Schweißtechnik

Die Entwicklung der digitalen Schweißstromquellen und vor allem die Trennung von Hard- und Software ermöglichte es, viele altbekannte Anwenderforderungen zu erfüllen. Moderne Schweißmaschinen lassen sich nun unterschiedlichen Aufgaben anpassen.
Einerseits gilt es verstärkt, verschiedene Werkstoffe und Werkstoffqualitäten miteinander zu fügen. An einem Tag wird Stahl geschweißt, am nächsten Werktag Aluminium und Magnesium oder es sollen sogar verzinkte Bleche hartgelötet werden. Zum anderen müssen moderne Stromquellen selbst für Sonderlösungen wie das Orbital-, MIG-AC-, Hybrid- oder Flachdrahtschweißen geeignet sein.
In diesem Zusammenhang ist die Entwicklung einer neuen Generation von Schweißmaschinen von Dalex, Wissen, zu sehen, die unterschiedliche Aufgaben mit einer einzigen Stromquelle erledigen. Industriebetriebe müssen ab sofort nicht mehr in mehrere verschiedene Schweißmaschinen investieren. Für den Anwender bedeutet dies auch, dass er sein erarbeitetes Schweißfachwissen auch auf neue, moderne Maschinen übertragen kann.
Leistungsteil, zyklusschneller Analog-Support, Prozessorsteuerung, Kommunikationseinheit sowie die prozess-spezifischen Optionen, wie HF-Zündung, AC-Kommutator und Wasserkühlung, bilden die Basis des realen Schweißanlagenteils. Der Austausch dieser einzelnen Baugruppen sowie die Weiterentwicklung der Gerätetechnik erfordert keine aufwändige Neuprogrammierung des Gesamtsystems mehr.
Die Schweißmaschinen eignen sich bereits in der Serienausführung zum Schweißen oder Hartlöten verschiedener Werkstoffe sowie deren Qualitäten - sei es Stahl, Aluminium, Magnesium oder oberflächenbeschichtete Bleche. Durch Austausch einer Datenbank lassen sich die neuen Schweißstromquellen speziellen Anforderungen wie Orbital-, MIG-AC-, Hybrid- oder Flachdrahtschweißen anpassen.
Ein wesentlicher Entwicklungsschritt gelang durch eine ausgefeilte Regelungsstrategie bei Maschinen der Baureihe Top-Line. Schließlich gilt es reproduzierbare und spritzerarmen Schweißnähte zu schaffen und das soll auch beim Verbinden von dünnen und mittleren Blechdicken möglich sein. Aufgrund des neuen Regelungsprinzips lassen sich selbst bisherige Problemfälle qualitativ hochwertig und wirtschaftlich lösen. Bei den unterschiedlichen MIG/MAG- (MSG-) Schweißmethoden kann der Zusatzwerkstoff durch einen gesteuerten Tropfenübergang mit einem definierten Tropfenvolumen, gleich ob im Puls- oder Kurzlichtbogenprozess, sehr gezielt zugeführt werden. Das Resultat sind hochwertige und spritzerarme Schweißnähte.
Tropfen für Tropfen
Beispielsweise gibt die Pulsfrequenz beim Pulslichtbogen-Schweißen die Anzahl der vom Ende der Drahtelektrode ins Schmelzbad übergehenden Tropfen je Sekunde wieder. Bei gewählter gleicher Tropfengröße ist sie direkt proportional zur Abschmelzleistung und damit zur Drahtvorschub-Geschwindigkeit. Qualität und Quantität der Pulsfrequenz beeinflussen also die Wirtschaftlichkeit des Schweißverfahrens.
