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<strong>Moderne</strong> (<strong>innovative</strong>) Stromquellen und Steuerungskonzepte für alle Lichtbogenschweißverfahren.<br />
Dipl.-Ing. Hans Kaulbach<br />
<strong>EWM</strong> GmbH, D-56271 Mündersbach<br />
Zusammenfassung<br />
Mit der Markteinführung der elektronischen, transistorisierten Schweißstromquellen in den achtziger Jahren war<br />
man allgemein der Ansicht, daß damit das Ende der konventionellen Schweißgeräte gekommen war.<br />
Im Rückblick zeigt sich, daß diese Entwicklung nicht eingetreten ist.<br />
Transformatoren zum Stabelektroden-Schweißen, stufengeschaltete und thyristor- geregelte MIG/MAG-Geräte und<br />
Stabelektroden-Geräte wurden und werden nach wie vor in großen Stückzahlen gebaut und eingesetzt.<br />
Die konkrete Aufgabenstellung, Gegebenheiten der Bauteile, Ort des Einsatzes, eingesetzter Schweißprozeß, die<br />
Branche und die Kosten der Schweißgeräte, aber auch die vielleicht unbewußte Scheu der Anwender vor moderner<br />
Steuerungs- und Leistungselektronik und ihrer fast unbegrenzten Möglichkeiten haben zu dieser Entwicklung<br />
geführt. Während beim mechanisierten und automatisierten Schweißen heute bei allen Lichtbogen-<br />
Schweißverfahren die elektronischen Transistor-Stromquellen aufgrund ihrer erweiterten Möglichkeiten die Oberhand<br />
gewonnen haben, und auch bei den anspruchsvollen Verfahren wie WIG- und Plasma-Schweißen im manuellen<br />
Bereich vorherrschen, sind beim teilmechanisierten MIG/MAG-Prozeß noch überwiegend Schweißstromquellen<br />
konventioneller Bauart im Einsatz.<br />
Mit dem Vormarsch der neuen Digitaltechnik und der modularen Bauweise, wird die Bedienerfreundlichkeit und die<br />
Flexibiltät weiter verbessert sowie ein Datenaustausch von Schweißparametern und Servicedaten zwischen PC<br />
und Stromquelle stark vereinfacht. Diese Entwicklung wird sich im 3. Jahrtausend weiter fortsetzen und konventionelle<br />
Technik weiter verdrängen.<br />
1. Stromquellenbauarten und Schweißverfahren<br />
Bild 1 zeigt in einer Übersicht die heute vorwiegend<br />
eingesetzten Stromquellenbauarten zum Lichtbogenschweißen<br />
und die mit diesen Bauarten ausführbaren<br />
Schweißverfahren.<br />
Es ist ersichtlich, daß auch mit konventionellen<br />
Stromquellen eine Vielzahl von Schweißverfahren<br />
abgedeckt werden kann. Es ist aber auch zu beachten,<br />
daß diese Schweißgeräte immer auf einen bestimmten<br />
Schweißprozeß (z.B. MIG/MAG) optimiert<br />
sind und ihr statisches und dynamisches Verhalten<br />
sowie die Stromquellencharakteristik durch die Bauweise<br />
des Transformators und Auslegung der<br />
Schweißdrossel fest bestimmt ist. Daher sind konventionelle<br />
Geräte zum MIG/MAG-Schweißen im Leistungsteil<br />
und in der Logik-Steuerung immer bauartverschieden<br />
zu den auf derselben Technik basierenden<br />
WIG-Geräten.<br />
Elektronische, transistorisierte Schweißstromquellen<br />
dagegen sind in ihrem Schweißverhalten neutral; d.h.<br />
mit identischen Leistungsteilen läßt sich, allein schon<br />
durch Variation der Ansteuerung eine echte Konstant-<br />
Spannungs-Charakteristik zum MIG/MAG-Schweißen<br />
oder eine echte Konstant-Strom-Charakteristik zum<br />
WIG-Schweißen sowie sämtliche Zwischenformen<br />
verwirklichen. Diese Art von Schweißgeräten ist damit<br />
wirklich multifunktionsfähig<br />
STROMQUELLENTYP SCHWEISSVERFAHREN<br />
TRANSFORMATOR<br />
Streukern/Stufengesch.<br />
TRANSFORMATOR /<br />
GLEICHRICHTER<br />
Stufengeschaltet<br />
TRANSFORMATOR /<br />
THYRISTOR<br />
Stufenlos<br />
TRANSISTOR<br />
ANALOG<br />
SEKUNDÄR GETAKTET<br />
PRIMÄR GETAKTET<br />
Stabelektroden<br />
MSG: MIG, MAGM,<br />
MAGC, MOG<br />
Stabelektroden<br />
