Fronius Cable Management Guide Operating Instruction [DE]

Operating
Instructions

Leitfaden Kabel-Management

Bedienungsanleitung

DE

42,0426,0420,DE 001-17042023

Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung 4

Allgemeines zum Schweiß-Stromkreis 5

Elektrischer Widerstand im Schweißkreis 7

Allgemeines 7
Mindest-Kabelquerschnitt 8

Induktivität im Schweißkreis 9

Induktivität im Schweißkreis 9
Induktivität bei Impulslichtbögen 10
Messung von Schweißkreis-Widerstand und Induktivität 11
Richtwerte für mögliche Prozess-Störungen 13

Magnetische Beeinflussung des Lichtbogens 14

Magnetische Blaswirkung 14
Magnetische Blaswirkung beim TWIN-Schweißen 15
Entmagnetisieren mit Wechselspannung 16

Einkoppeln von Störungen 17

Einkoppeln von Störungen 17
Beispiel: Kopplung von zwei Schweißkreisen im Impulslichtbogen 18
Messen des Kopplungsfaktors 19
Kopplungen bei mehreren Lichtbögen an einem Bauteil 21

Aufbau des Schweiß-Stromkreises 23

DE

Gestaltung von Massepunkten 25

Allgemeines 25
Anpresskraft / Flächenpressung 25
Eigene Masse-punkte 26
Massekontakte für rotierende Vorrichtungen 27
Anzahl der Massepunkte 28

Hinweise zu Schweißkreisen in manuellen Schweißsystemen 29

Kompakte Schweißsysteme 29
Geteilte Schweißsysteme 30

Hinweise zu Schweißkreisen in automatisierten Schweißsystemen 32

Allgemeines 32
Beispiel 32
Weitere Hinweise 33

Schweißen mit mehreren Lichtbögen auf einem Bauteil 34

Allgemeines 34
Schweißkreise auftrennen 34
Sensorleitung zur korrekten Spannungsmessung 35
Sensorleitung bei mehreren Lichtbögen 36

Optimierungsbeispiele 39

Optimierungsbeispiele 41

Übersicht 41
Mehrere Einzel-Schweißsysteme auf einem Bauteil - vor der Optimierung 42
Mehrere Einzel-Schweißsysteme auf einem Bauteil - nach der Optimierung 43
TWIN-Schweißsystem - vor der Optimierung 46
TWIN-Schweißsystem - nach der Optimierung 47
Mehrere TWIN-Schweißsysteme an einem Bauteil - vor der Optimierung 50
Mehrere TWIN-Schweißsysteme an einem Bauteil - nach der Optimierung 51

3

Kurzfassung

1

2

2

2 1

1

12

1

2

1

2

2

2 1

1

12

Der Einfluss der Schweißkreis-Kabel-Verlegung für reproduzierbare Schweißergebnisse wird viel­fach unterschätzt.
Die Erfahrung zeigt, dass in der Anlagenplanung immer wieder Fehler auftreten, welche zu Störun­gen im Schweißprozess führen.
Dieser Leitfaden für das Kabel-Management dient als Hilfestellung zum Aufbau oder der Optimie­rung von Schweißkreisen und deren Kabelanordnungen.

Folgende Punkte müssen bei der Planung einer Schweißanlage berücksichtigt werden:

Massekabel und Schlauchpakete möglichst kurz halten - nur notwendige Längen vorsehen

a)

Gute Kontakte an den Massepunkten sicherstellen

b)

Lange Strompfade im Werkstück vermeiden

c)

Magnetische und induktive Beeinflussung reduzieren:

d)

Ausreichend Abstand zwischen zwei Leitern gleicher Polung

-

Empfehlung: > 30 cm
Schweißplus- und Masseleitung möglichst gemeinsam verlegen

-

oder
kompensierte Verbindungs-Schlauchpakete verwenden
Windungen und Schlaufen im Schweißkreis vermeiden

-

Sicherstellen, dass im Schweißkreis möglichst wenig ferritische Materialien vorkommen

-

Strompfade auftrennen, falls mehrere Systeme gleichzeitig schweißen:

e)

Keine gemeinsamen Masseschienen und Masseleitungen vorsehen

-

Kreuzen der Strompfade im Werkstück vermeiden

-

Mögliche Aufbaufehler und deren Optimierung

In diesem Leitfaden für das Kabel-Management werden mögliche Aufbaufehler und deren Optimie­rung beschrieben. Details im Abschnitt „Optimierungsbeispiele“ ab Seite 41

Mögliche Aufbaufehler und deren Optimierung: z.B. Strompfade auftrennen

4

Allgemeines zum Schweiß-Strom-

kreis

5

6

Elektrischer Widerstand im Schweißkreis

R4

WP

R3

GD

R2

HP

R1

HP Con

R

C6

R

C5

R

C4

R

C3

R

C2

R

C1

R4

WP

R3

GD

R2

HP

R1

HP Con

R

C6

R

R

C5

R

C4

R

C3

R

C2

R

C1

Allgemeines Im Schweißkreis befinden sich unterschiedliche Materialien und Querschnitte,

sowie Übergangswiderstände an den Koppelstellen.

