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Verfahren zum Zusammenschweißen von dünnen, insbesondere oxydbehafteten
Werkstücken mittels eines Liohtbogens, insbesondere eines Mitroplasmalichtbogens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zusammenschweißen von dünnen,
insbesondere oxydbehafteten Werkstücken mittels eines Lichtbogens, insbesondere
Mikroplasmalichtbogens, bei dem einem zwischen einer nicht aoschmelzenden Elektrode
und den zu bearbeitenden Werkstücken brennenden Lichtbogen ein Leistung zugeführt
wird, die einen richtungsmäßig wechselnden rechteckförmigen Verlauf aufweist.
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Beim Zusammenscheißen von oxydbehafteten Werkstücken, wie bef-.soielsweise
Aluminium, besteht das Problem, daß der Oxydfilm beseitigt werden muß. Bisher hat
man versucht, diesen Oxydfilm dadurch zu zerstören, daß das Werkstück als Kathode
dient (die Elektrode also einer positiv gepolt ist. Diese positive Polung der Elektrode
führt jedoch zu einer starken thermischen Belastung der Elektrode, was insbesondere
bei sogenannten Feinschweißungen mittels eines WIu- und Plasmalichtbogens von Nachteil
ist. Es hat sich gezeigt, daß durch die starke thermische Belastung das Elektrodenende
stark arigeschmolzen wird und dadurch die üblicherweise vorhandene spitze Form der
Elektrode sich zu einer Kugel ausbildet.
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Die damit verbundene Jergrößerung des Elektrodcnendes bewirkt jedoch
eine Verengung des Gasaustrittsquerschnitts der Düse (Plasmadüse), wodurch wiederum
ein instabiler Lichtbogen hervorgerufen wird. In diesem Zusammenhang wird darauf
hlngewiesen, daß bei Plasmaschweißbrennern zum Feinschweißen der Abstand zwischen
Elektrodenende und Düse also der Abstand, welcher den wirksamen Gasaustrit tsquerschnitt
bestimmt, nur wenige Zehntelmillimeter beträgt.
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Es leuchtet somit ohne weiteres ein, daß geringfügige Vergrößerungen
des Elektrodenendes eine Beeinflussung des Gasdurchflusses und damit Instabilitäten
des Lichtbogens hervorruft.
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Um die Stabilität des Plasmalichtbogens beim Schweißen von Leichtmetallen
zu verbessern, ist es aus der DOS 2 o46 227 bekannt, als Schweißstrom einen rechteckförmigen
Schwelßwechselstrom zu verwenden.
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Die Verwendung eines derartigen Schweißstromes, insbesondere zum Schweißen
von dünnen Blechen (O,O1- 3 mm) und niedrigen Stromstärken zeigte jedoch, daß der
Lichtbogen weiterhin instabil ist, und daß ferner, die erzielbaren Schweißnähte
nicht den gewünschten Erfordernissen, insbesondere in Bezug auf die Schweißnahtoberfläche
sowie die Werkstüokoberfläche beidseitig der Schweißnaht entsprechen.
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Ausgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schweißverfahren der
eingangs genannten Art, insbesondere ein Mikroplasmafeinschweißverf ahrenr zu schaffen,
bei dem sich ein stabiler und ruhig brennender Lichtbogen einstellt und mit dem
ferner einwandfreie Schweißnähte- zu erreichen sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß
durch die erste Leistungshalbwelle -@erkstück am Minuspoldem Lichtbogen eine Leistung
zugeführt wird, deren Wert etwas unterhalb der eine Schweißung bewirkenden Leistung
liegt, und daß nur durch die zweite Leistungshalbwelle -Werkstück am Pluspol- dem
Lichtbogen die zum Schweißen erforderliche Leistung zugeführt wird.
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Durch die Erfindu¢ig wird überraschenderweise ein selbst bei kleinen
Stromstärken (O,1-5 Ampere stabil und ruhig brennender Licht-bzw, Plasmabogen bewirkt,
wodurch die gewünschten Schweißnahtgüten erreichbar sind. Dabei ist bevorzugt die
Energie der negativen halbwelle derart eingestellt, daß durch die Energie lediglich
der Oxydfilm auf der Werkstückoberfläche beseitigt wird, jedoch kein Scfr;eißen
stattfinde. Auch Ist die Elektrodenbelastung geringer und damit die Elektrodenstandzeit
größer.
