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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Lichtbogenschweissen nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 20.
Aus der DE 25 50 278 A1 ist eine Elektrodenvorschubsteuerung bekannt, bei der zum Zünden des Lichtbogens zwischen der Elektrode und dem Werkstück, insbesondere beim Kaltanlauf oder beim Heissanlauf, bei Berührung der Elektrode am Werkstück der Elektrodenvorschub gestoppt wird und anschliessend zum Zünden des Lichtbogens die Elektrode zurückgezogen wird. Nach dem Zünden des Lichtbogens wird für den tatsächlichen Schweissprozess die Elektrode wiederum in Richtung des Werkstückes bewegt.
Nachteilig ist hierbei, dass während des Schweissprozesses, also nach dem erstmaligen Zünden des Lichtbogens, insbesondere nach dem Kaltanlauf oder dem Heissanlauf, keine bzw. nur eine beschränkte bzw. willkürliche Änderung der Vorwärtsbewegung der Elektrode durchgeführt wird, so dass bei Auftreten eines Kurzschlusses dieser durch eine Stromerhöhung gelöst werden soll und somit Schweissspritzer entstehen können.
Weiters ist aus der EP 0 142 915 A1 und der US 4 485 293 A eine Steuerung für einen Draht- vorschub beschrieben, bei der der Antrieb, insbesondere der Motor, bzw. der Schweissprozess in Abhängigkeit der Lichtbogenspannung bzw. der Motorgeschwindigkeit geregelt wird, wobei jedoch während des Schweissprozesses die Elektrode bzw. der Schweissdraht immer in Richtung des Werkstückes gefördert wird.
Aus der EP 0 904 883 A1 ist ein Verfahren zum Zünden und zur Aufrechterhaltung eines Licht- bogens für das Lichtbogenschweissen bekannt. Die Versorgung des Lichtbogens bzw. der Zünd- vorgang erfolgt über eine geregelte Energiequelle. Dabei wird der Schweissdraht in Richtung des Werkstückes bis zur Kontaktnahme, also bis zur Bildung eines Kurzschlusses, bewegt, wodurch anschliessend der Schweissdraht mit Energie von der Energiequelle vorsorgt wird. Anschliessend wird der Schweissdraht vom Werkstück weg bewegt, so dass durch Abheben des Schweissdrahtes vom Werkstück, also durch die Auflösung des Kurzschlusses, der Lichtbogen gezündet wird.
Die Rückwärtsbewegung des Schweissdrahtes vom Werkstück wird solange fortgesetzt, bis eine ent- sprechende Lichtbogenlänge erreicht ist, worauf die Bewegung des Schweissdrahtes in Richtung des Werkstückes, also in eine Vorwärtsbewegung umgekehrt wird. Zu diesem Zeitpunkt ist das Zündverfahren des Lichtbogens abgeschlossen, so dass durch eine kontinuierliche Vorwärtsbewe- gung in Richtung des Werkstückes ein Schweissprozess durchgeführt werden kann, wobei bei Auftreten eines Kurzschlusses, also beim Auflaufen des Schweissdrahtes auf die Oberfläche des Werkstückes, ein höherer Stromimpuls als der eingestellte Schweissstrom an den Schweissdraht angelegt wird, so dass ein aufschmelzen des Kurzschlusses und somit eine Metalltropfenablösung erzielt wird. Dabei wird jedoch die Vorwärtsbewegung des Schweissdrahtes beibehalten.
Nachteilig ist hierbei, dass es durch die Erhöhung des Schweissstromes in Form eines Stromim- pulses zu einer Abschmelzung des Metalltropfens kommt bei der aufgrund der hohen Stromstärke zum Zeitpunkt des Aufbrechens des Kurzschlusses Schweissspritzer entstehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zünden und Aufrechterhalten eines Lichtbogens zu schaffen, bei dem die Schweissqualität des Schweissprozesses wesentlich verbessert wird.
Diese Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Massnahmen des Anspruches 1 erreicht. Vorteilhaft ist hierbei, dass der Prozessablauf so gesteuert wird, dass bei einem auftretenden Kurzschluss zwischen dem Schweissdraht und dem Werkstück nach dem abgeschlossenen Zünd- verfahren regulierend auf die Vorschubbewegung, also auf die Vorwärtsbewegung, des Schweiss- drahtes eingewirkt wird, wobei die Vorwärtsbewegung kurzzeitig gestoppt und/oder umgekehrt wird und damit der Kurzschluss aufgehoben wird. Dadurch wird erreicht, dass damit eine Konstanthaltung des Schweissstromes möglich ist, also eine Stromerhöhung, wie sie üblicherweise zum Aufbrechen eines Kurzschlusses erforderlich ist, unterbleiben kann.
