Plasmaschweißen (15): Die Weiterentwicklung des WIG-Verfahrens

Einleitung: Der gebündelte Lichtbogen

Das Plasmaschweißen – in der Normung als Prozess 15 geführt – ist die hochtechnologische Weiterentwicklung des WIG-Schweißens. Während beim WIG-Verfahren der Lichtbogen frei zwischen Wolframelektrode und Werkstück brennt, wird beim Plasmaschweißen der Lichtbogen durch eine wassergekühlte Kupferdüse eingeschnürt. Das Ergebnis: ein extrem gebündelter, stabiler und energiegeladener Plasmastrahl, der höhere Temperaturen, tiefere Einbrände und eine präzisere Energieeinkopplung ermöglicht als jedes andere Lichtbogenverfahren.

Das Plasmaschweißen ist das Verfahren der Wahl für höchste Präzisionsanforderungen im Rohrleitungsbau, in der Luft- und Raumfahrt, in der Elektronikfertigung und im Formenbau. Es verbindet die Sauberkeit und Kontrollierbarkeit des WIG-Schweißens mit höheren Abschmelzleistungen und der Möglichkeit, auch dickere Bleche einlagig zu schweißen. Dieser Artikel beleuchtet die Physik des Plasmas, die verschiedenen Verfahrensvarianten und die spezifischen Anwendungsfelder dieser faszinierenden Technologie.

Historische Entwicklung: Vom Plasmabrenner zum Präzisionswerkzeug

Die Grundlagen des Plasmaschweißens wurden in den 1950er Jahren im Rahmen der Weltraumforschung und der Entwicklung von Wiedereintrittskörpern gelegt. Ingenieure suchten nach Möglichkeiten, extrem heiße, stabile Lichtbögen für thermische Schutzschichten zu erzeugen. Die Plasmatechnik entstand zunächst für das Plasmaschneiden – ein Verfahren, das heute in jeder Metallwerkstatt zu finden ist.

Das Plasmaschweißen entwickelte sich in den 1960er Jahren als Ableger dieser Technologie. Die Firma Union Carbide (später Linde) brachte die ersten industriell einsetzbaren Plasmabrenner auf den Markt. In den 1970er Jahren wurde das Verfahren insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie für das Schweißen von dünnwandigen Titan- und Nickelbasislegierungen eingesetzt [1].

In Europa trieb vor allem das Unternehmen EWM (heute Teil der EWM Group) die Entwicklung voran. Die Einführung der Impulsplasmatechnik in den 1980er Jahren ermöglichte das hochpräzise Schweißen von dünnsten Blechen bis herab zu 0,1 mm. In den 1990er Jahren wurde das Plasmaschweißen mit Zusatzdraht etabliert, das höhere Abschmelzleistungen und die Verarbeitung dickerer Bleche ermöglichte.

Heute ist das Plasmaschweißen ein etabliertes, wenn auch spezialisiertes Verfahren. Es wird dort eingesetzt, wo die Präzision des WIG-Schweißens nicht ausreicht oder wo höhere Produktivität gefordert ist [2].

Physik und Technik: Der Lichtbogen in der Düse

Das Prinzip des Plasmaschweißens ähnelt auf den ersten Blick dem WIG-Schweißen. Auch hier brennt ein Lichtbogen zwischen einer nicht abschmelzenden Wolframelektrode und dem Werkstück. Der entscheidende Unterschied ist die Düsenkonfiguration.

Die Wolframelektrode sitzt zentriert in einer wassergekühlten Kupferdüse mit einer engen Öffnung (meist 1,5–4,0 mm Durchmesser). Das Schutzgas (meist Argon, mit Zusätzen von Helium oder Wasserstoff) strömt durch die Düse und wird dort ionisiert. Der Lichtbogen wird durch die Düsenöffnung eingeschnürt – was zu drei wesentlichen Effekten führt:

1. Energiebündelung: Der Plasmastrahl hat eine deutlich höhere Energiedichte als der freie WIG-Lichtbogen. Die Temperaturen erreichen bis zu 20.000–30.000 °C – etwa doppelt so hoch wie beim WIG-Schweißen.
2. Stabilität: Der Plasmastrahl ist auch bei großen Lichtbogenlängen (bis 20 mm) stabil und wird durch externe Einflüsse (Magnetfelder, Zugluft) kaum beeinflusst. Dies ermöglicht das Schweißen von geometrisch komplexen Strukturen und das Schweißen unter Wasser (Sonderanwendungen).
3. Unabhängigkeit von Elektroden-Werkstück-Abstand: Beim WIG-Schweißen muss der Abstand zwischen Wolframelektrode und Werkstück konstant gehalten werden (typisch 2–5 mm). Beim Plasmaschweißen kann der Plasmastrahl über eine größere Distanz aufrechterhalten werden, was die Prozessführung vereinfacht und die Automatisierung erleichtert.

