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Helden gesucht! Experten-Betrachtungen zur Genauigkeit elektrischer Schweißprozessparameter: Überall, wo eine Pflicht zum Messen oder Dokumentieren besteht, stellt sich auch die Frage der Genauigkeit. Beim MIG/MAG-Schweißen wird das Schweißgut mithilfe elektrischer Energie (=Leistung x Zeit) zum Schmelzen gebracht. Derzeit verzichtet jedoch (noch) eine große Mehrheit einschlägiger Normen darauf, die eingebrachte Streckenenergie (Energie pro Meter) oder die Leistung P der Kontrolle vorzuschreiben, sondern häufig wird sich mit den Mittelwerten von Strom I und Lichtbogenspannung U (deren Produkt die mittlere Leistung annähert) beschieden. Grund hierfür ist vor allem die schon immer bestehende technische Schwierigkeit, Augenblicksleistungen richtig zu messen. Waren früher die dafür denkbaren analogen Multiplizierer in genauer Ausführung sehr teuer, tun sich heute mögliche digitale Systeme mit den komplizierter geworden Stromkurven, höheren Frequenzen, und nicht zwangsläufig bekannten Frequenzgemischen schwer. Kaffee oder Tee? (warum eigentlich steht der Strom im Vordergrund?) Aus prozesstechnischen Gründen können außerdem zum Schweißen mit einer gewünschten Leistung nicht beliebige Kombinationen aus Strom und Spannung verwendet werden, sondern große Ströme sind üblicherweise mit großen Spannungen verbunden. Dies beschreibt auch die Normkennlinie aus DIN EN 60974-1: U (in Volt) = 14 + 0,05 x I (in Ampere) für I <= 600A und U= 44V für I > 600A. Schon immer bestand der Wunsch, die Schweißleistung mit einer einzigen leicht messbaren Größe beschreiben zu können. So stellt sich hier die Frage, ob dafür nicht eine der leicht messbaren Größen Strom oder Spannung genommen werden kann. Aufgrund der o. g. Zusammenhänge eignet sich die Spannung - insbesondere bei sehr kleinen und sehr großen Leistungen - hierfür ausgesprochen schlecht. Will man zum Beispiel eine kleine Leistung P₁ = 300W = 15V x 20A von einer mehr als doppelt so großen Leistung P₂ = 640W = 16V x 40A abgrenzen, so schlägt sich dies bei der Lichtbogenspannung nur in einem relativ unscheinbaren Verhältnis von U₂/U₁ = 16 /15 = 1,067 nieder. Der Strom hingegen bildet das Leistungverhältnis P₂/P₁ (das hier mit 2,13 richtig beschrieben ist) mit I₂/I₁ = 2,0 deutlich besser ab. Unter anderem hat sich der Schweißstrom aus diesem Grund als einfachst mögliches Unterscheidungsmerkmal und leistungsmäßige Einordnungshilfe etabliert. Es sei nur darauf verwiesen, bei wie vielen Typenbezeichnungen von Schweißgeräten zahlenmäßige Zusammenhänge zu ihren Ampereleistungen bestehen. Ein weiterer Grund für die Einordnung über den Strom besteht natürlich in der großen Verbreitung von Netzteilen, die zwar übliche Schweißspannungen erzeugen können, nicht aber übliche Schweißströme (umgekehrt ist dies nicht der Fall). Oder anders gesagt: Die Herstellungskosten von Stromquellen hängen stärker vom Strom als von der Spannung ab. Schließlich ist der Strom auch deshalb das bessere Maß für die Schweißleistung, weil bei ihm keine nennenswerten Verluste auftreten. Bei der Spannung kann dies hingegen relativ leicht passieren: Lange und dünne Schweißleitungen bewirken einen Spannungsfall, der der Schweißleistung abträglich ist. Ähnlich verhält es sich bei sehr langen Lichtbögen, die mit hohen Spannungen und einem schlechteren thermischen Wirkungsgrad korreliert sind. Draußen nur Kännchen! (im oberen Bereich spielt die Musik anders!) Der Schweißstrom wurde hier ganz bewusst erst einmal nur 'Einordnungshilfe' und nicht einfach 'Einfluss-Faktor' genannt. Ein einfacher Faktor würde nämlich durch eine beispielsweise 10%ige Veränderung auch eine 10%ige Änderung seiner Auswirkung erzeugen. Eliminiert man die Spannung in der Leistungsformel mithilfe der Normkennlinie, so erhält man einen gemischt quadratischen Zusammenhang: P = 0,05 x I² + 14 x I (P in Watt und I in Ampere, für I < 600A) Aus messtechnischer Sicht birgt der quadratische Einfluss im oberen Bereich eine gewisse Tücke: So bewirkt z. B. eine 10%tige Stromsteigerung von 500A auf 550A eine deutlich größere Leistungssteigerung von 19,5kW auf 22,8kW, was einem Plus von 17% entspricht! Dies gilt natürlich nicht nur für Stromsteigerungen, sondern auch für Stromfehler. Genauer gesagt: Im Bereich von 280A bis 600A vergrößert sich der relative Stromfehler einer fehlerbehafteten Stromangabe für die Leistung um 