Damit unterbleiben auch Schweissspritzer, die bei einem Aufbrechen des Kurzschlusses durch Stromerhöhung zwangsläufig auftreten, wo- durch fehlerhafte, unsaubere Schweissergebnisse wirkungsvoll vermieden werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass auch mit dicken Drähten verhältnismässig kleine Schweissnähte völlig sprit- zerfrei erzielt werden können und mit dünnen Drähten sogenannte Mikroschweissungen auf sehr dünnen Blechen gemacht werden können. Dies ist nur deshalb möglich, da die Ablösung des gebildeten Metalltropfens nicht mehr mit einem sehr hohen Stromimpuls erzeugt wird, sondern die Ablösung durch die Rückwärtsbewegung des Schweissdrahtes und der Oberflächenspannung des Schmelzbades durchgeführt wird.
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Von Vorteil ist bei den Massnahmen nach den Ansprüchen 2 bis 11, dass dadurch ohne grossen Steuer- oder Regelaufwand ein spritzerfreies Schweissverfahren durchgeführt werden kann.
Vorteilhaft sind dabei auch Massnahmen wie in Ansprüchen 12 bis 14 beschrieben, weil da- durch prozessabhängig vorgegebene Parameter der Regelung zugrunde gelegt werden können und ein zur Steuerung derartiger Prozesse erforderliches rasches Reagieren ermöglicht wird. Durch die geregelte Einflussnahme auf die Vorschubbewegung des Schweissdrahtes unter Berücksichtigung der vorgegebenen Prozessparameter wird nach diesen Massnahmen im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren die Wärmeeinbringung wesentlich geringer gehalten, wo- durch sich dieses Verfahren insbesondere auch fur einen Schweissprozess von sehr dünnen Materi- alien eignet und die Ausbildung der Vorrichtungen zur Schweissdrahtzufuhr durch die Anwendbar- keit von Schweissdrähten mit grösserem Querschnitt vereinfacht wird.
Gemäss den vorteilhaft weiteren Massnahmen wie in den Ansprüchen 15 und 16 beschrieben, wird die Anwendbarkeit des Verfahrens für sämtliche den Stand der Technik bildende Schweissge- räte erreicht und damit das breite Spektrum der unterschiedlichen Anwendungen abgedeckt.
Schliesslich sind auch Massnahmen wie in den Ansprüchen 17 bis 19 beschrieben von Vorteil, weil dadurch die erforderliche kurze Reaktionszeit bei der Ansteuerung des Antriebes der Vor- schubvorrichtung und insbesondere die rasche Umkehr der Bewegungsrichtung des Schweissdrah- tes erreicht wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird aber auch durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspru- ches 20 erreicht. Der überraschende Vorteil dabei ist, dass durch eine Umsteuerung des Antriebes der Vorschubvorrichtung und damit der Bewegungsrichtung des Schweissdrahtes die periodisch auftretenden Kurzschlussphasen im Schweissprozess, die immer dann eintreten, wenn ein abschmel- zender Teil, insbesondere des Metalltropfens, des Schweissdrahtes in das Schweissbad übergeht, aufgehoben werden, ohne dass Korrekturen in der relativen Stellung des Schweissbrenners zum Werkstück erforderlich werden. Damit sind aber auch Stromerhöhungsmassnahmen zum Aufbre- chen eines Kurzschlusses, die zumeist auch Schweissspritzer bewirken und sich auf das Schweiss- ergebnis negativ auswirken, nicht erforderlich.
Von Vorteil ist dabei auch eine Ausführung wie im Anspruch 21 beschrieben, da bei einem An- trieb mittels Servomotor eine sehr rasche Bewegungsumkehr vorgenommen werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung beschreibt aber auch Anspruch 22, weil dadurch kosten- günstige, handelsübliche Vorrichtungen einsetzbar sind.
Gemäss der vorteilhaften Weiterbildung wie in Anspruch 23 beschrieben, ergeben sich eine Vielzahl von Alternativen für den Antrieb einer derartigen Vorschubvorrichtung für den Schweiss- draht.
Nach der weiteren vorteilhaften Ausbildung wie im Anspruch 24 beschrieben, wird eine hohe Präzision der Vorschubvorrichtung erreicht und eignet sich diese Ausführung besonders für den Einsatz im Mikroschweissbereich, d. h., wo es auf sehr exakte Steuerungsabläufe ganz besonders ankommt.
