70 bis 50/50 als sinnvoll erwiesen. Kleinere Werte verringern die Lichtbogenleistung, größere Balanceeinstellungen belasten die Elektrode zu stark, Bild 5 [10]. Insbesondere der fast senkrechte Stromverlauf beim Nulldurchgang beinhaltet den entscheidenden Vorteil Bild 5. Unterschiedliche Lichtbogenspannungen während der Plus- und Minushalbwelle an der Elektrode führen bei Veränderung der Balanceeinstellung zu verschiedenen Lichtbogenleistungen beim Wechselstromschweißen [10]. dieser modernen Stromquellentechnik. Die Lichtbogentotzeiten werden so extrem kurz, daß Hochspannungsimpulse zur Unterstützung des Wiederzündens bei jedem Polwechsel nicht mehr notwendig sind. Ionisierte Gasreste, die noch ausreichend im Lichtbogenraum vorkommen, sorgen auch beim Wechsel der Polarität an der Elektrode von negativ auf positiv für eine sichere Zündung [10]. Trotz der dabei erschwerten Elektronenemission brennt der Lichtbogen sehr stabil. Um die mit dem Plasma-Wechselstromschweißen verbundene hohe Lärmbelastung zu reduzieren, wird nicht komplett mit einem rechteckigen Stromverlauf gearbeitet, sondern nur beim Passieren der Nullinie. Allerdings führt der flachere Stromanstieg bei Erhöhung der Wechselstromfrequenz, ab einem bestimmten Wert, zu einer Verringerung der Lichtbogenleistung. Der Einbrand kann bei diesem Verfahren ebenfalls mit dem Durchsatz an Plasmagas gesteuert werden. Die Lichtbogenzündung mit Pilotlichtbogen zwischen der gegenüber dem Plasma-Minuspolschweißen etwas stumpferen Elektrode und der Plasmadüse wird mit Gleichstrom (Elektrode negativ gepolt) durchgeführt. 3 Systemanforderungen 3.1 Schweißanlagen Das Plasmaschweißen ist ein anspruchsvolles Fertigungsverfahren. Die sehr enge Verknüpfung von Werkstofftechnik, Verfahrenstechnik und Elektrotechnik stellt hohe Ansprüche an die Ausrüstung. Besonders die Forderung verschiedene Schweißverfahren mit einer Schweißanlage auszuführen, verlangt ein komplettes System, das es dem Anwender ermöglicht, seine jeweiligen Schweißaufgaben optimal zu lösen. Die Basis dieses Systems bilden drei Komponenten: das Leistungsmodul das Steuerungsmodul das Brenneranschlußmodul. Als Leistungsmodul einer Schweißanlage hat sich in den letzten Jahren der Inverter durchgesetzt. Vorteile dieses Prinzips sind die im Verhältnis kleineren Bau EWM HIGHTEC WELDING GmbH 4/9 WM doc; 07.99

5 abmessungen, der hohe Wirkungsgrad, die Unempfindlichkeit gegenüber Netzspannungsschwankungen und somit eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Schweißparameter. Die Steuerung der Stromquelle muß in der Lage sein, in Verbindung mit dem Leistungsteil die unterschiedlichen Stromarten wie Plus- und Minuspolung der Elektrode sowie den Wechselstrombetrieb zu schalten. Desweiteren speichert die Steuerung die vorgegebenen Schweißparameter. Das System Inverter und Steuerung bestimmt natürlich auch die Fähigkeit des Lichtbogens, auf äußere Beeinflussungen sehr schnell zu reagieren, um Leistungsparameter unabhängig von der Kabellänge im Schweißstromkreis konstant zu halten. Vor allem aber ist die Steuerung der Teil der Schweißanlage, der dem Menschen die Führung dieses Systems erschließt. Eine einfache Handhabung der Maschine erfolgt mit dem Bedienmodul, das alle erforderlichen Funktionen enthält, Bild 6. Frequenz (50-200Hz), Balance und Kalottenbildung bei der WIG-Zündung. Elektrische Störungen, Wassermangel