Inverter-Schweißgerät

Ein Inverter-Schweißgerät ist eine spezielle Form eines Schweißgerätes. Grundsätzlich unterscheidet sich seine Funktionsweise nicht von anderen Schweißgeräten. Der wesentliche Unterschied ist in seiner kompakten Bauweise zu finden. Ein Inverter-Schweißgerät ist vergleichsweise leicht und hat den Trafo intergiert. Aus diesem Grund ist das Inverter-Schweißgerät sehr transportabel. Es eignet sich für den mobilen Einsatz und kann zum Beispiel auf Baustellen eingesetzt werden. Der Nachteil dieses Geräts ist aufgrund der hochwertigen Technologie sowie der leichteren Bauteile ein vergleichsweise hoher Preis, zum Teil ist der Aufschlag erheblich. Konkrete Angaben bezüglich des Preises für ein Inverter-Schweißgerät können jedoch nicht gemacht werden, da der Begriff Inverter nur für eine Bauart und nicht für ein Schweißverfahren steht. So werden beispielsweise Inverter-Schweißgeräte im MIG-, MAG und WIG-Verfahren angeboten, einige Händler bezeichnen sogar ihre Elektro-Schweißgeräte als Invertermodelle.

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Obwohl Inverter-Schweißgeräte wegen ihrer Mobilität einen großen Vorteil bieten, ist der Kauf eines solchen Geräts nicht grundsätzlich vorteilhaft. Aufgrund der kompakten Bauweise sowie der Vielzahl der verwendeten Elektro-Bestandteile sind Inverter-Schweißgeräte störanfälliger. Sie haben eine weitaus geringere Lebensdauer, oft entstehen auch durch notwendige Reparaturen erhebliche Kosten. Aus diesem Grund ist der Kauf eines Inverter-Schweißgeräts grundsätzlich nur dann sinnvoll, wenn abzusehen ist, dass das Gerät viel auf Baustellen eingesetzt wird.

Inverter Schweißgerät

Sollten nach Ansichten des Käufers die Vorteile des Inverter-Schweißgeräts überwiegen, müssen auch beim Kauf dieses Gerätes verschiedene Kriterien beachtet werden. Äquivalent wie beim Kauf eines Schutzgas-Schweißgerätes stellt sich für den Käufer die Frage welches Metall in welcher Stärke er überwiegend schweißen möchte. Dem entsprechend ist das Schweißverfahren aber auch der Schweißstrombereich zu wählen. Ebenfalls ist die Taktung für die Qualität der Schweißnaht sehr wichtig. Eine hohe Taktfrequenz führt zu einem besseren Schweißergebnis.

Hochwertige Inverter-Schweißgeräte können zwischen Gleich- und Wechselstrom wechseln, dies bringt einen großen Vorteil, da bei verschieden Materialien bessere Ergebnisse erzielt werden können. Der Wechselstrom beispielsweise empfiehlt sich für Leitmetalle; bei Stahl und ähnlichen Metallen sollt jedoch lieber der Gleichstrom verwendet werden.

Funktionsweise eines Inverter-Schweißgeräts

Das Inverterschweißgerät entspricht in seinem Grundprinzip einem Schaltnetzteil und wird je nach zu generierender Leistung entweder ein-oder dreiphasig ans Stromnetz angeschlossen. Die vorerst gleichgerichtete Netzspannung wird unter Zuhilfenahme von Leistungshalbleitern zerkleinert und über einen vergleichsweise kleinen Transformator auf eine wesentlich geringere Spannung reduziert. Die Frequenzen, welche die Leistungshalbleiter innerhalb des Inverterschweißgerätes haben müssen um diesen Prozess zu gestalten, liegen zwischen 20 und 150 kHz. Nun muss man den Schweißstrom erneut gleichrichten, was man über die Nutzung dafür geeigneter Dioden erreicht.

Die Baugröße des gesamten Inverterschweißgerätes und damit also des gesamten Lichtbogenschweißgerätes welches man zu nutzen gedenkt hängt maßgeblich von der Größe der verbauten Transformatoren ab. Diese ist in diesem Fall umgekehrt proportional zu der von ihnen erzeugten Arbeitsfrequenz, woraus man schließen kann, dass die Baugröße mit zunehmender Frequenzhöhe abnimmt. Es scheint also sinnvoll, Inverterschweißgeräte mit möglichst hoher Frequenz herzustellen, da diese neben dem eben genannten Größenvorteil auch die Möglichkeit bieten, stark dynamische Schweißprozesse mit gleichzeitig steigendem Komfort zu realisieren.

