In den letzten Jahren sind vielfältige Anstrengungen unternommen worden ge- rade um die Leistungsfähigkeit konventioneller Plasmaschweißverfahren, z. B.

Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) oder Metallaktivgas-Schweißen (MAG) weiter zu steigern und weiterzuentwickeln.

Beim WIG-Schweißen brennt ein Lichtbogen zwischen einer nicht abschmel- zenden Wolfram-Elektrode und dem Werkstück, wobei das Werkstück aufge- schmolzen wird. Der Lichtbogen hat einen Divergenzwinkel von etwa 45°. Das bedeutet, dass der Abstand zwischen WIG-Brenner und Werkstück die Leis- tungsdichte signifikant beeinflusst und diese insgesamt vergleichsweise gering ist. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit der Metalle fließt ein erheblicher Anteil der Wärme in die Umgebung der Schweißnaht ab. Bei einer durch die Lebensdauer der Elektrode begrenzten Stromstärke und damit auch begrenz- ten Lichtbogenleistung ergeben sich daraus relativ kleine Schweißgeschwindig- keiten.

Mittels wassergekühlter Expansionsdüsen kann der Plasmastrahl bei verschie- denen Plasmaschweißverfahren eingeschnürt werden, wodurch eine Verringe- rung der Lichtbogendivergenz auf ca. 10° (visuell) bewirkt werden kann. Damit wird bei den technisch üblichen Abständen zwischen Plasmabrenner und Werkstück eine höhere Leistungsdichte und daraus resultierend bei identischer Lichtbogenleistung eine höhere Schweißgeschwindigkeit erreicht. Durch den stabileren und gegenüber dem herkömmlichen WIG-Verfahren weniger diver- genten Plasmastrahl ergibt sich darüber hinaus ein geringerer Einfluss der Schweißparameter auf die Lichtbogenform.

Führt man dem Lichtbogen bei geeigneter Elektrodenanordnung durch Erhö- hung der Stromstärke deutlich mehr Energie zu, entsteht der sogenannte Stichlocheffekt. Bei entsprechender Dicke wird das Werkstück ösenförmig auf- geschmolzen und bei kontinuierlichem Vorschub des Plasmabrenners fließt das geschmolzene Metall um den Plasmastrahl herum und hinter ihm wieder zu- sammen.

Nachteilig wirkt sich bei den beschriebenen Verfahren aus, dass die mögliche Stromstärke durch die Lebensdauer der Elektroden begrenzt und damit die Schweißgeschwindigkeit limitiert ist. Dadurch kommt es zu einer hohen Wär- mebelastung des Bauteils, breiten Wärmeeinflusszonen und darüber hinaus zu einem erheblichen Verzug des Werkstücks.

Die technischen Möglichkeiten, die Schweißgeschwindigkeit weiter zu steigern, sind im wesentlichen ausgeschöpft. Neben den daraus folgenden betriebswirt- schaftlichen Konsequenzen wirkt sich das dahingehend aus, dass die gegen- wärtig erreichten Grenzen für die Streckenenergie, den Verzug und die Eigen- schaftsverschlechterung durch die relativ breite Wärmeeinflusszone zukünftig nicht wesentlich unterschritten werden können. Das ist dahingehend besonders nachteilig, als das Eigenschaftspotential moderner, hochfester Werkstoffe, de- ren Eigenschaften erst durch spezifische Wärmebehandlungen erreicht wer- den, durch den gegenwärtigen Entwicklungstand der konventionellen Schweiß- verfahren bei weitem nicht genutzt werden kann.

Ein weiterer Nachteil der konventionellen Plasmaschweißverfahren besteht in der eingeschränkten Zugänglichkeit und Beobachtungsmöglichkeit der Schweißstelle aufgrund eines relativ großen Düsendurchmessers bei kleinem Werkstückabstand (ca. 5 mm).

