Obwohl die Auswahl des Schweißverfahrens von entscheidender Bedeutung ist, können selbst die geschicktesten Techniken eine falsche Stromquelle nicht kompensieren. In diesem Artikel werden Schweißstromquellen entmystifiziert, um Profis dabei zu helfen, ihre Ausrüstung an spezifische Schweißprozesse anzupassen, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Die Wahl eines Schweißverfahrens hängt in erster Linie von den Schweißeigenschaften, den Materialarten, -formen und -dicken sowie dem Verbindungsdesign ab. Auch Produktionsanforderungen – einschließlich Schweißgeschwindigkeit und -qualität – müssen berücksichtigt werden. Erst nach Festlegung des Schweißprozesses sollten Stromquellen und Zusatzgeräte ausgewählt werden. Der Schweißprozess bleibt der wichtigste Faktor bei der Auswahl der Stromquelle.

Dieser Leitfaden konzentriert sich auf die Auswahl der Stromquelle für Schweißtechnologien, die im letzten Jahrzehnt ausgereift sind. Früher galten diese Methoden als spezialisiert oder auf die Massenproduktion beschränkt, heute kommen sie in nahezu allen Bereichen der Metallverarbeitung zum Einsatz. Die zunehmende Herstellung bisher schwer zu schweißender Metalle, gepaart mit den wirtschaftlichen und qualitativen Vorteilen fortschrittlicher Prozesse, hat diese Technologien auch für kleine Metallverarbeitungsbetriebe zugänglich gemacht.

Diese Prozesse erfordern komplexere Leistungs- und Steuerungsanforderungen als das herkömmliche Metalllichtbogenschweißen (SMAW). Da die meisten Metallurgen und Schweißingenieure keine Elektrofachleute sind, kann sich die Auswahl geeigneter Stromquellen als Herausforderung erweisen. Diese Untersuchung des Leistungsbedarfs für Produktionsschweißprozesse soll diese technischen Überlegungen klären.

Zwei grundlegende Stromquellentypen dominieren Schweißanwendungen: Konstantstrom- (CC) und Konstantspannungssysteme (CV), die jeweils für bestimmte Prozesse und Anwendungen geeignet sind.

• Konstantstrom-Stromquellen (CC):Aufgrund ihres Spannungsabfalls mit zunehmendem Schweißstrom, der eine charakteristische abfallende Volt-Ampere-Ausgangskurve erzeugt, werden sie oft als „Drooper“-Maschinen bezeichnet.
  • Wenn sie mit Strom versorgt werden, aber kein Lichtbogen entsteht (ohne Stromfluss), halten sie eine relativ hohe Leerlaufspannung aufrecht, typischerweise 70–80 Volt. Das Schweißen erfolgt im Allgemeinen im steileren Teil der Kurve und eignet sich daher ideal für das manuelle Elektrodenschweißen.
  • Die Lichtbogenspannung hängt von der physikalischen Länge zwischen Elektrode und Werkstück ab und kann beim manuellen Schweißen nicht vollkommen konstant gehalten werden. Da jedoch der Strom die Schmelzgeschwindigkeit des Zusatzmetalls bestimmt, sorgt ein konstanter Strom für ein stabiles Schmelzen.
  • Es gibt Variationen je nach Leistungseingang (einphasig oder dreiphasig), Ausgang (AC, DC oder AC/DC) und Art der Ausgangssteuerung (mechanisch oder elektrisch).
• Konstantspannungs-Stromquellen (CV):Der Strom kann bei jeder Spannungseinstellung von Null bis zu extrem hohen Kurzschlusswerten reichen. Diese Maschinen wurden speziell für das Metall-Schutzgasschweißen (GMAW) entwickelt und sind im Allgemeinen nicht für das Schutzgasschweißen geeignet.
  • Kein Schweißgerät liefert eine wirklich konstante Spannung – praktische Geräte weisen einen Abfall von mindestens 1 Volt pro 100 Ampere Ausgangsleistung auf. Kurzschlussströme können Tausende von Ampere erreichen.
  • CV-Maschinen weisen im Vergleich zu CC-Maschinen (80 Volt) typischerweise eine niedrigere Leerlaufspannung (maximal 50 Volt) auf. Bediener stellen die Leerlaufspannung statt des Stroms ein, typische Bereiche liegen zwischen 10 und 48 Volt.
  • Der Schweißstrom passt sich während des Kurzschließens selbst an, um die Lichtbogenlänge auf der eingestellten Spannung zu halten, wobei die Elektrodenvorschubgeschwindigkeit die Stromstärke bestimmt.