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Die hohe Energie der positiven, schweißenden Halbwelle fUhrt die an
sich noch vorhandene Wechselstromschweißung fast auf eine reine Gleichstromschweißung
zurück. Besonders günstig ist es, wenn die Energie der zweiten Halbwelle mindestens
dreimal so groß ist, wie die Energie der ersten Halbwelle In vorteilhafter Weiterbildung
cler Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Amplituden der Stromhalbwellen verstellbar
sind und das Verhältnis der positiven zui negativen Amplitude frei wählbar ist Betreffend
dem Tastverhältnis der ersten zur zweiten Halbwelle wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
daß dieses mind.
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vorzugsweise 1:5 beträgt.
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In voeIlhafter Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß
der Beginn der zweiten Halbwelle, mittels eines Zündimpulses eingeleitet wird. Dadurch
wird die Stabilität des Lichtbogens ebenfalls untersützt. Wesentlich ist dabei,
daß die verwendete - den rechteckförmigen Schweißstromverlauf erzeyende- Stromquelle
sehr schnell ist. Darunter wird gemäß der Erfindung eine Stromquelle verstanden,
bei der die Strom anstiegs zeiten etwa im Bereich der Zümdimpulsanstiegszeiten liegen.
Unter der Stromanstiegszeit der Stromquelle wird die jenige Zeit verstanden, nach
welcher der Strom einen Wert (Amplitude) erreicht hat, der zum Weiterbrennen des
gezühdeteri Lichtbogens in der negativen Halbwelle ausreichend ist.
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Bevorzugt ist hierbei eine Stromquelle, deren Stromanstiegszeiten
etwa im Bereich von 0,1 bis 20 Mikrosekunden liegen.
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Das Zündgerät weist bevorzugt eine Impulsansteigszeit von etwa o,8
- 20 Mikrosekunden, vorzugsweise i-10 Mikrosekunden auf.
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Bei Anwendung des erfindungsgemaßen Verfahrens in Verbindung mit einem
Mikroplasmaschweißbrenner hat es sich überraschenderweise gezeigt, daß selbst bei
kleinsten Stromstärken (0,1-5 Ampere) ein scharf gebündelt er Lichtbogen auch dann
erreicht wird, wenn als Plasmagas und als Schutzgas Argon verwendet wird. Bisher
war man der Auffassung -siehe auch DAS 1 565 065- das bei derartig niedrigen Stromstärken
selbst bei Verwendung eines Gleichstromes als Schweißstrom ein gebündelter Lichtbogen
nur dann erreichbar ist, wenn das Schutzgas aus einem ArgonWasserstoff-Gemisch und
das Plastagas aus Argon besteht.
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In der nachfolgenden B?sclrcibung wird die ERfindung anhand eines
Ausführungsbeispieles setqlc unter Hinweis auf weitere vorteilhafte Merkmale näher
erläutert.
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Es veranschaulicht: Fig. 1 eine Darstellung einer Plasmaschweißeinrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Fig. 2 den erfindungsgemäßen Verlauf
der Schweißenergie Fig. 3 den Verlauf der ver:lendeten rechteckförmigen Schweißspannung
Fig. 4 den Verlauf des verwendeten rechteckförmigen Schweißstromes.
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In Fig. 1 weist der schematisch dargestellte Plasmabrenner 10 eine
nichtabschmelzende Spit zenelektrode 11, bispielsweise eine Wolfram Elektrode auf.
Die Elektrode 11 ist über ein Keramikzentrierstück 12 im Brennerkörper 13 befestigt
Im Brennerkörper 13 sind Kanäle 14 für die Zufuhr des Plasmagases und Kanäle 15
für die Zuführung des Schutzgases vorgesehen.
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Das Werkstück ist mit 16 bezeichnet.
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Die Elektrode 11 ist mit de.n Minuspol einer Pilot-Lichtbogen stromquelle
17 verbunden> deren Pluspol an der Brennerdüse 18 des Plasmabrenners 10 angeschlossen
ist. Ferner sind an Elektrode 11 und Werkstück 16 Plasmahauptlichtbogenstromquellen
19,20 angeschlossen, die zur Erzeugung der rechteckförmigen Schweißstromimpulse
dient. Zur Erstzündung des mit 21 bezeichneten Pilot-Lichtbogens ist ein Zündgerät
22 und zur Zündung des Plasmahauptlichtbogens 23 ein Zündgerät 24 vorgesehen. Es
ist selbstverständlich auch möglich nur ein Zündgerät für die Zündung des Pilot-
und des Haupt lichtbogens vorzusehen, welches zuerst den Pilotlichtbogenstromkreis
und dann in den Hauptlichtbogenstromkreis einschaltbar ist. Bevorzugt wird als Zündgerät
ein elektronisches Zündgerät verwendet, wie es beispielsweise in der DAS 1 615 363
beschrieben ist.
