Plasmazustand

Ein Gasgemisch im Plasmazustand befindet sich in einem besonderen (vierten) Aggregatzustand der Materie bei hohen Temperaturen. Dabei zerfallen die neutralen Atome in Elektronen und positive Ionen, wodurch das Plasma elektrisch leitend wird.

Der Schweißlichtbogen als Energiequelle

• Temperaturfeld eines WIG-Schweiß­lichtbogens nach Wendelstorf
• Potentialverteilung von WIG-Lichtbögen in Schutzgas­atmosphäre von Argon und Helium nach zitiert in
• Lichtbogenaufbau und Spannungs­abfall über den Lichtbogen (schematisch)
• Ladungsträgertransport einer Lichtbogen­entladung nach zitiert in
• Wärmeleitfähigkeit des Plasmas in unter­schied­lichen Gasen nach

Durch den Schweißlichtbogen wird elektrische Energie in thermische Energie umgesetzt. Die elektrische Energie ${\displaystyle E_{\mathrm {L} }}$ ergibt sich aus dem Produkt aus Lichtbogenstrom ${\displaystyle I_{\mathrm {L} }}$, Lichtbogenspannung ${\displaystyle U_{\mathrm {L} }}$ und Schweißzeit ${\displaystyle t_{\mathrm {s} }}$, wobei die Lichtbogenspannung sich aus dem Spannungsabfall an der Anode ${\displaystyle U_{\mathrm {A} }}$, der Kathode ${\displaystyle U_{\mathrm {K} }}$ und der Lichtbogensäule ${\displaystyle U_{\mathrm {E} }}$ zusammensetzt:

${\displaystyle E_{\mathrm {L} }=I_{\mathrm {L} }\cdot (U_{\mathrm {K} }+U_{\mathrm {A} }+U_{\mathrm {E} })\cdot t_{\mathrm {s} }=I_{\mathrm {L} }\cdot U_{\mathrm {L} }\cdot t_{\mathrm {s} }}$.

Der größte Teil des Energieumsatzes ergibt sich aus den Anoden- und Kathodenfallgebieten. In der Lichtbogensäule wird weniger als 1/3 der gesamten Energie erzeugt. Die Ausdehnung der Kathoden- und Anodenfallgebiete ist gegenüber der Länge der Lichtbogensäule verschwindend gering.

Lichtbogenvorgänge

Damit ein Lichtbogen brennt, müssen Elektronen aus der Kathode durch thermische Emission (bei hoher Kathodentemperatur), Feldemission (bei niedriger Temperatur der Kathode) oder thermische Feldemission als Mischform der Elektronenemission in das Kathodenfallgebiet austreten. Dort werden sie durch das elektrische Feld beschleunigt und verursachen eine thermische Ionisation des zunächst neutralen Gases. Dadurch werden weitere Elektronen freigesetzt, und es entstehen positive Ionen, die in Richtung der Kathode wandern. Die größere Menge an Elektronen verursacht vor und in der Lichtbogensäule durch Stoß weitere Ionisation neutraler Gasatome, die Menge an Elektronen steigt weiter an, ionisierte Gasatome wandern zur Kathode, die Elektronen zur Anode. Gleichzeitig vereinigt sich ein Teil der Ionen mit Elektronen zu neutralen Atomen (Rekombination). Auch im Anodenfallgebiet setzt sich dieser Prozess fort. Da die Elektronen eine sehr viel höhere Beweglichkeit haben als die positiven Ionen, wird der Ladungstransport fast ausschließlich von den Elektronen übernommen. Der durch das Plasma fließende Strom verursacht ein Magnetfeld, das den Lichtbogen einschnürt (Pinch-Effekt), wodurch die Plasmaströmung beschleunigt und die Wärmeeinkopplung in das Werkstück verbessert wird.

Lichtbogenkennlinie

• Messbarer Spannungs­abfall beim MIG/MAG-Schweißen
• Theoretische Lichtbogenkennlinien von WIG-Lichtbögen mit unterschiedlichen Lichtbogenlängen nach Goldmann zitiert in
• Lichtbogenkennlinien für das MAG-Schweißen nach dem Modell EN 60974-1 und

Bei konstanter Lichtbogenlänge ändert sich mit zunehmendem Lichtbogenstrom der Spannungsabfall über dem Lichtbogen. Dieser funktionale Zusammenhang zwischen Spannung und Strom wird Lichtbogenkennlinie (s. auch Strom-Spannungs-Kennlinie) genannt. Die Schweißspannung hängt neben der Lichtbogenlänge und der Zusammensetzung des Plasmas von der Elektrodengeometrie und der Materialzusammensetzung der Elektroden ab.