50 bis 68%. Eine auf 3% genaue Strommessung führt also schnell zu 5% Ungenauigkeit in der Leistung! Dennoch ist dies viel besser, als bei der Spannung, wo - um im obigen Kleinleistungsbeispiel zu bleiben - 6,7% Spannungssteigerung zu über 100% Leistungssteigerung führen können! Anmerkung: IEC 60038 erlaubt Netzspannungsschwankungen von Plus und Minus 10%. Spätestens hier wird es nicht mehr möglich, allein von der Stufenschalterstellung einer konventionellen Maschine auf eine auch nur annähernd gleich bleibende Schweißleistung zu schließen. Zwischenergebnis: Physikalische Wirkgröße zum Schmelzen des Schweißguts ist die Leistung. Elektrische Leistung ist das Produkt von Strom und Spannung, diese sind miteinander korreliert. Zur Einordnung der Leistung ist eine Spannungsangabe allein nicht geeignet In einem ersten Schritt kann aber allein aus einer Stromangabe eine Einordnung der Leistung gemacht werden. Voraussetzung hierfür ist, dass Strom und Spannung gemäß der Normkennlinie miteinander korrelieren. Beim einem solchen Schluss (von Strom auf Leistung) sind - insbesondere im Bereich zwischen 280 und 600A Ungenauigkeitsaufschläge von 50 bis 68% zu machen. Die Mischung macht den Teig! (gewusst, wie) Im Wort 'Mischung' liegt mehr als nur die Zutatenliste. denn auch Zeitpunkt, Reihenfolge und die Art des Zufügens können entscheidende Unterschiede bewirken!. Einschlägige Normen verstehen Lichtbogenspannung und Schweißstrom als bestimmende Schweißprozessparameter und zwar - ausgesprochen oder unausgesprochen: als gleichzeitig auftretend und gleichzeitig bestimmend! Hintergrund hierfür sind vor allem weitere Parameter, wie Drahtvorschubgeschwindigkeit und Stickout (ungeschmolzene Drahtaustrittslänge), Lichtbogenlänge und thermischer Wirkungsgrad, die aber oft automatisch stimmen, wenn Strom und Spannung gleichzeitig stimmen. Wo die nötigen Voraussetzungen gegeben sind und die Anforderungen nicht zu hoch sind, kann daher auf die relativ teuren Messungen vieler Größen verzichtet werden. Wo jedoch auf die Gleichzeitigkeit korrekt vorliegender Strom- und Spannungswerte verzichtet wird - z. B. weil Stromzangen auch Spannungsmessungen erlauben - wird es ausgesprochen schwierig und ungenau: Da ungünstiger Weise Strom- und Spannung selten ohne Auswirkung auf den jeweils anderen elektrischen Schweißprozessparameter eingestellt werden können, müssten nach jeder Einstellungsänderung beide Messaufbauten (für Strom- und Spannungsmessung) gemacht werden, ohne die Schweißleistungseinstellung (z. B. Schalterstufe), den Drahtvorschub und die Brennerhaltung zwischenzeitlich zu ändern. Schnell würde iteratives Vorgehen erforderlich, dessen tatsächliche und ehrliche Durchführung in der Praxis dann doch in Frage steht. Einen gemäß DIN EN 1090-2 geeigneten Zeitabstand zur Kontrolle der wesentlichen Schweißparameter darf sich der Anwender zwar eigenverantwortlich setzen, führt er diese beiden aber nicht gleichzeitig aus, wird es schwierig bis unmöglich zu argumentieren, ob nicht eine Min-Schwankung des einen mit einer Max-Schwankung des anderen zusammentraf (oder umgekehrt - Blindstromproblematik!) und wie die weiteren Parameter (Drahtvorschub und Brennerhaltung) in diesen Momenten gerade waren, bzw. warum man diese dann nicht messen muss (weil sie so oder so sein mussten). Auch in Normen (z. B. Einleitung der DIN EN 17662) schlägt sich nieder, dass dort, wo das Schweißergebnis nicht einfach oder wirtschaftlich verifiziert werden kann, der Prozess und seine Parameter überwacht werden soll und die Qualitätsmerkmale des Erzeugnisses durch Dokumentation des Prozesses auch indirekt belegt werden können. Auch DIN EN 50504 verzichtet in Anhang B.2 auf die Überprüfung der Drahtvorschubgeschwindigkeit, wenn diese aufgrund passenden Stromes bereits sichergestellt ist. Zwischenergebnis: für den Nachweis stehen alternative Wege offen technisch Mögliches ersetzt das Unmögliche Wirtschaftliches ersetzt das Unwirtschaftliche Die Gleichzeitigkeit von Strom- und Spannungsmessung ist eines der am häufigsten vergessenen Glieder in der Argumentationskette korrekter Kostenreduktion! Vom Rezept bis zum Produkt: (probieren geht über studieren)
			In wissenschaftlicher Forschung werden Grenzen des - unter gegebenen Randbedingungen - prozesstechnisch Möglichen ermittelt. Die Stromgrenzen seien I_max und I_min genannt. Es ergibt sich eine
		Spanne_Forschung = I_max - I_min.
