1. Merkmale des Plasmalichtbogens und seines Generators 1. Entstehung des Plasmalichtbogens Ein Plasmalichtbogen ist ein komprimierter Wolfram-Elektroden-Argon-Lichtbogen mit hoher Energiedichte, Temperatur und Lichtbogenkraft. Der Plasmalichtbogen wird durch drei Kompressionseffekte erzeugt: 1) Mechanische Kompression: Die begrenzte Ausdehnung der Querschnittsfläche der Lichtbogensäule, verursacht durch die [...]
Ein Plasmalichtbogen ist ein komprimierter Wolfram-Elektroden-Argon-Lichtbogen mit hoher Energiedichte, Temperatur und Lichtbogenkraft. Der Plasmalichtbogen wird durch drei Kompressionseffekte erzeugt:
1) Mechanische Kompression: Die begrenzte Ausdehnung der Querschnittsfläche der Lichtbogensäule, die durch die Öffnung der wassergekühlten Kupferdüse verursacht wird, wird als mechanische Kompression bezeichnet.
2) Thermische Kompression: Das Kühlwasser in der Düse bildet eine Schicht aus kaltem Gas in der Nähe der Innenwand der Düse, wodurch die effektive leitende Fläche der Lichtbogensäule verringert wird. Dadurch werden die Energiedichte und die Temperatur der Lichtbogensäule weiter erhöht. Dieser Effekt, der durch die Wasserkühlung erreicht wird, um die Temperatur und Energiedichte der Lichtbogensäule weiter zu erhöhen, wird als thermische Kompression bezeichnet.
3) Elektromagnetische Kompression: Aufgrund der oben genannten Kompressionseffekte steigt die Lichtbogenstromdichte, und die elektromagnetische Kontraktionskraft, die durch das Magnetfeld des Lichtbogenstroms selbst erzeugt wird, wird stärker. Dies führt zu einer weiteren Kompression des Lichtbogens, die als elektromagnetische Kompression bezeichnet wird.
(1) Nicht-übertragener Lichtbogen
Der nicht übertragene Lichtbogen brennt zwischen der Wolframelektrode und der Düse. Beim Schweißen ist der Pluspol der Stromquelle mit der wassergekühlten Kupferdüse verbunden, während der Minuspol mit der Wolframelektrode verbunden ist. Das Werkstück ist nicht an den Schweißstromkreis angeschlossen. Der Lichtbogen wird durch den Hochgeschwindigkeitsausstoß von Plasmagas erzeugt. Diese Art von Lichtbogen eignet sich zum Schweißen oder Schneiden von dünneren Metallen und Nichtmetallen.
(2) Übertragener Bogen
Der übertragene Lichtbogen brennt direkt zwischen der Wolframelektrode und dem Werkstück. Beim Schweißen wird zunächst der nicht übertragene Lichtbogen zwischen der Wolframelektrode und der Düse gezündet, und dann wird der Lichtbogen auf die Wolframelektrode und das Werkstück übertragen. Die Düse ist während des Betriebs nicht an den Schweißstromkreis angeschlossen. Diese Art von Lichtbogen wird zum Schweißen dickerer Metalle verwendet.
(3) Kombinierter Bogen
Ein kombinierter Lichtbogen ist ein Lichtbogen, bei dem sowohl der übertragene Lichtbogen als auch der nicht übertragene Lichtbogen nebeneinander bestehen. Der gemischte Lichtbogen kann bei sehr niedrigen Strömen stabil bleiben und eignet sich daher besonders zum Schweißen dünner und ultradünner Bleche.
(1) Die bogenstatische Kennlinie des Plasmabogen unterscheidet sich deutlich von dem des WIG-Lichtbogens:
(2) Die Lichtbogentemperatur ist hoch und reicht von 24000K bis 50000K, mit einer hohen Leistungsdichte und einer Energiedichte von 105-106W/cm2. Im Gegensatz dazu hat der WIG-Lichtbogen einen Temperaturbereich von 10000-24000 K und eine Leistungsdichte von weniger als 104 W/cm2.