MSG: MIG, MAGM,<br />
MAGC [MIGpuls,<br />
MAGpuls], MOG<br />
WIG: DC- / DC+ / AC<br />
PLASMA: DC- / DC+ AC<br />
Stabelektroden<br />
MSG: MIG, MAGM,<br />
MAGC [MIGpuls,<br />
MAGpuls], MOG<br />
WIG: DC- / DC+ / AC<br />
PLASMA: DC- / DC+ AC<br />
Stabelektroden<br />
Bild 1. Übersicht Stromquellen zum Lichtbogenschweißen<br />
© 2003 <strong>EWM</strong> HIGHTEC WELDING GmbH 1/8 WM029800.doc; 08.03
Die gleichen Bauarten von Stromquellen zum Lichtbogenschweißen<br />
können auch zum Lichtbogenschneiden<br />
eingesetzt werden. Aufgrund der wesentlich<br />
höheren Lichtbogenspannungen beim Schneiden<br />
müssen sowohl konventionelle als auch transistorisierte<br />
Stromquellen im Aufbau ihrer Leistungsteile auf<br />
den Schneidprozeß ausgelegt werden. Im weiteren<br />
soll jedoch nur noch auf Stromquellen zum Lichtbogenschweißen<br />
eingegangen werden.<br />
1.1 Transformatoren<br />
Der Transformator (Bild 2a) war eine der ersten Bauformen<br />
von Schweißgeräten, die einphasige Netzspannungen<br />
in die zum Schweißen benötigten hohen<br />
Ströme und niedrige Spannungen umwandelten.<br />
Bild 2a. Blockschaltbilder konventioneller Schweißstromquellen<br />
Da nur Wechselstrom und Wechselspannung auf der<br />
Sekundärseite anliegt, werden mit Transformatoren<br />
ausschließlich umhüllte Stabelektroden verschweißt.<br />
Die Leistungsverstellung erfolgt in aller Regel über<br />
einen mechanisch verstellbaren Streukern, der das<br />
Magnetfeld im Transformatorkern beeinflußt und so<br />
die Ausgangsleistung verändert.<br />
Das hohe Leistungsgewicht von etwa 1kg/Ampere, die<br />
fehlende Fernregelbarkeit, der geringe Wirkungsgrad<br />
(hohe Stromkosten), die hohe Blindleistungsaufnahme<br />
und die unsymmetrische Netzbelastung an dreiphasigen<br />
Netzen sowie fehlende Netzspannungskompensation<br />
sind beim Transformator von Nachteil. Allerdings<br />
sind Transformatoren preiswert herzustellen<br />
und wegen nur weniger bewegter Teile und fehlender<br />
Steuerplatinen robust und praktisch unverwüstlich.<br />
Vor allem im Schiffbau, wo beim Schweißen mit umhüllten<br />
Stabelektroden mit Wechselstrom die häufig<br />
auftretende magnetische Blaswirkung gemindert oder<br />
kompensiert wird, finden sie auch weiterhin ihre Anwendung.<br />
1.2 Transformator mit ungesteuertem<br />
Gleichrichter<br />
Diese Stromquellenbauart wird, trotz aller Fortschritte<br />
in der Stromquellentechnik, weiterhin zum MIG/MAG-<br />
Schweißen am häufigsten eingesetzt. In vielen Leistungsstufen<br />
von 140 A als Einphasen-Anlagen mit<br />
geringer Einschaltdauer bis 600 A mit 100% Ein-<br />
schaltdauer, deckt diese Bauform einen weiten Bereich<br />
der Anwendungen vom „Do it yourself“ bis zum<br />
industriellen Gebrauch ab. In Bild 2b ist das Prinzip<br />
dargestellt.<br />
Bild 2b. Blockschaltbilder konventioneller Schweißstromquellen<br />
Die Leistungsverstellung wird primärseitig über einen<br />
oder mehrere Stufenschalter vorgenommen. Je höher<br />
die Anzahl der Schaltstufen, desto feiner läßt sich die<br />
Maschine auf die jeweilige Schweißaufgabe abstimmen.<br />
Heute sind 30 bis 40 Schaltstufen für Industrieanlagen<br />
gebräuchlich. Der robuste und preiswerte<br />
Aufbau gewährleistet lange Lebensdauer und macht<br />
die Nachteile wie hohes Leistungsgewicht, nur mittlerer<br />
Wirkungsgrad, mittlere Blindleistungsaufnahme<br />
und fehlende Fernregelbarkeit wett.<br />
Aufgrund des hohen Marktanteils werden auch die<br />
stufengeschalteten Schweißgeräte ständig weiterentwickelt.<br />
Die Entwicklung konzentriert sich zum einen<br />
auf die Optimierung von Transformator und Schweißdrossel,<br />
um die Schweißeigenschaften weiter zu verbessern,<br />
aber auch um zum Beispiel die Vorteile des<br />