Schliesslich ist aber auch eine Ausführung wie in den Ansprüchen 25 und 26 beschrieben mög- lich, wodurch eine sehr kostengünstige Ausbildung unter Einsatz gering störanfälliger Komponen- ten möglich ist.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Schweissgerätes mit den einzelnen Komponen- ten in vereinfachter, schematischer Darstellung;
Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild zur Durchführung des erfindungsgemässen
Schweissverfahrens mit einem erfindungsgemässen Schweissgerät;
Fig. 3 ein Diagramm mit dem Vorschubverlauf des Schweissdrahtes zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens;
Fig. 4 ein Diagramm über den Spannungsverlauf bei der Durchführung des erfindungsge- mässen Verfahrens;
Fig. 5 ein Diagramm eines Stromverlaufes bei der Durchführung des erfindungsgemässen
Verfahrens;
Fig. 6 ein Diagramm einer weiteren Variante des Stromverlaufes bei der Durchführung des
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erfindungsgemässen Verfahrens;
Fig. 7 ein Diagramm eines anderen möglichen Stromverlaufes bei der Durchführung des er- findungsgemässen Verfahrens;
Fig. 8 eine Ausführung einer Vorschubvorrichtung für den Schweissdraht des erfindungsge- massen Schweissgerätes in Ansicht;
Fig. 9 eine andere Ausführung der Vorschubvorrichtung für den Schweissdraht für das erfin- dungsgemässe Schweissgerät in Ansicht;
Fig. 10 eine weitere Ausführung der Vorschubvorrichtung für den Schweissdraht für das erfin- dungsgemässe Schweissgerät in Ansicht,
Fig. 11 ein schematisches Schaubild zur Ansteuerung des Antriebes der Vorschubvorrich- tung für den Schweissdraht des erfindungsgemässen Schweissgerätes.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäss auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z. B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinn- gemäss auf die neue Lage zu übertragen. Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmals- kombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemässe Lösungen darstellen.
In Fig. 1 ist eine Schweissanlage bzw. ein Schweissgerät 1 für verschiedenste Schweissverfah- ren, wie z.B. MIG/MAG-Schweissen bzw. TIG-Schweissen, oder Elektroden-Schweissverfahren ge- zeigt.
Das Schweissgerät 1 umfasst eine Stromquelle 2 mit einem Leistungsteil 3, eine Steuervorrich- tung 4 und ein dem Leistungsteil 3 bzw. der Steuervorrichtung 4 zugeordnetes Umschaltglied 5.
Das Umschaltglied 5 bzw. die Steuervorrichtung 4 ist mit einem Steuerventil 6 verbunden, welches in einer Versorgungsleitung 7 für ein Gas 8, insbesondere ein Schutzgas wie beispielsweise C02, Helium oder Argon und dgl., zwischen einem Gasspeicher 9 und einem Schweissbrenner 10 ange- ordnet ist.
Zudem kann über die Steuervorrichtung 4 noch eine Vorschubvorrichtung 11, welche für das MIG/MAG-Schweissen üblich ist, angesteuert werden, wobei über eine Versorgungsleitung 12 ein Schweissdraht 13 von einer Vorratstrommel 14 in den Bereich des Schweissbrenners 10 zugeführt wird. Selbstverständlich ist es möglich, dass die Vorschubvorrichtung 11, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, im Schweissgerät 1 integriert ist und nicht, wie in Fig. 1 dargestellt, als Zusatz- gerät ausgebildet ist.
Der Strom zum Aufbauen eines Lichtbogens 15 zwischen dem Schweissdraht 13 und einem Werkstück 16 wird über eine Versorgungsleitung 17 vom Leistungsteil 3 der Stromquelle 2 dem Schweissbrenner 10 bzw. dem Schweissdraht 13 zugeführt, wobei das zu verschweissende Werk- stück 16 über eine weitere Versorgungsleitung 18 ebenfalls mit dem Schweissgerät 1, insbesondere mit der Stromquelle 2, verbunden ist und somit über dem Lichtbogen 15 ein Stromkreis aufgebaut werden kann.
Zum Kühlen des Schweissbrenners 10 kann über einen Kühlkreislauf 19 der Schweissbrenner 10 unter Zwischenschaltung eines Strömungswächters 20 mit einem Kühlmittelbehälter 21 verbun- den werden, wodurch bei der Inbetriebnahme des Schweissbrenners 10 der Kühlkreislauf 19, insbesondere eine für die im Kühlmittelbehälter 21 angeordnete Flüssigkeit verwendete Flüssig- keitspumpe, gestartet werden kann und somit eine Kühlung des Schweissbrenners 10 bzw. des Schweissdrahtes 13 bewirkt wird.
Das Schweissgerät 1 weist weiters eine Ein- und/oder Ausgabevorrichtung 22 auf, über die die unterschiedlichsten Schweissparameter bzw. Betriebsarten des Schweissgerätes 1 eingestellt wer- den können. Dabei werden die über die Ein- und/oder Ausgabevorrichtung 22 eingestellten Schweissparameter an die Steuervorrichtung 4 weitergeleitet und von dieser werden anschliessend die einzelnen Komponenten der Schweissanlage bzw. des Schweissgerätes 1 angesteuert
Weiters ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Schweissbrenner 10 über ein Schlauchpaket 23 mit dem Schweissgerät 1 bzw. der Schweissanlage verbunden In dem Schlauch- paket 23 sind die einzelnen Leitungen vom Schweissgerät 1 zum Schweissbrenner 10 angeordnet.
