SpeedPulse – eine produktivitäts- und effizienzsteigernde - IQ Welding

SpeedPulse - MIG/MAG-Weiterentwicklung f
SpeedPulse – eine produktivitäts- und effizienzsteigernde
Weiterentwicklung des MIG-MAG-Impulsschweissens
Die Ergänzung des MIG-MAG-Schweissens durch den Impulslichtbogenprozess
ist bewährt, akzeptiert und wird vielfältig eingesetzt,
bedingt jedoch neben Anwendungs- und Qualitätsvorteilen
auch gewisse Leistungsnachteile. Deshalb sind in bestimmten
Anwendungsbereichen, wie der Verarbeitung von
Stahl, nach wie vor klassische MIG-MAG-Verfahren vorherrschend.
Der neuartige SpeedPulse-Lichtbogen stellt nun eine
erweiterte und verbesserte Verfahrensvariante des Impulsschweissens
dar. Wichtigster Unterschied zur konventionellen
„ein Tropfen pro Impuls“-Philosophie ist das präzis gesteuerte
Nachziehen eines zusätzlichen sekundären, sprühlichtbogenartigen
Werkstoffübergangs im Anschluss an einem gepulsten
primären Führungstropfen. Die Folge sind zahlreiche Praxisvorteile
wie erhöhte Schweissgeschwindigkeit, bessere Nahtqualität,
tieferer Einbrand und höhere Ergonomie.
Dr.-Ing. Birger Jaeschke, Fa. Lorch Schweisstechnik GmbH,
Dipl.-Ing. Klaus Vollrath, freiberuflicher Fachjournalist
Zur Anpassung an die Vielfalt betrieblicher Aufgabenstellungen
kommen beim MIG-MAG-Schweissen unterschiedliche Arbeitsweisen
zur Anwendung. Ihre Typisierung erfolgt in der Regel
nach den Charakteristiken des sich dabei ausbildenden Lichtbogens.
Im unteren Leistungsbereich, d.h. bei niedrigen Strömen
und Spannungen, findet sich der so genannte Kurzlichtbogen.
Kennzeichnend für den Kurzlichtbogen ist ein relativ niedriger
Energieeintrag und regelmässige Kurzschlüsse mit
moderater Spritzerbildung. Im oberen Leistungsbereich wird
der Schweissdraht dagegen ohne Kontakt mit dem Werkstück
heiss aufgeschmolzen und geht feintropfig auf das Werkstück
über. Diese Arbeitsweise ist somit kurzschlussfrei und entsprechend
spritzerarm. Dazwischen befindet sich der Bereich des
Übergangslichtbogens, der bei Mischgasen besonders ausgeprägt
ist. In diesem Bereich treten verstärkt energiereiche Kurzschlussreaktionen
und entsprechend zahlreiche Spritzer auf,
die das Schweissergebnis verschlechtern. Darüber hinaus gibt
es insbesondere im oberen Leistungsbereich noch weitere Verfahrensvarianten
wie das Arbeiten mit rotierendem Lichtbogen,
auf die hier jedoch nicht weiter eingegangen werden soll.
Das Impulslichtbogenverfahren
In der Praxis erzwingen die Randbedingungen des Schweissprozesses
nicht selten das Arbeiten im Bereich des Übergangslichtbogens.