als Schutzgas zum MAG-Schweißen zumindest in<br />
Westeuropa etwas in Vergessenheit geratene CO2<br />
nutzen zu können, zum anderen auf den Einsatz moderner<br />
Steuerungstechnologie um die Handhabung zu<br />
erleichtern und auch die Zündeigenschaften zu verbessern.<br />
© 2003 <strong>EWM</strong> HIGHTEC WELDING GmbH 2/8 WM029800.doc; 08.03
Bild 3 zeigt moderne stufengeschaltete MIG/MAG-<br />
Geräte, optimiert für alle gängigen Schutzgase einschließlich<br />
CO2 und die Werkstoffe C-Stahl, CrNi-<br />
Stahl und Aluminium.<br />
Bild 3. Stufengeschaltete MSG-Geräte<br />
Diese Anlagen können mit einer modernen Mikroprozessor-<br />
Steuerung zu Einknopf- Maschinen aufgerüstet<br />
werden (s. Bild 4).<br />
Bild 4. Programmierte Steuerung<br />
Die Elektronik übernimmt die optimale Abstimmung<br />
der Drahtvorschub-Geschwindigkeit auf die gewünschte<br />
Spannungsstufe gemäß der Vorwahl von zu<br />
verschweißendem Material, Drahtdurchmesser und<br />
Schutzgasart. So werden selbst ungeübte Schweißer<br />
in die Lage versetzt, ihre Schweißmaschine perfekt<br />
einzustellen. Bei der Wahl der Spannungsstufe wird<br />
der Schweißer ebenfalls abhängig vor den Vorgaben<br />
geführt. Als Vorgabegrößen können die zu verschweißende<br />
Blechdicke, die Drahtvorschub-<br />
Geschwindigkeit oder die einzustellende Schweißspannung<br />
gewählt werden. Die für die vorliegende<br />
Schweißaufgabe beste Drosselanzapfung wird ebenfalls<br />
vorgeschlagen.<br />
Da die Schweißenergie über die Drahtvorschub-<br />
Geschwindigkeit elektronisch den jeweiligen Spannungsverhältnissen<br />
automatisch permanent angepaßt<br />
wird, ist auch bei schwankenden Netzspannungen<br />
immer eine gute Schweißnahtqualität zu erzielen. Der<br />
Zündvorgang wird ebenfalls gemäß den Vorgaben<br />
Material, Schutzgas und Drahtdurchmesser optimal<br />
gesteuert.<br />
Große, weithin lesbare Digital-Anzeigen mit Speicherfunktion<br />
für die verschiedenen Schweißparameter<br />
oder die Randbedingungen runden die Funktionalität<br />
dieser modernen Steuerungsvariante ab. Selbstverständlich<br />
kann diese auch auf die bekannte Zweiknopf-Einstellung<br />
umgeschaltet werden.<br />
1.3 Transformator mit Thyristorbrücke<br />
Einen weiteren Schritt in der Stromquellen-<br />
Technologie bedeutete die Nutzung von steuerbaren<br />
Gleichrichtersätzen (Thyristor-Brücken) mit vorgeschaltetem<br />
Netztransformator.<br />
Wurden anfangs aus Kostengründen drei Thyristoren<br />
und drei Dioden als Halbbrücke geschaltet eingesetzt,<br />
hat sich heute die Vollbrücke mit sechs Thyristoren<br />
durchgesetzt (Bild 2c).<br />
Bild 2c. Blockschaltbilder konventioneller Schweißstromquellen<br />
Die durch Phasenanschnitt- Steuerung stufenlose<br />
Steuerung der Ausgangsleistung, Fernregelbarkeit<br />
und Leitspannungsfähigkeit sowie die robuste Technik<br />
führten zu einer weiten Verbreitung dieser Stromquellen-Technologie.<br />
Vor allem durch die fernsteuerbare<br />
stufenlose Leistungsverstellung wurde das vollmechanisierte<br />
und das Schweißen mit Robotern unter<br />
Einsatz dieser Stromquellen vorangetrieben.<br />
Gebaut wurden und werden Geräte zum Stabelektroden-Schweißen,<br />
zum MIG/MAG-Schweißen, zum<br />
WIG-Schweißen mit Gleichstrom und auch Wechselstrom,<br />
wobei zum WIG- Wechselstrom- Schweißen<br />
sowohl einphasige als auch dreiphasige Netzanschlüsse<br />
verwirklicht werden, sowie Geräte zum<br />
Plasma-Schweißen und Plasma- Schneiden.<br />
Bei den kurzschlußbehafteten Schweißprozessen wie<br />
dem Stabelektroden- und MIG/MAG-Schweißen wirkt<br />
sich die, an die Netzfrequenz gebundene langsame<br />
Regelgeschwindigkeit, sowie die große Oberwelligkeit<br />
