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Die Erfindung betrifft ein Schweissverfahren, insbesondere Schutzgasschweissverfahren, bei dem zwischen einer kontinuierlich voranbewegbaren Elektrode und dem Werkstück ein elektrischer Lichtbogen erzeugt und der über diesen fliessende Gleichstrom mit vorgegebener Pulsfrequenz von einer Grundstromstarke auf eine demgegenüber höhere Pulsstromstärke erhöht wird, sowie eine zur Verfahrensdurchführung geeignete Schweissvornchtung, insbesondere Schutzgas- schweissvorrichtung, mit einem Schweissbrenner, der eine von einem mittels einer Vorschubeinrichtung antreibbaren Schweissdraht durchsetzte Kontaktdüse aufweist, und mit einem dieser zugeordneten Leistungsteil zur Erzeugung des mit vorgegebener Pulsfrequenz von der Grundstromstärke auf die Pulsstromstärke ansteigenden Stroms.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind als pulsed-arc-Schweissverfahren bzw. pulsed-arc-Schweissvorrichtung bekannt geworden.
Bei Anordnungen, die mit gleicher Schweissstromstärke arbeiten, was früher üblich war, kommt es häufig vor, dass der kontinuierlich voranbewegte Schweissdraht infolge schlechter Tropfenablösung in Kontakt mit dem Werkstück kommt, was zu sogenannten Spritzern führt.
Dem wurde durch das gattungsgemässe pulsed-arc-Schweissen abgeholfen, bei dem der Schweissstrom mit vorgegebener Pulsfrequenz von der niedrigeren Grundstromstärke auf die sehr viel höhere Pulsstromstärke erhöht wird und umgekehrt, wobei sich im Stromverlauf insbesondere beim Abfall des Stroms vergleichsweise steile Flanken ergeben. Dies bewirkt eine Tropfenablösung noch bevor der Schweissdraht in Kurzschluss mit dem Werkstück gelangen kann, womit Spritzer vermieden werden. Nachteilig hierbei ist allerdings, dass infolge der hohen Pulsstromstärke vergleichsweise viel Energie übertragen wird.
Die Folge davon sind hohe Lichtbogen- und Schweissbadtemperaturen, was insbesondere bei geringer Dicke des Werkstücks, wie bei dünnen Blechen, und/oder bei Materialien mit niedrigen Schmelztemperaturen, wie Aluminium, zu einem unerwünschten Abschmelzen des Werkstücks und dementsprechend zur Entstehung von Löchern führt. Aus diesem Grunde konnten in den genannten Fällen bisher nur von Hand geführte Elektroden Verwendung finden, was allerdings einen hohen Arbeitsaufwand bedeutet
Die US-A 3 728 515 zeigt ein Schweissgerät, bei dem ein Schweissbetrieb mit gepulstem Strom, dem kleine negative Stromimpulse zwischengeschalten werden, möglich ist. Die Umpolung des Stroms dient hier zum Säubern des Werkstücks von Metalloxyden. Zum Umpolen ist eine induktive Umpoleinrichtung vorgesehen, die trotz Gleichstromversorgung den gewünschten Wechselstrom modus ergibt.
Die US-A 3 598 954 zeigt ebenfalls eine Schweissvorrichtung zum Pulsschweissen, wobei zwischen den positiven Schweissimpulsen negative Impulse zwischengeschalten werden. Auch hierbei dient die Umpolung der Säuberung des Werkstücks von Metalloxyden
Zur Vermeidung der Nachteile des pulsed-arc-Schweissverfahrens sind die Anordnungen gemäss US-A 3 728 515 und 3 598 954 ersichtlich nicht geeignet.
Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das gattungsgemässe Verfahren und die gattungsgemässe Vorrichtung mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, dass unter Beibehaltung der grundsätzlichen Vorteile des pulsed-arc-Schweissens die auf das Schweissgut übertragene Wärme vergleichsweise gering ist.
Diese Aufgabe wird verfahrensmässig dadurch gelöst, dass der Strom zwischen der Zeitspanne, in welcher er Pulsstromstärke auf weist, und der nachfolgenden Zeitspanne, in welcher er Grundstromstärke aufweist, umgepolt ist.