Alle Schweißgeräte verfügen über Einschaltdauerwerte – eine häufig missverstandene, aber wichtige Spezifikation. Basierend auf einem Zeitraum von zehn Minuten bedeutet eine Einschaltdauer von 100 %, dass die Stromquelle kontinuierlich mit oder unter ihrem Nennstrom betrieben werden kann. Ein Arbeitszyklus von 60 % bedeutet nicht einen unbegrenzten Betrieb bei 60 % Kapazität, sondern vielmehr sechs Minuten Betrieb bei Nennstrom und Nennspannung pro Zehn-Minuten-Zyklus, was eine Leerlaufkühlzeit von vier Minuten erfordert. Maschinen mit einer Einschaltdauer von weniger als 100 % können durch Reduzierung der Stromabgabe kontinuierlich betrieben werden.

Zu den wichtigsten fortschrittlichen Schweißprozessen und ihren Leistungsanforderungen gehören:

• Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW/TIG):Obwohl das WIG-Schweißen nicht neu ist, verdient es aufgrund seiner Wirksamkeit bei anspruchsvollen Materialien – darunter Edelstahl, Aluminium, Magnesium, Kupfer, Berylliumkupfer, Hastelloy, Inconel, Invar und Kovar – insbesondere bei dünnen Querschnitten, eine Einbeziehung.
  • WIG erfordert ähnliche Stromquellen wie SMAW – solche mit abfallenden Volt-Ampere-Kurven. Prozessspezifische Überlegungen machen jedoch dedizierte Maschinen vorzuziehen.
  • Standard-Wechselstromquellen, die nicht für WIG ausgelegt sind, erfordern eine Leistungsreduzierung für den WIG-Wechselstrombetrieb, da bei teilweiser Gleichrichtung Gleichstromkomponenten entstehen, die zu einer Überhitzung der Transformatoren führen können. Zu den weiteren WIG-spezifischen Herausforderungen gehören die Lichtbogenauslösung, die Stabilität und die präzise variable Steuerung für heikle Arbeiten.
• Metallschutzgasschweißen (GMAW/MIG):Der kontinuierliche Drahtvorschub des GMAW hat in vielen Anwendungen Wolfram-Inertgas (WIG) und SMAW ersetzt, vor allem aufgrund der Geschwindigkeit – oft um ein Vielfaches schneller als alternative Verfahren.
  • Zu den weiteren Vorteilen gehören sauberere Schweißnähte (reduzierte Oxidbildung durch Schutzgas), minimierter Elektrodenabfall, überlegene metallurgische Eigenschaften und einfache Bedienung, wodurch die Qualitätskonsistenz verbessert und gleichzeitig menschliche Variablen reduziert werden.
• Lichtbogenpunktschweißen:Zunehmende Beliebtheit wegen der Fähigkeit zum einseitigen Punktschweißen und der schnellen, wiederholbaren Herstellung mehrerer Punktschweißungen.
  • Wird im WIG- oder MSG-Verfahren durchgeführt. Beim WIG-Punktschweißen werden Standard-WIG-Stromquellen verwendet, es sind jedoch spezielle Punktschweißpistolen und -steuerungen erforderlich, die in der Regel Grundmaterialien ohne Zusatzdraht verschmelzen – was bei kaltgewalztem Stahl und Edelstahl üblich ist.
  • Beim MSG-Punktschweißen werden hohe Ströme (500–750 Ampere) mit Drähten mit kleinerem Durchmesser verwendet, was Maschinen mit höherer Spannung sowie spezielle Drahtvorschubgeräte und Steuereinheiten erfordert.
• Plasmalichtbogenschweißen:Eine Erweiterung der Plasmaschneidtechnologie, die Ähnlichkeiten mit dem WIG-Schweißen aufweist, jedoch hinsichtlich der Einschränkungen und der Anschaffungskosten Vorteile gegenüber dem Elektronenstrahl-, Laser- und Ultraschallschweißen bietet.
  • Wie beim WIG-Schweißen werden beim Plasmaschweißen typischerweise Materialien verschmolzen (es kann jedoch auch Kaltfülldraht verwendet werden). Wassergekühlte thorierte Wolframelektroden halten extremen Temperaturen durch fokussierte Plasmaflammen stand, die tief und eng eindringen können.