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Die Pilot-@ichtbogenstromquelle 17 ist als Konstantspannungsstromquelle
mit einer Leerlaufspannung von 100 Volt ausgebildet und weist einen Drehstromtransformator
25 mit nachgeschaltetem Gleichrichter 26 auf, dessen Ausgangsseite über die Widerstände
27, die Kondensatoren 28 sowie die HF-Sperrdrossel 29 an dem Plasmabrenner angeschlossen
ist, Zur Einstellung des Pilot-Lichtbogenstromes zwischen etwa 1 und 4 Ampere dient
der Widerstand 30.
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Die Hauptlichtbogenstroniquellen 19 und 20 sind bevorzugt als Halbleiterstromquellen
aufgebaut. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Stromquelle 19 zur Steuerung
der ersten (positiven) Halbwelle und die Stromquelle 20 zur SGeuerung der zweiten
(negativen) Halbwelle jeweils Halbleitereinheiten 31 bzw.
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32 aufweisen. Die Einheit 31 für die positive Halbwelle besteht aus
9 Leistungstransistoren 33.1 bis 33.9, deren jeweilige Verlust leistung zirra 150
Watt beträgt und die in der verailschaulichten Schaltung mit maximal 4 Ampere betrieben
werden.
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Jedem der Leistungstransistoren 33.1 bis 33.9 ist ein gesonderter
Treibertransistor 34.1 I bis 34.X zugeordnet. Die Einheit 32 für die negative Halbwelle
weist dagegen nur drei Leistungstransistoren 35. 1 bis 35.3 auf, denen jeweils ein
Treibertransistor 36.1 - 36.111 zugeordnet ist. Die Transistoren der Einheit 32
entsprechen in ihren Kennwerten denen der Einheit 31.
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Die Leistungstransistoren 33.1 bis 33.9 sind mit der Stromquelle 19
und die Leistungstransistoren 35.1 bis 35.3 mit der Stromquelle 20 verbunden, wobei
die Quelle 19 für maximal 30 Ampere und 100 Volt Leerlaufspannung und die Quelle
20 für maximal 9 Ampere und 130 Volt Leerlaufspannung ausgelegt ist.
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Zur Erzeugung des rechteckförrnigen Stromes sind Steuereinheiten vorgesehen,
die um 180 Grad phasenverschobene rechteckförmige Steuersignale an die Treibertransistoren
34.1 bis 34.X bzw. 36.I - 36.III abgeben. Der Aufbau der Steuereinheit sowie deren
Funktionsweise wird nachstehend erläutert, Mittels eines Sägezahngenerators 37,
welcher im wesentlichen aus einem über einen DIAC 38 entladbaren Kondensator 39
besteht werden sägezahnförmige Impulse deren Frequenz mittels des Widerstandes 40
einstellbar ist erzeugt. Diese Signale werden einem Umformer 41 zugenführt, welcher
ein Potentiometer 42 mit nachgeschalteter Transistor 213 aufweist und mit welchem
die Sägezahnimpulse in Trapezimpulse wählbarer Breite (Potentiometer 42) umgeformt
werden. Dem Umforner ist ein Schmitt-Trigger 4 welcher in an sich bekannter Weise
mit Schalttransistoren 45 aufgebaut ist, nachgeschaltet. Im Schmitt-Trigger werden
die Trapezimpulse in recbteckföfljlige Ausgangssignale umewandelt, welche in einer
Verstärkerstufe 46 verstärkt und als Steuersignale für die negative Halbwelle der
Einheit 32 zugeführt werden. Das Potentiometer 47 des Verstärkers 46 dient zur Einstellung
der Amplituden der Steuerimpulse. Der Ausgang 48 der Einheit 32 ist über HF-Sperrdrosseln
49 mit der Elektrode 11 und dem Werkstück 16 verbunden.
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Ferner wird das Ausgangssignal der Verstärkerstufe 46 über einen,
mit den Treibertransistoren 36.1 bis 36.3 parallel liegenden Transistor 50 einem
Opto -Koppler 51 zugeführt.
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Durch den Transistor 50 wird das Ausgangssignal der Verstärkerstufe
46 um 180 Grad gedreht und der Opto -Koppler 51 mit diesem gedrehten Signal angesteuert.
Durch den Opto-Koppler wird ein galvanisch getrenntes, uni 180 Grad verschobenes
Steuersignal für die Leistungseinheit 31 der positiven Halbwelle ermöglicht.