Dies wird vorrichtungsmässig einfach dadurch bewerkstelligt, dass das Leistungsteil einen zwischen jeder Pulsstromspanne und der darauffolgenden Grundstromspanne aktivierbaren Wechselrichter aufweist.
Durch die Umpolung des Stroms ergibt sich eine Umkehr der Elektronenflussrichtung, was zu einem zwangsweisen Abreissen eines an der Elektrode vorhandenen Tropfens führt. Da ein derartiger Tropfen abgerissen, d. h. mit Gewalt abgelöst wird, ist in vorteilhafter Weise eine frühzeitige Tropfenablösung, also eine Tropfenablösung nach der Übertragung von erst vergleichsweise wenig Wärme, möglich. Die Pulsstromspanne kann hier daher in vorteilhafter Weise verkürzt werden. Dennoch erfolgt eine zuverlässige Tropfenablösung, bevor die Elektrode in Kurzschluss mit dem Werkstück kommt. Die erfindungsgemässen Massnahmen stellen daher sicher, dass auch beim Schweissen dünner Bleche bzw. von Materialien mit geringem Schmelzpunkt mit kontinuierlich voranbewegter Elektrode gearbeitet werden kann und dabei sowohl Spritzer als auch ein Wegbrennen bzw.
Wegschmelzen von Material verhindert wird
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Vorteilhafte Weiterbildungen und zweckmässige Ausgestaltungen der übergeordneten Massnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So kann es zur Stabilisierung des Lichtbogens vorteilhaft sein, an den Null-Durchgängen des Stroms Spannungsspitzen zu erzeugen. Diese Spannungsspitzen ergeben eine starke Ionisierung des Gases, im Falle von Schutzgasschweissen des Schutzgases, wodurch die Leitfähigkeit erhalten bleibt und eine im Bereich des Schweissbads sich bildende Oxydschicht aufgerissen wird, was zur Folge hat, dass der Lichtbogen trotz des Null-Durchgangs des Stroms erhalten bleibt.
Zur Erzeugung der genannten Spannungsspitzen kann das Leistungsteil einfach einen mit der An- bzw. Absteuerung des Wechselrichters aktivierbaren, entsprechend der Umpolung des Stroms umschaltbaren Spannungssptitzengenerator aufweisen, wie er auch zum Zünden bereits Verwendung findet.
Eine weitere zweckmässige Massnahme kann darin bestehen, dass die Stärke des umgepolten Stroms betragsmässig der Grundstromstärke entspricht. Dies ergibt einerseits ausreichende Abreisskräfte und ermöglicht andererseits eine einfache Bauweise, da eine Umpolung des Stroms genügt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmässige Fortbildungen der übergeordneten Massnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels entnehmbar.
In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen-
Figur 1 ein Blockschaltbild des Leistungsteils einer erfindungsgemässen Schweissvorrichtung,
Figur 2 ein Strom-Zeitdiagramm der Vorrichtung gemäss Figur 1,
Figur 3 ein Spannungs-Zeitdiagramm der Vorrichtung gemäss Figur 1 und
Figur 4 eine weitere Einzelheit der erfindungsgemässen Schweissvorrichtung teilweise im
Schnitt.
Das der Figur 1 zugrundeliegende Leistungsteil einer erfindungsgemässen Schweissvorrichtung enthält einen einem Wechselstromeingang 1 nachgeordneten Transformator 2, der die Wechselstromspannung von 380 Volt auf 55 Volt herabsetzt. Dem Transformator 2 ist ein Gleichrichter 3 nachgeordnet, der den Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Zur Glättung ist eine dem Gleichrichter 3 nachgeordnete Kondensatoranordnung 4 vorgesehen.