(3) Die Steifigkeit ist hoch, mit einem großen Lichtbogenkonzentrationsfaktor.
(4) Die von der Lichtbogensäule erzeugte Wärme hat einen erheblichen Einfluss auf die Erwärmung des Werkstücks.
(I) Merkmale
Aufgrund seiner hohen Energiedichte, Temperatur und Steifigkeit hat der Plasmalichtbogen im Vergleich zu konventionellen Verfahren folgende Vorteile Lichtbogenschweißen:
1) Starkes Eindringvermögen, in der Lage, durch Edelstahlbleche mit einer Dicke von 8-10 mm zu schweißen, ohne dass eine Abschrägung oder ein Zusatzdraht erforderlich ist.
2) Die Qualität der Schweißnaht ist unempfindlich gegenüber Änderungen der Bogenlänge. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Form des Bogens nahezu zylindrisch ist und eine gute Geradheit. Die Variation der Lichtbogenlänge hat nur minimale Auswirkungen auf die Heizpunktfläche, so dass sich leicht gleichmäßige Schweißnahtformen erzielen lassen.
3) Die Wolframelektrode ist in einer wassergekühlten Kupferdüse versenkt, wodurch ein Kontakt mit dem Werkstück vermieden und das Auftreten von Wolframeinschlüssen im Schweißgut verhindert wird.
4) Der Plasmalichtbogen hat einen hohen Ionisierungsgrad, der ihn auch bei niedrigen Strömen stabil macht und das Schweißen von Präzisions-Miniaturteilen ermöglicht.
Die Nachteile des Plasmaschweißens sind folgende:
1) Begrenzt Schweißdickeim Allgemeinen unter 25 mm.
2) Die Schweißpistole und der Steuerkreis sind komplex, und die Düse hat eine geringe Lebensdauer.
3) Es gibt mehrere Schweißparameterdie vom Schweißer ein hohes Maß an technischem Geschick verlangen.
(2) Anwendungen
Mit dem Plasmaschweißen können verschiedene Metalle geschweißt werden, die auch mit Wolfram-Inertgas (WIG) geschweißt werden können, z. B. rostfreier Stahl, Aluminium und AluminiumlegierungenTitan und Titanlegierungen, Nickel, Kupfer und Monel-Legierungen. Dieses Schweißverfahren kann in der Luft- und Raumfahrt, in der Kernenergie, in der Elektronik, im Schiffbau und in anderen Industriezweigen eingesetzt werden.
1. Klassifizierung: Plasma-Lichtbogen-Schweißpistole, Schneidpistole, Spritzpistole.
2. Bestandteile
Zu den Hauptkomponenten gehören die Elektrode, der Elektrodenhalter, die komprimierte Düse, der Zwischenisolator, der obere Pistolenkörper, der untere Pistolenkörper und die Kühlhülse. Die wichtigsten Komponenten sind die Düse und die Elektrode.
1. Düse
Klassifizierung: Nach der Anzahl der Düsenlöcher unterscheidet man zwei Typen: Einloch- und Mehrlochdüsen.
Bei Mehrlochdüsen gibt es neben dem zentralen Hauptloch mehrere kleine Löcher links und rechts des Hauptlochs. Das aus diesen kleinen Löchern austretende Plasmagas hat eine zusätzliche Druckwirkung auf den Plasmalichtbogen, wodurch der Querschnitt des Plasmalichtbogens elliptisch wird. Wenn die Längsachse der Ellipse parallel zur Schweißrichtung verläuft, kann dies zu einer erheblichen Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit und die Breite der hitzebeeinflussten Zone verringern.
Die wichtigsten Parameter der Düsenform sind die Verdichtungsöffnung und die Länge des Verdichtungskanals.
1) Öffnung der Düse (dn):
Der dn-Wert bestimmt den Durchmesser und die Energiedichte des Plasmalichtbogens. Ein kleinerer Durchmesser führt zu einer stärkeren Kompression des Lichtbogens, aber wenn er zu klein ist, kann er zu einer verminderten Stabilität des Plasmalichtbogens führen und sogar Doppelbogenbildung und Düsenschäden verursachen. Die Auswahl von dn sollte auf der Grundlage des Schweißstroms, des Plasmagastyps und der Durchflussrate erfolgen.