In einer Reihenschaltung addieren sich die Widerstände, große Verlustleistungen
und Spannungsabfälle können auftreten.

Die Kontaktwiderstände an Koppelstellen variieren sehr stark mit der Anpress­kraft und der Oberflächenbeschaffenheit.

DE

Widerstände der unterschiedlichen
Materialien

Widerstände der Koppelstellen

abhängig von der Anpresskraft

abhängig von Länge und Querschnitt

R1

HP Con

R2

HP

R3

GD

R4

WP

R

R

Verlängerungsschlauchpa-

R

ket

Schweißbrenner­Schlauchpaket

R

Massekabel R

Werkstück, Arbeitstisch R

C1

C2

C3

C4

C5

C6

Schweißplus an Strom­quelle

Verlängerungsschlauchpa­ket

Schweißbrenner­Schlauchpaket

Brennerkörper

Schweißtisch oder Span­ner

Schweißminus an Strom­quelle

R Gesamtwiderstand (= Summe aller Einzelwiderstände)

7

Mindest-Kabel­querschnitt

Der Widerstand eines stromführenden Kabels ist von Querschnitt, Material und
der Länge abhängig.
Ein hoher Widerstand verursacht einen Spannungsabfall und somit eine Verlust­leistung im Schweißkreis.

Die ausreichende Dimensionierung der Kabelquerschnitte kann dem entgegen­wirken.

Empfohlene Mindest-Kabelquerschnitte für ungekühlte Kupferkabel und 100%
Einschaltdauer:

Schweißstrom Kabellänge bis 10 m Kabellänge bis 50 m

150 A 16 mm² 25 mm²

200 A 25 mm² 35 mm²

250 A 35 mm² 50 mm²

300 A 50 mm² 70 mm²

400 A 70 mm² 95 mm²

500 A 95 mm² 120 mm²

600 A 120 mm² 2 x 95 mm²

WICHTIG! Bauteile generell isoliert zum Erdpotential auflegen und fixieren, um
parallele Widerstände und Stromflüsse zu vermeiden.

8

Induktivität im Schweißkreis

µ

r2

A

2

N

2

µ

r3

A

3

µ

r3

A

3

µ

r1

A

1

N

1

L

L3

L1

L2

DE

Induktivität im
Schweißkreis

Jeder stromdurchflossene Leiter erzeugt ein Magnetfeld. Ändert sich die
Stromstärke, induziert das sich ändernde Magnetfeld eine Spannung. Die Span­nung wirkt der Stromänderung entgegen.
Die Induktivität entspricht dem Widerstand gegen eine Stromänderung.

Vergrößert sich die aufgespannte Fläche zwischen zwei Leitern, vergrößert sich
die Fläche des magnetischen Flusses und somit auch die Induktivität.

Einzelne Induktivitäten im Schweißkreis, die sich zu einer Gesamtinduktivität addieren

Induktivitäten Berechnung der Induktivitäten aus

L1 Induktivität Wicklung

Pluspol

L2 Induktivität Wicklung

Massekabel

L3 Induktivität aus Ge-

samtfläche

A3 Aufgespannte Fläche

µr1-µ

L Gesamtinduktivität (= Summe L1 + L2 + L3)

Die Induktivität L [µH] vergrößert sich aufgrund der umgebenen Materialien mit
deren Permeabiliät µr und quadriert sich mit der Anzahl der Windungen N eines

Leiters.