Technische Vorteile der Schweiß-Inverter

Diese als Komfort bezeichneten, durch den Schweiß-Inverter zu erreichenden Vorteile kann man in unterschiedliche Anwendungen, welche sich z.B. beim MIG/MAG-Schweißen durchaus gut machen, unterteilen, im Folgenden werden drei genannt.

Da gibt es zum einen den sogenannten „Antistick“, wobei die Anlage kurz vor einem Kurzschluss den vorher eingestellten Maximalstrom abgibt und so sowohl das Ausglühen, als auch das Festkleben der verwendeten Elektrode verhindert.

Als zweites sollte die „Arc-Force Steuerung“ genannt werden, welche den eingestellten Stromwert kontinuierlich so erhöht, dass der Lichtbogen auf fast gleicher Länge gehalten wird, welches letztlich also eine elektronische Regelung des Lichtbogens darstellt.

Als dritte Komfortausstattung findet jetzt der sogenannte „Hot-Start“ Erwähnung, welcher ebenfalls das Klebenbleiben der Elektrode verhindert. Dies wird hierbei durch eine kurzfristige Überlagerung des eingestellten Schweißstromes erreicht, welcher zusätzlich den Vorteil generiert, den Schweißnahtanfang schneller aufzuwärmen.

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Übersicht der Stromversorgungskonzepte bei Schweißgeräten

Zur besseren Übersicht haben wir die gängigen Schweißstromversorgungen zusammengetragen und beschreiben dabei, wie diese technisch funktionieren.

Schweißgeräte werden gewöhnlich als Konstantstrom (CC) oder Konstantspannung (CV) klassifiziert; eine Konstantstrommaschine variiert ihre Ausgangsspannung, um einen konstanten Strom aufrechtzuerhalten, während eine Konstantstrommaschine ihren Ausgangsstrom schwankt, um eine eingestellte Spannung aufrechtzuerhalten. Das Schutzgasschweißen und das Wolfram-Gasschweißen verwenden eine Konstantstromquelle und das Gas-Metall-Lichtbogenschweißen und das Fülldrahtschweißen verwenden typischerweise Konstantspannungsquellen, aber Konstantstrom ist auch mit einem spannungsabhängigen Drahtvorschub möglich.

Die Beschaffenheit der CV-Maschine ist für das Gas-Metall-Lichtbogenschweißen und das Fülldrahtschweißen erforderlich, da der Schweißer nicht in der Lage ist, die Lichtbogenlänge manuell zu steuern. Wenn ein Schweißer versucht, mit einer CV-Maschine mit Schutzgas zu schweißen, würden die kleinen Schwankungen im Lichtbogenabstand zu großen Schwankungen in der Leistung der Maschine führen. Mit einer CC-Maschine kann der Schweißer mit einer festen Anzahl von Ampere rechnen, die das zu schweißende Material erreichen, unabhängig vom Lichtbogenabstand, aber zu viel Abstand führt zu schlechtem Schweißen.

Die am häufigsten genutzten Schweißstromversorgungen lassen sich in die folgenden Typen einteilen:

Transformator

Ein transformatorartiges Schweißnetzteil wandelt die moderate Spannung und den moderaten Strom aus dem Versorgungsnetz (typischerweise 230 oder 115 VAC) in eine Hochstrom- und Niederspannungsversorgung um, typischerweise zwischen 17 und 45 (Leerlauf) Volt und 55 bis 590 Ampere. Ein Gleichrichter wandelt bei teureren Maschinen die Wechselspannung in Gleichspannung um.

Diese Konstruktion ermöglicht es dem Schweißer typischerweise, den Ausgangsstrom zu wählen, indem er eine Primärwicklung näher oder weiter von einer Sekundärwicklung entfernt bewegt, einen magnetischen Shunt in den Kern des Transformators hinein- und herausbewegt, eine Seriensättigungsdrossel mit einer variablen Sättigungstechnik in Reihe zum Sekundärstromausgang verwendet oder indem er dem Schweißer einfach erlaubt, die Ausgangsspannung aus einem Satz von Abgriffen auf die Sekundärwicklung des Transformators auszuwählen. Diese Transformator-Stil Maschinen sind in der Regel die am wenigsten teuer.

Der Kompromiss für den reduzierten Aufwand ist, dass reine Transformatorenkonstruktionen oft sperrig und massiv sind, weil sie mit der Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz betrieben werden. Solche Niederfrequenztransformatoren müssen eine hohe magnetisierende Induktivität aufweisen, um unnötige Nebenströme zu vermeiden. Der Transformator kann auch eine signifikante Streuinduktivität für den Kurzschlussschutz aufweisen, falls sich ein Schweißdraht am Werkstück festsetzt. Die Streuinduktivität kann variabel sein, so dass der Bediener den Ausgangsstrom einstellen kann.