Um die damit einhergehenden Nachteile zu vermeiden,
wurde bereits in den 1960er Jahren der gesteuerte
Impulslichtbogen entwickelt und seither in zahlreichen Varianten
immer weiter verfeinert. Hierbei wird der Schweissstrom
in Form aufeinander folgender Impulse zwischen hohen und
niedrigen Pegeln variiert. Während der Hochstromphase überschreitet
er dabei die kritische Stromstärke zum Sprühlichtbogen
deutlich. Durch den elektromagnetischen Pinch-Effekt löst
sich dabei ein Tropfen von der schmelzenden Drahtelektrode
ab. Der Grundansatz beim Impulslichtbogen ist, dass idealer-
Beim Arbeiten mit SpeedPulse unterbleibt das Spritzerfeuerwerk durch energiereiche
Kurzschlussreaktionen, das für das MIG-MAG-Schweissen im Bereich
des Übergangslichtbogens charakteristisch ist und das Arbeitsergebnis verschlechtert
(Foto: Klaus Vollrath)
Typisierung der beim MIG-MAG-Schweissen zu beobachtenden Lichtbogenarten
(Grafik: Lorch)
Beim konventionellen Impulslichtbogenverfahren erfolgt während der Impulsphase
die präzise gesteuerte Ablösung jeweils einzelner Tropfen (Grafik: Lorch)
Die Leistungsbandbreite des konventionellen Impulslichtbogenverfahrens deckt
sowohl den Bereich des Kurzlichtbogens als auch den des klassischen Übergangslichtbogens
und auch Teile des Sprühlichtbogens ab (Grafik: Lorch)
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SpeedPulse - MIG/MAG-Weiterentwicklung
SpeedPulse-Prinzip: Gegenüber dem „konventionellen“ Impulsverfahren wird
die Leistungssteigerung dadurch erreicht, dass pro Puls mehrere Tropfen übertragen
werden (Grafik: Lorch)
SpeedPulse-Physik: Dem Führungstropfen folgt ein kontrollierter sekundärer
Werkstoffübergang, der abschliessend gesteuert beendet wird, um die Charakteristik
des Impulslichtbogens im wesentlichen zu erhalten (Grafik: Lorch)
Der SpeedPulse in der HighSpeed-Aufnahme: Deutlich zu sehen ist, dass dem
Führungstropfen ein kontrollierter sekundärer Werkstoffübergang folgt, der
abschliessend gesteuert beendet wird (Foto: Lorch)
weise „ein Tropfen pro Puls“ von der abschmelzenden Drahtelektrode
in das Schmelzbad spritzerfrei übergehen soll. Es gibt
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jedoch auch spezielle andere Ausprägungen wie „mehrere Impulse
pro Tropfen“. Regelmässig tritt dieser Zustand beispielsweise
während der Startphase des (noch) nicht eingeschwungenen
Impulslichtbogen-Schweissprozesses auf, wird in der
Regel aber vom ausführenden Schweisser nicht bemerkt. Es
gibt allerdings auch Varianten, bei denen Zwischen- bzw. Zusatzimpulse
eingefügt werden, die keinen Werkstoff von der
Elektrode lösen, aber andere spezielle Effekte hervorrufen sollen.
Zudem gibt es auch Ansätze, die „mehrere Tropfen pro
Puls“ erzeugen. Dies ist z. B. der Fall beim intermittierenden
Sprühlichtbogen, der bestimmte vorteilhafte Effekte wie
Schwingungen des Schmelzbads zur Verbesserung des Ausgasens
der Schmelze und zur Beeinflussung der Kristallisation
hervorrufen soll.
Generell hat sich der Ansatz „ein Tropfen pro Puls“ weitgehend
durchgesetzt, nicht zuletzt deshalb, weil er durch geeignete
Pulsparameter präzise steuerbar und dadurch sehr gut an die
Erfüllung diverser Anforderungen bezüglich Werkstoff, Schutzgas
etc. anpassbar ist.
Von der Leistungsbandbreite her deckt der Impulslichtbogen
den Bereich des klassischen Übergangslichtbogens vollständig
ab, im unteren „kalten“ Leistungsbereich konkurriert er durch
sein nahezu spritzerfreies Verhalten mit dem Kurzlichtbogen,
und im oberen Leistungsbereich sind weitgehend hinreichende
Abschmelzleistungen erzielbar. Zu den charakteristischen Vorteilen
des Verfahrens zählen u. a. hohe Nahtqualität, geringer
Nacharbeitsaufwand und bessere Kontrollierbarkeit des Lichtbogens.
Deshalb hat sich das konventionelle Impulsschweissen,
trotz der höheren Grundinvestition für die Impuls-Schweissanlage,
vor allem im Aluminium- und Edelstahlbereich als vorteilhafte
Alternative zum klassischen MIG-MAG-Schweissen
etabliert.