N1 Anzahl Windungen

Schweißplus

N2 Anzahl Windungen

Schweißminus

A1 Wickelfläche Schweißplus

A2 Wickelfläche Schweißmi-

nus

r3

Permeabilitäten durch Ma­terial in den Flächen

9

Mit der eingeschlossenen Fläche A und den Materialien µr kann man mit der For-

L ≈ N² x

µ0 x µr x A

l

µ0

µr

t

U [V]

t

I [A]

t

U [V]

t

I [A]

LimitLimit

I

pulse

I

pulse

I

set

I

act

I

set

= I

act

U

clamp

U

clamp

L = 50 μН
R = 10 mΩ

L = 10 μН
R = 10 mΩ

BA

mel für die ringförmige Luftspule µ0 die Induktivität annähern:

N Anzahl der Windungen [1]

Induktivität bei
Impuls­lichtbögen

A

Aufgespannte Fläche [m2]

l Leiterlänge [m]

Magnetische Feldkonstante [Vs/Am]
Physikalische Konstante im Vakuum (4π x 10-7)

Relative Permeabilität [Vs/Am]
Magnetisierbarkeit eines Materials

WICHTIG!
Schlauchpakete und Massekabel nicht aufwickeln!

Beim Schweißen mit hohen Induktivitäten können schnelle Stromänderungen
nicht mehr in der gewünschten Änderungsgeschwindigkeit erfolgen, weil die ma­ximale Spannung einer Schweißstromquelle (= U

) nicht ausreicht.

Limit

Dies macht sich vor allem beim Impulslichtbogen und langen Schlauchpaketen
mit hohen Induktivitäten im Schweißkreis bemerkbar.

Geringe Induktivität Hohe Induktivität

10

Einfluss der Induktivität auf das Stromprofil eines Impulslichtbogens

Bei hoher Induktivität erreicht der Strom-Istwert I
Buchsenspannung U

den Soll-Stromverlauf I

clamp

auf Grund der begrenzten

act

nicht.

set

A1

B1

A2

B2

Hochgeschwindigkeits-Videosequenz: Einfluss der Induktivität auf die Tropfenablöse beim Impuls­lichtbogen

DE

Messung von
Schweißkreis­Widerstand und
Induktivität

Sequenz A1 - A2:
gewünschter Metall-Tropfenübergang
bei reduzierter Induktivität

Gleiche Einstellungen bei Sequenz A1 - A2 und B1 - B2.

Die Bestimmung des Schweißkreis-Widerstandes und der Schweißkreis-Indukti­vität erfolgt über die Stromquelle im Zuge des R/L-Abgleichs.

Nach dem Aufsetzen des Kontaktrohres und dem Start des R/L-Abgleichs wird
der Spannungsabfall und die Induktivität im gesamten Schweißkreis bestimmt.
Der ohmsche Widerstand und die Induktivität werden zur korrekten Dokumenta­tion der Lichtbogen-Spannungsanzeige und zur Prozessregelung verwendet.

Sequenz B1 - B2:
die Impulslichtbogen-Pinchkraft wird
negativ beeinflusst, da die Strom-An­stiegsrampe nicht erreicht wird.
Der Schweißprozess wird instabil, die
Tropfenablöse ist nicht mehr optimal
und es entstehen viele Spritzer.

WICHTIG!
Bei einer Veränderung am Schweißkreis immer einen R/L-Abgleich
durchführen (z.B.: Wechsel eines Schlauchpaketes)!

R/L-Abgleich starten:

An der Stromquelle auswählen:

1

Prozess Parameter / Allgemein / Nächste Seite / R/L-Abgleich
Den Anweisungen des Wizard folgen und die entsprechenden Schritte

2

ausführen

11

Screenshot aus dem R/L-Abgleich, TPS 320i - 600i

L = 40 μН
R = 10 mΩ

L = 20 μН
R = 10 mΩ

HINWEIS!

Die Induktivität im Schweißkreis variiert mit der Messposition.

Bei Positionsänderung ändert sich die aufgespannte Fläche des Schweißkreises
und in Folge die Induktivität. Die Bedingungen für die Tropfenablöse sind nicht
konstant.

Die Stromquelle berechnet für die Schweißprozesse Puls, PMC und CMT ei-

▶

nen Momentanwert der Induktivität und die Prozessregler können besser auf
Induktivitätsänderungen reagieren.

Position 1: Position 2:

Unterschiedliche Induktivitätsfläche und Schweißkreis-Widerstände nach Position an Längsfahrwerk

WICHTIG!
Den R/L Abgleich am vorderen und am hinteren Ende einer Schweißposition vergleichen!
Damit kann man abschätzen, ob Optimierungsmaßnahmen notwendig sind.

12

Richtwerte für
mögliche Pro­zess-Störungen

Richtwerte von Schweißkreis-Widerstand R und Induktivität L für mögliche Pro­zess-Störungen:

Schweißprozess R [mOhm] L [μH]

DE

Kurzlichtbogen konventionell *
LSC *
LSC ADV. *
CMT *

Impuls-Lichtbogen * ≤ 25 ≤ 40

Sprüh-Lichtbogen ** ≤ 60 ≤ 80

Annahmen:
* Schweißstrom 120 A, Zusatzwerkstoff ø 1,2 mm, Schutzgas M21

** Sprühlichtbogen mit 300 A, Zusatzwerkstoff ø 1,2 mm, Schutzgas M21

HINWEIS!

