Plasmaauftragschweißtechnologie: Grundlagen und Anwendungen
Die Plasmaauftragschweißtechnologie wird seit den 1960er Jahren industriell eingesetzt. Dabei dient die Wolframelektrode eines Schweißbrenners als negative Elektrode und das Substrat als positive Elektrode. Zwischen ihnen entsteht Plasma, das Wärme erzeugt. Diese Wärme wird auf die Oberfläche des Werkstücks übertragen, während Schweißpulver in den erhitzten Bereich eingeführt wird, schmilzt und auf der Werkstückoberfläche abgeschieden wird. Dieses Verfahren bewirkt eine Verstärkung und Härtung der Werkstückoberfläche. Die Plasmaauftragschweißtechnologie bietet zahlreiche Vorteile, darunter hohe Produktivität, ästhetisch ansprechende Oberflächen und die einfache Mechanisierung und Automatisierung des Beschichtungsprozesses.
Im Vergleich zum Wolfram-Lichtbogenschweißen bietet das Plasmaauftragschweißen eine präzisere Kontrolle der Einbrandtiefe, höhere Abschmelzleistungen und eine gesteigerte Produktivität. Die Grenzfläche zwischen Grundwerkstoff und Auftragswerkstoff weist eine metallurgische Verbindung auf, was zu hoher Haftfestigkeit, geringem Wärmeeintrag und minimaler Verdünnung führt. Da die Wolframelektrode beim Plasmaauftragschweißen einen geringeren Strom als beim Argon-Lichtbogenschweißen führt, ist die Wahrscheinlichkeit des Schmelzens und Verdampfens geringer, wodurch Verunreinigungen im Schmelzbad vermieden werden.
Obwohl das Plasmaauftragschweißen etwas weniger flexibel und komfortabel als das manuelle Lichtbogenschweißen sein mag, bietet es deutliche Vorteile hinsichtlich der Produktionseffizienz. Manuelles Lichtbogenschweißen ist oft mit hoher körperlicher Belastung verbunden, was die Gesundheit der Schweißer beeinträchtigen kann. Zudem hängt die Produktqualität stark vom Können des Schweißers und der Qualität der Schweißelektroden ab. Im Gegensatz dazu bietet das Plasmaauftragschweißen im Vergleich zum Unterpulverschweißen eine größere Flexibilität bei der Wahl der Schweißposition. Darüber hinaus weist der Plasmalichtbogen selbst Vorteile wie konzentrierte Lichtbogenwärme, stabile Lichtbogeneigenschaften und geringe Verdünnungsraten auf.
Mit dem Fortschritt der Automatisierungstechnik werden immer mehr Beschichtungsanlagen mit CNC-Steuerung ausgestattet. Dies ermöglicht die präzise Steuerung wichtiger Beschichtungsparameter wie Lichtbogendruck, Stromstärke, Pulverfördermenge, Schwingungsamplitude und -frequenz. Darüber hinaus erlaubt die Einführung numerischer Steuerungssysteme in Beschichtungsanlagen die Kontrolle der Schweißbrennergeschwindigkeit und der Werkstückbewegung. Durch die Anpassung relevanter Beschichtungsparameter lassen sich Dicke, Breite und Härte der Beschichtungsschicht innerhalb bestimmter Grenzen frei einstellen.
Im Vergleich zu anderen Beschichtungstechnologien führt das Plasmaauftragschweißen zu minimalem gegenseitigem Aufschmelzen zwischen Grund- und Beschichtungsmaterial, wodurch die Eigenschaften des Beschichtungsmaterials nur minimal verändert werden. Die Verwendung von Pulver als Beschichtungsmaterial erweitert zudem die Gestaltungsmöglichkeiten der Legierung und ermöglicht die Verarbeitung schwer zu beschichtender Werkstoffe. Dies verbessert die Verschleißfestigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Werkstücks deutlich. Daher eignet sich das Plasmaauftragschweißen für die Herstellung neuer Produkte und die Instandsetzung von Anlagen in Branchen wie der Erdöl-, Chemie-, Baumaschinen- und Bergbauindustrie.
1. Grundlagen der Plasmaauftragschweißtechnologie
Beim Plasma-Pulverauftragschweißen dient ein Plasmabogen als Wärmequelle. Die hohe Temperatur des Plasmabogens erhitzt das Legierungspulver und die Substratoberfläche rasch, wodurch diese schmelzen, sich vermischen, diffundieren und gemeinsam erstarren. Nach dem Austritt des Plasmastrahls erfolgt eine selbstinduzierte Abkühlung, die eine Hochleistungslegierungsschicht bildet. Dieses Verfahren bewirkt eine Verstärkung und Härtung der Bauteiloberfläche. Dank der hohen Temperatur des Plasmabogens, der hohen Wärmeübertragungsrate und der guten Stabilität lässt sich die Eindringtiefe effektiv steuern. Durch die Anpassung relevanter Beschichtungsparameter können Dicke, Breite und Härte der Beschichtungsschicht innerhalb bestimmter Grenzen frei eingestellt werden.