2) Länge des Düsenkanals (l0):
Bei einer bestimmten Kompressionsöffnung sorgt ein längeres l0 für eine stärkere Kompression des Plasmalichtbogens. Wenn l0 jedoch zu groß ist, wird der Plasmalichtbogen instabil. In der Regel muss das Verhältnis l0/dn innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen. Für den Transferlichtbogen liegt es im Allgemeinen bei 1,0-1,2 und für den Mischlichtbogen bei 2-6.
3) Konischer Winkel (α):
Der konische Winkel hat wenig Einfluss auf die Kompression des Plasmalichtbogens und kann zwischen 30° und 180° liegen. Es ist jedoch vorzuziehen, die Form der Elektrodenspitze anzupassen, um eine stabile Verankerung des Anodenpunktes an der Elektrodenspitze zu gewährleisten. Beim Schweißen beträgt der Winkel im Allgemeinen 60° bis 90°.
Material der Düse:
Die Düse besteht in der Regel aus Kupfer und ist direkt wassergekühlt.
Elektrode:
1) Material:
Beim Plasmaschweißen werden in der Regel thorierte Wolframelektroden oder keramische Wolframelektroden verwendet. In einigen Fällen können auch zirkonisierte Wolframelektroden oder Zirkoniumelektroden verwendet werden. Wolfram-Elektroden erfordern im Allgemeinen eine Wasserkühlung. Für Schwachstromanwendungen wird eine indirekte Wasserkühlung verwendet, und die Wolframelektrode hat die Form eines Stabes. Für Hochstromanwendungen wird eine direkte Wasserkühlung verwendet, und die Wolframelektrode hat eine eingebettete Struktur.
2) Form:
Die Spitze einer stabförmigen Elektrode wird in der Regel in eine scharfe Kegelform oder eine konische Plattformform geschliffen. Für Anwendungen mit höheren Strömen kann sie auch kugelförmig geschliffen werden, um den Abbrand zu verringern.
3) Innere Kontraktionslänge und Konzentrizität:
Anders als WIG-SchweißenBeim Plasmaschweißen wird die Wolframelektrode im Allgemeinen im Inneren der komprimierten Düse zusammengezogen. Der Abstand von der Außenfläche der Düse bis zur Spitze der Wolframelektrode wird als innere Einschnürlänge (lg) bezeichnet.
Um die Stabilität des Lichtbogens zu gewährleisten und Doppelbogenbildung zu vermeiden, sollte die Wolframelektrode konzentrisch zur Düse sein, und die innere Kontraktionslänge (lg) der Wolframelektrode sollte angemessen sein (lg = l0 ± 0,2 mm).
3. Methoden der Gasversorgung:
a) Tangential: Diese Methode bietet eine hohe Kompression mit niedrigem Druck in der Mitte und hohem Druck an der Peripherie. Dies trägt zur Stabilisierung des Bogens in der Mitte bei.
b) Radial: Diese Methode bietet eine geringere Kompression im Vergleich zur tangentialen Methode.
1. Doppelbogen
Unter normalen Bedingungen bildet sich zwischen der Wolframelektrode und dem Werkstück ein übertragener Lichtbogen.
In bestimmten Ausnahmesituationen kann jedoch ein paralleler Lichtbogen entstehen, der zwischen der Wolframelektrode und der Düse sowie zwischen der Düse und dem Werkstück brennt, ein so genannter Doppelbogen.
2. Mechanismus zur Erzeugung von zwei Lichtbögen
Theorie des Kaltgasfilmdurchbruchs
3. Ursachen und Präventionsmaßnahmen für die Entstehung von Doppelbögen
1. Unter bestimmten Strombedingungen ist die Kompressionsöffnung der Düse zu klein oder die Länge des Kompressionskanals zu lang, was zu einer übermäßigen internen Kontraktionslänge führt.
2. Unzureichender Durchfluss des Plasmagases.
3. Übermäßige Abweichung zwischen der Achse der Wolframelektrode und der Düsenachse.