bei kleinen Schweißströmen wesentlich stärker nach-<br />
© 2003 <strong>EWM</strong> HIGHTEC WELDING GmbH 3/8 WM029800.doc; 08.03
teilig aus, als bei den kurzschlußfreien Prozessen wie<br />
WIG- und Plasma-Schweißen.<br />
1.4 Transistor-Technik<br />
Mit der Verfügbarkeit preiswerter und robuster Leistungstransistoren<br />
konnte die Forderung nach hohen<br />
Regelgeschwindigkeiten, stufenloser Regelbarkeit,<br />
universeller Einsetzbarkeit und geringen Verlusten<br />
auch im Schweißstromquellenbau wirtschaftlich realisiert<br />
werden.<br />
1.4.1 Transistor analog<br />
Die ersten transistor- geregelten Schweißstromquellen<br />
waren sogenannte Analog- Maschinen. Eine Vielzahl<br />
von kleinen Transistoren im Schweißstromkreis<br />
arbeitete als sehr schnell veränderlicher Widerstand<br />
und ermöglichte so praktisch beliebige Verläufe des<br />
Sekundärstromes. Auch die Stromquellen- Charakteristik<br />
war über die Ansteuerung der Transistor- Kaskade<br />
von der Konstant- Spannungs- Kennlinie bis zur<br />
Konstant- Strom- Kennlinie stufenlos veränderbar.<br />
Die unübertroffen hohe Regelgeschwindigkeit und<br />
damit sehr präzise steuerbare Ausgangsleistung<br />
konnte jedoch den gravierenden Nachteil dieser<br />
Technologie nicht wett machen. In der als ohmscher<br />
Widerstand arbeitenden Transistorkaskade treten<br />
extrem hohe Verlustleistungen auf, die über einen<br />
eigenen Kühlkreislauf an die Umgebung abgeführt<br />
werden müssen und so einen sehr schlechten Wirkungsgrad,<br />
der je nach Betriebszustand unter 40 %<br />
liegen kann, verursachen.<br />
Da diese Geräte über einen 50 Hz Transformator am<br />
Netz angeschlossen werden und wegen des Transistor-<br />
Kühlkreislaufs bauten die Analog- Maschinen<br />
noch größer und schwerer als die konventionellen<br />
Thyristor- Geräte. Diese beiden Tatsachen führten<br />
dazu, daß diese Technologie heute praktisch vom<br />
Markt verschwunden ist und durch die getakteten<br />
Maschinen abgelöst wurde.<br />
1.4.2 Transistor sekundär getaktet<br />
Die Entwicklung leistungsstarker Schalttransistoren<br />
führte auch aus den vorgenannten Gründen konsequenterweise<br />
zu einem weiteren Schritt vorwärts in<br />
der Technologie der elektronischen Schweißstromquellen,<br />
den getakteten Maschinen.<br />
Bei diesen Geräten werden die Transistoren als<br />
schnell ansteuerbare und schnell reagierende Schaltelemente<br />
genutzt.<br />
Ein sekundär getaktetes Leistungsteil weist wie eine<br />
konventionelle Stromquelle einen Drehstromtransformator<br />
auf. Die Sekundärspannung wird mit Silizium-<br />
Dioden gleichgerichtet und in einer Kondensatorbank<br />
geglättet. Die Leistungsverstellung erfolgt über die<br />
Schalttransistoren, die normalerweise mit mindestens<br />
20 kHz ein- und ausgeschaltet, d.h. getaktet werden.<br />
Die Höhe der Ausgangsleistung wird bestimmt durch<br />
das Tastverhältnis, also das Verhältnis der Zeiten in<br />
denen die Transistoren ein- bzw. ausgeschaltet sind.<br />
Über eine mechanische Drossel wird die durch das<br />
Takten bewirkte Oberwelligkeit geglättet. Bild 5 zeigt<br />
ein Blockschaltbild dieser Stromquellen-Technologie.<br />
Bild 5. Blockschaltbild einer sekundär getakteten Stromquelle<br />
An den Transistoren treten nur geringe Verluste im<br />
eingeschalteten Zustand und während des Schaltvorganges<br />
selbst auf. Daher arbeiten diese Geräte in<br />
allen Betriebszuständen mit einem sehr guten Wirkungsgrad.<br />
Ihr Leistungsgewicht und das Bauvolumen<br />
ist vergleichbar mit dem der konventionellen Thyristor-<br />
Maschinen<br />
1.4.3 Transistor primär getaktet<br />
Die historisch neueste Bauform von Schweißstromquellen<br />
ist die primärseitig getaktete Maschine, auch<br />