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Plasmaschweißen anzugeben, bei dem die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren des Patentanspruchs 1 gelöst. Vor- teilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird zum Plasmaschweißen ein freier mikrowelleninduzierter Plasmastrahl verwendet, der folgendermaßen erzeugt wird : in einer hochfre- quenten Mikrowellenquelle werden Mikrowellen erzeugt, welche in einem Hohlleiter geführt werden. Das Prozessgas wird in ein mikrowellentransparen- tes Rohr, welches eine Gaseintrittsöffnung und eine Gasaustrittsöffnung um- fasst, bei einem Druck p 21 bar derart durch die Gaseintrittsöffnung des Roh- res eingeleitet, dass es eine tangentiale Strömungskomponente aufweist. Mit- tels elektrodenlosen Zündens des Prozessgases wird im mikrowellentranspa- renten Rohr ein Plasma erzeugt, welches durch eine an der Gasaustrittsöffnung des Rohrs angeordnete metallische Expansionsdüse in den Arbeitsraum ein- geleitet wird, wodurch der Plasmastrahl erzeugt wird.

Mittels des erfindungsgemäßen elektrodenlosen Plasmaschweißverfahrens ergeben sich besonders vorteilhafte Plasmaeigenschaften. So wird die spezifi- sche Enthalpie des Plasmas und die damit verbundene Enthalpieflussdichte des Plasmas erhöht. Damit verbunden wird die Plasmatemperatur des Plasmas und des Plasmastrahls erhöht. Daraus ergeben sich gegenüber den Schweiß- verfahren des Stands der Technik Vorteile hinsichtlich einer gesteigerten Schweißgeschwindigkeit und niedrigeren Schweißnahtkosten. Mit dem erfin- dungsgemäßen Plasmaschweißverfahren wird somit ein elektrodenloses Schweißverfahren angegeben, dass erhebliche betriebswirtschaftliche und an- wendungsbezogene Vorteile bei gleichzeitig großer Einsatzbreite des Schweiß- verfahrens bietet.

Außerdem werden die Eigenschaften des Plasmastrahls hinsichtlich eines ver- ringerten Durchmessers sowie einer verringerten Strahlwinkeldivergenz verbes- sert. Darüber hinaus breitet sich der zylindersymmetrische Plasmastrahl in dem erfindungsgemäßen Verfahren parallel aus, wodurch der Einfluss der Ab- standsänderung zwischen Brenner und Werkstück auf die Einbrandform des Plasmastrahls in das Werkstück verringert wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass dadurch die Zugänglichkeit zum Plasmastrahl-hervorgerufen durch einen größer möglichen Abstand zwischen Brenner und Werkstück-verbessert wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind somit Abstände zwischen Brenner und Werkstück von 30 mm bis zu 100 mm möglich, bei einem Plasmastrahl- durchmesser von 1 mm bis zu 3 mm auf dem Werkstück. Mit dem erfindungs- gemäßen Plasmaschweißverfahren können so Leistungsdichten oberhalb von 1,5 105 W/cm2 erzeugt werden.

Die tangentiale Einspeisung des Prozessgases in das mikrowellentransparente Rohr unterstützt die erfindungsgemäße Erzeugung eines Plasmastrahls mit ge- ringer Strahlwinkeldivergenz. Aufgrund der, durch die tangentiale Einspeisung des Prozessgases verursachte Radialbeschleunigung, die durch die Quer- schnittsverengung der Expansionsdüse in Richtung des Düsenaustritts weiter verstärkt wird, bewegen sich die ungleichförmig beschleunigten freien La- dungsträger in Richtung des Expansionsdüsenaustritts auf immer engeren Spi- ralbahnen, wodurch die Zentripetalbeschleunigung der Ladungsträger zunimmt.

Diese Bewegung wird von den Ladungsträgern auch nach Austritt aus der Ex- pansionsdüse in den Arbeitsraum beibehalten. Da aufgrund der unterschiedli- chen lonen-und Elektronenbeweglichkeit lokal keine Ladungsneutralität vor- liegt, wird im Plasmastrahl ein axial orientiertes Magnetfeld induziert, welches zu einer Strömungseinschnürung des Plasmastrahl nach Austritt aus der Düse führt (z-Pinch). Es handelt sich hierbei um den Magneto-Hydrodynamischen Effekt (MHD-Effekt).

