05.11.2020
Praxistipp
Das sollten Sie über Stromdüsen wissen
Es gibt eine Menge unterschiedlicher Bezeichnungen: Kontaktrohr, Stromkontaktrohr oder auch contact tip, gemeint ist damit aber immer das Gleiche, nämlich die Stromdüse. So klein sie auch ist, so groß ist ihr Einfluss beim MIG- und MAG-Schweißen auf die Qualität des Schweißprozesses, die Maschinenverfügbarkeit und die Standzeit der Maschinen in der schweißtechnischen Fertigung. Eine Stromdüse ist daher das kleinste, aber gleichzeitig auch das wichtigste Verschleißteil an einem MIG- oder einem MAG-Brenner, unabhängig davon, ob es sich dabei um einen Handbrenner handelt, einen Automatenbrenner oder den Schweißbrenner an einem Roboter. Dieser Praxistipp von ABICOR BINZEL widmet sich ausführlich dem Einsatz dieser bedeutungsvollen Zubehörteile.
Kilometer für Kilometer ...
Während des Schweißprozesses übernimmt die Stromdüse die Aufgabe, den Schweißstrom auf die Drahtelektrode zu übertragen, um so für einen richtungsgeführten, stabilen Lichtbogen zu sorgen. Der Schweißdraht durchläuft dabei schleifend die Stromdüse – pro Brenner kommen da an einem Arbeitstag durchaus mehrere Kilometer zusammen. Zusätzlich muss der Schweißdraht sowohl im Schlauchpaket als auch im Brennerhals den bestehenden Reibungswiderstand überwinden. Das ist ein hartes Stück Arbeit, das auch Spuren an der Stromdüse hinterlassen kann.
Problem erkannt ...
Bei der Drahtförderung entsteht ein Abrieb. Dieser ist in seiner Intensität allerdings abhängig vom Draht selbst, vom Aufbau des Brennerhalses und vom Spiralen-Werkstoff. Fakt ist jedoch: Abhängig vom Schweißprozess, von der Drahtqualität und dem Material, aus dem die Stromdüse besteht, verliert das Kontaktrohr seine prozessrelevanten Eigenschaften und muss ausgetauscht werden, damit der Schweißprozess nicht instabil wird.
Manchmal passiert es, dass die Partikel, die beim Drahtabrieb entstehen, bis in die Stromdüse gelangen und diese zusetzen. Sind die Drähte zudem besonders hart, kommt es sogar vor, dass die Stromdüse durch den Draht ausgeschliffen wird. Dieser gegenläufige Effekt wird durch die Prozesswärme, die zum Teil auch über die Stromdüse abgeleitet wird, sogar noch verstärkt. Denn ab einer bestimmten Temperatur verliert das Kontaktrohr seine Härte und verschleißt entsprechend schneller.
Probleme bei der Kontaktierung in der Stromdüse treten vor allem bei geraden Brennerhälsen auf, die häufig bei Maschinen- oder Roboterbrennern verwendet werden. In solchen Fällen sind die Kontaktzeit und die Anlagefläche meist zu klein. Das wiederum verursacht sogenannte Mikrolichtbögen in der Stromdüse, die ebenfalls den Verschleiß am Kontaktrohr verstärken.
Zum Teil kommt es bei instabilen Prozessen auch zu einem Zurückbrennen des Drahts bis zur Stromdüse. Dann entstehen die sogenannten Festbrenner, bei denen die Stromdüse sofort versagt.
Alles eine Frage des Typs ...
In der Regel entscheiden der Brennertyp sowie der auf den Brenner abgestimmte Schweißprozess über die jeweils geeignete Art der Stromdüsen. Zu beachten sind dabei jedoch auch das verwendete Material, die zentrale Bohrung für den Drahtdurchmesser und nicht zuletzt die Gesamtgeometrie des Brenners inklusive Gewindeanschluss – Standardgrößen sind dabei M6, M8, M10 oder größer. Ein M6-Gewinde steht für eine verhältnismäßig kurze Geometrie, die sich für Stromstärken bis zu 180 Ampere eignet. Steigt die Schweißleistung, muss auch die Stromdüse größer dimensioniert sein. Einerseits, um die Stromübertragung zu gewährleisten, andererseits, weil auch mehr Wärme durch den Schweißprozess aufgenommen wird. Beim Schweißen mit beispielsweise 400 Ampere muss daher mindestens ein Gewinde in der Größenordnung M8 oder M10 her. Die Gewinde haben mehr Material, sind aber eben auch wärmestabiler und resistenter gegen Verschleiß.