bei der Brennerkühlung (intern und extern) sowie Überschreitungen der zulässigen Spannung werden mit LED s angezeigt und führen zum sofortigen Abschalten der Schweißanlage. Das Werkzeug Lichtbogen wird schließlich vom Brenneranschlußmodul geführt und speziell für jeden Anwendungsfall durch den Brenner optimiert. Der Anschluß von entweder Elektrodenhalter, WIG- Brenner oder Plasma-Brenner entscheidet über den Schweißprozeß. Es entsteht ein kompaktes System aus eigenständigen Modulen, die durch Zusammenwirken eine Schweißanlage bilden. Mit dem Schweißmaschinenkonzept TIG AC/DC-P existiert eine Serie von Geräten, die sowohl das E-Hand-, WIG- als auch Plasmaschweißgebiet abdecken, Bild 7. Bild 6. Bedienmodul einer Plasmaschweißanlage für Gleich- und Wechselstrom Für die Zündung des Lichtbogens kann der Startstrom I S prozentual vom Hauptstrom I 1 eingestellt werden. Außerdem ist neben dem Hauptstrom I 1 ein verminderter Schweißstrom I 2 wählbar, um während des Schweißens eine Zwischenabsenkung zur besseren Schmelzbadbeherrschung zu ermöglichen. Ebenfalls frei änderbar sind sowohl die Anstiegszeit des Schweißstroms (Up-Slope) vom Start- zum Hauptstrom als auch die Down-Slope-Zeit zum definierten Absenken am Schweißnahtende. Andere Elemente dienen zur Einstellung der Gasnachströmzeit, der Betriebswahl (2-Takt, 4-Takt, Fußfernsteller und E-Handschweißen) sowie zum stromlosen Programmtest. Das Schweißen unter erhöhter elektrischer Gefährdung (S - Zeichen) wird optional durch eine Schutzschaltung gewährleistet, die der Schweißer vor Beginn seiner Tätigkeit testen kann. Der hervorgehobene Schalter erlaubt den Polaritätswechsel (Wechselstrom AC, Gleichstrom Minus DC-, Gleichstrom Plus DC+, Wechselstrom AC mit Pilotlichtbogen), Bild 6. Weitere in diesem Bereich angeordnete Potentiometer beeinflussen den Wechselstrombetrieb: Bild 7. Mehrprozeß-Schweißanlage inverter TIG 450 AC/DC-P Das Leistungsmodul ist abgestuft in 300A (35%ED) und 350A/450A (60%ED). Ein Pilotlichtbogenmodul sichert die Zündung beim Plasma-Minuspol- und Plasma-Wechselstromschweißen. Vervollständigt wird dieses System durch mehrere Fernsteller, z.b. Puls- und Fußfernsteller. Zusätzlich kann mit einer Schnittstelle die Schweißdatendokumentation in Verbindung mit der Meßwerterfassungs- und Überwachungssoftware Q-DOC 9000 vorgenommen werden, Bild EWM HIGHTEC WELDING GmbH 5/9 WM doc; 07.99

6 Bild 8. Schweißstromquelle Plasma-Serie Anschlußmöglichkeit PCINT 2 (Option) Interface PC INT 1,2,3 Windows Software Q - DOC 9000 Drucker zur Dokumentation Graphische Darstellung der Schweißparameter beim Plasmaschweißen 3.2 Plasmabrenner Im Plasmaschweißprozeß ist der Plasmabrenner ein überaus wichtiger Bestandteil. Seine konstruktive Ausführung entscheidet im Verbund mit der Schweißmaschine über die Verfahrenssicherheit. Während für die negative Elektrodenpolung eine Reihe von Brennertypen zur Auswahl stehen, sind bei Pluspolung bzw. Wechselstrom nur wenige von ihnen einsetzbar. Das liegt vor allem an der thermisch hochbeanspruchten Elektrode bei positiver Polung, die eine intensive Kühlung verlangt. Die Plasmadüse unterliegt bei allen Verfahrensvarianten einer hohen Temperaturbelastung. Reproduzierbare Schweißergebnisse sind jedoch nur unter gleichen thermischen Bedingungen im Brennerkopf zu erwarten. Für jeden Plasmabrenner gibt es mehrere Plasmadüsen, deren