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass der Plas- mastrahl mittels kostengünstiger und robuster Hochfrequenzsysteme, z. B.

Magnetron oder Klystron erzeugt werden kann. Mit diesen Hochfrequenzsyste- men sind vorteilhaft Mikrowellenquellen im erforderlichen Leistungsbereich bis 100 kW und Frequenzbereich von 0,95 GHz bis 35 GHz zugänglich. Insbeson- dere können Mikrowellen der Frequenz 2,46 GHz verwendet werden, da es sich hierbei um kostengünstige und in der Industrie und Haushaltsanwendungen weit verbreitete Mikrowellenquellen handelt.

In dem erfindungsgemäßen Plasmaschweißverfahren ist außerdem die Ener- gieeffizienz gegenüber konventionellen Plasmaschweißverfahren gesteigert. So ist es möglich, mikrowelleninduzierte Plasmen zu erzeugen, bei denen die Leistungseinkopplung aus dem Strahlungsfeld der Mikrowellenquellen größer als 90% ist. Somit ergeben sich gegenüber Schweißverfahren mit Hochleis- tungsdioden eine um das 1,5-fache und gegenüber Laserschweißverfahren eine um das 20-fache gesteigerte Energieeffizienz.

Die zur Plasmaerzeugung nötige Einkopplung der Hochfrequenzenergie der Mikrowellenquelle in die relevanten Prozessgase hängt dabei von den elektro- magnetischen Stoffkonstanten der relevanten Prozessgase, insbesondere von der komplexen Dielektrizitätskonstante (DK) s ab : s'-is" (1) Die komplexe DK ist eine nichtlineare Funktion der Temperatur sowie eine line- are Funktion der Frequenz. Das Verhältnis zwischen Imaginärteil und Realteil der komplexen DK wird als dielektrischer Verlustwinkel (p bezeichnet und defi- niert eine Absorptionswahrscheinlichkeit des Prozessmediums für Hochfre- quenzenergie : tan (p = £/£ (2) Die volumenspezifische Absorption von Hochfrequenzenergie durch ein grund- sätzlich hochfrequenzabsorbierendes Medium (im vorliegenden Fall ein geeig- netes Prozessgas) ist wie folgt gegeben : Pabs = TTVjE (3) v ist die Frequenz der absorbierten Hochfrequenzstrahlung mit der elektrischen Feldstärke E im absorbierenden Volumen. Sofern die Absorptionsverluste der Hochfrequenzstrahlung im absorbierenden Volumen vorwiegend über die (fre- quenzabhängige) elektrische Leitfähigkeit a in (Qm) ~1 definiert werden können, wobei magnetische Effekte vernachlässigbar sind, gilt : E'-a/2v (4) Damit ergibt sich für die insgesamt in einem elektrisch absorbierenden Medium umsetzbare Verlustleistungsdichte für einlaufende Hochfrequenzstrahlung : Pabs = ajEj' (5) Bei der Plasmaerzeugung durch Hochfrequenzstrahlung in Gasen ist zwischen dem Vorgang der Zündung-geringe elektrische Leitfähigkeit-sowie dem Vor- gang der Aufrechterhaltung eines Plasmas-elektrische Leitfähigkeit typischer Plasmagase um mindestens 3 Zehnerpotenzen höher als diejenige der ent- sprechenden nichtionisierten Gase-zu unterscheiden. Generell hilfreich, so- wohl bei der Plasmazündung als auch beim Betrieb des Plasmas ist, infolge der Abhängigkeit der umsetzbaren Verlustleistungsdichte vom Absolutquadrat der lokalen elektrischen Feldstärke E, eine hohe lokale elektrische Feldstärke E.