Die beiden Betriebsarten

Das Plasmaschweißen wird in zwei grundlegenden Betriebsarten durchgeführt:

Die Keyhole-Technik ist die spektakulärste Variante des Plasmaschweißens. Der Plasmastrahl durchdringt das Material vollständig und bildet ein kleines Loch – das Keyhole. Die Oberflächenspannung des Schmelzbades hält das Keyhole offen, während der Plasmastrahl voranschreitet. Hinter dem Keyhole schließt sich das Schmelzbad wieder und bildet eine vollständig durchgeschweißte Naht – in einem einzigen Arbeitsgang, ohne Wurzelbildung von der Gegenseite.

Die Vorteile sind erheblich:

• Einlagiges Schweißen von Dicken bis 10 mm (bei Stahl) oder 15 mm (bei Aluminium)
• Keine Wurzelschweißung erforderlich – auch bei Rohren und Behältern
• Höhere Schweißgeschwindigkeiten als beim WIG-Schweißen
• Extrem schmale Wärmeeinflusszone (oft unter 1 mm)

Die Gaswahl und ihre Bedeutung

Die Wahl des Plasmasgases ist entscheidend für die Qualität und Wirtschaftlichkeit des Prozesses. Drei Gase oder Gasmischungen werden unterschieden:

• Plasmasgas: Das Gas, das durch die Düse strömt und den Plasmastrahl bildet. Standard: Argon (Ar) oder Argon mit Wasserstoffzusätzen (Ar + H₂). Wasserstoff erhöht die Energie und verbessert den Einbrand, kann aber bei nichtrostenden Stählen zu Wasserstoffversprödung führen.
• Schutzgas (Deckgas): Das Gas, das den Plasmastrahl umgibt und das Schmelzbad abschirmt. Häufig Argon, bei Titan und Nickelbasislegierungen auch Helium (He) oder Argon-Helium-Mischungen.
• Wurzelgas (bei Keyhole-Technik): Das Gas, das auf der Rückseite des Schweißguts die Wurzel abschirmt. Meist Argon oder bei Stählen auch Argon mit geringen Sauerstoffzusätzen (0,5–2 % O₂), um die Benetzung zu verbessern.

Besondere Bedeutung hat der Wasserstoffzusatz zum Plasmasgas. Bereits 2–5 % Wasserstoff erhöhen die Wärmeleitfähigkeit des Plasmas erheblich und ermöglichen einen tieferen Einbrand. Bei höheren Wasserstoffanteilen (bis 20 %) kann das Keyhole stabilisiert werden. Allerdings besteht die Gefahr der Wasserstoffaufnahme im Schweißgut – bei ferritischen Stählen ein Problem, bei austenitischen Stählen weniger kritisch.

Einsatzgebiete: Wo Präzision auf Produktivität trifft

Das Plasmaschweißen hat sich in spezifischen Nischen etabliert, in denen die Kombination aus Präzision, Einbrandtiefe und Sauberkeit entscheidend ist:

Kontroversen und Grenzen: Die Komplexität des Plasmas

Trotz seiner beeindruckenden Fähigkeiten ist das Plasmaschweißen kein Allround-Verfahren. Die größte Hürde ist die Komplexität der Brennertechnik. Der Plasmabrenner ist wesentlich aufwendiger als ein WIG-Brenner: Er verfügt über zwei Gaszuführungen (Plasmasgas und Deckgas), eine aufwendige Wasserkühlung und muss die Wolframelektrode präzise zentriert zur Düse halten. Die Düsen sind Verschleißteile, die regelmäßig ausgetauscht werden müssen – bei Keyhole-Anwendungen bereits nach wenigen Schweißstunden.

Die Prozessstabilität ist empfindlich gegenüber Schwankungen in der Düsengeometrie, im Gasfluss und im Elektrodenabstand. Die Keyhole-Technik erfordert eine besonders präzise Abstimmung der Parameter: Ist der Strom zu niedrig, schließt sich das Keyhole und die Naht wird nicht durchgeschweißt. Ist der Strom zu hoch, wird das Keyhole zu groß und das Schmelzbad fällt aus. Der Prozessfenster (Toleranzbereich der Parameter) ist beim Keyhole-Plasma deutlich kleiner als bei den meisten anderen Verfahren.