Je nach Stromquellentype, Arbeitspunkt, Kennlinien-Eigenschaft und Störun­gen kann die Empfehlung abweichen.

Sprühlichtbogen

Der Sprühlichtbogen ist auf Grund seines annähernd konstanten Stromverlaufes
bei hohen Strömen am unempfindlichsten.

Kurzlichtbogen konventionell

Das Kurzschluss-Verhalten wird Ereignis-orientiert bestimmt.

≤ 50
≤ 50
≤ 50
≤ 50

≤ 30
≤ 20
≤ 60
≤ 40

LSC (Low Spatter Control)

Mit seiner Prognose-orientierten Kurzlichtbogen-Strategie ist LSC empfindlich
auf hohe Induktivitäten.
Mit Hilfe eines elektronischen Schalters im Schweißkreis (z.B. Ausräumstrecke,
TPS 400i LSC ADV) wird die Störung des induktiven Abklingverhaltens deutlich
verbessert.

CMT

Auf Grund des zyklischen Prozessabgleiches mit jeder Vor- und Rückwärtsbewe­gung der Drahtelektrode liegt CMT zwischen LSC und LSC ADV.

Impulslichtbogen

Impulslichtbogen-Varianten sind am empfindlichsten, weil hohe Impulsströme
geringe Widerstände und niedrige Induktivitäten verlangen.
Angepasste PMC-multiarc-Kennlinien mit reduzierten Änderungsgeschwindigkei­ten und reduzierten Stromhöhen können als Abhilfe eingesetzt werden.

13

Magnetische Beeinflussung des Lichtbogens

F

F

N

S

F

F

Magnetische
Blaswirkung

Befindet sich ein elektrischer Leiter in einem Magnetfeld, so wirkt auf diesen eine
resultierende Kraft ein.
Diese sogenannte Lorenz-Kraft hängt von Stromrichtung, Magnetfeld-Richtung
und deren Orientierung zueinander ab.

Bereits kleinste magnetische Kraftwirkungen erzeugen eine geometrische Aus­lenkung des Lichtbogens.
Diese unerwünschte Wechselwirkung wird als „Magnetische Blaswirkung“ be­zeichnet.

MIG/MAG-Schweißeignung in Abhängigkeit der magnetischen Flussdichte:

sehr gut gut mittel schlecht unmöglich

≤ 2mT 2-4 mT 4-6 mT 6-8 mT ≥ 8mT

≤ 20 Gauss 20-40 Gauss 40-60 Gauss 60-80 Gauss ≥ 80 Gauss

Allgemeine Maßnahmen gegen Blaswirkung:

Mehrere Heftstellen verwenden

-

Den Abstand zwischen Kontaktrohr und Werkstück verkürzen

-

Schweißstrom erhöhen (= Lichtbogen-Druck erhöhen)

-

Auslaufbleche verwenden

-

Entmagnetisieren (siehe auch ab Seite 16)

-

Aufmagnetisierte Bauteile können einen Lichtbogen ablenken und die Tropfen­ablöse stören.
Auch die stromdurchflossene Drahtelektrode und das Lichtbogen-Plasma erzeu­gen konzentrische Magnetfelder, welche an Bauteilenden und ungleichmäßigen
Spalten verzerrt werden und ebenfalls eine auslenkende Kraft auf einen Lichtbo­gen ausüben.
Stromdurchflossene Teile einer Spannvorrichtung behalten einen Restmagnetis­mus (= Remanenz), wenn diese aus ferritischem Material bestehen. Aluminium,
Kupfer und austenitische Stähle behalten keine Remanenz.

Kraftwirkung auf den Lichtbogen durch magnetische Felder:

I = Schweißstrom [A]
B = Magnetischer Fluss [mT]
F = Auslenkkraft [N]

F = Auslenkkraft [N]

Die Stärke des Magnetfeldes im Bauteil ist abhängig von der Stromhöhe, der ma­gnetischen Leitfähigkeit (Material), dem Querschnitt und der Anzahl und Größe
der Luftspalte im magnetischen Kreis.

14

Das Überschweißen des vormagnetisierten Strompfades kann sich negativ auf die

I

B

F

B

I

F

I

1

I

2

F

1

F

2

B

2

B

1

I

1

I

2

F

1

F

2

B1+B

2

Stabilität auswirken.