Inverter genannt. Der Aufbau unterscheidet sich stark<br />
von dem der konventionellen und auch der sekundär<br />
getakteten Stromquelle (s. Bild 6).<br />
Bild 5. Blockschaltbild einer primär getakteten Stromquelle<br />
Die vom Versorgungsnetz kommende Wechsel- oder<br />
Drehspannung von 50 oder 60 Hz wird zunächst<br />
gleichgerichtet und geglättet. Die Leistungsverstellung<br />
erfolgt noch auf der Primärseite über Schalttransistoren,<br />
welche die Zwischenkreis- Gleichspannung in<br />
eine hochfrequente Wechselspannung von 20 bis 100<br />
kHz umwandeln. Diese wird im Transformator auf die<br />
Schweißspannung herunter transformiert, im Sekundärgleichrichter<br />
erneut gleichgerichtet und dem Lichtbogen<br />
zugeführt, wobei die durch die Taktfrequenz<br />
bedingte Oberwelligkeit durch eine Drossel geglättet<br />
wird.<br />
© 2003 <strong>EWM</strong> HIGHTEC WELDING GmbH 4/8 WM029800.doc; 08.03
Bedingt durch die Tatsache, daß die primärseitig angeordneten<br />
Transistoren nur kleine Ströme zu schalten<br />
und zu führen haben und der Transformator aufgrund<br />
der hohen Frequenz praktisch keine Magnetisierungsverluste<br />
erzeugt, wird der Wirkungsgrad dieser<br />
Maschinen gegenüber den sekundär getakteten<br />
Geräten nochmals verbessert.<br />
Der entscheidende Vorteil des Inverters liegt jedoch in<br />
seiner geringen Baugröße und in seinem Leistungsgewicht.<br />
Wiederum bedingt durch die hohe Betriebsfrequenz<br />
des Transformators baut dieser wesentlich<br />
kleiner und leichter als ein 50 Hz Transformator gleicher<br />
Leistung.<br />
Mit der Invertertechnik lassen sich also leistungsfähige<br />
Schweißgeräte für alle Prozesse herstellen, die<br />
erstaunlich klein und leicht sind und sich problemlos<br />
transportieren lassen. Bild 7 zeigt ein Gerät zum Verschweißen<br />
von umhüllten Stabelektroden mit einer<br />
Leistung von 140 Ampere bei 40% Einschaltdauer<br />
und einem Gewicht von nur 4,5 kg.<br />
Bild 7. Inverter-Schweißgerät<br />
In Bild 8 ist eine WIG- Maschine von 160 Ampere und<br />
40% Einschaltdauer dargestellt, welches alle Funktionen<br />
zum professionellen WIG-Schweißen eingebaut<br />
hat und nur 11 kg auf die Waage bringt.<br />
Bild 8. Inverter-WIG-Schweißgerät<br />
Diese Baustellengeräte tolerieren Netzspannungsschwankungen<br />
von –40% bis +15% der Nenn-<br />
Netzspannung von 230 V; arbeiten also auch noch bei<br />
138 V bis hinauf zu 265 V ohne auf Störung zu schalten<br />
und sind damit zum Betrieb an sehr langen Netzzuleitungen<br />
und an Stromerzeugern bestens geeignet.<br />
Eine zusätzliche spezielle Ladeschaltung (PFC = Power<br />
Factor Correction = Patent von <strong>EWM</strong> HIGH -<br />
TECH- PRECESION) für den Gleichspannungszwischenkreis<br />
(s. Bild 6) bewirkt eine sinusförmige phasengleiche<br />
Stromaufnahme aus dem Versorgungsnetz<br />
und ermöglicht es, aus einem 230 V Netzanschluß<br />
bis zu 210 Ampere Schweißstrom mit einem<br />
cos phi von 1 zu entnehmen, ohne eine träge 16 A<br />
Sicherung zu überlasten.<br />
Die hohe Regeldynamik der primär getakteten<br />
Schweißgeräte ermöglicht auch die Nachbildung der<br />
Schweißeigenschaften konventioneller Geräte auf<br />
elektronischem Weg, ohne große Kupfer- und Eisenvolumina<br />
verwenden zu müssen.<br />
Bild 9. Inverter-Schweißgerät, fallnahtsicher<br />
Die in Bild 9 gezeigte Maschine ist zum Beispiel in<br />
ihrem dynamischen Verhalten dem eines Umformers<br />
nachgebildet und somit auch speziell zum Verarbeiten<br />
von cellulose-umhüllten Stabelektroden in der Fallnahtposition<br />
bei der Rohrverlegung im Feld geeignet.<br />
Für diese Anwendung ist natürlich auch der problemlose<br />
Betrieb am Stromgenerator gewährleistet.<br />