Leistungsbegrenzung durch Einzeltropfen
Dem qualitativen Vorteil des spritzerarmen Schweissprozesses
steht jedoch auf der anderen Seite als Nachteil eine Begrenzung
der Abschmelzleistung und damit der Arbeitsgeschwindigkeit
gegenüber. Da der Draht nicht kontinuierlich, sondern
immer nur „Tropfen für Tropfen“ aufgeschmolzen wird, ist die
erzielbare Abschmelzleistung beim konventionellen Impulslichtbogen
nach oben „gedeckelt“: Für einen gegebenen Drahtdurchmesser
gibt es eine obere Pulsfrequenz, ab der die Zeit
zwischen den Impulsen nicht mehr ausreicht, um zwischen gesteuerter
oder sprühlichtbogenartig ungesteuerter Tropfenablösung
durch ein hinreichend tiefes Stromniveau zu unterscheiden.
Der Prozess entartet, geht aber nicht in einen sauberen,
reinen Sprühlichtbogen über. Der Schweisser sagt dazu auch,
dass „der Draht an seiner Grenze ist“.
Je nach Aufgabenstellung muss der Anwender daher beim konventionellen
Impulslichtbogen entscheiden, ob der qualitative
Vorteil des spritzerarmen Schweissens den Nachteil einer geringeren
Arbeitsgeschwindigkeit aufwiegt. Aufgrund dieser Historie
bevorzugen nach wie vor zahlreiche Betriebe insbeson-

dere beim Fügen von Kohlenstoffstahl noch die klassischen
MIG-MAG-Verfahren.
SpeedPulse ermöglicht mehr Abschmelzleistung
Durch die jüngste Weiterentwicklung des Impulslichtbogenverfahrens
konnte diese Grenze inzwischen nach oben verschoben
werden. Das von Lorch unter der Bezeichnung „Speed-
Pulse“ entwickelte und eingeführte Verfahren wurde der
Fachöffentlichkeit erstmals auf der „Euroblech 2008“ vorgestellt.
Gegenüber dem „konventionellen“ Impulsverfahren wird
die Leistungssteigerung dadurch erreicht, dass pro Puls mehrere
Tropfen übertragen werden. Dies erfolgt dadurch, dass zunächst
ein hoher Stromimpuls einen primären Tropfen, den sogenannten
Führungstropfen, von der Drahtelektrode ablöst.
Durch diesen Ablöseprozess wird von der Drahtelektrode
schmelzflüssiger Werkstoff entfernt. Damit liegt vom Ansatz
her erst einmal ein normaler Impulslichtbogen vor. Dem Führungstropfen
folgt im Gegensatz zum konventionellem Impulslichtbogen
jedoch ein kontrollierter sekundärer, sprühlichtbogenartiger
Werkstoffübergang nach. Dieser ist nur temporär
ausgeprägt, da er gesteuert beendet wird, um die Charakteristik
des Impulslichtbogens im Wesentlichen zu erhalten. Der
gesamte Vorgang lässt sich anschaulich am besten damit beschreiben,
dass weiterer Werkstoff scheinbar „hinterhergezogen“
wird.
Physikalische Effekte beim SpeedPulse
Unmittelbar nach erfolgter Unterbrechung der Brücke zwischen
Drahtelektrode und primärem Führungstropfen hat die Oberflächenspannung
den an der Elektrode verbleibenden Anteil des
schmelzflüssigen Werkstoffs noch nicht zu Kugelsegmenten
zusammengezogen. Aufgrund des aktuell noch verringerten
Durchmessers befindet sich dieser Abschnitt kurzzeitig im
Sprühlichtbogenbereich, wodurch sich zusätzliches Material ablöst.
Zu den hierbei wirkenden Kräften und Einflussfaktoren
gehört auch der Pinch-Effekt. Unterstützt wird diese sekundäre
Ablösung auch durch Trägheitseffekte, da das schmelzflüssige
Restmaterial vor der Ablösung des primären Führungstropfens
von diesem in Richtung Schmelzbad beschleunigt wurde.
Der SpeedPulse-Lichtbogen erzielt auf diese Weise eine höhere
Abschmelzleistung, erlaubt dadurch grundsätzlich eine
höhere Drahtvorschubgeschwindigkeit und lässt sich in der
Folge direkt in höhere Schweissgeschwindigkeit umsetzen.