Nach dem Plasma-Pulverauftragschweißen bildet sich eine Schmelzgrenzfläche zwischen Grundwerkstoff und Auftragswerkstoff, was zu einer hohen Haftfestigkeit führt. Die Mikrostruktur der Auftragsschicht ist dicht und weist eine gute Korrosions- und Verschleißbeständigkeit auf. Die Vermischung des Grundwerkstoffs mit dem Auftragswerkstoff ist minimal, wodurch sich die Materialeigenschaften nur geringfügig verändern. Die Verwendung von Pulver als Auftragswerkstoff ermöglicht eine größere Selektivität bei der Legierungsentwicklung und insbesondere das erfolgreiche Auftragschweißen schwer schweißbarer Werkstoffe. Dadurch werden die Verschleißfestigkeit, die Hochtemperaturbeständigkeit und die Korrosionsbeständigkeit des Werkstücks verbessert.
Das Plasma-Pulverauftragschweißen zeichnet sich durch hohe Produktivität, ästhetisch ansprechende Oberflächenstrukturen und die einfache Mechanisierung und Automatisierung des Beschichtungsprozesses aus. Der Plasmabogen ist ein Hochtemperatur-Hochenergie-Strahl mit Temperaturen von bis zu 30.000 °C und Leistungsdichten von 1,5 × 10² bis 1,6 × 10⁴ W/mm². Der hochkomprimierte Plasmabogen, der zum Schweißen, Schneiden und Spritzen eingesetzt wird, erzielt vergleichbare Ergebnisse wie Laser- und Elektronenstrahlverfahren. Im Gegensatz dazu ist der für das Auftragschweißen verwendete Plasmabogen mit geringerer Kompression ein flexibler Bogen mit einstellbarer Kompression. Er erfüllt die Anforderungen an eine schnelle Auftragsbeschichtung bei gleichzeitig niedrigen Aufmischungsraten und minimiert das Auftreten von Doppelbögen. Dadurch ist er eine ideale Wärmequelle für das Auftragschweißen.
Das primäre Material für das Plasmaauftragschweißen ist Pulver. Dessen chemische Zusammensetzung lässt sich flexibel variieren, wodurch sich die Zusammensetzung und die Eigenschaften der Beschichtungsschicht im Vergleich zu anderen, drahtbasierten Beschichtungsverfahren leichter anpassen lassen. Das am häufigsten verwendete Pulvermaterial beim Plasmaauftragschweißen ist selbstschmelzendes Legierungspulver. Dieses Legierungspulver besitzt selbstschmelzende Eigenschaften, sodass kein zusätzliches Flussmittel während des Auftrags benötigt wird. Die Legierung selbst sorgt für Desoxidation, Schlackenbildung und verbesserte Benetzbarkeit.
Bei der Anwendung können zwei oder mehr verschiedene Pulverarten (eine davon kann eine Hartphase sein) in bestimmten Verhältnissen mechanisch gemischt werden, um ein Beschichtungslegierungspulver mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Eigenschaften zu erhalten. Dieses Verfahren wird häufig in Experimenten eingesetzt, um schnell die gewünschten Legierungseigenschaften zu erzielen. Der Verdünnungsgrad der Beschichtungsschicht ist einer der wichtigsten Indikatoren für die Eigenschaften eines Beschichtungsverfahrens. Er beeinflusst direkt die endgültige Zusammensetzung und das metallografische Gefüge der Beschichtungsschicht und bestimmt somit letztendlich deren Leistungsfähigkeit.
Durch die gezielte Steuerung der Wärmequelle beim Plasmaauftragschweißen lässt sich bei Verwendung selbstverschmelzender Legierungspulver der Anteil des Substratmetalls in der Beschichtungsschicht gering halten (z. B. 3–7 %). Mit einem Plasmaauftragschweißverfahren mit umgekehrter Polarität sind sogar noch geringere Anteile möglich. Allerdings können zu niedrige Anteile (unter 3 %) die Gewährleistung einer gleichmäßigen Schmelzgrenzfläche bei herkömmlichen Bauteilen erschweren und das Risiko unvollständiger Schmelzdefekte bergen.