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Das Schlauchpaket 23 wird über eine zum Stand der Technik zählende Verbindungsvorrichtung 24 mit dem Schweissbrenner 10 verbunden, wogegen die einzelnen Leitungen im Schlauchpaket 23 mit den einzelnen Kontakten des Schweissgerätes 1 über Anschlussbuchsen bzw. Steckverbindun- gen verbunden sind. Damit eine entsprechende Zugentlastung des Schlauchpaketes 23 gewähr- leistet ist, ist das Schlauchpaket 23 über eine Zugentlastungsvorrichtung 25 mit einem Gehäuse 26 des Schweissgerätes 1 verbunden.
In den Fig. 2 bis 7, insbesondere in Fig. 2, ist in vereinfachter, schematischer Darstellung das Schweissgerät 1 mit der Stromquelle 2 dargestellt. Nach dieser Darstellung sind im Schweissgerät 1 die einzelnen Komponenten des Leistungsteils 3 sowie die Steuervorrichtung 4 integriert angeord- net. Die Stromquelle 2 ist über die Versorgungsleitungen 17,18 mit dem Schweissbrenner 10 bzw. dem Werkstück 16 verbunden. Damit eine Steuerung der Vorschubvorrichtung 11 erfolgen kann, ist die Steuervorrichtung 4 über Steuerleitungen 27,28 mit der Vorschubvorrichtung 11verbunden.
Die Vorschubvorrichtung 11 weist die Vorratstrommel 14 mit dem Schweissdraht 13 und eine An- triebsvorrichtung 29, z.B. gebildet durch Förderrollen 30, 31, und einen Antrieb 32 auf.
Zur Ausbildung des Lichtbogens 15 zwischen dem Schweissdraht 13 und dem Werkstück 16 wird nachstehend beschriebener Verfahrensablauf durch die Steuervorrichtung 4 gesteuert und überwacht. Der Leistungsteil 3 ist nach der gezeigten Ausführung mit einer externen bevorzugt geregelten Energiequelle 33 leitungsverbunden.
Dabei ist es möglich, dass ein Schweissverfahren realisiert wird, bei dem von der Steuervorrich- tung in Abhängigkeit von der sich einstellenden Lichtbogenspannung ein Ausgangssignal zur Veränderung der Vorschubrichtung des Schweissdrahtes generiert wird, wobei nach dem Absinken der Lichtbogenspannung auf bzw. unter einen prozessabhängigen vorgegebenen Minimalwert die Vorschubbewegung gestoppt und/oder eine Richtungsumkehr der Vorschubbewegung erfolgt, so dass nach einem Anstieg und Erreichen bzw. Überschreiten des Sollwertes der Lichtbogenspan- nung eine neuerliche Richtungsumkehr der Vorschubbewegung erfolgt.
In den Fig. 3 bis 5 ist nunmehr anhand von Schaubildern die Wechselbeziehung zwischen Drahtvorschub, Spannung und einem möglichen geregelten Stromverlauf dargestellt. Dabei ist in Fig. 3 die Vorschubgeschwindigkeit "Vd" des Schweissdrahtes 13 in Abhängigkeit der Zeit "t", welche auf der Abzisse des Diagrammes aufgetragen ist, dargestellt. Der Kurvenverlauf der Vor- schubgeschwindigkeit "Vd" im Bereich oberhalb der Abzisse stellt eine Vorwärtsbewegung des Schweissdrahtes 13 in Richtung des Werkstückes 16 dar und der Kurvenverlauf unterhalb der Ab- zisse eine Rückwärtsbewegung, was zu einer Entfernung des Schweissdrahtendes vom Werkstück 16 führt. In der Fig. 4 ist der Spannungsverlauf und in Fig. 5 der Stromverlauf am Schweissdraht 13 dargestellt mit dem Kurvenverlauf der Spannung U und dem Kurvenverlauf des Stromes I.
Bei dem dargestellten Schweissverfahren wird ein aus dem Stand der Technik bekanntes Zünd- verfahren zum erstmaligen Zünden des Lichtbogens 15, wie beispielsweise aus der EP 0 904 883 A eingesetzt, so dass auf dieses Zündverfahren nicht mehr näher eingegangen wird.
Selbstverständlich ist es möglich, dass weitere beliebige aus dem Stand der Technik bekannte Zündverfahren, insbesondere für ein Kurzschlussschweissen, eingesetzt werden können. Dabei ist es nicht notwendig, dass für die erstmalige Zündung des Lichtbogens 15 eine Vor- und Rückwärts- bewegung des Schweissdrahtes 13 durchgeführt werden muss, sondem dass durch einfaches zufüh- ren, also durch eine Vorwärtsbewegung des Schweissdrahtes 13, die Zündung erfolgen kann, d.h., dass beispielsweise eine Hochfrequenzzünden ebenfalls eingesetzt werden kann.