Bohrungsgrößen von Stromstärke und Plasmagasmenge abhängig sind. Entscheidend für die Form des Plasmastrahls ist die Düsenbohrung. Neben ausreichenden Kühlmaßnahmen darf die Elektrode natürlich keine Exzentrizität bei der Positionierung im Brenner und im Anschliff aufweisen. Außerdem muß der Abstand zwischen Elektrodenende und Plasmadüse konstant einstellbar sein. Sowohl Plasmagas als auch Schutzgas müssen optimal geführt werden. Der gesamte Brennerkopf sollte verhältnismäßig klein sein, um auch bei beengten Platzverhältnissen die Zugänglichkeit zur Fuge zu gewährleisten. Idealerweise ist der Brenneraufbau so gestaltet, daß alle drei Plasmaverfahren mit unterschiedlichen Elektroden- und Düsenformen zu realisieren sind. Es kommen Hand- und Maschinenbrenner zum Einsatz. 3.3 Zusatzwerkstoff Schutzgas Kombinationen und Arbeitsbereiche Grundsätzlich sind alle schweißbaren Aluminiumlegierungen mit dem Plasmaschweißprozeß beherrschbar. Die Verfahrensauswahl richtet sich nach Werkstoffzusammensetzung, Bauteilgeometrie und Mechanisierungs bzw. Automatisierungsgrad der Anwendung. Die Schweißzusätze werden vom Legierungstyp des Grundwerkstoffs und den mechanisch technologischen Eigenschaften der Schweißverbindung bestimmt. Für die manuelle und maschinelle Anwendung haben sich die jeweiligen Drahtdurchmesser von 1,2mm bis 3,0mm bewährt. Im Bereich der Schweißgase steht dem Anwender eine Vielzahl von Variationen zur Verfügung. Neben Argon, Argon mit Heliumanteilen und Helium sind in den letzten Jahren Gasgemische entwickelt worden, denen weitere geringste Mengen eines zweiten bzw. dritten und vierten Gases im vpm Bereich (vpm = volume parts per million, 1vpm = 0,0001% ) zugesetzt werden. Ziel dieser Zumischungen sind Verbesserungen der Lichtbogenstabilität, der Oberflächenqualität, eine Verringerung der Porosität und die Verbesserung des Einbrands. Es handelt sich hierbei um Sauerstoff (O 2 ), Stickstoff (N 2 ) und Stickstoffmonoxid (NO). Im Gegensatz zum Wasserstoff sind Sauerstoff und Stickstoff nicht in Aluminium löslich und bilden daher keine Poren [2, 11]. Die Problematik, daß solche aktiven Beimengungen zum Schutzgas beim WIG Schweißen die Wolframelektrode angreifen können [12], stellt sich beim Plasmaschweißen nicht, wenn das Plasmagas nur aus inerten Gasen besteht. Diese schützen die Elektrode und sorgen für sehr lange Standzeiten. Das Schutzgas kann beliebig kombiniert werden. Beim Plasma- Pluspol- und Wechselstromschweißen hat sich Argon als Plasmagas bewährt. Das Schutzgas ist in der Regel Argon oder ein Argon / Heliumgemisch (70%/30%), das sehr gute Schweißqualitäten liefert, Bild 9. Bild 9. Nahtausbildung beim Plasma-Pluspolschweißen mit Stichlochprinzip, Grundwerkstoff:AlMg3,t=4mm,I=75A, U=41V,V S=27cm/min, Zusatzwerkstoff: AlMg5, d=1,6mm, Plasmagas: Ar, Schutzgas: 70%Ar/ 30%He (links), Schutzgas: Ar / 150vpm N 2 (rechts) Weitergehende Untersuchungen, speziell mit dem Plasma- Pluspolverfahren, unter Verwendung von Schutzgasen mit zusätzlichen Anteilen von Stickstoff (150vpm), Bild 9, oder Stickstoff (70vpm) und Stickstoffmonoxid (300vpm) ergaben ebenfalls gute Ergebnisse. Es ist bekannt, daß die Stickstoffzumischungen beim WIG-Schweißen einen konzentrierteren Einbrand bewirken [11, 12]. Ein ähnlicher Effekt zeigt sich auch beim Plasmaschweißen. Vermutlich besteht der Einfluß dieser dotierten Gase in einer Fokussierung des Plasmastrahls nach Verlassen der Plasmadüse. Beide 2000 EWM HIGHTEC WELDING GmbH 6/9 WM doc; 07.99

