Plasmalichtbogenschweißen: Die Vorteile des PAW-Schweißens

PAW ist ein Lichtbogenschweißverfahren, das ähnlich wie GTAW eine nicht verbrauchbare Elektrode aus Wolfram oder einer Wolframlegierung verwendet.

Das Plasmalichtbogenschweißen (PAW) wird oft übersehen, wenn ein Schmelzschweißverfahren für hochintegrierte Anwendungen ausgewählt werden muss, wie sie beispielsweise in der Medizin-, Elektronik-, Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie zu finden sind.

Dieser Prozess wurde übersehen, weil er komplexer ist und teurere Geräte erfordert als andere Lichtbogenprozesse und weil Schweißer höhere Schweißgeschwindigkeiten wünschen, wie sie beim Laserstrahlschweißen (LBW) zu finden sind. Allerdings haben sich Automobilhersteller für eine Reihe von Anwendungen an PAW gewandt, darunter Karosserieteile und Abgassystemkomponenten.

Das Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW), auch bekannt als Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG), wird häufig für hochwertige Schweißnähte bei langsameren Geschwindigkeiten verwendet, während LBW häufig für das Schweißen mit höherer Geschwindigkeit verwendet wird.

PAW bietet manchmal eine höhere Schweißgeschwindigkeit als GTAW bei geringeren Kosten als LBW und ist für viele Anwendungen möglicherweise das effektivste Verfahren. Dazu gehört das Schweißen von dehnbaren Faltenbälgen aus Edelstahl, bei denen PAW toleranter gegenüber Gelenkfehlausrichtungen ist als LBW und eine bessere Durchdringung als GTAW bietet; Schweißen von beschichteten Stählen, wie sie in Automobilabgassystemen verwendet werden; und Schweißen im Schlüssellochmodus, um in einem einzigen Durchgang vollständig durchdringende Schweißnähte in relativ dickem Material herzustellen.

PAW ist ein Lichtbogenschweißverfahren, das ähnlich wie GTAW eine nicht verbrauchbare Elektrode aus Wolfram oder einer Wolframlegierung verwendet.

Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Schweißverfahren besteht darin, dass beim PAW die Elektrode in einer Düse versenkt ist, die zur Einengung des Lichtbogens dient. Plasmagas wird in der verengenden Düse ionisiert und verlässt die Düse mit hoher Geschwindigkeit.

Das Plasmagas allein reicht nicht aus, um das geschmolzene Schweißbad von der Atmosphäre abzuschirmen, daher wird Schutzgas wie beim GTAW um die Plasmasäule herum zugeführt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Plasmagases ist viel geringer als die des Schutzgases, um Turbulenzen zu minimieren

Die konische Form eines Gas-Wolfram-Lichtbogens erfordert den Einsatz von Geräten zur Lichtbogenlängenregelung (ALC) oder Lichtbogenspannungsregelung (AVC) für das automatisierte Schweißen, um eine gleichmäßige Punktgröße und Energiedichte sicherzustellen.

Der verengte Bogen in PAW führt zu einem viel säulenförmigeren Bogen. Dies minimiert den Einfluss von Lichtbogenlängenschwankungen auf die Energiedichte und minimiert den Bedarf an ALC oder AVC.

Ein weiterer Vorteil des Einbaus der Elektrode in eine Düse besteht darin, dass die Elektrodenverschmutzung minimiert wird. Eine Elektrode kann in der Regel eine ganze Produktionsschicht überstehen, ohne dass sie nachgeschliffen werden muss.

Ein weiteres einzigartiges Merkmal von PAW ist die Art und Weise, wie der Lichtbogen ausgelöst wird. Typischerweise wird Hochfrequenzstrom (HF) verwendet, um einen Pilotlichtbogen zwischen der Elektrode und der Kupferdüse zu erzeugen. HF wird ausgeschaltet, nachdem der Pilotlichtbogen gestartet wurde. Der Pilotlichtbogenstrom ist normalerweise auf einen Wert festgelegt oder kann auf einen von zwei Werten eingestellt werden, typischerweise irgendwo zwischen 2 und 15 Ampere.

Beim Schweißen wird der Lichtbogen auf das Werkstück übertragen, das Teil des Stromkreises wird. Da der Lichtbogen vor der Schweißung aufgebaut wird, ist der Start des Schweißlichtbogens in der Regel sehr zuverlässig.