Die Investitionskosten sind höher als beim WIG-Schweißen. Ein hochwertiger Plasma-Schweißautomat für Rohrleitungen kostet zwischen 50.000 und 150.000 Euro, eine vollautomatische Anlage für die Serienfertigung kann mehrere hunderttausend Euro erreichen. Hinzu kommen die Kosten für die spezielle Brennertechnik und die Schulung des Personals.

Ein weiterer Punkt ist die Wärmeeinbringung bei der Keyhole-Technik. Obwohl die Naht extrem schmal ist, wird lokal sehr viel Energie eingebracht. Bei verzugsempfindlichen Konstruktionen oder bei dünnen Blechen in Kombination mit dicken (Übergangsnähte) kann dies zu Verformungen führen, die mit anderen Verfahren vermeidbar wären.

Qualitätssicherung: Jedes Keyhole zählt

Beim Keyhole-Plasmaschweißen ist die Prozessüberwachung besonders wichtig, da der Schweißer die Wurzelseite der Naht nicht sehen kann. Moderne Anlagen verfügen daher über:

• Durchbruchüberwachung: Eine Kamera oder ein Sensor überwacht das Keyhole und erkennt, ob das Material vollständig durchgeschweißt ist.
• Plasmaemissionsüberwachung: Die Analyse des Lichtspektrums des Plasmas ermöglicht Rückschlüsse auf die Schweißnahtqualität.
• Längenmessung der Lichtbogenspannung: Schwankungen der Spannung deuten auf Veränderungen im Keyhole hin.

Die Qualifikation von Plasma-Schweißern und -Anlagen erfolgt nach denselben Normen wie beim WIG-Schweißen (DIN EN ISO 9606), mit spezifischen Zusatzanforderungen für das Keyhole-Plasma.

Ausblick: Plasmaschweißen in der digitalen Fertigung

Das Plasmaschweißen entwickelt sich in mehrere Richtungen weiter:

1. Plasma-Transferred-Arc (PTA) für additive Fertigung: Das PTA-Auftragschweißen wird zunehmend für die additive Fertigung von großvolumigen Bauteilen aus Hartlegierungen und für die Reparatur hochwertiger Werkzeuge eingesetzt. Die Kombination mit Robotern und 3D-CAD-Daten ermöglicht die generative Fertigung von Verschleißschutzschichten und ganzen Bauteilen [3].
2. Automatisiertes Keyhole-Plasma: In der Rohrleitungsfertigung für die chemische und pharmazeutische Industrie werden zunehmend vollautomatisierte Plasma-Schweißsysteme eingesetzt, die die Wurzellage in einem Arbeitsgang schweißen und die Füllungen in weiteren Lagen mit demselben Brenner ausführen. Die Prozessdokumentation ist lückenlos.
3. Plasma als Hybridverfahren: Die Kombination von Plasma mit Laser (Plasma-Laser-Hybrid) oder mit mehreren Plasmabrennern in Reihe erweitert die Anwendungsmöglichkeiten für dickwandige Bauteile in der Offshore-Industrie und im Behälterbau.
4. Simulation und digitaler Zwilling: Die komplexen Strömungs- und Plasmaphysikalischen Vorgänge lassen sich heute mit modernen CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) abbilden. Dies ermöglicht die Auslegung von Brennergeometrien und Prozessparametern ohne aufwendige Versuchsreihen [4].

Das Plasmaschweißen bleibt ein Verfahren für höchste Präzisionsanforderungen. Es wird nie die Verbreitung des WIG- oder MAG-Schweißens erreichen, aber in seinen Nischen – insbesondere im Keyhole-Bereich – ist es unersetzlich.

Quellen:

[1] DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V.: Merkblatt DVS 2908: Plasmaschweißen – Grundlagen, Verfahren, Anwendungen. DVS Media GmbH, Düsseldorf, 2021.

[2] DIN EN ISO 4063: Schweißen und verwandte Prozesse – Liste der Prozesse – Nummerung. Beuth Verlag, Berlin, aktuellste Fassung.

[3] DIN EN ISO 5817: Schweißen – Schmelzschweißverbindungen an Stählen, Nickel, Titan und deren Legierungen (ohne Strahlschweißen) – Bewertungsgruppen von Unregelmäßigkeiten. Beuth Verlag, Berlin, aktuellste Fassung.

[4] American Welding Society (AWS): Plasma Arc Welding – C5.1 Standard. AWS, Miami, 2019.