7 Schweißnähte, Bild 9, wurden maschinell im Stichlochverfahren hergestellt und Durchstrahlungsprüfungen, metallographischen Untersuchungen sowie Härtemessungen unterzogen. Die Auswertung der Prüfprotokolle bescheinigt sehr gute Nahtqualitäten. Besonders die Nahtoberfläche ist beim Plasma- Pluspol- und Wechselstromschweißen sehr fein und regelmäßig ausgebildet. Der Zusatz von Sauerstoff (300vpm) zum Schutzgas bringt hierbei noch einmal weitere Verbesserungen [11, 12]. Das Plasmagas beim Plasma Minuspolschweißen sollte einen Heliumanteil von 90% nicht überschreiten, um eine ausreichende Pilotlichtbogenstabilität zu gewährleisten. Das Schutzgas ist entweder Helium oder ein heliumreiches Gemisch mit Argonanteilen kleiner 30%. Alle drei Plasmaverfahren lassen sich flexibel anwenden. Durch unterschiedliche Gase und Veränderungen der Plasmagasmenge können verschiedene Arbeitsbereiche abgedeckt werden. Vom sehr weichen Plasmalichtbogen für das Auftragschweißen und Verbindungsschweißen bei ungenauer Werkstückpassung, speziell bei kleinen Materialdicken, bis zum Plasmastrahl mit hoher Druckwirkung zum einlagigen Schweißen großer Materialdicken, ist für jede Anwendung der passende Lichtbogencharakter einstellbar. 4 Schweißtechnische Anwendungen 4.1 Manuelles Plasmaschweißen Sowohl die Führung als auch der Anstellwinkel des Plasmabrenners sind vom Anwender dem WIG Schweißen anzugleichen. Der Brennerabstand beim Plasma-Pluspol- und Wechselstromschweißen kann größer gewählt werden, um damit die Zuführung des Zusatzwerkstoffs zu erleichtern. Die Plasmadüse schnürt den Lichtbogen nicht nur ein, sondern sie verhindert auch ein Berühren der Elektrode mit dem Schweißzusatz oder dem Schmelzbad. Das Plasmaschweißen von Hand ist abhängig von der Brennergröße. Kleine handliche Brenner lassen heute eine Anwendung im Pluspolbereich bis zu einer Materialdicke von etwa 3mm (I Naht, einlagig) bei 35A zu. Die niedrigere Brennerbelastung im Wechselstrombetrieb erlaubt das Schweißen bis zu 4mm Werkstückdicke mit etwa 65A unter gleichen Randbedingungen. Das Plasma Minuspolschweißen ist den größeren Dickenbereichen vorbehalten. Im Vergleich der Verfahrensmerkmale schneidet das Pluspolschweißen am besten ab. Die erforderliche Stromstärke ist gering, damit wird weniger Wärme in den Grundwerkstoff eingebracht und der Verzug minimiert sich. Fertigungsbedingte Bauteiltoleranzen sind beherrschbar und der Schweißer wird keiner Lärmbelastung ausgesetzt. Typische Anwendungen liegen in der Profil-, Rohr- und Blechverarbeitung. 4.2 Maschinelles Plasmaschweißen Das vollmechanische und automatische Plasmaschweißen ist für alle Materialdickenbereiche einsetzbar. Die hohe Wärmekonzentration und hohe Leistungsdichte ermöglicht große Schweißgeschwindigkeiten. Es wird mit und ohne Zusatzwerkstoff gearbeitet. Eine Kosten-Nutzen-Analyse entscheidet über den Einsatz des jeweiligen Plasmaschweißverfahrens innerhalb einer kompletten Fertigungsanlage. Beispielhaft für die Anwendung des Plasma-Minuspolschweißens ist das gasdichte Verschließen der Böden von Stoßdämpferzylindern. Da es sich um eine vollmechanische Schweißung mit kurzen Taktzeiten handelt, ist die Zündsicherheit vordringliches Entscheidungskriterium. Nur eine Pilotlichtbogenzündung