Lichtbogenarten

• Arten von Schweiß­lichtbögen nach
• Lichtbogenarten nach Linde

Zum Schweißen werden je nach Schweißverfahren und den dabei wirkenden technisch-physikalischen Bedingungen unterschiedliche Lichtbogenarten unterschieden, wobei die Hauptunterscheidung darin besteht, ob die Elektroden abschmelzen oder nicht. Merkmale sind auch die Stromart (Gleich- oder Wechselstrom) oder die Art und Zusammensetzung des Schutzgases, in dem der Lichtbogen brennt.

Abschmelzende Elektroden schmelzen unter der thermischen Wirkung des Lichtbogens ab, wobei der flüssige Elektrodenwerkstoff sich mit dem aufgeschmolzenen Grundwerkstoff verbindet und die Schweißverbindung bildet. Nicht abschmelzende Elektroden dienen nur der Herstellung eines Lichtbogens zur Nutzung als Schweißwärmequelle. Gleichstrombögen brennen mit gleichbleibender Polarität. Bei Wechselstrombögen wird die Polarität der Elektroden mit der Netzfrequenz oder einer anderweitig erzeugten Frequenz laufend geändert.

Nicht abschmelzende Elektrode

Beim Schweißen mit nicht abschmelzenden Elektroden (WIG-Schweißen) will man den Schweißstrom möglichst konstant halten, auch bei Längenänderungen des Lichtbogens durch Abstandsänderungen der Elektrodenspitze oder durch magnetische Beeinflussung. Das wird durch sogenannte „fallende“ U-I-Kennlinien der Spannungsquelle erreicht.

Abschmelzende Elektrode (MIG/MAG-Schweißen)

Beim Schweißen mit abschmelzender Elektrode ändert der Arbeitspunkt ständig seine Lage. Ursache dafür sind Längenänderung des Lichtbogens und Kurzschluss während des Tropfenübergangs in das Schweißbad beim Kurzlichtbogen oder die systematisch erzeugten Stromänderung beim Impulsschweißen. Auch die Auslenkung des Bogens durch Magnetfelder, Bewegung der Lichtbogenansatzpunkte auf der Anode und Kathode führen zu Arbeitspunktverschiebungen. Damit der Schweißprozess dennoch aufrechterhalten bleibt, muss sich im zeitlichen Mittel ein Gleichgewicht zwischen der Menge des abgeschmolzenen Drahtes und der Drahtfördergeschwindigkeit einstellen. Die dynamische Arbeitspunktverschiebung darf die kontinuierliche Nahtausbildung nicht behindern. Nach jeder Störung des Lichtbogens muss sich der Gleichgewichtszustand wieder einstellen, dann spricht man von einem stabilen Lichtbogen.

Beim Metallschutzgasschweißen werden Stromquellen mit annähernd konstanter Spannung über größere Strombereiche eingesetzt. Dadurch kann sich der Prozess durch „innere Regelung“ selbst stabilisieren. Ist die Abschmelzgeschwindigkeit geringer als die Fördergeschwindigkeit des Drahtvorschubs, nähert sich das Drahtende der Schmelzbadoberfläche, der Lichtbogen wird kürzer, und die Stromstärke steigt. Die Abschmelzgeschwindigkeit wächst dadurch und übersteigt die Fördergeschwindigkeit. Der Lichtbogen wird länger, und die Stromstärke sinkt erneut. Dieser Vorgang regelt die Lichtbogenlänge und stellt das Gleichgewicht zwischen Abschmelzen und Drahtvorschubgeschwindigkeit sicher. Der beschriebene Effekt führt dazu, dass die Schweißstromstärke über die Wahl der Drahtvorschubgeschwindigkeit eingestellt wird.

Für das Schweißen mit dickeren Drähten (> 2,5 bis 3 mm) wie beim UP-Schweißen werden Stromquellen mit fallender U-I-Kennlinie benutzt, da die „innere“ Regelung für die Stabilisierung des Lichtbogens nicht schnell genug ist. Hierbei wird die Drahtvorschubgeschwindigkeit über eine „äußere“ Regelung verändert, um das Abschmelzgleichgewicht sicherzustellen. Eine höhere Lichtbogenspannung bewirkt eine höhere Drehzahl des Vorschubmotors, dadurch wird bei langem Lichtbogen mehr Draht nachgeschoben, und zwar so lange, bis die gewünschte Lichtbogenlänge wieder erreicht ist.