Woran erkenne ich eine qualitativ überzeugende Stromdüse
Auch bei Stromdüsen gilt: Wer billigt kauft, kauft zweimal. Verhältnismäßig preisgünstige Stromdüsen von Drittanbietern entpuppen sich häufig als Zubehörteile, für die billiges, recyceltes Kupfer verwendet wurde. Dessen niedrige Härte und dessen verminderte elektrische und thermische Leitfähigkeit wiederum erhöhen den Verschleiß. Anbieter hochwertiger Stromdüsen gewährleisten die Qualität ihrer Produkte durch einen zertifizierten Fertigungsprozess.
Anderes Material – andere Eigenschaften
Beim Schweißen gibt es drei unterschiedliche, grundlegende Materialien: E-Cu-Stromdüsen bestehen aus reinem Elektrolytkupfer, CuCrZr-Stromdüsen enthalten die Legierungselemente Chrom und Zirkonium und bei HDS-Stromdüsen wiederum besteht der Innenkern um die Bohrung herum aus dispersionsverfestigtem Kupfer mit einem mineralischen Bestandteil.
Die E-Cu-Stromdüse
Diese Stromdüse, hergestellte aus reinem Elektrolytkupfer, eignet sich vor allem für den Niedrig-Ampere-Bereich und niedrige Standzeiten, denn die Erweichungstemperatur des Kontaktrohrs liegt bei etwa 260° C. Durch die Reinheit des Kupfers hat die Stromdüse sowohl eine gute Wärmeleitfähigkeit als auch eine gute elektrische Leitfähigkeit und garantiert damit eine sehr gute Stromübertragung.
Das Fazit: Eine Stromdüse mit sehr guten Prozesseigenschaften, jedoch weniger verschleißfest.
Die CuCrZr-Stromdüse
Die Kombination aus Kupfer, Chrom und Zirkonium als Bestandteile dieser Stromdüse garantieren eine hohe thermische Belastbarkeit, denn die Legierungselemente Zirkonium und Chrom sind sehr hart. Der Stromübergang ist zwar etwas weniger gut, auf die meisten Schweißprozesse wirkt sich dies jedoch nicht spürbar aus. Durch ihre hohe Härte und die gleichzeitig gegebene hohe thermische Belastbarkeit ist diese Stromdüsenart gewissermaßen der Standardtyp. Nach Vickers haben CuCrZr-Stromdüsen eine Härte von ca. 168 HV. Sie sind bis etwa 500°C temperaturbeständig und garantieren bei hoher Prozessbelastung einen verhältnismäßig niedrige Verschleißanfälligkeit.
Bei CuCrZr-Stromdüsen ist es erforderlich, den Bohrungsdurchmesser sehr gut auf den Durchmesser des Drahtes abzustimmen: Ist der Bohrungsdurchmesser in der Stromdüse nicht groß genug, setzt sich das Kontaktrohr schnell zu. Ist der Bohrungsdurchmesser wiederum zu groß, fördert dies das Entstehen von Festbrennern.
Tipp: Beim hochamperigen Schweißen mit Impulslichtbogen oder im Sprühlichtbogenbereich werden CuCrZr-Stromdüsen so stark belastet, dass sie ihre thermische Belastbarkeit schnell erreichen. Wird diese sogar überschritten, läuft das Kupfermaterial bläulich-schwarz an. Wenn dies passiert und dann weiterhin mit einer hohen thermischen Belastung geschweißt wird, kommt es zum sogenannten ovalen Auswaschen – das Kupfermaterial erweicht, der Draht erodiert in die Bohrung und kann sich festbrennen. Dann hilft nur noch der komplette Austausch der Stromdüse.
