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PTA-Prozess

Der PTA-Prozess ist eine Sonderform des Lichtbogenschweißens. Das Verfahren ist gekenn- zeichnet durch einen übertragenen eingeschnürten Lichtbogen und damit durch eine höhere Energiedichte im Strahl. Es zeichnet sich insbesondere durch das Konzept der Trennung zwischen dem Anschmelzen des Substrates und dem Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffs durch Einsatz von zwei getrennten Wärmequellen aus. Das Pulver wird in einem nicht übertragenden Plasmalichtbogen (Pilotlichtbogen) an- bzw. aufgeschmolzen und mit einem übertragenden Plasmalichtbogen (Hauptlichtbogen) auf den Grundwerkstoff aufgetragen.

Zur Erzielung des eingeschnürten, hochenergetischen Lichtbogens dient ein spezieller Plasmabrenner, wie er in Form eines Plasma-Pulver-Brenners im Bild 1 schematisch und in Bild 2 als Ausführungsbeispiel dargestellt ist.


Der Prozess ist gekennzeichnet durch eine nichtabschmelzende negativ gepolte Wolfram-Elektrode mit vorgelagerter Plasmadüse und 3 Gasströme. Plasmagas: Erzeugung des Plasmas und Einschnürung des Lichtbogens durch das strömende Gas in Verbindung mit der Plasmadüse; Fördergas: Transport des Schweißzusatzwerkstoffes; Schutzgas: Schutz der Schmelze gegen Oxidation.

Plasma- und Fördergas sind direkt am Energietransport in das Substrat bzw. in den Zusatzwerkstoff beteiligt. Über die Gasmengen und den Schweißstrom kann der Energieeintrag unabhängig von der Zusatzwerkstoffmenge gesteuert werden. Das unterscheidet das Verfahren von anderen Schweißverfahren. Die Aufmischung mit dem Trägerwerkstoff kann dadurch auf Werte kleiner 10 % eingestellt werden, so dass bereits in der ersten Lage hohe Eigenschaftssprünge zum Substrat realisiert werden können. Typisch ist deshalb einlagiges Arbeiten.

Überwiegend wird eine Verfahrensvariante mit 2 Lichtbögen angewendet, wobei ein im Brennerinneren existierender Pilotlichtbogen der Zündung des Plasmaprozesses dient. Eine Verfahrensvariante mit nur einem Hauptlichtbogen führt aber prinzipiell zu vergleichbaren Schichteigenschaften, lediglich eine stärkere Hochfrequenzzündquelle wird benötigt. Sämtliche Brennerbauteile müssen zur Beseitigung der Verlustwärme intensiv wassergekühlt werden.

Die Kornfraktion der am meisten eingesetzten industriellen Beschichtungsprozesse ist der Übersicht in Bild 3 zu entnehmen.

 

Je nach Anwendungsbereich liegt die Abschmelzleistung zwischen 0,2 bis 1,0 kg/h beim Mikro-PTA (MPTA) für kleinste Werkstückgeometrien, bis zu 6 kg/h beim konventionellen Normal-PTA (NPTA) und bis zu 30 kg/h beim Hochleistungs-Auftragschweißen (HPTA).

Die systembedingten Vorteile des Plasma-Pulver-Verfahrens, wie die geringe Aufmischung des Schichtwerkstoffs mit dem Substratwerkstoff und die gute Steuer- und Regelbarkeit der Plasma-Wärmequelle, bleiben dabei auch durch die Erhöhung der Abschmelzleistung erhalten. Die Aufmischungswerte können je nach Brennertyp und Anwendungsfall zwischen 5 und 25 % betragen. Diese Aufmischungswerte resultieren aus der Bau- und Schaltungsart der PTA-Brennertechnik, die mit einem nicht übertragenden Lichtbogen zum Auf- bzw. Anschmelzen des Zusatzwerkstoffes arbeiten, so dass der übertragende Lichtbogen, der dem Anschmelzen des Substrates dient, mit verminderter Lichtbogenleistung betrieben werden kann. Die wirtschaftliche Anwendung des Verfahrens wurde in den letzten Jahren auf den Bereich der Hochleistungsbeschichtungsverfahren erweitert.

Die Pulverzufuhr erfolgt über eine Fördereinrichtung, die über eine Förderschnecke, ein Taschenförderrad, eine Fördertrommel oder einen Drehteller als Dosiereinrichtung verfügt. Derzeit stellen Förderer mit Taschenförderrat die an besten regelbaren Einrichtungen dar.

Als Stromquellen dienen moderne Inverterstromquellen, die heutzutage auch mit Wechselpolung arbeiten und dadurch für das Beschichten von Leichtmetallen verwendbar sind.