Zu einem Zeitpunkt 34 wird der Schweissprozess, insbesondere das Zündverfahren, gestartet.
Dabei wird von der Steuervorrichtung 4 eine Vorwärtsbewegung des Schweissdrahtes 13 eingelei- tet. Gleichzeitig wird die Stromquelle 2 aktiviert, so dass eine entsprechende Energieversorgung des Schweissdrahtes 13 aufgebaut wird. Zu einem Zeitpunkt 35 tritt zwischen dem Werkstück 16 und dem Schweissdraht 13 ein Kurzschluss auf, d.h., dass der Schweissdraht 13 auf der Oberfläche des Werkstückes 16 aufgelaufen ist, so dass die angelegte Spannung am Schweissdraht 13 zu- sammenbricht und der Strom zu fliessen beginnt. Dieser Kurzschluss zwischen dem Schweissdraht 13 und dem Werkstück 16 wird von der Steuervorrichtung 4 erkannt, worauf diese eine Umkehr- bewegung des Schweissdrahtes 13, also eine Rückwärtsbewegung, einleitet.
Zu einem Zeitpunkt 36 hebt der Schweissdraht 13 von der Oberfläche des Werkstückes 16 ab und der Lichtbogen 15 wird automatisch gezündet. Dies wird von der Steuervorrichtung 4 erkannt.
Die Rückwärtsbewegung des Schweissdrahtes 13 kann beispielsweise solange fortgesetzt werden,
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bis sich eine entsprechende, voreinstellbare Lichtbogenlänge ausbildet. Nach Erreichen der vor- eingestellten Lichtbogenlänge wird die Rückwärtsbewegung des Schweissdrahtes 13 wiederum in eine Vorwärtsbewegung umgekehrt, wie dies zu einem Zeitpunkt 37 ersichtlich ist. Gleichzeitig wird eine Stromerhöhung durchgeführt, so dass ein stabiler Lichtbogen 15 aufgebaut werden kann. Zu einem Zeitpunkt 38 tritt eine Stabilisierung des Lichtbogens 15 ein, wodurch das Zündverfahren des Lichtbogens 15 abgeschlossen ist und es kann mit dem ausgewählten Schweissprozess begon- nen werden.
Selbstverständlich ist es möglich, dass die Rückwärtsbewegung beim Aufheben des Kurzschlusses beendet wird und somit eine Vorwärtsbewegung des Schweissdrahtes 13 aufgebaut wird. Dabei würden sich die beiden zuvor beschriebenen Zeitpunkte 36 und 37 decken.
Nach Ausbildung des Lichtbogens 15 stellt sich zwischen dem Schweissdraht 13 und dem Werkstück 16 eine Lichtbogenspannung 39 ein, deren Spannungsverlauf von der Steuervorrich- tung 4 überwacht wird. Gleichzeitig erfolgt die Anspeisung mit dem für den Schweissprozess erfor- derlichen Schweissstrom 40 über die Stromquelle 2 in einer prozessabhängigen voreingestellten Grössenordnung. Dabei wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Fig. 5 ein Stromverlauf mit einem konstant gehaltenen Schweissstrom 40 gezeigt, d. h., dass beispielsweise ein an den Schweissdraht 13 angelegter Schweissstrom 40 über den gesamten, durchgeführten Schweissprozess konstant gehalten wird.
Ab dem Zeitpunkt 38 wird der Schweissdraht 13 beispielsweise mit einer konstant gehaltenen, maximalen, voreingestellten Vorschubgeschwindigkeit gemäss Kurvenverlauf 41 in Richtung des Werkstückes 16 bewegt. Während dieser Phase erfolgt das Anschmelzen des Schweissdrahtes 13 und damit die Ausbildung eines Metalltropfens am Schweissdrahtende, der in das Schmelzbad durch die im Schmelzbad vorhandene Oberflächenspannung überführt wird, wobei beim Übergang, wie zu einem Zeitpunkt 42 dargestellt, kurzzeitig ein Kurzschluss gebildet wird, d. h., dass der Schweissdraht 13 mit dem angeschmolzenen Metalltropfen die Oberfläche des Werkstückes 16 berührt. Dies kann die Steuervorrichtung 4 deshalb erkennen, da entsprechend dem Kurvenverlauf 43 in Fig. 4 die aufgebaute Lichtbogenspannung 39 am Schweissdraht 13 zusammenbricht.