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Das Ausgangsslgnal des Opto-Kopplers 51 wird über ein yerzögerungsglied
geführt, welches vorteilhaft gewährleistet, daß das zweite Steuersignal erst dann
an der Leistungsstufe 3L wirksam wird, wenn die negative Halbwelle ihren Nullpunkt
erreicht hat. Ferner ist es durch das Verzögerungsglied vorteilhaft möglich, den
Beginn der positiven Halbwelle vor oder nach dem Nulldurchgang der negativen Halbwelle
anzusetzen. Beim Aüsführungsbeispiel ist als Verzögerungsglied eine Zenerdiode 52
vorgesehen. Das so gebildete rechteckförmige Ausgangssignal wird über einen Schmitt-Trigger
53, welcher entsprechend dem Schmitt-Trigger 44 aufgebaut ist, eine?Verstärkerstufe
54 zugeführt. Das Potentiometer 55 der Verstärkerstufe 54 dient zur Verstellung
der Amplitude der positiven Stromhalbwellen. Das Ausgangssignal des der stärkers
54, welches als Steuersignal für die positive Halbwelle maßgebend ist, wird der
Einheit 31 zugeführt, welche mit der Elektrode und dem Werkstück 16 verbunden ist.
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Bevorzugt sind die Verstärker 46 und 54 und gegebenenfalls e Listungstransistoren/Treibertransistoren
der Einheiten 3 und 32 als Darlington-Stufen aufgebaut. Im Bezug auf die: Schnelligkeit
der Stromquelle also der Stromanstiegs-und Stromabfallszeiten ist es besonders vorteilhaft,
wenn jedem der Leistungstransistoren 35.1 - 35.3 bzw. 33.1 bis 33.9 ein gesonderter
Treibertransistor 36.1 - 36.111 tzw. 34.1 bis 34.IX zugeordnet ist. Durch diese
Maßnahme werden vorteilhaft Stromanstiegszeiten erreicht, die etwa im Bereich der
Zündimpulsanstiegszeiten liegen. Die in Fig. 1 mit 56 bezeichnete 2enerdtodenkette
ist vorgesehen, damit Je nach dem welche der Stromquelle 19 oder 20 wirksam ist
die Jeweils richtigen Schweißstromverläufe erreichbar sind.
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Mit der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung ist der in Fig. 2 veranschaulichte
Schweißstromenergieverlauf erreichbar. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, weist die Halbwelle
7, also die ijalbwelle, wäii"end der die Elektrode lt positiv ist und während der
die OxydeilmentSe-nung erfolgt, einen Energleinhalt -schraffiert gekennzeichnet-
auf, der mindestens dreimal so groß ist, wie der Inhalt der schweißenden Halbwelle
58.
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Wie aus der Beschreibung von Fig. 1 hervorgeht, wird von den Stromquellen
19,20 her gesehen für die positive und die negative Stromhalbwelle ein rechteckförmiger
Dauerimpuls erzeugt. Bezogen auf den Lichtbogen, hat es sich jedoch herausgestellt,
daß nur der positive Dauereinzelimpuls die Schweißung bewirkt.
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Der von der Stromquelle gelieferte negative Impuls wird in eine bestimmte
Anzahl von Einzelimpulsen zerlegt. Dies wird darauf zurückgeführt, daß die während
der negativen Halbwelle dem Lichtbogen zugeführte Energie nicht ausreichend ist,
den Lichtbogen nach der Erstzülldung auch aufrechtzuerhalten.
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Vielmehr zeigten Messungen, daß der Lichtbogen nur für eine kürze
Zeit (beispielsweise 0,04 Mikrosekunden) brennt, dann -durch die Spannungsänaerung
vom Zündgerät über die Trigger-Leitung 59 automatisch neu gezündet wird, wieder
eine kurze Zeit brennt etc. bis die durch die Stromquelle bestimmte Zeitdauer der
negativen Halbwelie erreicht ist. Dabei wird vorteilhaft bei einem geringen Temperaturanstieg
der Werkstückoberfläche. eine ausgezeichnete Reinigungswirkung erzielt.
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In Fig. 4 ist dieser Verlauf des Schweißstromes veranschaulicht.
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Die negative Halbwelle 60, also die Halbwelle, während der die Elektrode
positiv ist und die Oxydfilmentfernung erfolgt, besteht aus nlehreren Einzelimpulsen
61, während die positive Halbwelle 62 ein rechteckförmiger Einzeldauerimpuls 63
ist.