Auch beim Lichtbogenhandschweißen werden Spannungsquellen mit fallender U-I-kennline eingesetzt, um annähernde Stromkonstanz zu gewährleisten.

Dynamisches Lichtbogenverhalten

• Dynamische Kennlinien eines Kurzlichtbogens
• Dynamische Kennlinien eines Impulslichtbogens

Die dynamischen Eigenschaften und Steuerung der jeweiligen Stromquelle und die Brennbedingungen des Lichtbogens lassen sich in dynamischen Lichtbogenkennlinien ablesen. Beim Schweißen mit dem Kurzlichtbogen (Werkstoffübergang unter Kurzschlussbildung) wechseln sich Kurzschlussphasen mit Brennphasen ab. Die Lichtbogenlänge ändert sich zyklisch. Damit sind Arbeitspunktverschiebungen von Schweißstrom und Schweißspannung verbunden. In der Phase der Tropfenablösung sinkt die Lichtbogenbrennspannung, bis der Tropfen einen Kurzschluss bildet und der Strom bis zum maximalen Kurzschlussstrom ansteigt. Die Kurzschlussbrücke reißt mit der Ablösung des Metalltropfens. Mit dem Aufreißen der Brücke zwischen Elektrode und Werkstück steigt die Spannung sehr schnell an, da zum Zünden des Lichtbogens ein erhöhter Spannungsbedarf besteht. Der einsetzende Abfall des Stromes ist wegen der Induktivitäten im Schweißstromkreis sehr langsam. Das Wiederzünden findet bei relativ hoher elektrischer Leistung statt. Ein Teil der flüssigen Brücke kann explosionsartig verdampfen, und es kommt zu Spritzern, wenn die Stromanstiegsgeschwindigkeit nicht durch genügende Drosselwirkung im Stromkreis reduziert wurde. Ist allerdings die Stromanstiegsgeschwindigkeit zu gering, kann die Tropfenablösung behindert und der Prozess instabil werden.

Beim Schweißen mit Impulslichtbogen wird einer Grundspannung regelmäßig eine erhöhte Impulsspannung überlagert. Grundstrom und Impulsstrom wechseln sich stetig ab.

Je geringer die Streuung der dynamischen Kennlinien ist, desto stabiler ist der Lichtbogenprozess.

Gase

Physikalische Gaseigenschaften wirken über die Lichtbogeneigenschaften auf die technischen Schweißeigenschaften wie den Werkstoffübergang, das Benetzungsverhalten, die Einbrandtiefe und ‑form, die Schweißgeschwindigkeit und das Zündverhalten. Gase mit geringer Ionisierungsenergie (z. B. Argon) erleichtern das Zünden und das Stabilisieren des Lichtbogens im Vergleich zu Gasen mit hoher Ionisierungsenergie (z. B. Helium). Die gezielte Dotierung von inerten Gasen mit chemisch aktiven Komponenten wie CO₂ oder O₂ im vpm-Bereich bewirkt eine Lichtbogenstabilisierung, die das Schweißergebnis verbessern kann. Die Dissoziationsenergie mehratomiger Komponenten im Gas erhöht durch die bei der Rekombination frei werdende Energie den Wärmeeintrag in den Grundwerkstoff beim Schweißen.

Die Wärmeleitfähigkeit des Schutzgases nimmt auf die Schweißbadtemperatur und damit auf das Entweichen von Gasen aus Schweißbad und die Nahtform Einfluss. So wird auch die erreichbare Schweißgeschwindigkeit von den Gaseigenschaften mitbestimmt.

Magnetfeld

• Magnetfeld einer bewegten Ladung im Lichtbogen
• Magnetfeld um einen strom­durchflossenen Leiter

Der Lichtbogen besteht aus sich bewegenden Ladungsträgern, die ein elektrisches Feld bilden. Nach den Gesetzen der Elektrodynamik (s.auch) erzeugt ein sich örtlich und zeitlich änderndes elektrisches Feld ein sich in Ort und Zeit änderndes magnetisches Feld. Für einen einzelnen bewegten Ladungsträger ${\displaystyle e}$ mit einer Geschwindigkeit ${\displaystyle v_{e}}$ ergibt sich im Abstand ${\displaystyle r}$ ein Vektor der magnetischen Feldstärke ${\displaystyle {\overrightarrow {H}}}$:

${\displaystyle {\overrightarrow {H}}={\frac {ev_{e}}{4\pi r^{2}}}[{\textstyle {\overrightarrow {r}}}_{0,e}\times {\textstyle {\overrightarrow {v}}}_{0,e}]}$

mit ${\displaystyle [{\textstyle {\overrightarrow {r}}}_{0,e}\times {\textstyle {\overrightarrow {v}}}_{0,e}]}$ als Vektorprodukt der jeweiligen Einheitsvektoren.