Grundlage hierfür ist der beim SpeedPulse besonders konzentrierte
Lichtbogen, der einen tieferen Einbrand erzeugt. Dies
bewirkt eine sichere Wurzelerfassung auch bei höheren
Schweiss geschwindigkeiten. Weiterhin kann beim SpeedPulse
der Lichtbogen sehr tief gehalten werden, so dass die Gefahr
von Einbrandkerben vermindert wird. Die Kombination dieser
positiven Merkmale des SpeedPulse ermöglicht in der Praxis
ein schnelleres Schweissen bei vollem Erhalt der Anwendungs-
und Qualitätsvorteile des Impulsprozesses.
SpeedPulse - MIG/MAG-Weiterentwicklung f
Der SpeedPulse in der HighSpeed-Aufnahme: Die einzelnen Phasen des
SpeedPulse-Impulslichtbogen. (Foto: Lorch)
Das SpeedPulse-Verfahren deckt nahezu den gesamten Leistungsbereich der
drei Lichtbogenarten ab (Grafik: Lorch)
Der direkte Vergleich (hier bei Stahl) zeigt, dass SpeedPulse im Vergleich zum
konventionellen Impulsschweissen einen tieferen, qualitativ guten Einbrand
erzeugt. Die Wurzel wird besser erfasst (Foto: Lorch)
Alternativ kann bei unveränderter Schweissgeschwindigkeit
und gegebenem a-Mass aber auch eine niedrigere Stromstärke
verwendet und somit der Energieeintrag ins Werkstück reduziert
werden. Aus dem dann kälteren Schweissprozess resultieren
diverse positive Effekte, wie z. B. ein geringerer Verzug
der Werkstücke.
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SpeedPulse - MIG/MAG-Weiterentwicklung
Die Steigerung der Abschmelzleistung mit SpeedPulse setzt ungefähr ab der
oberen Hälfte des nutzbaren Leistungsbereiches für den 1,2mm G3Si1-Draht
und 82%Ar+18%CO 2 an und wird mit zunehmender Lichtbogenleistung immer
deutlicher (Grafik: Lorch)
Die High-Speed-Kamera verdeutlicht den „Nadel-Effekt“ und die Fokussiertheit
des SpeedPulse-Lichtbogens (Foto: Lorch)
Leistungsbandbreite des Verfahrens
Das SpeedPulse-Verfahren wurde in verschiedenen Leistungsbereichen
zuerst für unlegierten Stahl untersucht. Vom unteren
über den mittleren bis zum oberen Leistungsbereich können
die Effekte des zusätzlichen sekundären Werkstoffübergangs
immer mehr gesteigert werden. Die zunächst als Basis die-
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nende Drahtvorschubgeschwindigkeit des konventionellen Impuls-Lichtbogenprozesses
(und damit einhergehend die
Schweiss geschwindigkeit) kann immer weiter erhöht werden,
ohne die Pulsfrequenz steigern zu müssen. Im Rahmen der
Versuche - durchgeführt an einem Längsfahrwerk mit einer
Lorch S8 SpeedPulse - war es möglich, für 1.2 mm G3Si1 und
Schutzgas 82%Ar+18%CO 2 die Drahtvorschubgeschwindigkeit
in der waagerechten Kehlnaht (Schweissposition PB) von
13.5 m/min auf 20 m/min zu erhöhen. Dies entspricht einer
Steigerung von 48%. Die charakteristischen positiven Eigenschaften
des Impulslichtbogens blieben dabei vollständig erhalten.
Erfahrungswerte aus der betrieblichen Anwendung zeigen,
dass bei Brennerführung von Hand je nach individueller Fähigkeit
des Schweissers Steigerungen bis zu 35% realisierbar
sind.