kann dieser Forderung gerecht werden. Der Zylinderboden ist etwa 4mm dick und muß komplett durchgeschweißt werden, um dem sehr hohen Betriebsdruck standhalten zu können. Das tiefe Einbrandprofil bei verhältnismäßig geringem Schweißstrom und somit kleinerem Brenner qualifiziert das Verfahren für diese Anwendung. Ab einer Materialdicke von etwa 3mm kann beim Plasmaschweißen am Pluspol oder mit Wechselstrom die Stichlochtechnologie angewendet werden. Durch die Erhöhung des Plasmagasstroms wird bei ausreichendem Energieeintrag die Druckwirkung des Plasmastrahls so stark erhöht, daß I-Stöße ohne Stegflächenabstand durchgeschmolzen werden, ohne die flüssige Strahlumgebung fortzublasen. Erfährt der Plasmabrenner eine gleichmäßige Vorwärtsbewegung, dann wird die Schmelze vom durchdringenden Plasmastrahl zur Seite gedrängt und fließt dahinter wieder zusammen, Bild 10 [13]. Bild 10. Prinzip des Plasmastichlochschweißens [13] Es entsteht eine Schweißnaht hoher Qualität, wie sich sowohl an der Nahtober- und Nahtunterseite als auch an der Durchstrahlungsaufnahme ablesen läßt, Bild 11. Zum Schließen von Rundnähten wird die Plasmagasmenge stark reduziert und der Schweißstrom abgesenkt. Längsnähte werden an den Enden mit Aus EWM HIGHTEC WELDING GmbH 7/9 WM doc; 07.99

8 Reinigungswirkung, die eine exzellente Schweißnahtqualität nach sich zieht und zum anderen an der guten laufblechen versehen [13]. Diese Technologie ist sehr effektiv, denn sie ermöglicht das Einlagenschweißen Bild 12. Plasma-Pluspolschweißungen mit Stichlochprinzip in Querposition (PC), gepulster Stromverlauf, Grundwerkstoff: AlMg3, t=6mm (links), t=8mm (rechts), Zusatzwerkstoff: AlMg5, d=1,2mm, Plasmagas: Ar, Schutzgas: 70%Ar/ 30%He, Porenfläche: 0,48% (links), 0,23% (rechts) Bild 11. Plasma-Pluspolschweißung mit Stichlochprinzip, I=100A, U=40V, VS=32cm/min, Grundwerkstoff:AlMg3, t=5mm, Zusatzwerkstoff: AlMg5, d=1,2mm, Plasmagas: Ar, Schutzgas: 70%Ar / 30%He a) Nahtoberseite b) Nahtunterseite c) Durchstrahlungsaufnahme Umweltverträglichkeit dieses Fügeverfahrens in bezug auf Rauch- und Schallemissionen. Dabei sorgt ein hoher energetischer Wirkungsgrad, größer 90%, für eine effiziente Energieausnutzung. Industriell durchsetzen kann sich dieses Verfahren aber nur dann, wenn es gelingt, eine echte Hochleistungstechnologie mit hoher Schweißleistung daraus zu machen. Die Entwicklung moderner Plasmabrenner muß deshalb in diese Richtung vorangetrieben werden. Sie sind der Schlüssel dazu, neue Anwendungsfelder zu erschließen. Der Trend zum Leichtbau verlangt nach Schweißverfahren im Bereich kleiner Materialdicken und alternativer Werkstoffe. Sowohl die vorhandenen Aluminiumlegierungen als auch beispielsweise neue Magnesiumlegierungen sind mit diesem Plasmaschweißverfahren sicher zu beherrschen. bis zu Werkstückdicken von etwa 8mm. Die Produktionszeiten für die Schweißnahtvorbereitung entfallen und die Kosten für teure Zusatzwerkstoffe sind reduzierbar. Zur Anwendung gelangt das Stichlochschweißen nicht nur in der Wannenposition (PA), sondern auch in der Querposition (PC), Bild 12, und der Steigposition (PF). Lediglich an der oberen Schmelzgrenze läßt sich durch den Auftrieb der Gasblasen eine geringe Porosität in dieser Plasmaschweißung mit positiv gepolter Elektrode nachweisen, während das restliche Schweißgut fast porenfrei ist [14]. Der Grund liegt in den