Generatoren

Schweißstromversorgungen können auch Generatoren verwenden, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Moderne Konstruktionen werden normalerweise von einem Verbrennungsmotor angetrieben, aber ältere Maschinen können einen Elektromotor verwenden, um einen Generator anzutreiben. In dieser Konfiguration wird die Hilfsenergie zunächst in mechanische Energie und dann wieder in elektrische Energie umgewandelt, um den Step-Down-Effekt ähnlich einem Transformator zu erzielen. Da die Leistung des Generators Gleichstrom oder sogar eine höhere Frequenz Wechselstrom sein kann, können diese älteren Maschinen Gleichstrom aus Wechselstrom erzeugen, ohne dass Gleichrichter jeglicher Art benötigt werden, oder sie können auch für die Implementierung früher verwendeter Varianten von so genannten Heliarc-Schweißern (am häufigsten jetzt als WIG-Schweißer bezeichnet) verwendet werden, bei denen die Notwendigkeit einer höherfrequenten Zusatzmodulbox dadurch vermieden wird, dass der Generator einfach direkt Wechselstrom höherer Frequenz erzeugt.

Wechselrichter (Inverter)

Seit dem Aufkommen von Hochleistungshalbleitern wie dem Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) ist es nun möglich, ein Schaltnetzteil zu bauen, das den hohen Belastungen des Lichtbogenschweißens gewachsen ist. Diese Ausführungen werden als Inverter-Schweißgeräte bezeichnet. In der Regel wird zuerst die Versorgungsspannung auf Gleichstrom umgestellt, dann wird die Gleichstromleistung in einen Niederspannungstransformator umgeschaltet (invertiert), um die gewünschte Schweißspannung oder den gewünschten Schweißstrom zu erzeugen. Die Schaltfrequenz liegt typischerweise bei 10 kHz oder höher. Obwohl die hohe Schaltfrequenz anspruchsvolle Bauelemente und Schaltungen erfordert, reduziert sie den Großteil des Abwärtstransformators drastisch, da die Masse der magnetischen Bauelemente (Transformatoren und Induktivitäten), die zur Erreichung eines bestimmten Leistungsniveaus erforderlich ist, mit zunehmender Betriebsfrequenz (Schaltfrequenz) rapide abnimmt. Die Inverter-Schaltung kann auch Funktionen wie Leistungsregelung und Überlastschutz bieten. Die auf Hochfrequenz-Inverter basierenden Schweißmaschinen sind typischerweise effizienter und bieten eine bessere Kontrolle der variablen Funktionsparameter als nichtinvertierte Schweißmaschinen.

Die IGBTs in einer Inverter-basierten Maschine werden von einem Mikrocontroller gesteuert, so dass die elektrischen Eigenschaften der Schweißleistung per Software in Echtzeit geändert werden kann, sogar auf einer Zyklus-zu-Zyklus-Basis, anstatt Änderungen langsam über Hunderte, wenn nicht Tausende von Zyklen vorzunehmen. Typischerweise implementiert die Steuerungssoftware Funktionen wie das Pulsieren des Schweißstroms, die Bereitstellung von variablen Verhältnissen und Stromdichten durch einen Schweißzyklus, das Ermöglichen von gepfeilten oder abgestuften variablen Frequenzen und die Bereitstellung von Timing, wie es für die Implementierung des automatischen Punktschweißens erforderlich ist; all diese Funktionen wären unerschwinglich teuer, wenn man sie in eine transformatorbasierte Maschine einbauen würde, aber sie benötigen nur Programmspeicherplatz in einer softwaregesteuerten Inverter-Maschine. Ebenso ist es möglich, einem softwaregesteuerten Inverter-Schweißgerät bei Bedarf durch ein Software-Update neue Funktionen hinzuzufügen, anstatt einen modernes Gerät kaufen zu müssen.

Andere Typen

Neben den Typen mit Transformatoren, Generator und Umrichtern gibt es noch weitere Typen von Schweißgeräten. Zum Beispiel gibt es auch Laserschweißgeräte, die eine völlig andere Art der Schweißstromversorgung benötigen, die nicht in eine der zuvor beschriebenen Arten von Versorgungen fällt. Ebenso benötigen Punktschweißgeräte eine andere Art der Stromversorgung, die typischerweise aufwändige Zeitschaltkreise und große Kondensatorbänke enthält, die bei anderen Schweißstromversorgungen nicht üblich sind.