			Ziel solcher Forschung ist natürlich, die Grenzen des Machbaren möglichst weit auszudehnen und möglichst genau zu bestimmen. Neben der Ungenauigkeit der Strommessung - die allein schon größer ist, als die der verwendeten Strommessgeräte - ist auch der Einfluss sämtlicher Randbedingungen und die Genauigkeit ihrer Einhaltung hinzuzuziehen! Die verbleibenden Fehler aus der Forschung seien hier
		∆F_oben und ∆F_unten genannt. Oft kann man die erste Näherung wie folgt machen: ∆F_oben ≈ ∆F_unten ≈ ∆F = 0,5 x (∆F_oben + ∆F_unten )
			Die Spannen, die man in 'Schweißerbibeln' finden kann sind üblicherweise bereits beiderseits um ∆F reduziert, denn es wird kaum empfohlen, was sicher ist:
		Spanne_{Lehrempfehlung} = Spanne_Forschung - 2 x ∆F.
			Im Zuge der betrieblichen Qualifizierung ist der Schweißbetrieb auf seine Fähigkeiten bezüglich der Einhaltung aller Einflussgrößen und Vorgehensweisen zu bewerten. Üblicher und sinnvoller Weise legt man bei der großen Mehrheit der Parameter nicht so strenge Maßstäbe an, wie es der wissenschaftlichen Forschung möglich ist. Tolerierbare betriebsübliche Schwankungen sind zu erlauben um die Wirtschaftlichkeit sicherzustellen! Im Gegenzug dazu ist die in der WPS anzugebende Spanne um den Einfluss der im betreffenden Betrieb zu erwartenden Schwankungen (∆B) zu reduzieren (deshalb ist die Zertifizierung individuell):
		Spanne_WPS = Spanne_{Schweißempfehlung} - 2 x ∆B.
			Natürlich ist die Spanne_WPS als Spanne der einzuhaltenden Istwerte zu verstehen. Damit der Schweißer mit den tatsächlichen Istwerten sicher im erlaubten Bereich bleiben kann, ist für die Spanne_WP_K der ablesbaren Werte nochmals beidseitig ein Abzug zu machen, und zwar mindestens die Ungenauigkeit des dann verwendeten Messgeräts (∆M):
		Spanne_{Arbeitsanweisung} = Spanne_WPS - 2 x ∆M. Anmerkung: Zwischen Arbeitsanweisung und WPS wird (und muss) nicht immer getrennt werden. Richtiger Weise ist der Messgerätefehler (∆M) dann bei schon bei der WPS zu berücksichtigen!
Am Ende steht eine betriebliche (wenn nicht sogar persönliche) Arbeitsweise, die längst nicht alle theoretischen Freiheiten ausnutzt. Man hat den Bogen raus, wie es effektiv und sicher geht und arbeitet dann (nahezu) immer genauso. Diese Arbeitsweise ist so individuell wie die Zertifizierung des Betriebes und in Übereinstimmung mit dem Stand der Wissenschaft, Lehre und Technik.