schlechteren Entgasungsbedingungen der Schmelze in Position PC. Wie beim WIG-Schweißen sind besonders vollmechanische und automatische Anwendungen durch pulsierenden Schweißstrom und Zusatzwerkstoff vorteilhaft zu beeinflussen. Der maschinelle Einsatz der Plasmaschweißverfahren mit oder ohne Stichloch erschließt vielfältige Möglichkeiten im Bauwesen, im Automobil-, Schienenfahrzeug- und Schiffbau, in der Rohr- und Profilherstellung, im Maschinen-, Anlagen- und Behälterbau sowie in der gesamten chemischen Industrie. 5 Ausblick Besonders das Plasma-Pluspolschweißen wird in den nächsten Jahren in den Mittelpunkt des Interesses rücken. Das liegt zum einen an seiner hervorragenden 2000 EWM HIGHTEC WELDING GmbH 8/9 WM doc; 07.99

9 6 Schrifttum: [1] Altenpohl, D.: Aluminium von innen betrachtet, Eine Einführung in die Metallkunde der Aluminiumverarbeitung, 4. Auflage, Aluminium-Verlag, Düsseldorf, 1979, S.1-3 [2] Dorn, L.: Verbindungstechnologien für Aluminiumwerkstoffe, Deutsches Industrieforum für Technologie, DIF / 17 / 36 / DO 1, 3, 1997, S. 1-2 [3] N. N.: Hakolb GmbH Anlagenbau: Spezialist für tragende Aluminiumkonstruktionen, ALUMINIUM Praxis, Ausgabe 6, 1998, S.7 [4] Schellhase, M.: Der Schweißlichtbogen ein technologisches Werkzeug. Fachbuchreihe Schweißtechnik, Band 84, Deutscher Verlag für Schweißtechnik (DVS) GmbH, Düsseldorf, 1985, S.86, 99 [5] Becken, O.: Handbuch des Schutzgasschweißens, Teil 1: Grundlagen und Anwendung, Deutscher Verlag für Schweißtechnik (DVS) GmbH, Düsseldorf 1969, S.229 [6] Böhme, D.: Plasmaverbindungsschweißen Grundlagen und Anwendung, DVS-Berichte, Band 128, S [11] Trube, S.: WIG-Schweißen von Aluminiumlegierungen, Einfluß von Legierung, Oberflächenzustand und Schutzgas auf das Schweißergebnis, Sonderdruck 38/97, LINDE AG, Werksgruppe Technische Gase, Höllriegelskreuth, 1997 [12] Farwer, A.: Neue Untersuchungen zum MIG- und WIG- Schweißen von Aluminium mit verschiedenen Schutzgasen, Sonderdruck 96, Messer Griesheim GmbH, Krefeld, 1996 [13] Baum, L. und Fischer, H.: Der Schutzgas-Schweißer, Teil 1: WIG- Schweißen / Plasmaschweißen, Die Schweißtechnische Praxis, Band 11, Deutscher Verlag für Schweißtechnik (DVS) GmbH, Düsseldorf, 1987, S [14] Oster, E.: Bericht über Plasma-Schweißversuche, WELTRON Steuerungs- und Schweißanlagenbau GmbH, Burbach, 1998, unveröffentlicht [15] Aichele, G.: Strahlförmige Lichtbogen Plasmaschweißen hat sich bewährt, Sonderdruck aus Industrieanzeiger Nr. 51/89, S , Konradin-Fachzeitschriftenverlag GmbH [16] Killing, R.: Wolfram-Inertgasschweißen von Aluminiumwerkstoffen, Der Praktiker 51 (1999), H.5,S [7] Böhme, D.und Dilthey U.: Plasmaschweißen von Aluminumwerkstoffen, Forschungsvereinigung Schweißen und Schneiden, Düsseldorf, S.3 [8] Haas, B.: Schutzgasschweißen von Aluminiumwerkstoffen was ist im Vergleich zu Stahl anders? DVS-Berichte, Band 146, S.8-11 [9] Killing, R.: WIG-Schweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen Gleich- oder Wechselstrom? Jahrbuch Schweißtechnik 1999, Verlag für Schweißen und verwandte Verfahren DVS-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1998, S [10] Bültmann, F., Helwig, R., Knoch, R. und Nentwig, A.W.E.: Optimiertes Einstellen transistorisierter WIG- Schweißanlagen mit rechteckigem Stromverlauf auf das Schweißen von Aluminium, DVS-Berichte, Band 176, S EWM HIGHTEC WELDING GmbH 9/9 WM doc; 07.99