Durch die Überwachung der Lichtbogenspannung 39 wird bei Eintritt des Zustandes Kurschluss in der Steuervorrichtung 4 ein Regelprozess zur Umsteuerung der Antriebsvorrichtung 29 der Vor- schubvorrichtung 11 für den Schweissdraht 13 generiert, durch die der Antrieb 32 eine Rückwärts- bewegung des Schweissdrahtes 13 gemäss Kurvenverlauf 44, wie in Fig. 3 ab dem Zeitpunkt 42 gezeigt, vornimmt. Diese Rückwärtsbewegung wird solange fortgeführt, bis der Zustand Kurz- schluss aufgehoben ist, d. h., dass sich der Schweissdraht 13 von der Oberfläche des Schmelzbades löst und somit der Lichtbogen 15wieder gezündet wird, wobei sich dadurch die Lichtbogenspan- nung 39 ab einem Zeitpunkt 45 des Aufhebens des Zustandes Kurzschluss wieder einstellt.
Während dieser Rückwärtsbewegung, also ab dem Zeitpunkt 42, wird jedoch der voreingestell- te Stromverlauf, insbesondere der Schweissstrom 40, beibehalten, d. h., dass bei der Bildung des Kurzschlusses keine Stromerhöhung für das Aufschmelzen des Kurzschlusses, wie dies bei Schweissprozessen aus dem Stand der Technik bekannt ist, durchgeführt wird.
Dadurch wird er- reicht, dass eine spritzerfreie Ablösung des Metalltropfens vom Schweissdraht 13 sichergestellt wer- den kann
Die Ablösung des Metalltropfens erfolgt bei dem erfindungsgemässen Verfahren derartig, dass durch den Kurzschluss, also durch das Berühren des angeschmolzenen Metalltropfens mit dem Schmelzbad dieser aufgrund der Oberflächenspannung des Schmelzbades in das Schmelzbad gezogen wird, wobei die Rückwärtsbewegung des Schweissdrahtes das Ablösen des Metalltropfen vom Schweissdrahtende unterstützt und somit eine raschere Ablösung des Metalltropfens bewirkt wird. Hat sich der Metalltropfen von dem Schweissdrahtende gelöst, so wird der Kurzschluss aufge- hoben und ein neuerlicher Lichtbogen 15 wird selbständig gezündet, wie dies zu dem Zeitpunkt 45 ersichtlich ist.
Daraufhin erfolgt wiederum eine Umkehrbewegung des Schweissdrahtes 13, d.h., dass die Schweissdrahtbewegung von der Rückwärtsbewegung in eine neuerliche Vorwärtsbewe- gung umgekehrt wird, bis wiederum ein Kurzschluss auftritt, so dass sich die zuvor beschriebenen Schritte wiederholen.
Durch diese Art der Tropfenablösung, insbesondere des Metalltropfens, wird erreicht, dass ein Schweissverfahren für einen Zünd- und einen Schweissprozess geschaffen wird, welches völlig spritzerfrei abläuft und somit Nachbehandlungen der Oberfläche des Werkstückes 16 entfallen können. Durch die Rückwärtsbewegung des Schweissdrahtes 13 wird erreicht, dass damit der
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Zustand Kurzschluss aufgehoben wird, ohne dabei eine entsprechende Stromerhöhung zum Ablö- sen des Metalltropfens vornehmen zu müssen. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel han- delt es sich hierbei hauptsächlich um ein sogenanntes Kurzlichtbogenschweissen, bei dem der Materialtransport in der Kurzschlussphase des Lichtbogens 15 erfolgt. Es ist jedoch ebenso mög- lich, dieses Schweissverfahren auch für andere Schweissprozesse zu nützen.
Ein wesentlicher Vorteil wird mit diesem Schweissverfahren erreicht, dass nunmehr auch mit di- ckeren Schweissdrähten 13 verhältnismässig kleine Schweissnähte völlig spritzerfrei hergestellt werden können und mit dünnen Schweissdrähten 13 beispielsweise sogenannte Mikroschweissun- gen auf sehr dünnen Blechen hergestellt werden können.
Die Art und Weise wie der Schweissstrom 40 und die Vorschubbewegung des Schweissdrahtes 13 über den Prozesszustand gesteuert wird, ist beliebig variierbar. Dabei ist es auch möglich, dass nicht gleichzeitig mit dem Lösen des Kurzschlusses die Schweissdrahtbewegung umgekehrt wird, sondern dass der Schweissdraht 13 solange zurückbewegt wird, bis sich eine entsprechende Licht- bogenlänge einstellt und anschliessend erst die Vorwärtsbewegung für das weitere Aufschmelzen des Metalltropfens eingeleitet wird. Es kann auch beispielsweise der Schweissstrom 40, wie sche- matisch in den Schaubildern der Fig. 6 und 7 gezeigt, mit einer beliebigen Frequenz gepulst wer- den und der Schweissdraht 13 jeweils am Pulsende eine Bewegung in Richtung des Werkstückes 16 durchführt, bis der Metalltropfen das Schmelzbad berührt.