Der Pilotlichtbogen bleibt nach Abschluss des Schweißvorgangs eingeschaltet und der Brenner ist bereit für die nächste Schweißung, ohne dass zusätzliche HF erforderlich ist. Dies kann beim Schweißen in automatisierten Anwendungen von Vorteil sein, bei denen elektromagnetisches Rauschen von HF die computergestützten Prozesssteuerungen stören kann. Ein Nebeneffekt des Pilotlichtbogens besteht darin, dass Plasmabrenner auch bei Schwachstromanwendungen wassergekühlt sein müssen.

Für PAW gibt es drei verschiedene Betriebsarten, die durch die Höhe des Schweißstroms bestimmt werden. Der Mikroplasma-Schweißstrom liegt zwischen weniger als 0,1 Ampere und etwa 20 Ampere.

Der Mittelstrom beim Plasmaschweißen oder Schmelzen liegt typischerweise im Bereich von 20 bis 100 Ampere. Der hohe Plasmaschweißstrom beträgt mehr als 100 Ampere und wird typischerweise im Schlüssellochmodus durchgeführt, ähnlich dem LBW- oder Elektronenstrahlschweißen (EBW).

Die Kombination aus hohem Strom und Plasmagasfluss erzeugt ein Loch im Material, und geschmolzenes Metall fließt hinter das sich bewegende Loch und erzeugt die Schweißraupe. Beim Schweißen im Schlüssellochmodus muss der Plasmagasdurchfluss sorgfältig gesteuert werden, um eine Schweißung zu ermöglichen. Eine etwas höhere Strömungsgeschwindigkeit bläst das geschmolzene Metall weg und führt zu Schnitten.

Während PAW nicht so schnell ist wie LBW (je nach Anwendung und Laserquelle kann LBW fünfmal schneller sein als PAW) oder EBW, betragen die Investitionskosten für PAW in der Regel nur einen kleinen Bruchteil der Kosten für Geräte mit hoher Energiedichte .

Ein Nachteil von PAW ist der größere Wärmeeintrag, der zu breiteren Schweißnähten und wärmebeeinflussten Zonen führt als LBW und EBW. Dies kann zu einer stärkeren Verformung und einem Verlust der mechanischen Eigenschaften führen.

Allerdings bietet PAW gegenüber diesen Verfahren einen Vorteil hinsichtlich der Toleranz gegenüber Gelenkspalten und Fehlstellungen. Obwohl der Lichtbogen eingeschnürt ist, hat die Plasmasäule einen deutlich größeren Durchmesser als die Strahlen. Auch die Zugabe von Zusatzwerkstoff ist mit PAW einfacher zu bewerkstelligen als mit LBW oder EBW.

Die Hauptnachteile von PAW im Vergleich zu GTAW bestehen darin, dass die Ausrüstung komplexer und kostspieliger ist und die Notwendigkeit einer Wasserkühlung des Brenners die Bauweise des Brenners einschränkt (GTAW-Brenner können gasgekühlt sein und so angepasst werden, dass sie hineinpassen). kleinere Gebiete). Außerdem ist der schmale PAW-Lichtbogen weniger tolerant gegenüber Gelenkfehlausrichtungen als der konische Gas-Wolfram-Lichtbogen.

Mikroplasma bietet gegenüber GTAW einen Vorteil, da ein stabiler Lichtbogen bei niedrigeren Stromstärken aufrechterhalten werden kann. Dies war eine treibende Kraft bei der Entwicklung dieses Prozesses.

In den frühen 1960er Jahren war es schwierig, einen stabilen Gas-Wolframlichtbogen mit deutlich weniger als 15 Ampere zu erhalten. Mikroplasma erwies sich als fähig, diese Einschränkung zu überwinden. GTAW hat sich seitdem erheblich weiterentwickelt und verspricht stabile Lichtbögen bei weniger als 1 Ampere.

Aber PAW hat eine niedrigere Stromgrenze, die etwa ein Zehntel der von GTAW beträgt. Aufgrund der geringen Stromstärke und der zuverlässigen Lichtbogenzündung eignet sich PAW für viele kleine Präzisionsschweißanwendungen, insbesondere in der Medizin- und Elektronikindustrie.

GTAW und LBW werden auch in der Medizin- und Elektronikindustrie eingesetzt. GTAW wird aufgrund der geringen Gerätekosten und der relativen Einfachheit für Anwendungen mit geringerem Volumen verwendet. LBW wird verwendet, wenn die Produktion höherer Stückzahlen die Kosten rechtfertigen kann, wenn der Wärmeeintrag minimiert werden muss und wenn die Passgenauigkeit der Verbindungen streng kontrolliert werden kann.