Die Abscheideeffizienz beim Plasma-Pulverauftragschweißen bezeichnet den prozentualen Anteil des abgeschiedenen Metalls an der Masse des eingesetzten Pulvermaterials. Sie spiegelt die Ausnutzung des Beschichtungsmaterials wider. Die Höhe der Abscheideeffizienz beeinflusst direkt die Produktionskosten des Plasma-Auftragschweißens, insbesondere bei Verwendung teurer Pulverlegierungen. Die Abscheideeffizienz liegt üblicherweise zwischen 80 % und 95 % und kann unter bestimmten Bedingungen 95 % übersteigen. Die Abscheidegeschwindigkeit bezeichnet die Masse der effektiv abgeschiedenen Beschichtungslegierung pro Zeiteinheit. Aktuelle Daten zeigen, dass die Abscheidegeschwindigkeit beim Plasma-Pulverauftragschweißen 12,5 kg/h oder mehr erreichen kann.
2. Anwendungen der Plasmaauftragschweißtechnologie
Die Plasmaauftragschweißtechnologie findet aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile in verschiedenen Branchen Anwendung. Hier einige wichtige Anwendungsgebiete:
1. Baumaschinen: Plasmabeschichtung wird eingesetzt, um die Verschleißfestigkeit von Bauteilen wie Ziegeln, Fliesen, Mischflügeln und Hämmern zu verbessern. Sie findet auch Anwendung bei Teilen wie Zementwerkskomponenten, darunter Turmböden, Auskleidungen und Brechmaschinen.
2. Bergbaumaschinen: Im Bergbau wird das Plasmaauftragschweißen eingesetzt, um die Lebensdauer von Geräten zu verbessern, die unter rauen Bedingungen eingesetzt werden, wie z. B. Bagger, Schaufelbagger und Brechanlagen. Die erhöhte Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit der beschichteten Bauteile führt zu einer längeren Lebensdauer und geringeren Wartungskosten.
3. Öl- und Chemieindustrie: Plasmaauftragschweißen wird zum Schutz von Anlagen vor Korrosion und Verschleiß in der Öl- und Chemieindustrie eingesetzt. Komponenten wie Rohrleitungen, Ventile und Pumpen profitieren von den verbesserten Eigenschaften des Plasmaauftragschweißens und gewährleisten so einen zuverlässigen Betrieb auch unter anspruchsvollen Bedingungen.
4. Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung: In der Luft- und Raumfahrt wird das Plasmaauftragschweißen eingesetzt, um die Leistung kritischer Bauteile zu verbessern, die extremen Temperaturen und korrosiven Umgebungen ausgesetzt sind. Die Technologie findet auch in der Verteidigung Anwendung, wo verbesserte Materialeigenschaften für die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Ausrüstung unerlässlich sind.
5. Werkzeugherstellung: Plasmaauftragschweißen wird eingesetzt, um die Leistung von Schneidwerkzeugen und Matrizen zu verbessern. Die erhöhte Härte und Verschleißfestigkeit der beschichteten Werkzeuge führen zu höherer Produktivität und geringerem Werkzeugverschleiß, was Kosteneinsparungen für die Hersteller zur Folge hat.
6. Wiederaufbereitung: Die Plasmaauftragschweißtechnologie findet breite Anwendung bei der Wiederaufbereitung verschlissener Bauteile. Durch das Aufbringen einer Beschichtungsschicht lassen sich die ursprünglichen Abmessungen und Eigenschaften der Bauteile wiederherstellen, ihre Lebensdauer verlängern und Abfall reduzieren.
7. Forschung und Entwicklung: Plasmaauftragschweißen wird auch in der Forschung und Entwicklung eingesetzt, um neue Materialien und Beschichtungen zu erforschen. Die Möglichkeit, die Zusammensetzung und die Eigenschaften der Auftragsschicht anzupassen, erlaubt es Forschern, innovative Lösungen für verschiedene Anwendungen zu untersuchen.
Abschluss
Die Plasmaauftragschweißtechnologie stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Oberflächenbehandlung dar und bietet zahlreiche Vorteile, darunter hohe Produktivität, hervorragende Materialeigenschaften und Automatisierungspotenzial. Ihre Vielseitigkeit ermöglicht Anwendungen in verschiedensten Branchen, vom Bauwesen und Bergbau bis hin zur Luft- und Raumfahrt sowie dem Werkzeugbau. Mit der Weiterentwicklung der Technologie wird der Plasmaauftragschweißtechnologie eine zunehmend wichtige Rolle bei der Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Bauteilen in anspruchsvollen Umgebungen zugeschrieben. Die Möglichkeit, die Beschichtungsparameter präzise zu steuern und eine breite Palette von Materialien zu verwenden, macht die Plasmaauftragschweißtechnologie zu einer wertvollen Lösung für die Herausforderungen der modernen Fertigung und Wiederaufbereitung.