4. Verstopfung der Düse durch Metallspritzer.
5. Falsche äußere Merkmale des Netzteils.
6. Falscher Abstand zwischen der Düse und dem Werkstück.
Es gibt drei Verfahren: Perforationsschweißen, Schmelzschweißen und Mikrostrahlplasmaschweißen.
(1) Perforationsplasmaschweißen
Durch die Verwendung eines größeren Schweißstroms und Plasmastroms hat der Plasmalichtbogen eine höhere Energiedichte und Plasmastromkraft. Das Werkstück wird vollständig aufgeschmolzen und bildet ein kleines Loch, das unter der Wirkung der Plasmastromkraft in das Werkstück eindringt, während das geschmolzene Metall um das kleine Loch herum ausgestoßen wird.
Wenn sich der Plasmalichtbogen in Schweißrichtung bewegt, bewegt sich das geschmolzene Metall an den Wänden des Lichtbogens entlang und kristallisiert zu einer Schweißnaht hinter dem Schweißbad, während sich das kleine Loch mit dem Plasmalichtbogen vorwärts bewegt.
Es ist für einseitiges Schweißen und beidseitiges Formen geeignet und kann nur für einseitiges Schweißen und beidseitiges Formen verwendet werden.
Beim Schweißen von dünnen Werkstücken kann dies ohne Fasen, Füllbleche oder Füllmetall erreicht werden, so dass eine beidseitige Umformung in einem Durchgang möglich ist.
Die Erzeugung von kleinen Löchern hängt von der Energiedichte des Plasmalichtbogens ab. Je dicker das Blech ist, desto höher ist die erforderliche Energiedichte. Bei dickeren Blechen kann das Perforationsplasmaschweißen nur für die erste Schweißnaht verwendet werden.
Tabelle 6-1: Anwendbare Dicken für das Perforationsplasmaschweißen
| Material | Rostfreier Stahl | Titan und Titan-Legierungen | Nickel und Nickellegierungen | Niedrig legierter Stahl | Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt |
| Grenzwert der Schweißnahtdicke /mm | 8 | 12 | 6 | 7 | 8 |
(2) Schmelzschweißen mit Plasmabogen
Bei Verwendung eines geringeren Plasmagasdurchsatzes ist die Plasmastromkraft geringer und die Lichtbogendurchdringungsfähigkeit ist gering.
Merkmale:
(3) Mikrostrahl-Plasma-Lichtbogenschweißen
Eine Niederstromschmelze (typischerweise weniger als 30A) Schweißverfahren.
Ausstattungsmerkmale:
Prozessmerkmale:
(4) Impulsplasma-Lichtbogenschweißen
Verwendet gepulsten Strom unter 15 Hz anstelle von stabilem Gleichstrom. Der Lichtbogen ist stabiler, was zu einer kleineren Wärmeeinflusszone (WEZ) und weniger Verzerrungen führt.
(5) Wechselstrom-Plasmaschweißen
Im Allgemeinen wird zum Schweißen von Aluminiumlegierungen eine Rechteckstromversorgung verwendet.
(6) Übertragener Plasmalichtbogen
Es handelt sich um eine Kombination aus übertragenem Lichtbogen und Plasmalichtbogen, wobei es zwei Formen gibt:
(1) Fugen- und Fasenform
Die Fugenform wird in Abhängigkeit von der Blechdicke gewählt:
(2) Schweissstrom und Düsenöffnung
Die Wahl des Schweißstroms richtet sich immer nach der Blechdicke oder den Anforderungen an den Einbrand. Ist der Strom zu niedrig, dringt die Schweißnaht möglicherweise nicht ein und es entsteht kein kleines Loch. Wenn der Schweißstrom zu hoch ist, kann das geschmolzene Metall aufgrund eines großen Lochdurchmessers absacken.
Die Düsenöffnung wird auf der Grundlage des Schweißstroms ausgewählt und sollte entsprechend angepasst werden. Sie hängt auch mit der Durchflussrate des Plasmagases zusammen.
