Schweißkennlinie verbessert das Lichtbogenverfahren

Impulslichtbogen und Standardsprühlichtbogen ohne Übergangslichtbogen

Mit PCS (Pulse Controlled Spray arc) hat Fronius eine Kennlinie entwickelt, die den Impuls- und den Standardsprühlichtbogen ohne Übergangslichtbogen zusammenführt. Das bringt im Vergleich zu herkömmlichen Kennlinien deutliche Vorteile: mehr Flexibilität hinsichtlich der Einstellparameter und bei der Wahl der Blechdicken, höhere Abschmelzleistungen und damit Produktivitätssteigerungen sowie eine höhere und reproduzierbare Qualität der Schweißergebnisse.

Im Fokus der Entwicklung von PCS stand vor allem das Hochleistungsschweißen. Das besondere Merkmal der neuen Kennlinie ist ihre hohe Variabilität und das außergewöhnlich große Einstellfenster im oberen Leistungsbereich.

Kennlinie stellt Arbeitspunkt im Bereich des Impulslichtbogens zum Schweißen dünner Bleche ein

Für das Schweißen von dünnen Blechen stellt sie einen Arbeitspunkt im Bereich des Impulslichtbogens ein und vermeidet so ein Überhitzen des Grundwerkstoffs. Beim Schweißen dicker Bleche kann der Anwender wahlweise gleich zu Beginn des Schweißvorgangs mit dem „aggressiven“ Sprühlichtbogen arbeiten oder den Prozess mit abgesenkter Leistung, beispielsweise von 50%, starten.

Anschließend steigert er dann die Leistung nach einem frei wählbaren Zeitraum, entweder manuell oder selbsttätig über den Job gesteuert, auf den Arbeitspunkt der Kennlinie. Zum Füllen des Endkraters beim Nahtabschluss senkt die Kennlinie die Leistung wieder entsprechend ab.

Gespeicherte Schweiß-Parameter für neue Jobs abrufbar

Der gesamte Ablauf lässt sich als Job für das Schweißen gleicher Werkstücke speichern. So ist sichergestellt, dass stets die korrekten Parameter für die unterschiedlichen Jobs abrufbar sind.

Die wichtigsten Vorteile der neuen Kennlinie sind:

-ihr tieferer Einbrand,

-eine deutlich höhere Abschmelzleistung,

-die variablen Einstellmöglichkeiten beim Schweißen mit Impulslichtbogen und

-ein kurzschlussfreier und spritzerarmer Tropfenübergang bei 1,5 bis 22 m/min Drahtfördergeschwindigkeit.

Einer der ersten Anwender der neuen Kennlinie ist Laempe & Mössner in Meitzendorf, Hersteller von Kernschießmaschinen für die Gießereiindustrie. Da es sich bei den Maschinen überwiegend um Produktionen in Losgröße 1 handelt, setzt der Anlagenbauer auf rein manuelles Schweißen.

Anwender der neuen Kennlinie verschweißt rund 1300 t Stahl pro Jahr

Jährlich verarbeiten 25 Schweißer in der Vorfertigung und vier beim Ausschweißen rund 1300 t Stahl. Dabei handelt es sich überwiegend um die Sorten S 235 und S 355. Hinzu kommen rund 13 t Schweißzusatzwerkstoff G3Si1 und G4Si1. Bei den zu schweißenden Blechen reicht die Spanne von 1 bis 180 mm Dicke.

Für die unterschiedlichen Schweißaufgaben können die Schweißer auf etwa 40 Schweißsysteme von Fronius zurückgreifen. In den Kennlinienspeicher der Trans-Puls Synergic 5000 wurde jetzt die Kennlinie PCS übertragen.

Drahtvorschubgeschwindigkeit durch neue Kennlinie um 30% erhöht

Das Ergebnis: Die Drahtvorschubgeschwindigkeit konnte um gut 30% von 9 auf 13 m/min erhöht und dabei häufig auf Schweißlagen verzichtet werden. Im Vergleich von drei Paaren gleicher Schweißteile, einmal mit konventioneller und einmal mit PCS-Kennlinie, erzielen die Schweißer Zeiteinsparungen zwischen 30 und 54%.