Fazit: Für Schweißprozesse im mittleren und hohen Amperebereich sind CuCrZr-Stromdüsen sehr gut geeignet, denn sie bieten bei niedrigem Verschleiß gute Prozesseigenschaften.
Die HDS-Stromdüse
HDS steht für heavy duty silver. Bei diesen Stromdüsen besteht der Innenkern um die Bohrung herum aus einem dispersionsverfestigtem Kupfer mit mineralischen Bestandteilen. Das verleiht dem Innenkern eine hohe Härte, gleichzeitig ist der Innenkern aber extrem wärmebeständig. Ihre spezielle Zusammensetzung macht die HDS-Stromdüsen zu wahren Problemlösern bei thermisch stark beanspruchten Prozessen mit hohem Verschleiß oder dann, wenn CuCrZr-Stromdüsen an ihre Grenzen kommen. Die Silberbeschichtung der Stromdüse gleicht aus, was das Kontaktrohr durch seine Zusammensetzung an elektrischer Leitfähigkeit einbüßt.
HDS-Stromdüsen punkten mit ihrer Standzeit und ihrem geringen Verschleiß vor allem bei Schweißprozessen, die durch eine hohe Einschaltdauer und hohe Leistungsaufnahme gekennzeichnet sind. Aufgrund ihrer Eigenschaften werden HDS-Stromdüsen oft bei luftgekühlten Schweißbrennern mit grenzwertiger Einschaltdauer und hohem Schweißstrom eingesetzt. Es gibt die HDS-Stromdüsen in allen gängigen Standard-Geometrien, außerdem sind sie in nahezu allen Brennersystemen von ABICOR BINZEL nutzbar.
Fazit: Bei hohen Schweißströmen in Kombination mit hoher Einschaltdauer sind HDS-Stromdüsen eine gute Lösung. Häufige Anwendungsgebiete sind luftgekühlte Brenner mit vergleichsweise hoher Einschaltdauer bei hoher Amperebelastung.
In diesen Bereichen lassen sich HDS-Stromdüsen besonders gut einsetzen:
- Automatisiertes MIG/MAG-Schweißen, insbesondere mit hochamperigen, luftgekühlte Anwendungen
- Schweißen mit Fülldrähten
- Auftragsschweißen und Plattieren
- Schiffs- und Behälterbau
- Erdbewegungsmaschinenbau
- Roboterschweißtechnik
- Automationsschweißtechnik
Welche Stromdüse passt zu welchem Draht?
Alle drei Stromdüsenarten sind grundsätzlich mit jeder Art von Draht nutzbar. Aufgrund ihrer individuellen Eigenschaften gibt es allerdings kleine Unterschiede.
Zum Schweißen werden Drähte aus Kohlenstoffstahl (verkupfert und unverkupfert), aus Edelstahl und Edelstahllegierungen, aus Aluminium, aus Kupfer-Lötlegierungen und Fülldrähhte verwendet. Alle diese Drähte sind unterschiedlich abrasiv, da sie sich in der Berschaffenheit ihrer Oberflächen und in ihrer Reinheit unterscheiden. Fülldrähte und einige unverkupferte Drähte sind hochabrasiv, daher sollten dann wegen ihrer Härte CuCrZr-Stromdüsen verwendet werden.
Zum Schweißen von Aluminium sind aufgrund der Stromübertragung E-Cu-Stromdüsen besser geeignet, denn ein Alu-Draht selbst ist weniger leitend als ein verkupferter Draht. Aluminium lässt sich auch mit CuCrZr-Stromdüsen schweißen, wegen der erhöhten thermischen Ausdehnung des Aluminiums sollten dann aber Stromdüsen mit einer etwas größeren Innenbohrung verwendet werden.
So finden Sie die richtige Stromdüse für Ihre Anwendung
Der beste Weg, um die richtigen Stromdüsen für Ihre Anwendung zu finden, ist die Anfrage beim Hersteller oder beim Händler des Vertrauens. Die meisten Hersteller bieten zusätzlich zu ihren Schweißgeräten nämlich auch Verschleißteile an, oft auch mit der Möglichkeit, spezielle Geometrien einzusetzen, wenn die Standard-Lösungen nicht passen.
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