(3) Plasmagas
Das Plasmagas und Schutzgas werden in der Regel in Abhängigkeit von dem zu schweißenden Metall und der Stromstärke gewählt. Bei der Verwendung hoher Schweißströme beim Plasmaschweißen ist es im Allgemeinen ratsam, dasselbe Gas für Plasmagas und Schutzgas zu verwenden, da die Verwendung unterschiedlicher Gase zu einer schlechten Lichtbogenstabilität führen kann.
In Tabelle 6-5 sind die typischen Gase aufgeführt, die beim Hochstrom-Plasma-Lichtbogenschweißen von verschiedenen Metallen verwendet werden. Beim Niederstrom-Plasmalichtbogenschweißen wird in der Regel reines Argongas als Plasmagas verwendet. Der Grund dafür ist, dass Argongas eine niedrigere Ionisierungsspannung hat, die eine einfache Zündung des Lichtbogens gewährleistet.
| Metall | Dicke/mm | Schweißtechnik | |
| Perforationsmethode | Methode der Fusion | ||
| Kohlenstoffstahl (aluminiumberuhigter Stahl) | ＜3.2 | Ar | Ar |
| ＞3.2 | Ar | 25%Ar+75%He | |
| Niedrig legierter Stahl | ＜3.2 | Ar | Ar |
| ＞3.2 | Ar | 25%Ar+75%He | |
| Rostfreier Stahl | ＜3.2 | Ar oder 92,5% Ar + 7,5% H2 | Ar |
| ＞3.2 | Ar oder 95% Ar + 5% H2 | 25%Ar+75%He | |
| ＞3.2 | Ar oder 95% Ar + 5% H2 | 25%Ar+75%He | |
| Reaktive Metalle | <6.4 | Ar | Ar |
| >6.4 | Ar+（50%-70%）He | 25%Ar+75%He | |
Die Durchflussrate des Plasmagases bestimmt direkt die Fließkraft und das Eindringvermögen des Plasmas. Je größer die Durchflussrate des Plasmagases ist, desto größer ist das Eindringvermögen. Wenn die Durchflussrate des Plasmagases jedoch zu hoch ist, kann der Durchmesser des kleinen Lochs zu groß werden, was die Bildung der Schweißnaht beeinträchtigen kann.
Daher muss die Durchflussmenge des Plasmagases entsprechend dem Düsendurchmesser, der Art des Plasmagases, dem Schweißstrom und der Schweißgeschwindigkeit ausgewählt werden.
Bei der Anwendung des Schmelzverfahrens muss die Durchflussrate des Plasmagases entsprechend reduziert werden, um die Plasmastromkraft zu minimieren.
(4) Geschwindigkeit beim Schweißen
Die Schweißgeschwindigkeit sollte auf der Grundlage der Durchflussrate des Plasmagases und des Schweißstroms gewählt werden, um sicherzustellen, dass alle drei Parameter angemessen aufeinander abgestimmt sind. Wenn die anderen Bedingungen konstant sind, reduziert eine Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit die Wärmezufuhr und verringert den Durchmesser des kleinen Lochs, bis es verschwindet.
Eine übermäßige Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit kann jedoch zu Unterschnitt oder Porosität führen.
Ist die Schweißgeschwindigkeit dagegen zu niedrig, kann der Grundwerkstoff überhitzt werden und die Schmelze absacken. Daher sollten die Schweißgeschwindigkeit, die Durchflussmenge des Plasmagases und der Schweißstrom gut aufeinander abgestimmt sein.
(5) Abstand zwischen Düse und Werkstück
Wenn der Abstand zu groß ist, verringert sich die Durchdringungsfähigkeit. Ist der Abstand zu gering, kann dies zu einer Verstopfung der Düse führen. Im Allgemeinen wird der Abstand zwischen 3 und 8 mm eingestellt. Im Vergleich zum Wolfram-Inertgas (WIG)-Schweißen hat die Variation des Düsenabstands weniger Einfluss auf die Schweißqualität.
(6) Durchflussmenge des Schutzgases
Die Durchflussrate des Schutzgases sollte auf der Grundlage des Schweißstroms und der Plasmagasdurchflussrate ausgewählt werden. Unter einer bestimmten Plasmagasdurchflussrate kann eine zu hohe Durchflussrate des Schutzgases den Gasfluss stören und die Stabilität des Lichtbogens und die Schutzwirkung beeinträchtigen.