2. Modulares, voll digitalisiertes Stromquellensystem<br />
Neben moderner Leistungselektronik hat auch die<br />
Computer- und die moderne Kommunikations- Technologie<br />
in die Schweißstromquelle Einzug gehalten.<br />
Die Vielzahl der heute verwendeten Werkstoffe, der<br />
eingesetzten Schweißprozesse und der Anwendungsmöglichkeiten<br />
sowie steigende Qualitätsanforderungen<br />
und der damit verbundenen Forderung nach<br />
Dokumentation bedingt eine Steuerungstechnik, die<br />
zum einen gleichbleibende Prozeßstabilität in allen<br />
Parametern und Verfahren garantiert und zum anderen<br />
dem Anwender die Einstellung und Bedienung der<br />
Maschine soweit wie möglich erleichtert.<br />
Gerade moderne Multifunktionsanlagen weisen eine<br />
große Anzahl von Einstellparametern auf, so daß der<br />
normale Schweißer häufig überfordert ist und die<br />
Möglichkeiten, die moderne Stromquellentechnik ihm<br />
bietet, nicht voll auszunutzen in der Lage ist.<br />
Bild 10 zeigt eine moderne Bedienoberfläche eines<br />
Multifunktions- Leistungsteils modernster Bauart.<br />
© 2003 <strong>EWM</strong> HIGHTEC WELDING GmbH 5/8 WM029800.doc; 08.03
500A 49,9V<br />
1<br />
Spezial<br />
F<br />
MIG/MAG<br />
GMAW<br />
MSG-Löten<br />
GMA-Brazing<br />
Auftragsschw.<br />
GMA-Surfacing<br />
SG2/3<br />
G3/4 Si1<br />
CrNi<br />
CrNiMn<br />
0,8<br />
0,9<br />
1,0<br />
CO CO2 2<br />
Ar/CO 2<br />
Ar/O 2<br />
Ar/CO 2 /O 2<br />
100%<br />
80-90% Ar<br />
91-99% Ar<br />
Mode<br />
2<br />
Metal<br />
Rutil<br />
Fülldraht<br />
Flux-Cored<br />
Wire<br />
CuSi<br />
CuAl<br />
1,2<br />
1,6<br />
Ar<br />
Ar/N 2<br />
Ar/He/N 2<br />
100%<br />
0-2% NN2 2<br />
0<br />
S<br />
Basic<br />
WIG/TIG<br />
AlMg<br />
AlSi<br />
SP1<br />
SP2<br />
Ar/He<br />
Ar/He/O 2<br />
Ar/He/CO 2<br />
15-70% He<br />
15-30% He<br />
Superpuls<br />
E-Hand/MMA<br />
Al99 SP3<br />
Ar/He/H Ar/He/H 2 2/CO /CO 2 1-5% HH2 2<br />
M310<br />
A<br />
a/z<br />
V<br />
M A<br />
Job Nr<br />
Hold<br />
Bild 10. Bedienoberfläche eines Multifunktions-Leistungsteil<br />
Voll digitalisiert, übernimmt ein programmiertes Expertensystem<br />
die Prozeß- Steuerung. Zum MIG/MAG-<br />
Schweißen gibt der Anwender, geführt vom Leuchdioden<br />
über die Folientastatur das Verfahren, das zu<br />
verschweißende Material, den Drahtdurchmesser und<br />
das verwendete Schutzgas ein. Nach einem mathematischen<br />
Modell des Lichtbogens errechnet der Prozessor<br />
die optimalen Parameter. Ungebräuchliche<br />
oder unlogische Kombinationen werden nicht zugelassen.<br />
Mit einer Regelfrequenz von 50 kHz werden die tatsächlichen<br />
Lichtbogenparameter mit den Berechnungen<br />
des Lichtbogenmodells verglichen und nachgeregelt..<br />
Das hochdynamische Leistungsteil gleicht eventuelle<br />
Bild 11. Modulares Stromquellen-System<br />
Abweichungen in wenigen Mikrosekunden aus und<br />
S<br />
1<br />
optimiert damit zu jedem Zeitpunkt den Lichtbogen.<br />
Dieses Regelprinzip mit Hilfe des mathematischen<br />
Lichtbogenmodells wurde unter dem Namen Integralprozeß<br />
bekannt<br />
Die großen Digitalanzeigen ermöglichen nicht nur das<br />
Ablesen der prozeßrelevanten Größen vor, während<br />
und nach dem Schweißen (Hold- Funktion) sondern<br />
unterstützen auch den Schweißer mit Hilfe des integrierten<br />
Expertensystems beim Auffinden des richtigen<br />
Arbeitspunktes. So kann zum Beispiel über die<br />
Eingabe der zu verschweißenden Blechdicke sofort<br />
der richtige Arbeitspunkt gefunden werden.<br />
Über das gewünschte A- Maß läßt sich der entsprechende<br />
Arbeitspunkt ebenso schnell auffinden; die<br />
dazugehörige Schweißgeschwindigkeit wird automatisch<br />
berechnet.<br />
Eine MIG/MAG- Schweißaufgabe wird im Job- Betrieb<br />