Aufgrund der elektrodenlosen Plasmaerzeugung ist bei dem erfindungsgemä- ßen Verfahren keine Einschränkung hinsichtlich der einsetzbaren Prozessgase vorhanden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit das Problem des Standes der Technik gelöst, dass bei elektrodeninduzierten Plasmen es zu Re- aktionen der eingesetzten Prozessgase mit den Elektrodenwerkstoffen kommt, z. B. zur Bildung von Wolframoxid oder Wolframnitrid bei Wolframelektroden oder zur Wasserstoffversprödung. Es ist somit möglich, dass durch geeignete Wahl prozesstauglicher Gase oder Gasmischungen die spezifische Enthalpie des Plasmas in Verbindung mit einer verbesserten Wärmeleitung zwischen Plasma und Werkstück zu vergrößern. In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist es möglich, dass dem Prozessgas vor Eintritt in das mikrowellen- transparente Rohr Pulver zugeführt wird. Dadurch ist es z. B. möglich, das er- findungsgemäße Verfahren als Pulverauftragsschweißverfahren einzusetzen.

Es ist selbstverständlich auch möglich, dem Plasmastrahl nach Austritt aus der Expansionsdüse das Pulver zuzuführen.

Außerdem wird, aufgrund des elektrodenlosen Plasmaschweißens der Eintrag von unerwünschtem Elektrodenmaterial in das Schweißgut verhindert. Des weiteren ist ein störungsfreier, mannloser und automatisierter Schweißprozess ohne ständiges Auswechseln von Verschleißteilen möglich.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Plasmaschweißverfahrens ist, dass die Wärmeeinflusszone des Plasmastrahls auf dem Werkstück wesentlich reduziert wird, was einen geringeren Wärmeeintrag, einen reduzierten Werk- stückverzug und eine Verringerung der Werkstoffschädigung zur Folge hat.

Außerdem wird mittels des erfindungsgemäßen Plasmaschweißverfahrens ein fehlerarmes Schweißen hinsichtlich geringerer Randkerben und geringer Poro- sität der Schweißnaht ermöglicht.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird das Prozessgas durch eine Düse derart in das mikrowellentransparente Rohr eingeleitet, dass das in das Rohr einströmende Prozessgas eine tangentiale und eine in Richtung der Gas- austrittsöffnung des Rohrs gerichtete axiale Strömungskomponente aufweist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die metallische Expansionsdüse, in Strömungsrichtung des Plasmas gesehen, plasmaseitig einen konvergenten Einlauf und plasmastrahiseitig einen freien oder divergen- ten Auslauf auf. Dadurch ist es möglich, die Eigenschaften des Plasmastrahls hinsichtlich einer Verringerung der Strahlwinkeldivergenz zu verbessern. Au- ßerdem kann mittels des Öffnungsquerschnitts der Expansionsdüse der Strahl- durchmesser limitiert werden. Aufgrund der hohen Plasmatemperaturen kann die metallische Expansionsdüse in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung gekühlt werden.

Um einen sicheren Betrieb, sowie eine sichere Zündung der für das erfin- dungsgemäße Verfahren benötigten Plasmen zu gewährleisten, wird in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung der für die Führung der Mikrowellen vorhandene Hohlleiter im Querschnitt verengt. Dabei wird der Hohlleiter bevor- zugt an der Stelle verengt, an der das mikrowellentransparente Rohr durch den Hohlleiter geführt wird. Der Hohlleiter und das Rohr sind dabei in einer zweck- mäßigen Ausführung der Erfindung senkrecht zueinander ausgerichtet. Der Vorteil ist eine Erhöhung der elektrischen Feldstärke am Ort der Querschnitts- verengung. Dadurch werden zum einen die Zündeigenschaften des Prozessga- ses verbessert und zum anderen die Leistungsdichte des Plasmas erhöht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist es auch möglich, dass zur Zündung des Plasmas eine Funkenstrecke eingesetzt wird.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 die mittels statistischer Thermodynamik berechnete temperaturabhän- gige Enthalpie eines Stickstoffplasmas, Fig. 2 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Schnittdarstellung mit Hohlleiter, Expansionsdüse, mikrowellentrans- parenten Rohr und einer Zuführungseinheit für das Prozessgas, Fig. 3 eine beispielhafte Expansionsdüse in Schnittdarstellung, Fig. 4 eine Zuführungseinheit für das Prozessgas in Draufsicht.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens werden insbesondere mikrowellen- induzierte thermische Plasmen erzeugt. Diese Plasmen zeichnen sich durch ein lokales thermodynamisches Gleichgewicht (LTG) der verschiedenen Enthalpie beiträge des Plasmas aus. Die Gesamtenthalpie des Plasmas bestimmt sich dabei in Abhängigkeit der molekularen Natur der Prozessgase durch folgende Beiträge : - Enthalpie aus den Freiheitsgraden für Translation, Rotation und Vibration, -Enthalpie aus Dissoziation, -Enthalpie aus lonisation.