Die Summe aller bewegten Ladungsträger des Lichtbogens erzeugen ein Magnetfeld konzentrisch um den Lichtbogen. Solange die Ladungsträgerdichte um die Lichtbogenachse radial gleichmäßig verteilt und das umgebende Material homogen verteilt ist, kann der Lichtbogen auf gerader Linie zwischen Anode und Kathode brennen. Störungen der Materialverteilung in Lichtbogennähe, Inhomogenitäten der Gaszusammensetzung, einseitige Kühlung des Lichtbogens von außen oder Änderungen des Strompfades führen zu unerwünschten Auslenkungen des Lichtbogens, zur sogenannten Blaswirkung mit Störungen des Schweißprozesses.

Elektrische Größen

Der Energieumsatz des Lichtbogens wird von den elektrischen Größen Lichtbogenstrom und -spannung maßgeblich beeinflusst. Beim MIG/MAG-Schweißen haben die Signale in Abhängigkeit von der Lichtbogenart charakteristische Verläufe. Werden diese Signale digital gemessen, lassen sich Häufigkeitsverteilungen über vorgegebene Zeitfenster bilden, deren Parameter die Signale adäquat abbilden. So hat sich seit langem das Histogramm als Schätzung der Häufigkeitsdichte zum Beschreibungsinstrument des dynamischen Lichtbogenverhaltens während des Schweißens entwickelt.

Lichtemission

Die Atome und Moleküle im Lichtbogen existieren im Status charakteristischer diskreter Energieinhalte. Der Energiestatus ändert sich nach Aufnahme oder Abgabe von Energie in spezifischen Energiequantitäten. Energieemission erfolgt als elektromagnetische Welle, wenn sich der Energiestatus von höherem Niveau auf ein niedrigeres ändert:

${\displaystyle \Delta E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}}$

mit

${\displaystyle h}$ Planck-Konstante

${\displaystyle \nu }$ Frequenz

${\displaystyle c}$ Lichtgeschwindigkeit

${\displaystyle \lambda }$ Wellenlänge.

Angeregte Atome senden beim Rückfall auf ein niedrigeres Energieniveau Licht aus. Da im Schweißlichtbogen angeregte Atome unterschiedlicher Elemente vorhanden sind, ergeben sich je nach Lichtbogentemperatur und Teilchendichte Linienspektren der beteiligten Elemente. Aus einem Spektrum lassen sich wesentliche Parameter des Lichtbogens, wie die Lichtbogenlänge, die Lichtbogentemperatur, die Lichtbogenstabilität bestimmen. Neben dem Linienspektrum entsteht durch die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Ionen kontinuierliche Strahlung, deren Anteil mit steigender Plasmatemperatur wächst.

Nimmt man das Plasma eines Lichtbogens im lokalen elektrodynamischen Gleichgewicht an, kann die Lichtbogentemperatur aus der Elektronentemperatur berechnet werden. Letztere lässt sich mit Hilfe gemessener relativer Intensitäten von einzelnen Spektrallinien bestimmen.

Elektromagnetische Strahlung aus dem Bereich des Lichtbogens hat neben der Strahlung aus der Lichtbogensäule weitere Quellen, wie die Ansatzpunkte an den Elektroden, das erhitzte Tropfenmaterial, das heiße zugeführte Zusatzmaterial und das Schweißbad, die ein kontinuierliches Lichtspektrum aussenden, wobei die Intensität des Lichtes im Wesentlichen von der Lichtbogensäule (u. a. der Lichtbogenlänge) bestimmt wird.