Andererseits kann eine zu geringe Durchflussmenge des Schutzgases zu einem unzureichenden Schutz führen. Daher sollte die Durchflussmenge des Schutzgases in einem angemessenen Verhältnis zur Durchflussmenge des Plasmagases stehen.
Beim Perforationsschweißen liegt der Schutzgasdurchsatz im Allgemeinen im Bereich von 15 bis 30 l/min.
(7) Lichtbogenzündung und Lichtbogenbeendigung
Beim Schweißen dicker Bleche mit dem Perforationsverfahren treten an den Einleitungs- und Endpunkten des Lichtbogens häufig Defekte wie Porosität und Unterschnitt auf.
Für Stumpfnähte werden Lichtbogenzünd- und -abschlussplatten verwendet. Der Lichtbogen wird zunächst auf der Zündplatte gezündet, dann auf das Werkstück übertragen und schließlich auf der Abschlussplatte beendet, wodurch das kleine Loch geschlossen wird.
Bei Umfangsverbindungen können jedoch keine Lichtbogenzündungs- und -abschlussplatten verwendet werden. Stattdessen werden der Schweißstrom und der Plasmagasdurchsatz schrittweise erhöht, um den Lichtbogen auf dem Werkstück zu zünden, und der Lichtbogen wird durch schrittweises Reduzieren des Stroms und des Plasmagasdurchsatzes geschlossen, um das kleine Loch zu schließen.
1. Prinzip des Schneidens
Schmelz- und Abblasprinzip: Der Plasmalichtbogen schmilzt das Werkstück vollständig auf, und die mechanische Hochgeschwindigkeitsspülung des Plasmastroms bläst das geschmolzene Metall oder Nichtmetall weg, so dass ein schmaler Schnitt entsteht.
Brennschneiden: Nutzt Verbrennung und Gebläse.
Vorteile:
Benachteiligungen:
2. Schneidetechniken
1. Plasmagas
1) Arten
2) Durchflussmenge
Die Durchflussrate des Plasmagases ist viel höher als beim Schweißen, da der Plasmalichtbogen einen härteren Lichtbogen erfordert.
2. Prozess-Parameter
1) Leerlaufspannung:
Sie wirkt sich nicht nur auf die Leistung der Lichtbogenzündung aus, sondern auch auf die Steifigkeit des Lichtbogens. Eine höhere Leerlaufspannung führt zu einem stärkeren Lichtbogen und einer größeren Spülkraft, was eine höhere Schnittgeschwindigkeit und -stärke ermöglicht.
2) Lichtbogenstrom und -spannung:
Eine Erhöhung des Lichtbogenstroms und der Spannung kann die Schnittdicke und die Schnittgeschwindigkeit erhöhen, wobei die Spannung eine stärkere Wirkung hat. Eine Erhöhung des Stroms kann jedoch zur Bildung eines doppelten Lichtbogens und zu größeren Schnittspalt.
3) Schnittgeschwindigkeit:
Es wird empfohlen, die Geschwindigkeit zu maximieren und gleichzeitig eine vollständige Durchdringung sicherzustellen. Eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit verbessert die Produktivität und verringert die Verformung und die Wärmeeinflusszone. Langsames Schneiden Geschwindigkeiten führen zu einer geringeren Produktivität, einem erhöhten Risiko der Krätzebildung und einer größeren hitzebeeinflussten Zone.
4) Abstand Düse/Werkstück:
Im Allgemeinen wird ein Abstand von 8-10 mm bevorzugt. Eine Vergrößerung des Abstands erhöht die Lichtbogenleistung, führt aber auch zu einer größeren Wärmeabgabe, einem geringeren Wirkungsgrad des Lichtbogens, einer geringeren Spülkraft und einem erhöhten Risiko der Krätzebildung. Auch die Gefahr von Doppelbögen ist größer. Umgekehrt kann ein zu geringer Abstand zu einer Verstopfung der Düse führen.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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