Mit den in der Datenbank abgelegten Schweißparametern lassen sich alle gängigen Werkstoffe unter verschiedenen Schutzgasarten und Schweißmethoden verschweißen. Ebenso lassen sich beispielsweise 0,8 Millimeter dünne Alubleche mit einer Geschwindigkeit von immerhin 2,2 Meter pro Minute selbst bei einer Spaltüberbrückung von 0,8 bis 1,2 Millimeter (!) absolut verzugsfrei fügen. Das sind Ergebnisse, die bisher nicht erreicht werden konnten.
Innere Regelung
Beim Pulslichtbogen-Schweißen wird ständig zwischen zwei Lichtbogen-Arbeitsbereichen periodisch umgeschaltet. Dabei gilt es eine Regelung auszuwählen, welche die Konstanthaltung der Lichtbogenlänge in kürzester Zeit und dazu äußerst präzise zu erledigen vermag. Aus Komfortgründen setzte man bisher in der Pulstechnik die Umschaltung zwischen Konstantspannungs- und Konstantstrom-Charakteristik (Modulationsart Puls-U/I) ein. Dies bedeutet, dass in der Grundphase mit einer Konstantstrom-Kennlinie gefahren wird, während in der Pulsphase mit der Konstantspannungs-Kennlinie gearbeitet wird. Damit erzielt man eine definierte Wärmeeinbringung ins Material und mit Hilfe der Konstantspannungsregelung erreicht man einen treibenden und sicher durchschweißenden Lichtbogen. Während der Pulsphase wirkt dabei die sogenannte ,,innere Regelung", welche dafür sorgt, dass der Lichtbogen automatisch eine konstante Länge einhält.
Beim Verschweißen dünner Bleche muss eine niedrige Pulsfrequenz gewählt werden. Die Anzahl der auf die Konstanthaltung der Lichtbogenlänge wirkenden Eingriffe der inneren Regelung wird dabei zwangsläufig geringer. Die Ursache liegt im kleinen Tastverhältnis, welches sich aufgrund der niedrigen Impulsfrequenzen einstellt und weniger als zehn Prozent betragen kann. Gerade beim Überschweißen einer Heftstelle oder eines Spaltes ist jedoch eine schnelle Anpassung der Lichtbogenlänge gewünscht. Hierbei reicht dann das Selbstregel-Vermögen des Schweißprozesses in der Pulsphase nicht mehr aus, um den Lichtbogen den geänderten Bedingungen anzupassen. Die Folge davon sind Kurzschlüsse und damit Schweißspritzer, die ja mit diesem Schweißverfahren eigentlich vermieden werden sollten.
Das Know-How
Die Ingenieure von Dalex haben deshalb die andere Modulationsart (Puls-I/I) weiterentwickelt und sie mit der Lichtbogenlängen-Regelung mittels vier verschiedener Regler kombiniert. Die Lichtbogenlänge verhält sich proportional zur Lichtbogenspannung, aus diesem Grund kann die Spannung als Regelungswert zur Lichtbogenlänge herangezogen werden. Die Entwickler benutzen hierzu eine "Sense-Messleitung", welche die Lichtbogenspannung direkt in der Stromdüse des Brenners misst. Die Einflüsse vom Schlauchpaket sowie der Kabelzuführung werden dadurch eliminiert. Mit Hilfe des Einstellers Arc-Trim, meist am Drahtvorschubgerät angebracht, vermag der Anwender die Zielgröße ,,Lichtbogenlänge beziehungsweise -spannung zu korrigieren". Die Zielgröße lässt sich dabei unter dem Parameter ,,U-Ziel" im entsprechenden Schweißsegment einstellen.
Die Nachregelung der Lichtbogenlänge erfolgt bei den Schweißanlagen der Baureihen Vario MIG und Midi-MIG mit vier unterschiedlichen Reglern, welche die Parameter: Pulsstrom, Pulsfrequenz, Grundstrom sowie Drahtvorschubgeschwindigkeit beeinflussen. Im Gegensatz zur Pulsdauer-/Pulsbreitenregelung ändert sich bei dem gewählten Verfahren nicht die Art des Werkstoffüberganges. Tropfengröße und Ablösegeschwindigkeit bleiben somit konstant.