abgehandelt. Ein Job wird bestimmt durch das Verfahren,<br />
den zu verschweißenden Werkstoff, den Drahtdurchmesser<br />
und das verwendete Schutzgas.<br />
Zu einem Job gehören immer ein separat einstellbarer<br />
Start- Arbeitspunkt, ein Slope- Zeit zum nächsten<br />
Arbeitpunkt, eine Slope- Zeit zum ebenfalls separat<br />
einstellbaren Endkrater- Arbeitspunkt sowie der Endkrater-<br />
Arbeitspunkt selbst. In jedem Job sind acht<br />
einzelne Schweißarbeitspunkte programmierbar, die<br />
über den Schweißbrenner abgerufen werden können<br />
und am Brenner angezeigt werden. Möglich ist natürlich<br />
auch eine stufenlose Leistungsverstellung innerhalb<br />
eines Jobs über ein im Brennerhandgriff integriertes<br />
Potentiometer oder über diverse Fernregler-<br />
systeme.<br />
© 2003 <strong>EWM</strong> HIGHTEC WELDING GmbH 6/8 WM029800.doc; 08.03
Neben den fest programmierten Jobs können für spezielle<br />
Anwendungen noch bis zu 128 freie Jobs vom<br />
Anwender direkt und ohne Hilfsmittel programmiert<br />
werden. Frei programmierbare Funktionen sowie das<br />
Superpuls- Schweißen sind standardmäßig eingebaut.<br />
Wie schon anfangs erwähnt, verhalten sich moderne<br />
elektronische Transistor- Stromquellen prozeßneutral.<br />
Damit kann, wie in Bild 11 gezeigt, basierend auf immer<br />
dem gleichen Leistungsteil ein modulares Stromquellen-System<br />
verwirklicht werden, welches hinsichlich<br />
Flexibilität und Unversalität keine Wünsche mehr<br />
offenläßt.<br />
Auswechselbare Bedienoberflächen mit auf softwarebasierender<br />
Logik für jeden Schweißprozeß, prozeßspezifische<br />
Hardware- Module wie zum WIG- Gleichstrom-,<br />
zum WIG- Wechselstrom- Schweißen, sowie<br />
zum Plasma-Schweißen lassen sich frei kombinieren<br />
mit auf die Prozeßleistung abgestimmten Brenner-<br />
Kühlsystemen, Drahtvorschubgeräten zum manuellen,<br />
mechanisierten und Robot-Schweißen und Peripheriegeräten<br />
wie zum Beispiel Fahrwagen und Fernstellern.<br />
Eine Leistungserhöhung ist durch Parallel- Schaltung<br />
zweier oder mehrerer Basis- Leistungsteile problemlos<br />
möglich. Zum MIG/MAG- Doppeldraht- oder Tandem-<br />
Schweißen können ebenfalls zwei Leistungsteile<br />
und Drahtvorschubsysteme parallel betrieben werden.<br />
Die Verschaltung der möglichen Kombinationen ist<br />
denkbar einfach. Über ein systeminternes Kommunikations-<br />
System (Bus) erkennt der Zentral- Prozessor<br />
im Leistungsteil die tatsächlich angeschlossenen Systemkomponenten.<br />
Durch diese automatische Modulerkennung<br />
ist ein Plug & Play- Betrieb, wie man ihn<br />
von modernen PC’s kennt realisierbar.<br />
Die vollkommene Digitalisierung des Systems eröffnet<br />
viele Möglichkeiten der Kommunikation im System<br />
selbst, wie oben beschrieben, aber auch bidirektional<br />
nach außen. Über eine Bus- Schnittstelle kann das<br />
System an alle gängigen Industriebus- Systeme angebunden<br />
werden. So sind Roboter- Schweißzellen<br />
oder Schweißstraßen ohne großen Verkabelungsaufwand<br />
zu realisieren. Durch die Vernetzung über ein<br />
Bus- System ist die on- line Programmierung der<br />
Schweißprozeßparameter und die Qualitätüberwachung<br />
problemlos durchzuführen (Bild 12).<br />
Eine PC- und ISDN-Schnittstelle erweitert die Möglichkeiten<br />
auf eine praktisch weltweite Datenkommunikation.<br />
Über das Internet oder die drahtlose Telekommunikation<br />
kann das System unabhängig vom<br />
jeweiligen Standort umprogrammiert oder mit neu<br />
entwickelten Programmen und updates versehen<br />
werden. Diese Schnittstelle ermöglicht auch bei eventuell<br />
auftretenden Problemen durch externe Kommunikation<br />
mit dem integrierten Service- System eine<br />