Mittels der statistischen Thermodynamik ist die temperaturabhängige Gesam- enthalpie H (T) und die daraus in erster Ableitung nach der Temperatur be- stimmbare temperaturabhängige Wärmekapazität Cp (T) berechenbar. Dabei sind in den Zustandssummen für die Translation, Rotation und Vibration die jeweiligen molekularen Freiheitsgrade zu berücksichtigen. Die entsprechenden Zustandssummen lassen sich dabei beim Vorhandensein von Dissoziation so- wie lonisation aus den jeweiligen Gleichgewichtskonstanten berechnen (nicht näher ausgeführt).

In Fig. 1 ist die berechnete temperaturabhängige Enthalpie eines Stickstoff- plasmas, welches mittels der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte erzeugt wurde, dargestellt. Das Diagramm zeigt bis zu einer Temperatur von 20000 K einen sehr steilen Anstieg (logarithmische Darstellung der Ordinate) der Enthalpie.

Fig. 2 zeigt in Schnittdarstellung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens. Die Darstellung zeigt ein mikrowellentransparentes Rohr 2, welches senkrecht durch einen Hohlleiter 1 geführt ist, der die von einer nicht dargestellten Mikrowellenquelle erzeugten Mikrowellen transportiert. Das mikrowellentransparente Rohr 2 wird durch eine an der Oberseite des Hohllei- ters 1 befindliche Öffnung 14 und eine an der Unterseite des Hohlleiters 1 be- findliche Öffnung 15 geführt.

Das mikrowellentransparente Rohr 2 weist eine Gaseintrittsöffnung 4 für das Prozessgas und eine Gasaustrittsöffnung 3 für das Plasma 7 auf. Im Bereich 12, in dem das mikrowellentransparente Rohr 2 durch den Hohlleiter 1 verläuft wird, das Plasma 7 durch Mikrowellenabsorption erzeugt.

Eine Gaszuführungseinheit 6 ist an der Gaseintrittsöffnung 4 an dem mikro- wellentransparenten Rohr 2 befestigt, z. B. mittels einer Quetschverbindung um eine Zerstörung des mikrowellentransparenten Rohrs zu vermeiden. In dieser Gaszuführungseinheit 6 sind Düsen (nicht eingezeichnet) vorhanden, durch die das Prozessgas in das mikrowellentransparente Rohr 2 eingespeist wird. Die Düsen sind dabei derart angeordnet, dass das einströmende Prozessgas eine tangentiale und eine in Richtung der Gasaustrittsöffnung 3 gerichtete axiale Strömungskomponente aufweist. Insbesondere wird das Prozessgas innerhalb des mikrowellentransparenten Rohrs auf spiralförmigen Bahnen geführt. Da- durch kommt es zu einer starken Zentripetalbeschleunigung des Gases in Richtung der Innenoberfläche des mikrowellentransparenten Rohrs 2 und zur Ausbildung eines Unterdrucks auf der Rohrachse. Dieser Unterdruck erleichtert außerdem auch die Zündung des Plasmas.