Beim verwendeten Regelungsprinzip gilt es jedoch einige Parametergrenzen zu beachten. Beim Regeln des Pulsstromes ändert sich bekanntlich auch die Pulsform. Wird der Pulsstrom zu stark verkleinert, kann es passieren, dass sich der Tropfen pro Puls nicht löst, es entsteht nicht der gewünschte ,,1-Tropfen-pro-Puls"-Übergang. Im anderen Fall, bei einer zu starken Erhöhung des Pulsstromes entstehen zu große Pinchkräfte. Das sind elektromagnetische Kräfte, welche für das Ablösen und Beschleunigen des Tropfens zuständig sind. Hieraus resultiert ein zu langer Lichtbogen, der zu starker Spritzerbildung neigt.
Schnelligkeit ist gefragt
Wünscht der Anwender ein schnelles Regelverhalten, so lässt sich dies über die Pulsfrequenzregelung realisieren. Dabei entsteht ein sich ständig änderndes Lichtbogengeräusch, was oftmals als störend empfunden wird. Die spezielle Stromquellentechnik sowie die eingesetzten Regelungsverfahren ermöglichen allerdings ein recht gleichmäßiges Lichtbogenverhalten, so dass der Schweißer nicht durch das sich ändernde Lichtbogengeräusch irritiert wird.
Für ein mittelschnelles Regelverhalten setzt man die Grundstromregelung ein. Hierbei gilt es bestimmte Grenzen nicht zu überschreiten. Ist der Grundstrom zu klein, besteht die Gefahr, dass der Lichtbogen in der Grundphase ausgeht. Wird der Grundstrom zu groß geregelt, schmilzt das Drahtende zu stark an und die Tropfenbildung und -ablösung sind gestört.
Die Genauigkeit der Regelparameteränderung "Drahtvorschub-Geschwindigkeit", welche ebenfalls für ein mittelschnelles Regelverhalten zum Einsatz kommt, ist abhängig vom verwendeten Antrieb und der Steuerung. Aufgrund der Trägheit des Drahtvorschubmotors, den Reibungsverhältnissen im Innern eines ¿ oftmals langen ¿ Brennerschlauchpaketes sowie der Federwirkung des Schweißdrahtes lässt sich die ,,Drahtvorschub-Geschwindigkeit" nicht so exakt regeln, wie gewünscht. Abhilfe schafft hier der Einsatz eines Push-Pull-Schweißbrennersystems, also einer zusätzlichen Antriebs-/ Bremseinheit im Schweißbrenner.
Aufgrund der neuen Regeltechniken werden die bis dato vorhandenen Grenzen des MSG-Impulslichtbogen-Schweißens sehr viel weiter gesteckt. Diese Schweißtechnik wird sich am Markt verstärkt durchsetzen. Für Anwender, welche die konventionelle Regelung bevorzugen, beherrschen die Dalex-Schweißmaschinen nach wie vor die Modulationsart (Puls-U/I).
Mit den neuen Anlagen lässt sich zudem das Dual-Puls-Verfahren realisieren. Dabei wird ständig zwischen zwei Phasen PS1 und PS2 umgeschaltet, die eine periodisch wechselnde Leistung erzeugen. Dies ergibt eine bessere Wurzelerfassung, die Nahtschuppung und die kontrollierte Wärmeeinbringung werden exakt gesteuert. Damit erzielt man beim Schweißen die Qualität und das Nahtaussehen ähnlich einer WIG-Schweißung (typische WIG-Schuppung); dies jedoch zu deutlich geringeren Kosten. Zudem reduziert das Dual-Puls-Verfahren die Heißrissbildung.