Der dabei entstehende Prozess- zustand Kurzschluss wird anschliessend durch eine Rückwärtsbewegung des Schweissdrahtes 14 aufgelöst, wonach mit dem Stoppen der Antriebsvorrichtung 32 bzw. der Bewegungsumkehr in die Vorwärtsbewegung des Schweissdrahtes 13 ein neuerlicher Stromimpuls angelegt wird.
Eine weitere Möglichkeit ist, den Schweissstrom während der Vorwärtsbewegung des Schweiss- drahtes 13 auf einen geringeren Wert abzusenken, um beispielsweise die Rückstosskräfte, die bei grösseren Schweissströmen und bei Verwendung von C02 als Schutzgas den Metalltropfen aus dem Lichtbogen 15 herausschleudern könnten und somit in Folge der dabei auftretenden Schweiss- spritzern das Schweissergebnis negativ beeinflussen, zu eliminieren.
In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel mit einem gepulsten Stromverlauf gezeigt. Dabei wird nach Abschluss des Zündverfahren der Schweissstrom 40 über eine gewisse Zeitdauer 46 auf eine vor- eingestellte Stromhöhe konstant gehalten, so dass sich ein entsprechender Metalltropfen am Schweissdrahtende ausbilden kann.
Da beispielsweise bei einer Roboterschweissanlage der Abstand des Schweissbrenners 10 zu der Oberfläche des Werkstückes 16 konstant ist, sind die einzelnen Kurzschlusszeitpunkte bekannt, so dass beispielsweise ein Absenken des Schweissstromes 40 vor der Bildung eines Kurzschlusses durchgeführt wird. Damit die einzelnen Kurzschlusszeitpunkte festgelegt werden können, ist es möglich, dass zuerst eine entsprechende Probeschweissung durchgeführt wird, so dass von der Steuervorrichtung 4 diese Zeitpunkte erfasst und gespeichert werden können.
Selbstverständlich ist es möglich, dass bei bekanntem Abstand des Schweissbrenners 10 zur Oberfläche des Werkstückes 16 die Steuervorrichtung 4 diese Zeitpunkte aufgrund der voreingestellten Drahtvorschubge- schwindigkeit berechnen kann, so dass von der Steuervorrichtung 4 wiederum die Länge der Zeit- dauer 46 zum Absenken des Schweissstromes 40 vor dem Kurzschluss festlegen kann.
Bei dem dargestellten Schweissverfahren in Fig. 6 wird also der Schweissstrom 40 vor der Bil- dung eines Kurzschlusses auf einem niedrigeren Wert abgesenkt, wodurch erreicht wird, dass für die Bildung des Metalltropfens ein wesentlich höherer Schweissstrom 40 verwendet werden kann und trotzdem keine Schweissspritzer auftreten können, da bei dem Entstehen des Kurzschlusses zwischen dem Schweissdraht 13 und dem Werkstück 16 der Schweissstrom abgesenkt wird. Bei diesem gezeigten Schweissverfahren wird nunmehr der Schweissstrom 40 während der Vorwärts- bewegung über eine gewisse Zeitdauer 46 auf eine entsprechende Schweissstromhöhe konstant gehalten, wobei nach Ablauf dieser Zeitdauer 46 eine Absenkung auf einen entsprechenden nied- rigeren Wert erfolgt.
Der Schweissstrom 40 wird anschliessend bis zur Wiederzündung des Lichtbo- gens 15 auf diesen niedrigeren Wert konstant gehalten, d. h., dass beim Eintritt des Kurzschlusses und der darauf folgenden Rückwärtsbewegung ein konstanter Schweissstrom 40 aufrechterhalten bleibt.
Selbstverständlich ist es möglich, dass der höhere Schweissstrom 40 solange beibehalten wird, bis dass ein Kurzschluss auftritt und anschliessend eine Absenkung auf den vorgegebenen niedrige- ren Schweissstromwert durchgeführt werden kann.
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Der Vorteil eines derartigen Verfahrens mit einem gepulsten Schweissstrom 40 liegt dann, dass die Erwärmung des Schweissdrahtes 13 gering gehalten werden kann, da nur über eine gewisse Zeitdauer 46 eine erhebliche Strombelastung auf den Schweissdraht 13 einwirkt.
In Fig. 7 ist wiederum ein Schweissverfahren gezeigt, bei dem der Schweissstrom 40 pulsförmig an den Schweissdraht 13 angelegt wird, wie dies in Fig. 6 beschrieben ist. Bei diesem Verfahren wird jedoch in der Rückwärtsbewegung des Schweissdrahtes 13, also nach der Bildung des Kurz- schlusses, ein weiterer Stromimpuls 47 gebildet. Dieser Stromimpuls 47 hat die Aufgabe unterstüt- zend den Metalltropfen abzulösen, d. h., dass aufgrund dieses Stromimpulses 47 eine Einschnürung während der Rückwärtsbewegung gebildet wird, so dass ein leichteres und schnelleres Ablösen des Metalltropfens vom Schweissdraht 13 erzielt wird. Dabei ist es möglich, dass die Höhe dieses Strom- impulses 47 frei einstellbar ist. Die Höhe dieses Stromimpulses 47 wird derartig gewählt, dass bei einem entsprechenden Schweissdrahtdurchmesser keine Metalltropfenablösung zustande kommt.