Das Plasma kann mittels einer nicht eingezeichneten Funkenstrecke, z. B. eine Bogenentladung oder ein Zündfunke gezündet werden. Bei optimaler Abstim- mung des Hohlleitersystems, d. h. maximale Feldstärke der Mikrowelle am Ort der Rohrachse ist auch eine selbstständige Plasmazündung möglich.

An der Gasaustrittsöffnung 3 des mikrowellentransparenten Rohrs 2 ist eine metallische Expansionsdüse 5 befestigt. Die Expansionsdüse 5 ist dabei derart angeordnet, dass die Öffnung 14 des Hohlleiters 1 abgeschlossen wird. Zur Fixierung des mikrowellentransparenten Rohrs 2 ist in die Unterseite der Ex- pansionsdüse 5 eine Nut oder ein Steg 11 eingearbeitet. Der Steg 11 ragt da- bei nur wenige Millimeter in den Hohlleiterraum hinein, wodurch verhindert wird, dass es zu einer Störung des Mikrowellenfeldes innerhalb des Hohlleiters 1 kommt.

Die Expansionsdüse 5 weist an ihrer Unterseite, also an der dem Plasma 7 zu- gewandten Seite einen konvergenten Einlauf auf. Durch diese Verengung wer- den die Ladungsträger im Plasma 7 bis hin zur Austrittsöffnung 17 weiter be- schleunigt. Das Plasma 7 tritt dann als Plasmastrahl 8 durch die Austrittsöff- nung 17 in den Arbeitsraum 16 ein. Der Auslauf der Expansionsdüse 5 ist in der vorliegenden Darstellung als freier Auslauf dargestellt. Es ist aber auch ein divergenter Auslauf möglich.

Die Zentripetalbeschleunigung der Ladungsträger im Plasma 7 setzt sich nach Austritt durch die Expansionsdüse 5 im freien Plasmastrahl 8 fort. Aufgrund der Zentripetalbeschleunigung der Ladungsträger im Plasmastrahl 8 wird, wie in der Beschreibungseinleitung beschrieben, im Plasmastrahl 8 ein axiales Magnet- feld induziert, wodurch sich die Einschnürung der Strömung auch über die Austrittsöffnung 17 der Expansionsdüse 5 hinweg fortsetzt. Somit wird ein Plasmastrahl 8 mit einer geringen Strahlwinkeldivergenz erzeugt.

Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Expansionsdüse in Schnittdarstellung. An der Unterfläche der Expansionsdüse 5 ist ein Steg 11 zur Fixierung des mikrowel- lentransparenten Rohrs (nicht eingezeichnet) eingearbeitet. Der Steg 11 ist ins- besondere kreisförmig ausgebildet und weist einen Innenradius auf, der dem Außenradius des mikrowellentransparenten Rohrs entspricht.

Der Einlaufbereich 9 der Expansionsdüse 5 ist konvergent ausgestaltet, was zu einem Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit der Ladungsträger des Plasmas bis hin zur Austrittsöffnung 17 führt. Der Auslaufbereich 10 der Expansionsdüse 5 ist divergent ausgeführt.

Es ist möglich, bei geeigneten Druckverhältnissen zwischen dem Druck im Ar- beitsraum 16 und dem Druck im Innern 12 des mikrowellentransparenten Rohrs, bei geeigneter Größe der Austrittsöffnung 17 sowie bei einer geeigneten Ausgestaltung des Einlaufbereichs 9 und des Auslaufbereichs 10 der Expansi onsdüse 5 einen Plasmastrahl (nicht dargestellt) zu erhalten, der mit Überschall in den Arbeitsraum 16 expandiert.

In Fig. 4 ist in Draufsicht eine Gaszuführungseinheit zur Zuführung des Pro- zessgases in das mikrowellentransparente Rohr 2 dargestellt. In der Gaszufüh- rungseinheit 6 sind zwei Düsen 18 ausgeführt, die das Prozessgas in zwei sich gegenübliegende Richtungen in das mikrowellentransparente Rohr 2 einspei- sen. Dadurch wird eine tangentiale Einspeisung des Prozessgases erreicht.