Virtual Reality beim Schweißen
Die Technik ,,Virtual Solutions" steht bei den Schweißmaschinen der neuen Generation für die weltweit einmalige Konzeption der Verbindung einer realen mit einer virtuellen Maschine. Der virtuelle Teil beinhaltet in einer Datenbank die schweißtechnischen Eigenschaften für alle Schweißmethoden und Prozesstypen einschließlich aller erforderlichen Parameter. Die hierfür entwickelte schweißtechnische Hochsprache orientiert sich an der Physik des Fügeprozesses. Dadurch entsteht ein physikalisches Wissen über diesen Prozess, das für alle zukünftigen Maschinengenerationen genutzt werden kann.
Die virtuelle Maschine ermöglicht den Informationsfluss zwischen dem Kunden und dem Hersteller über alle gängigen Kommunikationsmedien wie Internet, Telefon oder Speichermedien. Kundenspezifische Verfahrensoptimierungen lassen sich daher zu niedrigen Kosten vornehmen, denn ein Technikereinsatz beim Kunden vor Ort ist in vielen Fällen nicht mehr notwendig. Darüber hinaus bietet die virtuelle Maschine dem Anwender die Möglichkeit, Modifikationen des Schweißprozesses vor Ort rasch selbst durch zu führen.
Beim Einsatz mehrerer Maschinen der neuen Generation können die Datenbänke mit den Maschineneigenschaften und allen Schweißparametern untereinander problemlos kopiert und auf andere Maschinen übertragen werden (Klonen). Optimierte Prozesstypen lassen sich damit einfach und sicher auf andere Maschinen übertragen. Die mit ,,Virtual Solutions" erzeugten Updates gewährleisten dem Anwender darüber hinaus die Umsetzung von neuen schweißtechnologischen Entwicklungen direkt in die Produktion. Bereits heute beinhalten die Geräte alle Programme vom Normal-Schweißen über die verschiedenen Varianten des Pulsschweißens bis hin zum Löten -- ständig erweiterbar um weitere Prozesstypen wie für das Verschweißen von speziellen Magnesium-Legierungen.
Einknopfbedienung
Übersichtlich ist die Kommunikation Mensch-Maschine mit Hilfe des Bediencockpits mit Einknopfsteuerung. Mit dem Einschalten, der Wahl des Schweißverfahrens in Abhängigkeit von Werkstoff, Drahtdurchmesser und Schutzgas, lässt sich die Maschine aufgrund ihrer Basisprogramme leicht in Betrieb setzen. Mit den neuen Maschinen kann sofort gearbeitet werden, ohne im Vorfeld aufwendige Parameter-Einstellarbeiten wie Vorgabe von Pulshöhe, Pulsdauer, Pulsfrequenz, Grundstrom und anderes mehr vornehmen zu müssen. Schweißexperten können zusätzlich in aller Tiefe Optimierungen vornehmen und die Datenbank um spezifische Schweißprogramme erweitern. Für den Roboterbetrieb lassen sich alle gängigen Schnittstellen über den internen CAN-Bus verarbeiten.
Die sogenannten Multifunktionsanlagen (MFA) der Baureihe ,,Vario" gibt es mit Maximalleistungen von 250 bis 2000 Ampere. Sie eignen sich nicht nur zum Fügen der verschiedensten Werkstoffe. Aufgrund ihrer Leistungsdaten sind sie für das manuelle Schweißen ebenso geeignet wie für das halbautomatische Fügen oder das Roboterschweißen in der Massenproduktion.

Zum Thema:
Neue, intelligente Schweißmaschinen arbeiten multifunktional und bewältigen unterschiedliche Aufgaben mit einer einzigen Stromquelle. Die Vorteile liegen auf der Hand: Industriebetriebe müssen nicht mehr in mehrere verschiedene Schweißmaschinen investieren und der Anwender kann sein erarbeitetes Schweißfachwissen auf die moderne Anlagen übertragen.
Olaf Ottersbach, Leiter Forschung und Entwicklung, Dalex GmbH, Wissen

Links: http://www.dalex.de