Ferndiagnose oder Eingrenzung der Fehlerquelle.<br />
Bild 12. Datenkommunikation durch Digitalisierung<br />
Ein solches modulares Stromquellen- System bietet<br />
sowohl für Anwender in den verschiedenen Industriebereichen<br />
als auch dem Hersteller vielfältige Vorteile.<br />
Dem Anwender stehen preiswerte und beliebig konfigurierbare<br />
Basisgeräte für alle Schweißverfahren zur<br />
Verfügung, da durch die Produktion der immer gleichen<br />
Leistungsmodule in hohen Stückzahlen eine<br />
Reduzierung der Herstellkosten bewirkt. wird. Auf<br />
wechselnde Anforderungen kann durch Zukauf von<br />
Erweiterungsmodulen flexibel reagiert werden. Ein<br />
schneller Service im Fehlerfall durch Ferndiagnose<br />
und durch die problemlose Austauschbarkeit von Modulen<br />
erhöht die Verfügbarkeit der Anlagen. Durch die<br />
Möglichkeit, jederzeit und an jedem Ort ein update der<br />
Software über Internet ober ISDN durchzuführen,<br />
kann das System immer auf dem neuesten Stand der<br />
Erkenntnisse gehalten werden.<br />
© 2003 <strong>EWM</strong> HIGHTEC WELDING GmbH 7/8 WM029800.doc; 08.03
3. Ausblick<br />
Mit dem heutigen Stand der Technik hat die Forschung<br />
und Entwicklung auf dem Gebiet der<br />
Schweißstromquellen- Technik sicherlich noch nicht<br />
ihren Abschluß gefunden. Weiterentwicklungen in der<br />
Technologie der Leistungshalbleiter, die zu noch höheren<br />
Taktfrequenzen bei weiterer Reduzierung der<br />
Leitungs- und Schaltverluste sowie weiterer Vereinfachung<br />
der Ansteuerung führen werden, dürften auch<br />
in der <strong>Schweißtechnik</strong> ihre Anwendung finden. Noch<br />
kleinere, aber auch leistungsfähigere Geräte mit weiter<br />
reduzierten Verlustleistungen und noch besserer<br />
Wirkungsgrade sind im Hinblick auf die Schonung<br />
unserer Energie- und Rohstoff- Vorräte schon in Vorbereitung.<br />
Die Einführung von Lebenszyklus- Analysen<br />
schon in der Entwicklungsphase neuer Produkte,<br />
sowie Untersuchungen zum Ersatz primärer durch<br />
recycelter Rohstoffe zielen in dieselbe Richtung.<br />
Weiterentwicklungen zur Erhöhung der Stromquellendynamik,<br />
die sehr hohe Pulsfrequenzen und Strom-<br />
amplituden im Lichtbogen auch bei großen Schweißkreis-<br />
induktivitäten zulassen, werden dazu führen,<br />
daß die Lichtbogenschweißprozesse WIG und Plasma<br />
in Anwendungsbereiche vorstoßen können, die heute<br />
noch der Lasertechnik vorbehalten sind.<br />
Die zunehmende Leistungsfähigkeit moderner Mikroprozessoren<br />
eröffnet auch in der Steuerungstechnik<br />
neue Möglichkeiten. Selbstlernende neuronale Netze,<br />
eingesetzt zur Führung von Schweißprozessen beliebiger<br />
Art nach vorgegebenen Prozeßgrößen, können<br />
zum Beispiel nach dem Erlernen der Einflüsse von<br />
Materialart, Schutzgas und Drahtdurchmesser auf die<br />
Prozeßführung, diese Erfahrungen in Regelalgorithmen<br />
für andere Kombinationen umsetzen, ohne daß<br />
diese explizit geschweißt werden müssen und auf<br />
diese Weise den Schweißprozeß vor allem in seinen<br />
nichtlinearen dynamischen Zusammenhängen schneller<br />
und präziser regeln als herkömmliche Steuerungen.<br />
Die elektrischen und mechanischen Parameter eines<br />
Schweißprozesses liegen heute meist schon in digitaler<br />
und damit in für Prozessoren verständlicher Form<br />
vor. Wird mit den heute vorhandenen Möglichkeiten<br />
dazu noch das optische und akustische Erscheinungsbild<br />
des Lichtbogens in digitale Form überführt,<br />
werden auch diese Informationen für ein Rechnersystem<br />
verarbeitbar und können zur Prozeßsteuerung<br />
und Prozeßoptimierung verwendet werden.<br />
© 2003 <strong>EWM</strong> HIGHTEC WELDING GmbH 8/8 WM029800.doc; 08.03