Die höhere Leistung des PCS-Sprühlichtbogens bringt deutliche Vorteile, da die größere Menge an Schmelze die Fugen schneller füllt und wegen der höheren Schweißgeschwindigkeit der Wärmeeintrag pro Längeneinheit geringer ist. Das führt zu geringerem Verzug und reduziert den Aufwand für nachträgliche Richtarbeiten. Auch die wie robotergeschweißt aussehenden, nahezu spritzerfreien Nähte tragen dazu bei, den Aufwand für Nacharbeiten zu mindern.

Neue Kennlinie erhöht Festigkeit und erlaubt mehr Freiheiten bei der Konstruktion

Die PCS-Kennlinie sorgt zudem für größere konstruktive Freiheiten und Festigkeitsverbesserungen. Bei gleicher mechanischer Belastbarkeit der tiefgeschweißten Fügestellen ist jetzt das a-Maß deutlich kleiner und Bohrungen, Gewinde und Schraubenköpfe lassen sich dichter an den anstoßenden Wandungen anordnen.

Die Schweißer betonen als einen der Vorteile der neuen Kennlinie, dass sie trotz der höheren Leistung bei hartem Lichtbogen praktisch spritzerfrei schweißen, was bei normalen Kennlinien nicht möglich war. Weiter sei das Fügen jetzt viel einfacher, weil das Schweißsystem auf Knopfdruck alles Weitere alleine erledigt.

Konventionelle Kennlinien definieren die Zahl der übergehenden Schmelztropfen beim Impulslichtbogen über die Frequenz der Impulse, also der elektrischen Spannungs- und Stromänderungen. Im Bereich des Sprühlichtbogens (zum Beispiel ab 300 Hz) erfolgt dann eine undefinierte, aber sehr hohe Tropfenzahl, bei der sich die Tropfen unabhängig von der Frequenz vom Schweißdraht lösen (sprühen).

Die bisher angebotenen Standardverfahren regeln die Spannung im Sprühlichtbogenbereich konstant. Ein großer Störfaktor bei herkömmlichen Kennlinien ist dabei vor allem der instabile Lichtbogen beim Übergang vom Impuls- zum Sprühlichtbogen. Er sorgt vermehrt für Schweißspritzer.

Frequenz des Impulslichtbogens an die Sprühlichtbogen-Frequenz angeglichen

Die PCS-Kennlinie führt den Impuls- und den Standard-Sprühlichtbogen stufenlos und vor allem ohne Übergangslichtbogen zusammen. Vom reinen Impulslichtbogen kommend, gleicht sie die Frequenz ideal an die des Sprühlichtbogens an und hält dann den Strom konstant.

Der Wegfall des Übergangslichtbogens eliminiert die sonst vermehrt produzierten Schweißspritzer. Ein weiteres Merkmal der neuen Kennlinie ist der sehr kurze und druckvolle Sprühlichtbogen mit seinem schmaleren und tieferen Einbrand.

Als Parameter für die PCS dienen Angaben über Grundwerkstoff, Blechdicke, Schweißzusatzwerkstoff, Drahtdurchmesser und Zusammensetzung des Schutzgases. Der Drahtdurchmesser bestimmt dabei die Drahtgeschwindigkeit in Relation zu den Werkstückdicken und damit die erforderliche Leistung – und die ist ihrerseits abhängig von der Werkstückdicke und der Schweißgeschwindigkeit.

Passende Kennlinien lassen sich für veränderte Rahmenbedingungen speichern

Für von diesem Standard abweichende Rahmenbedingungen sind jeweils passende PCS-Kennlinien definiert und lassen sich bei Bedarf in den Kennlinienspeicher laden. Prinzipiell lässt sich die PCS über die Spannung korrigieren, um eine definierte Lichtbogenlänge zu erzielen. Für die Lichtbogenkorrektur steht vom vorgegebenen Idealwert der Arbeitsspannung ein großes Fenster zur Verfügung.

Mit dem Verändern der Spannung ändern sich auch die elektrische Leistung und damit die Wärmeeinbringung. Schweißtechnisch bietet die PCS noch einen weiteren Vorteil, da sie ein längeres Stickout von bis zu 4 cm ermöglicht.

Manfred Schörghuber ist Entwicklungsingenieur im Bereich Prozesstechnik bei der Fronius International GmbH, A-4600 Wels, Gerd Trommer ist Inhaber des Redaktionsbüros rgt, 64579 Gernsheim.