Dieser ist ein durch eine Kaskade gebildeter Stromregler 5 nachgeschaltet, durch den die Stromstärke erhöht und erniedrigt werden kann. Auf den Stromregler 5 folgt ein Wechselrichter 6, durch den der Strom mit vergebener Frequenz umgepolt werden kann. Zur diesbezüglichen Glättung ist eine dem Wechselrichter 6 nachgeordnete Drosselanordnung 7 vorgesehen Vor dem Ausgang des Leistungsteils ist in den Strompfad noch ein Spannungsspitzengenerator 8 eingeschaltet, durch den Spannungsspitzen erzeugbar sind
Der Stromregler 5, der Wechselrichter 6 und der Spannungsspitzengenerator 8 sind mittels einer Steuereinrichtung 9 so steuerbar, dass sich der den Figuren 2 und 3 zugrundeliegende Strom- bzw. Spannungsverlauf ergeben.
Die Stromstärke, deren Verlauf über der Zeit der Figur 2 zugrundeliegt, wird bei t1 mittels des Stromreglers 5 ausgehend von einer Grundstromstärke lo von etwa 20 A über eine bestimmte Zeitspanne auf eine Pulsstromstärke lp von etwa 250 A erhöht und danach bei t2 plötzlich wieder abgesenkt, so dass sich eine steile Flanke des Stromverlaufs ergibt Die Absenkung der Stromstärke erfolgt auf Grundstromstärke. Gleichzeitig mit der Absenkung erfolgt aber eine durch den Wechselrichter 6 bewerkstelligbare Umpolung des Stroms, so dass sich ein Null-Durchgang des Stromverlaufs ergibt, wie bei t2 erkennbar ist. Nach einer vorgegebenen Zeitspanne erfolgt bei t3 eine Rückpolung, so dass sich ein weiterer Null-Durchgang ergibt.
Die nun wieder vorliegende, positive Grundstromstärke Ig wird wiederum eine bestimmte Zeitspanne aufrechterhalten, bis bei t4 der Vorgang mit der Erhöhung auf die Pulsstromstärke lp von Neuem beginnt
Zwischen t2 und t3 liegt die negative Grundstromstärke vor, wie durch ln angedeutet ist Die zwischen t2 und t3 liegende Zeitspanne, in welcher die Stromstärke die negative Grundstromstärke ln aufweist, wird mit Negativ-Phase N bezeichnet. Diese liegt zwischen der Pulsphase P, in welcher die Stromstärke die Pulsstromstärke lp aufweist, und der Grundstromphase G, in welcher die Stromstärke die positive Grundstromstärke lg aufweist. Die Negativ-Phase N und die Grundstromphase G können etwa gleich lang sein. Im dargestellten Beispiel liegt gleiche Dauer vor.
Die Pulsstromphase P ist demgegenüber um etwa 25% bis 30% verkürzt Die Pulsfrequenz, mit der sich der Verlauf der Stromstärke wiederholt, ist abhängig von der Elektrodenstärke. Bei Schweissen mit einer 1-mm-Elektrode beträgt diese Frequenz etwa 200 Hertz, wobei sich eine
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Pulsstromphase P von 1,3 bis 1,5, hier 1,4 Mikrosekunden sowie eine Negativphase und Grundstromphase von 1,75 bis 1,85, hier 1,8 Mikrosekunden ergeben.
Der Strom fliesst über einen in Figur 1 durch eine unterbrochene Linie angedeuteten Lichtbogen zwischen der Schweisselektrode und dem Werkstück. Die Elektrode 10 wird dabei, wie in Figur 4 angedeutet ist, mittels eines Schweissbrenners 11geführt, der eine mit dem der Figur 1 zugrundeliegenden Leistungsteil elektrisch verbundene Kontaktdüse 12 enthält, durch welche die durch einen Draht gebildete Elektrode 10 hindurchgeführt ist. Im dargestellten Beispiel handelt es sich um einen Schutzgas-Schweissbrenner, der mit einer die Kontaktdüse 12 umgeben- den Gasdüse 13 versehen ist, die an eine nicht näher dargestellte Schutzgasquelle angeschlossen ist und das ausströmende Schutzgas der Schweissstelle zuleitet.