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Die Amplituden 64 bzw. 65 der Halbwellen sind bevorzugt zwischen 0,1
und 20 Ampere und die Frequenz 66 bevorzugt zwischen 5 Hertz und 2 Kilo Hertz einstellbar.
Das Tatverhältnis, also das Verhältnis der Zeit 67 zur Zeit; 68 beträgt mindestens
1 zu 3 vorzugsweise 1 zu 5. Die Schweißstromanstiegszeit 69 (0,1-20 Mikrosekunden)
liegt@twa im Bereich der Anstiegszeit (0,8-20 Mikrosekunden) 70 cs zu Beginn jeder
negativen HalbwelLe eingeleiteten Zürdimpulses 71. Je nach der Größe der induktlvitäten
im Schweißkreis ist es sclbstverständlich, daß die Einzelimpulse 61 nicht immer
bis auf 0 zurückfallen -in Fig. 4 rechts angedeutet- im Gegensatz zu dem in der
Fig 3 zu dem Schweistromverlauf gemäß Fig. 4 zugehörigen Spannungsverlauf.
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Wie aus Fig.3 hervorgeht, sind während der negativen Halbe welle stets
auf Null zurückgehende Spannungseinzelimpulse 72 vorhanden. Untersuchungen haben
ergeben, daß während einer Halbwellendauer von 1,4 msec ca. 18 derartige Einzelspannungs-Impulse
entstehen, wobei mit Werten gearbeitet worden ist, wie sie im nachstehenden Beispiel
1 angegeben sind.
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Bei Einhaltung der erfindungsgemäß angegebenen Werte und Verhältnisse
wird ein einwandfreies Wechselstrom-Feinlichtbogen Schweißen ermöglicht.
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Im Nachfolgenden werden zwei Beispiele angegeben, bei denen ein ruhig
und stabil orennender Lichtbogen sowie einwandfreie Schweißnähte erreicht werden.
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Beispiel 1: Werkstück: Reinaluminium 0,5 mm Schweißart: Stumpfstoßschweißung
Schweißverfahren: Mikroplasmaschweißung Plasmagas: Ar 1,5 1/min.
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Schutzgas: Ar 6,0 1/min.
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Brenner: Mikroplasmabrenner-Düsenbohrung 1 mm Brennerelektrode: Wolfram-Spltzenelktrode
Pilotlichtbogenstromquelle Konstantstromquelle, Leerlaufspannung 100 v Hauptlichtbogen-
Arbitsspannung 25v stromlquelle: Konstantstromquelle Leerlaufspannung-Haolbwelle
73 - -130 V Leerlaufspannung-Halbwelle 74 - 100 V Arbeltsspannung Halbwelle 73 -
100 V pulsförmig Arbeitsspannung -Halbwelle 74 25 V konstant Hauptlichtbogenstrom:
Secntecleförmig Halbwelle 61 - 5 A Effektiv Halbwelle 62 - 20 A Effektiv Tastverhältnis:
1:5 Energie: Halbwelle 57 - 100 W Halbwelle 58 - 400 W Beispiel 2: Werkstück: Aluminiumblech
0,7 mm Schweißart: Bördelschweißung Schweißverfahren: Mikroplasmaschweißung Plasmagas.
Ar - o,6 1/min Schutzgas: Ar - 6,0 1/min Brenner: Miroplasmabrenne-Düsenbohrung
1 mm Brennerelektrode: Wolfram-Spitzenelektrode Pilotlichtbogen stromquelle: Konstantstromquelle,
Leerlaufspannung 100 V Arbeitsspannung 25 V Hauptlichtbogen-Stromquelle: Konstantstromquelle
Leerlaufspannung-Halbwelle 73 - 130 V Halbwelle 74 - 100 V Arbeitsspannung Halbwelle
73 - 100 V Arbeitsspannung Halbwelle 74 - 25 V
uptlIchtbogenstrom:
Rechteckförmig Halbwelle 61 - 2,8 A Effektiv Halbwelle 62 - 15 A Effektiv Tastverhältnis:
1 : 4 Energie: Halbwelle 58 - 60 W Halbwelle 58 -300 W Bei obigen Beispielen wurde
ein Leichtmetallblech verschweißt.
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Es ist selbstverständlich auch möglich, beliebig andere Werkstoffe,
beispielsweise V2A-Stahlbleche nach der Erfindung zu verschweißen. Bei der Verwendung
von Plasmabrennern sind selbstvertändlich auch andere Gaszusammensetzungen von Plasmagas
und Schutzgas möglich.