Verringerung der Streckenenergie im oberen Leistungsbereich
Zur Untersuchung des Zusammenhanges von Abschmelzleistung
und eingebrachter elektrischer Leistung wurden Messungen
vorgenommen, bei denen die in den Lichtbogen eingebrachte
elektrische Leistung durch eine echte Leistungsmessung
(als unmittelbare Multiplikation des gemessenen
Lichtbogenstromes mit der gemessenen Lichtbogenspannung
in hinreichend kleinen Zeitabständen) sehr genau bestimmt
wurde. Auf Grund der hohen Pulsströme würde nämlich eine
Berechnung der Leistung aus den Ergebnissen einer normalen
Mittelwert- oder Effektivwertmessung von Strom und Spannung
zu fehlerhaften Werten führen. Die Mittelwertmessung
liefert zu kleine, die Effektivwertmessung zu grosse Leistungswerte,
speziell im unteren Bereich.
Für 1,2 mm G3Si1 und Schutzgas 82%Ar+18% CO 2 beginnt
die Steigerung der Abschmelzleistung durch SpeedPulse gegenüber
dem konventionellen Impulsschweissen ungefähr ab
der oberen Hälfte des nutzbaren Leistungsbereiches und wird
mit zunehmender elektrischer Leistung immer ausgeprägter.
Zum Teil erfolgt die Steigerung durch eine bessere Ausnutzung
der eingebrachten elektrischen Energie zum Abschmelzen der
Drahtelektrode. Es ist erkennbar, dass zum Beispiel bei einer
elektrischen Leistung von ca. 10 kW der konventionelle Impulslichtbogen
etwa 10m/min Draht abschmilzt, der SpeedPulse
hingegen bereits 11 m/min, also bereits 10 % mehr. Umgekehrt
kann man schlussfolgern, dass für eine geforderte Abschmelzgeschwindigkeit
von 12 m/min der konventionelle Impulslichtbogen
13 kW benötigt, der SpeedPulse-Lichtbogen hingegen
mit nicht mehr als 10,5 kW auskommt, also mit ca. 20% weniger
elektrischer Leistung. Tendenziell nehmen die positiven
Effekte mit steigender Leistung weiter zu. Zum einen führt dies
zu einer vorteilhafte Verringerung der eingebrachten Streckenenergie
beim Schweissen, zum anderen fällt auch der Stromverbrauch
geringer aus. Diese zunächst repräsentative Aussage
wird auch durch praktische Erkenntnisse in Anwenderbetrieben
gestützt, wo nach Umstellung des Schweissprozesses

vom konventionellen Impulsschweissen auf SpeedPulse z.T.
merklich geringere Anlauffarben beim Schweissen von Edelstahl
zu beobachten waren. Deutliche Verbesserungen gab es
zudem bezüglich des Verzugs von Werkstücken und dem damit
verbundenen Richtaufwand.
Ergonomie-Optimierung durch den SpeedPulse
Im Vergleich mit dem klassischen MIG-MAG-Schweissen gestaltet
sich die Arbeit mit dem SpeedPulse-Verfahren für den
Schweisser sogar eher einfacher. Schon rein optisch erscheint
der Lichtbogen spitzer und konzentrierter, so dass die höheren
Drahtvorschub- und Schweissgeschwindigkeiten gut beherrschbar
bleiben. Dieses in der Praxis auch teilweise als „Nadel-Effekt“
bezeichnete Phänomen führt dazu, dass der Schweisser
in der Regel automatisch schneller schweisst, „weil es einfach
gut läuft“.
Nach zunächst rein subjektiven Aussagen von Anwendern, der
SpeedPulse-Lichtbogen würde insbesondere bei der Verarbeitung
von Stahl angenehmer klingen als der konventionelle Impulslichtbogen,
wurden vergleichende Schallmessungen durchgeführt.
Unter Laborbedingungen (1,2 mm G3Si1, Schutzgas
82%Ar+18%CO 2 , PB, 1 m Mikrofonabstand) konnte festgestellt
werden, dass die Schallemission beim Schweissen mit
dem SpeedPulse um ca. 10 dB(A) geringer ausfällt als beim
konventionellen Impulsschweissen. Dies entspricht in der
menschlichen Wahrnehmung einer Halbierung der Geräuschbelastung
(physikalisch führt bereits die Verringerung um 6 dB(A)
zu einer Halbierung der Lautstärke). Auch wenn in der Praxis
stark unterschiedliche Bedingungen für die Schallerzeugung
des Lichtbogens, die Schallausbreitung am Arbeitsplatz und die
Exposition des Menschen gegeben sind, so kann dieses Merkmal
des SpeedPulse auch aus Sicht des betrieblichen Arbeitsschutzes
als grundsätzlich positiv angesehen werden.