Blaswirkung vom Masseanschluss weg:

Die Position der Masseklemme ist entscheidend für die Stromfluss-Richtung und
dessen Magnetfeld im Bauteil.
Der elektrische Strom wählt immer die kürzeste Strecke, bei gleichen Materialien
und Querschnitten, und bestimmt die Auslenkrichtung des Lichtbogens entge­gengesetzt zur Masseklemme.

HINWEIS!

DE

Magnetische
Blaswirkung
beim TWIN­Schweißen

Bestimmung der Kraftwirkung auf den Lichtbogen:

mittels Rechte-Hand-Regel

Daumen in Schweißstrom-Richtung

▶

Zeigefinger in Richtung Magnetfeldlinien

▶

Mittelfinger zeigt in Kraftrichtung

▶

Zwei benachbarte Lichtbögen mit gleicher Stromrichtung ziehen sich an.
Je kleiner der Winkel und je geringer der Abstand zwischen den Drahtelektroden,
desto größer ist die gegenseitige Anziehungskraft.

Blaswirkung beim TWIN-Schweißen

I

1

I

2

B
B
F
F

Ein Lichtbogen in der Impulsphase übt ein starkes Magnetfeld auf den zweiten
Lichtbogen aus.

Schweißstrom Lead-Elektrode
Schweißstrom Trail-Elektrode
magnetischer Fluss auf Grund der Lead-Elektrode

1

magnetischer Fluss auf Grund der Trail-Elektrode

2

Auslenkkraft auf Grund der Lead-Elektrode

1

Auslenkkraft auf Grund der Trail-Elektrode

2

15

Von der Masse weg schweißen ist von Vorteil, da beide Lichtbögen nach vorne ge-

t

+

-

AC

drückt werden.

HINWEIS!

Für das TWIN-Schweißen wurden synchronisierte Kennlinien mit hohem Plas­madruck bei hoher Stromstärke entwickelt.

Entmagnetisie­ren mit Wechsel­spannung

Das Entmagnetisieren von Bauteilen verringert die Blaswirkung und wird mittels
zyklischem Ummagnetisieren erzielt. Für das zyklische Ummagnetisieren können
Hubmagnete oder Entmagnetisierungs-Vorrichtungen eingesetzt werden.
Anwendungen sind im Rohrleitungsbau oder bei Bauteilen mit Produktions- oder
Transport-bedingtem Restmagnetismus.

Einfache Alternative, wenn der Hubmagnet keine Entmagnetisierungsfunktion
hat:
Einsatz einer WIG-AC-Stromquelle (z.B. iWave AC/DC) + kurzgeschlossene Mas­seleitungen am umwickelten Bauteil bei gleichzeitiger Reduktion der Stromam­plitude.

Entmagnetisieren mit iWave AC/DC:

Parametrierung und Maßnahmen für
einen abklingenden Stromverlauf:

Stromoffset = +10

1.
AC Halbwellen Kurvenform:

2.
Halbwelle-Positiv = Sinus
Halbwelle-Negativ = Sinus
Hauptparameter:

3.
Downslope > 10,0 s
Endstrom = 3 A (= Minimum)
Hauptstrom = ca. 300 A
Schweißkabel mindestens 3x um

4.

Entmagnetisieren mit AC-Wechselfeld

das Bauteil wickeln
Brennertaste im 2-Takt-Betrieb

5.
betätigen

16

Einkoppeln von Störungen

d

d

b

a

d

d

b

a

0

1 10 20 30

d [cm]

M

DE

Einkoppeln von
Störungen

Schweißen mehrere Lichtbögen auf einem Bauteil oder in einer Schweißzelle, so
ist die Verlegung der Schlauchpakete und Masseleitungen entscheidend für de­ren gegenseitige Beeinflussung.

In der folgenden Abbildung sind zwei parallele Masseleitungen dargestellt.
Das rote Kabel (a) ist stromdurchflossen und induziert in das graue Kabel (b) eine
Spannung.
Die Höhe der induzierten Spannung wird mit dem Kopplungsfaktor (M) beschrie­ben.

Abklingender Kopplungsfaktor durch Abstand

Der Kopplungsfaktor nimmt mit dem Abstand (d) quadratisch ab. Je größer der
Abstand, desto geringer ist die induzierte Spannung.

Ein Mindestabstand von 30 cm wird empfohlen.

HINWEIS!

Eine gemeinsame Führung der Massekabel in einem ferritischen Kanal (z.B. Ei­sen-Schiene) verstärkt die Kopplung.

▶

Gemeinsame Führung der Massekabel in einem ferritischen Kanal vermeiden!

17