Wichtige Informationen kann auch eine integrale Betrachtung des abgestrahlten Lichts über einen größeren Spektralbereich liefern. Argonstrahlung hat eine Zentralwellenlänge von 750 nm (von 550 bis 850 nm) und die Metalldampfstrahlung (im Wesentlichen Eisen) hat zwei Häufungen um 420 nm und 520 nm. Werden spektralselektive Photodioden angewendet, können die Anteile aus den einzelnen Strahlungsquellen und Bestandteilen des Lichtbogens gefiltert werden. Auf diese Weise kann der Impulsschweißprozess spektral geregelt werden. Mit Hilfe von zwei spektralsensitiven Photodioden wird das Plasmalicht spektral zerlegt. Die Intensität des Lichtes der Metallionen wird über eine blau/ultraviolett Photodiode und die des Schutzgases Argon wird mit einer rot/infrarot Photodiode aufgenommen. Es wird die Differenz der Intensitäten beider Kanäle berechnet und daraus ein Abschaltsignal für den Impuls bei Erreichen einer voreingestellten Plasmatemperatur gewonnen. Das Plancksche Strahlungsgesetz:

${\displaystyle E(\lambda ,T)\ ={\frac {2\pi hc^{2}}{\lambda ^{5}}}{\frac {1}{\mathrm {e} ^{\left({\frac {hc}{\lambda kT}}\right)}-1}}}$

liefert den Zusammenhang zwischen der abgestrahlten Energie in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts und der Temperatur. Bei vorgegebenen Temperaturen ergeben sich spezifische Strahlungsdichten über der Wellenlänge. Daraus kann Plasmatemperatur geschätzt werden, wenn Informationen über zwei Emissionswerte verschiedener Wellenlängen vorliegen, wie sie zwei Photodioden unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit liefern (in werden Dioden mit einem Empfindlichkeitsmaximum bei 440 nm und 740 nm genutzt). Beide Wellenlängen vorausgesetzt, ist der Quotient beider Intensitäten spezifisch für die Plasmatemperatur:

${\displaystyle E_{\mathrm {440} }=f(T,\lambda _{\mathrm {440} })}$

${\displaystyle E_{\mathrm {740} }=f(T,\lambda _{\mathrm {740} })}$.

Wird der Quotient der Strahlungsdichten über alle Temperaturen berechnet, ergibt sich eine monoton wachsende Funktion:

${\displaystyle T=f\left({\frac {E_{\mathrm {440} }}{E_{\mathrm {740} }}}\right)}$.

Schallemission

• Ausschnitt des Strom- und Spannungssignals einer MAG-Kurzlichtbogen­schweißung, das Schallsignal und das berechnete Signal aus dem Strom- und Spannungssignal nach
• Vergleich des gemessenen und berechneten Schall­signals nach

Die Schallemission des Lichtbogens liefert dem Lichtbogenschweißer neben dem optischen Bild des Schweißbades und des Zusatzwerkstoffs wesentliche Informationen über die Prozessqualität, d. h. die Art des Tropfenübergangs, dessen Stabilität und damit über sie zu erwartende Qualität der Schweißverbindung. Der Schalldruck und die Schallfrequenz hängen von der elektrischen Energie des Lichtbogens und von der Art des Werkstoffübergang ab. Der Zusammenhang kann nach folgendermaßen beschrieben werden:

${\displaystyle s(t)={\frac {d(k\cdot u(t)\cdot i(t))}{dt}}}$

mit

${\displaystyle s(t)}$ Schallsignal

${\displaystyle u(t)}$ Spannungssignal

${\displaystyle i(t)}$ Stromsignal

Der Faktor k ist u. a. von der Schallgeschwindigkeit und dem adiabatischen Ausdehnungskoeffizienten von Luft abhängig. Der beschriebene Zusammenhang wurde aus Messungen an Lichtbogenöfen abgeleitet. Die qualitative Beschreibung kann auf Schweißlichtbögen übertragen werden. Der Schall wird von der schwingenden Lichtbogensäule, nicht von den Anoden- und Kathodenfallgebieten erzeugt. Der MIG/MAG-Schweißprozess ist von sich abwechselnden Lichtbogenzyklen aus Lichtbogenzünden und -brennen und anschließendem Tropfenübergang gekennzeichnet. Diese Zyklen können sowohl in den elektrischen Signalen als auch im Schallsignal deutlich erkannt werden. Die Lichtbogenzündung verursacht einen hohen akustischen Spitzenwert (engl. „peak“) und der Tropfenkurzschluss einen geringeren in beiden Signalen, wobei das akustische Ereignis verzögert nach dem elektrischen auftritt, qualitativ aber übereinstimmt.