Die Verwendung von PAW im mittleren Strombereich im Einschmelzmodus ähnelt der Verwendung von GTAW, der Lichtbogen ist jedoch tendenziell steifer und wird bei PAW weniger von Änderungen der Lichtbogenlänge beeinflusst.

Dadurch können längere Lichtbogenlängen verwendet werden, und in Kombination mit der versenkten Elektrode kann das Hinzufügen von Zusatzwerkstoff beim manuellen Schweißen erleichtert werden. Eine Elektrodenverunreinigung durch das Zusatzmetall kommt bei PAW selten vor.

PAW im Einschmelzmodus kann in automatisierten Anwendungen im Vergleich zu GTAW von Vorteil sein, da es zuverlässigere Lichtbogenstarts, eine längere Elektrodenlebensdauer, keine Notwendigkeit für AVC oder ALC und kein elektromagnetisches Rauschen durch HF zu Beginn jeder Schweißung bietet.

PAW bietet in vielen Anwendungen, die einen hohen Strom erfordern, einen erheblichen Vorteil gegenüber GTAW. Das Erstellen von Schweißnähten mit PAW im Schlüssellochmodus kann in einem einzigen Durchgang zu vollständig durchdringenden Schweißnähten in relativ dicken Materialien führen.

Im Vergleich zum Schweißen dickerer Abschnitte mit GTAW minimiert das Schlüsselloch-PAW den Bedarf an kostspieliger Verbindungsvorbereitung und reduziert oder eliminiert den Bedarf an Zusatzmetall.

Das hohe Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis einer Stichloch-Plasmaschweißung im Vergleich zu einer GTA-Schweißung kann auch Winkelverzerrungen erheblich reduzieren. Diese Technik lässt sich am besten mit automatisierten Geräten anwenden. Beim manuellen Schweißen kann es schwierig sein, das Schlüsselloch zu warten.

Die meisten Materialien können mit PAW unter Verwendung von Gleichstrom-Elektroden-Negativ (DCEN) geschweißt werden. Der Gleichstrom-Schweißstrom kann auch gepulst werden, um den Einbrand sowohl im Einschmelzmodus als auch im Schlüssellochmodus zu steuern.

Plasmalichtbogenschweißstromquellen mit variabler Polarität (VPPA) verbessern die Verbindung von Materialien wie Aluminium und Magnesium. Die VPPA-Rechteckwellenform kann so angepasst werden, dass der elektrodenpositive Teil jedes Zyklus, der hartnäckige Oberflächenoxide reinigt, mit dem elektrodennegativen Teil ausgeglichen werden kann, der für mehr Durchdringung sorgt.

PAW kann auch auf verschiedene Weise mit GTAW für automatisiertes Schweißen kombiniert werden, um die Schweißgeschwindigkeit und Schweißqualität zu optimieren.

Ein Beispiel hierfür ist ein Forschungsprojekt zum Rohrschweißen, das am Edison Welding Institute (EWI) durchgeführt wurde und bei dem drei Brenner zur Herstellung einer Single-Pass-Schweißung eingesetzt wurden.

Der Blei-GTAW-Brenner wurde zum Vorwärmen und zur Kantenvorbereitung verwendet. Ein zweiter PAW-Brenner wurde im Schlüssellochmodus betrieben, um eine vollständige Durchdringung zu gewährleisten. Als Schleppbrenner wurde ein GTAW-Brenner eingesetzt, um die Schweißraupe zu glätten und zu formen.

Das geschweißte Material war eine 0,315 Zoll (8 Millimeter) dicke Platte aus 304-Edelstahl mit gescherten Kanten. Material dieser Dicke konnte mit herkömmlichem GTAW nicht in einem Durchgang ohne Kantenvorbereitung geschweißt werden, egal wie viele Brenner verwendet wurden.

Mit GTAW/PAW/GTAW ohne Zugabe von Zusatzwerkstoff wurden akzeptable Ergebnisse erzielt, konsistentere Ergebnisse wurden jedoch erzielt, wenn Zusatzwerkstoff zum Schweißbad des Schleppbrenners hinzugefügt wurde. Die Drahtvorschubgeschwindigkeit wurde angepasst, um die Füllung zu steuern und bündige oder leicht konvexe Schweißprofile zu erhalten.

Um den vollen Nutzen aus PAW zu ziehen, müssen robuste Schweißverfahren etabliert werden, wie beispielsweise die Definition von Betriebsfenstern für Schweißparameter.