Hirn-Kasten

© Foto | TRUMPF, Wei Wei

30 Jahre halten die Gehäuse von JST isolierendes Gas in Mittelspannungs-Schaltanlagen gefangen. Dafür haben sich die Konstrukteure einiges einfallen lassen.

Sie verteilen den Strom – Mittelspannungsanlagen sind die Knotenpunkte der Energieversorgung. So groß wie ein Kühlschrank, nehmen sie leider auch viel Platz für sich in Anspruch. Vor allem, wenn nicht nur eine Schaltanlage im Einsatz ist.

Gas spart Platz

Ihre Größe hat einen triftigen Grund: Damit es nicht zu Spannungsentladungen kommt, muss zwischen den Komponenten im Inneren der Boxen genügend Platz bleiben. Ein noch sehr neuer Weg, um kleinere Schaltanlegen zu bauen, ist, sie mit Gas zu füllen.

Dieses Gas isoliert besser als Luft und die Komponenten im Inneren können enger zusammenrücken. Wer jedoch, wie die chinesische Hainan Jinpan Electric Co., Ltd (JST), in die Fertigung gasbefüllter Schaltanlegen einsteigt, sieht sich einer besonderen Herausforderung gegenüber: Damit kein Gas entweicht, müssen die Nähte sehr dicht sein – für lange Zeit. „Wir sprechen hier von einer Lebensdauer von 30 Jahren“, betont JST-Geschäftsführer Michael Yan.

Wie andere in seiner Branche setzt er auf den Laser, um absolut dichte Nähte zu schweißen. Der Laser stellt jedoch sehr hohe Anforderungen an die Präzision der Blechteile, denn er arbeitet mit engen Toleranzen. Nur so lassen sich die Boxen auch für lange Zeit dicht verschweißen.

Der Schlüssel: Schweißnähte, die das Gas über 30 Jahre einsperren, gelingen nur mit Laserverfahren. Das führte zu einer kompletten Neukonstruktion der Gehäuse

Die Komponenten müssen dafür mit dem Laser geschnitten werden. „Die Kanten von Stanzteilen sind zu ungenau, sie können nicht präzise auf den Vorrichtungen platziert und mit Nulltoleranz gefügt werden“, erläutert Michael Yan. Von der Tagesform eines Mitarbeiters beim Handschweißen darf sich JST darum nicht abhängig machen.

Das Laserschweißen übernimmt diese Aufgabe und führt sie exakt und in konstanter Qualität aus. Der Fokusfleck beim Gasdichtschweißen muss ganz genau der Mitte des Fügespalts folgen, nur so verschließt er ihn wirklich sicher. Eine Messsonde im Schweißkopf überprüft, ob das auch exakt geschieht. Sie fährt das Werkstück ab und ermittelt die genaue Positionierung der Fügenaht für den Schweißprozess. Nachdem der Laser die Naht dichtgeschweißt hat, prüft die Sonde die Position für die nächste Naht.

Neukonstruktion spart Zeit

Bereits bei der Konstruktion der Boxen setzt der Laser als Werkzeug ein Umdenken voraus. Üblicherweise bestehen sie aus zwei um 90 Grad ineinander verdrehten U-Profilen, die miteinander verschweißt sind. Die Flügel des einen Profils bilden später die Seitenwände der Box, dieFlügel des anderen bilden Boden und Decke.

Ein  einfaches Verfahren, allerdings mit konstruktiven Nachteilen: Die Biegeradien in den Kanten führen zu vergleichsweise großen Fügespalten. Der Laser arbeitet beim Dichtschweißen jedoch ohne Schweißdraht. Darum wird die Box aus flachen Blechen einzeln zusammengeschweißt.

Mit dem Laser geht das schnell, die Naht hält dicht und die Bleche lassen sich präzise positionieren. Eine weitere Änderung ist bei überstehenden Blechen an den Kanten der Box erforderlich. Innenliegende Stellen sind für den Laser nicht zugänglich, schmale Absätze führen außerdem  zu  Toleranzproblemen.

In  Zusammenarbeit mit TRUMPF hat JST das Design der Boxen entsprechend angepasst. Die Kanten sind nun gut zugänglich und so kombiniert, dass weniger Schweißnähte anfallen. Ein positiver Nebeneffekt: Es wird weniger Material benötigt.

Eins, zwei, drei und dicht.

Bevor der Laser die Box dichtschweißt, werden die Bauteile in drei Schritten vorbereitet. Zuerst werden sie geschnitten und fertig bearbeitet und in einem zweiten Schritt mit einem TruFlow Laser mit vier Kilowatt Leistung in der TruLaser Cell 7040 geschweißt. Dann folgt ein Zwischenschritt: das  Verheften der Bleche mithilfe eines MIG-Handschweißgeräts zur Box.

Das geschieht weiterhin manuell und ist nötig, damit die Box exakt auf der Spannvorrichtung platziert werden kann. Im vierten Schritt zieht die Maschine die Lasernaht. Die TruLaser Cell ist mit drei verfahrbaren Tischen ausgestattet.
Für jeden Arbeitsschritt steht ein Tisch mit der passenden Vorrichtung zur Verfügung.

Während die Komponenten in der Laserzelle geschweißt werden, kann der Bediener auf dem nächsten Tisch bereits das neue Werkstück vorbereiten. Eine besondere Herausforderung stellte JST an die Vorrichtungen: „Unsere Anlagen haben immer dieselbe Breite, wir fertigen sie aber in unterschiedlichen Längen – aktuell mit 330, 660 und 990 Millimetern“, erläutert Michael Yan. In der TruLaser Cell kann nun erstmals alles auf einer Vorrichtung geschweißt werden.

Eine Frage der Spannung

JST China-Geschäftsführer Michael Yan schafft mit gasisolierten Mittelspannungsanlagen ein weiteres Standbein für das Unternehmen

Die von TRUMPF entwickelte Grundvorrichtung bleibt dieselbe, ja nach Länge des Bauteils lässt sie sich einfach umstecken. „Dadurch sparen wir uns Investitionskosten für weitere Vorrichtungen und Zeit beim Rüsten“, betont Yan. Fertigungsschritte wie die Montage und Qualitätskontrolle, die beim manuellen Schweißen notwendig waren, fallen ebenfalls weg.

„Die Prozesseffizienz konnten wir mit dem Laserschweißen um 30 bis 40 Prozent steigern. Denn wir müssen nun viel  weniger nacharbeiten“, betont Yan. Damit ist er seinem Ziel – der modernen Serienfertigung – einen entscheidenden Schritt näher gekommen.

Ansprechpartner:  
JST Jinpan Electric Group Co., Ltd.
Michael Yan
yanlq@jst.com.cn

Dieser Artikel ist erstmals im Frühjahr 2011 erschienen.

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