Vorteile in der Praxis
Besonders vorteilhaft kommen die Merkmale des SpeedPulse
beim Schweissen von Stahl und Edelstahl zur Geltung. Für den
Schweisser geht es jetzt schneller, sicherer und einfacher,
wobei alle bisherigen Vorteile des Impulslichtbogens erhalten
bleiben. Das Resultat ist ein höchst effizienter, einfach zu handhabender
Schweissprozess. Auch die Verarbeitung von Aluminium
profitiert, wenn auch nicht im selben Umfang, von der
speziellen Lichtbogencharakteristik des SpeedPulse-Verfahrens.
Im Vergleich zum klassischen MIG-MAG-Schweissen mit Kurz-,
Übergangs- und Sprühlichtbogenbereich deckt der SpeedPulse-
Lichtbogen einen umfassenderen Leistungsbereich als der konventionelle
Impulslichtbogen ab und schafft insbesondere im
oberen Leistungsbereich mehr Anwendungsmöglichkeiten für
die Impuls-Schweisstechnologie. Hervorzuheben ist in diesem
Zusammenhang auch die bessere Handhabbarkeit beim Endkrater.
Wollte man diesen früher vor allem beim Arbeiten im
Bereich des Sprühlichtbogens mit höherer Leistung füllen, so
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Links: Intensive Spritzerbildung beim MIG-MAG-Schweissen im Bereich des
Übergangs-Lichtbogens. Rechts: Der SpeedPulse sorgt für nahezu spritzerfreies
Schweissen in kompletten Leistungsbereich (Fotos: Klaus Vollrath)
musste man die Leistung graduell verringern, wobei man
zwangsläufig die Bereiche des Übergangslichtbogens mit seinen
Spritzern bis herab zum Kurzlichtbogen durchfahren musste.
Mit der Verfahrensinnovation von Lorch geht dies jetzt
ohne Spritzer, weil es die SpeedPulse-Lichtbogeneigenschaften
erlauben, den vollen hierfür nötigen Leistungsbereich praktisch
spritzerfrei zu durchfahren.
Positiv bemerkbar macht sich die erhöhte Leistungsbrandbreite
des neuen Verfahrens auch in solchen Fällen, wo die Leistung
des konventionellen Impulslichtbogens einfach nicht ausreich te,
so dass weiterhin mit konventionellen MIG-MAG-Stromquellen
gearbeitet werden musste. Da bedingt durch die industriellen
Arbeitsabläufe ein einmal gewählter Drahtdurchmesser nicht
dauernd geändert werden kann, werden Schweissungen in diesem
Umfeld sowohl im Sprühlichtbogen teils aber auch im
spritzerbehafteten Übergangslichtbogen durchgeführt. Gerade
hier ermöglicht der in allen Leistungsbereichen übergangs- und
zudem nahezu spritzerfreien SpeedPulse-Lichtbogen, neben
der reinen Steigerung der Schweissgeschwindigkeit, auch weitere,
teils erhebliche Produktivitätssteigerungen durch die Verminderung
bzw. auch gänzlichen Vermeidung von aufwändigen
Nacharbeiten.
Verfügbarkeit
Der SpeedPulse-Prozess wurde erstmalig auf der EuroBlech
2008 vorgestellt und anschliessend mit der neuen S Speed-
Pulse-Serie von Lorch in den Markt eingeführt. Die Leistungsvarianten
reichen von 320 A bis 500 A. Die S SpeedPulse ist
als Mobil-, Kompakt- und Kofferanlage erhältlich. Die synergetische
SpeedPulse-Prozessführungen für Stahl, Edelstahl und
Aluminium sind in allen Modellen der Baureihe serienmässig
integriert und über das Bedienmenü einfach und schnell anwählbar.
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