Zwischenergebnis: Unter Sicherheitsüberlegungen sind alle möglichen Fehler (∆F + ∆B + ∆M) 'worst-case' zusammen zu zählen! Bezüglich der Streckenenergie kann sich der mögliche Fehler um weitere 70% vergrößern. Wer selbst ermittelt oder 'forscht', muss das Doppelte dieses Fehlers berücksichtigen! (Einmal, wenn er überlegt, welche Zahl er hinschreibt + einmal dafür, dass die spätere Einhaltung auch diesem Fehler unterliegt.) Genauere Geräte erlauben das Festlegen weiterer Toleranzen und größerer Messabstände. Korrektureingriffe in die Produktion werden seltener (u. a. auch weniger Fehlalarme!) und wenn, dann sind sie effektiver! Omas Kuchen schmeckt immer noch am besten! (Liebe geht durch den Magen.) Zugegeben: Oma versteht ihr Handwerk - auch ohne Küchenwaage. Sie gibt den Zucker immer nach Geschmack. Und in der Tat: Auch der Schweißer versteht sein Handwerk und hat Möglichkeiten des Ausgleichs, vor allem mit der Schweißgeschwindigkeit. Wie ein Pilot sollte er auch 'nach Sicht' arbeiten können! Aber fand sich schon eine einzige Schweißanweisung mit dem Eintrag '*nach Geschmack Strom zugeben*'? Hier geht es um mehr als um Geschmack! Spätestens, wenn etwas passiert, wird es nicht reichen, zu sagen, dass es immer geschmeckt hat. Spätestens, wenn die Juristen kommen, ist keine Argumentationslücke mehr vor Entdeckung sicher.
Mutige Helden (immer) gesucht! (aber für wen lohnt sich das?)
			Zertifizierer testieren, wer schweißen kann. Bei Anfertigung der Prüfstücke sind sie selbst anwesend und haben Einblick in Produktionsabläufe und -Bedingungen. Das Testat drückt das Zutrauen aus, dass der Produktionsbetrieb auch künftig richtig schweißen wird!
			Dies beinhaltet aber auch das Zutrauen, dass der Produktionsbetrieb künftig richtig messen wird. Dafür braucht es u. U. Mut, denn es bedeutet mehr, als nur das Vorhandensein eines Kalibriersiegels zu checken. Es geht um das Zutrauen, dass der Produktionsbetrieb Strom und Spannung richtig misst, d. h. dass ... er geeignete Messbereiche einstellt, er den ggf. erforderlichen Nullabgleich nicht vergisst, er kein Low-Bat-Symbol übersieht, er Soll- und Istwerte nicht verwechselt, er Strom und Spannung gleichzeitig aufnimmt, er dafür erforderlichen Geräte hat (u. U. zwei!), er schnell schwankende Anzeigen (ggf. beide!) richtig mittelt er den dafür ggf. erforderlichen zweiten Mann abstellt, die Summe aller Messfehler einschätzen kann und er selbst nicht mogelt.
Die Zertifizierung soll Auftraggebern den Mut ersparen, den sie bräuchten, wenn sie auf reine Werbeversprechen bauen zu müssten. Sie wurde bereits vielfach zur Voraussetzung der Auftragsvergabe - Tendenz steigend. Prüfer sollten - auch, wenn das immer wieder nachgefragt wird - sich gut überlegen, ob sie den Helden spielen und mutig durchwinken wollen. Sie sollten dem Schweißbetrieb aber auch nicht horrende Investitionen abverlangen oder ihn unnötig quälen!

	Durch welche Mühle muss der Schweißbetrieb? (oder: was ist der Sinn der Übung?) welchen Sinn hat eine genaue Messtechnik, ... ... wenn man dafür studiert haben muss? ... wenn sie nur ganz wenige beherrschen? ... wenn sie einen mehr aufhält, als nutzt? ... wenn absehbar ist, dass sie nicht - oder falsch - genutzt wird?
Fazit: Prüfer sollten das richtige und preiswerte Equipment empfehlen, das mit einem durchdachten Konzept arbeitet! Das Konzept der youMET - Messgeräte: vereinfacht den Messaufwand reduziert Fehlerquellen bietet beste Reproduzierbarkeit überlässt den Handelnden - dank seiner eigenen Präzision - den größt möglichen Spielraum vermindert den notwendigen Umfang Mess- und Elektrotechnischer Kenntnisse hilft, das mit dem Testat ausgesprochene Zutrauen in die messtechnische Kompetenz zu rechtfertigen erspart (häufig) weitergehende Messungen, wie Drahtvorschubgeschwindigkeit oder Stickout ist von den Schweißgeräteherstellern unabhängig und erlaubt vielfach die direkte Übertragung der Schweißprozessparameter von einer Schweißanlage zur anderen steigert - bei reduzierten Kosten - die Produktionsqualität Easygoing precision - mit youMET das Mittel der Wahl.