Die durch einen Schweissdraht gebildete Elektrode 10, die an ihrem vorderen Ende tropfenförmig abschmilzt, wie bei 14 angedeutet ist, wird mittels einer Vorschubeinrichtung 15 kontinuierlich nachgeführt. Hierzu wird der die Elektrode 10 bildende Schweissdraht in der Regel von einer Trommel abgewickelt, die mittels eines Getriebemotors kontinuierlich antreibbar ist.
Durch den abrupten Abfall der Stromstärke am Ende der Pulsstromphase P und die dabei erfolgende Umpolung des Stroms erfolgt ein zwangsweises Abreissen des am vorderen Elektrodenende vorhandenen, durch den Lichtbogen geschmolzenen Tropfens 14. Die an die Hochstromphase in Form der Pulsstromphase P sich anschliessende, längere Niederstromphase in Form der Negativ-Phase N und der Grundstromphase G ermöglichen nach Ablösung des Tropfens 14 einen entsprechenden Nachschub der Elektrode 10. Da die Umpolung am Ende der Pulsstromphase P auch bei vergleichsweise kurzer Pulsstromphase P eine zuverlässige Tropfenablösung ergibt, kann diese frühzeitig genug erfolgen, um eine Überhitzung des Tropfens 14 und dementsprechend des im Bereich einer herzustellenden Schweissnaht 16 sich ergebenden Schweissbads zu verhindern.
Die wirksam werdenden Wärmemengen können dabei so gering ge- halten werden, dass auch dünne, durch die Schweissnaht 16 zu verbindende Aluminiumbleche 17 etc. im Bereich der einander zugewandten Kanten nicht wegschmelzen. Dennoch werden durch die zuverlässige Tropfenablösung Spritzer vermieden.
Um an den Null-Durchgängen des Stromverlaufs ein Abreissen des in Figur 4 bei 18 angedeuteten Lichtbogens zu verhindern, wird an den Null-Durchgängen, also bei t2 und t3, jeweils eine Spannungsspitze 19 bzw. 20 erzeugt, wie aus Figur 3 erkennbar ist. Hierzu wird der Spannungsspitzengenerator 8 mittels der Steuereinrichtung 9 entsprechend angesteuert. Die am Anfang der Negativ-Phase N erzeugte Spannungsspitze 19 ergibt sich durch einen negativen Spannungsausschlag, die am Ende der Negativ-Phase N erzeugte Spannungsspitze 20 durch einen positiven Spannungsausschlag, entsprechend der jeweils erfolgenden Umpolung des Stroms. Der Spannungsspitzengenerator 8 wird dementsprechend ebenfalls von Negativ auf Positiv umgeschaltet, was ebenfalls durch die Steuereinrichtung 9 bewerkstelligt wird.
Die Spannungsspitzen 19 bzw. 20 bewerkstelligen eine starke Ionisierung des den Lichtbogen 18 zum Werkstück hin treibenden Schutzgases, womit eine dortige Oxydschicht aufgerissen wird und die Leitfähigkeit erhalten bleibt, was sich positiv auf den Erhalt und die Stabilität des Lichtbogens 18 auswirkt. Hierdurch werden eine hohe Bedienungsfreundlichkeit und Qualität sichergestellt Die Spannungsspitzen 19 bzw. 20 können betragsmässig in der Grössenordnung der Zündspannung von etwa 300 V liegen. Als Spannungsspitzengenerator 8 kann daher einfach ein Zündgerät Verwendung finden.
Patentansprüche:
1. Schweissverfahren, insbesondere Schutzgasschweissverfahren, bei dem zwischen einer kontinuierlich voranbewegbaren Elektrode (10) und dem Werkstück (17) ein elektrischer
Lichtbogen (18) erzeugt und der über diesen fliessende Gleichstrom mit vorgegebener
Pulsfrequenz von einer Grundstromstärke Ig, auf eine demgegenüber höhere
Pulsstromstärke lp erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom zwischen der
Zeitspanne, in welcher er Pulsstromstärke lp aufweist, und der nachfolgenden Zeitspanne, in welcher er Grundstromstärke l@ aufweist, umgepolt ist.