Die Ausbildung bzw. das Anlegen eines Stromipulses 47 in der Rückwärtsbewegung bewirkt, dass zusätzliche Energie in den Metalltropfen eingebracht wird, so dass keine Abkühlung bzw. eine zusätzliche Erweichung des Metalltropfens durchgeführt wird, was zu einer noch leichteren Ablö- sung des Metalltropfens führt. Weiters wird erreicht, dass durch den Stromimpuls 47 die Rückwärts- bewegung minimiert wird, d. h., dass der Schweissdraht 13 nicht mehr so stark rückwärts bewegt werden muss.
Grundsätzlich ist zu den einzelnen dargestellten Verfahren der Fig. 3 bis 7 zu sagen, dass, nicht wie aus dem Stand der Technik bekannt, nach dem Zünden des Schweissstromes 40 eine konstan- te Vorwärtsbewegung des Schweissdrahtes 13 durchgeführt wird, sondern dass nach einer Bildung eines Kurzschlusses die Vorwärtsbewegung unterbrochen wird und in eine Rückwärtsbewegung umgekehrt wird. Dabei ist es auch möglich, dass die Vorwärtsbewegung nur unterbrochen wird, d. h., dass der Drahtvorschub über eine gewisse Zeitdauer angehalten wird, also keine Rückwärts- bewegung durchgeführt wird und somit aufgrund des angelegten Schweissstromes 40 und der Oberflächenspannung des Schmelzbades eine Metalltropfenablösung hervorgerufen wird.
Die Regelung der zuvor beschriebenen Verfahren kann auch derartig gelöst werden, indem beispielsweise die Drahtvorschubgeschwindigkeit willkürlich gewählt wird und eine entsprechende Stromregelung oder umgekehrt durchgeführt wird, d. h., dass die Geschwindigkeit der Vorwärts- und/oder Rückwärtsbewegung in Abhängigkeit des Stromes oder umgekehrt geregelt werden kann. Dies ist deshalb möglich, da die Steuervorrichtung 4 die Zustände der Kurzschlüsse erken- nen kann und somit eine entsprechende Regelung von einen der beiden Parametern, insbesonde- re der Geschwindigkeit oder des Stromes, vornehmen kann. Dadurch ist es möglich, dass die Kurzschlussfrequenz geregelt bzw. festgelegt werden kann. Durch diese Regelmöglichkeit ist es auch nicht notwendig, dass die Drahtvorschubgeschwindigkeit festgelegt bzw. eingestellt oder ge- regelt werden muss.
Dadurch ist es möglich, dass die Frequenz der Vorwärts- und/oder Rückwärtsbewegung des Schweissdrahtes 13 synchron oder a-synchron und zeitlich verzögert zu den durch die Stromquelle 2 gegebenen Schweissstrom 40 erfolgt oder dass der Schweissstrom 40 synchron oder a-synchron und zeitlich verzögert zur Frequenz der Vorwärts- und/oder Rückwärtsbewegung des Schweiss- drahtes 13 an den Schweissdraht 13 angelegt wird.
In der Fig. 8 ist die Vorschubvorrichtung 11 bestehend aus der Vorratstrommel 14 mit dem Schweissdraht 13 und den Förderrollen 30,31 mit dem Antrieb 32 gezeigt. Um eine exakte Führung des Schweissdrahtes 13 zu erreichen, sind die Förderrollen 30,31 mit umlaufenden Führungsnuten 48,49 versehen. Als Antrieb 32 eignet sich für die für den vorbeschriebenen Schweissprozess erforderliche schnelle Drehrichtungsänderung zur Herbeiführung der Vorwärts- oder Rückwärtsbe- wegung des Schweissdrahtes 13 insbesondere ein bürstenloser, strombetriebener Servomotor 50.
In der Fig. 9 ist eine weitere Ausbildung der Vorschubvorrichtung 11 für den Schweissdraht 13 gezeigt. Diese ist in Art einer aus dem Stand der Technik bekannten Linear-Schlittenvorrichtung 51 gebildet, welche mit Greifzangen 52 zur Erfassung des Schweissdrahtes 13 bestückt ist und die auf einer Schlittenanordnung 53 gegenläufig bewegbar sind und wechselweise den Schweissdraht 13 während der Vorschubbewegung spannen und bewegen und womit auch ein rasches Umsteuern der Bewegungsrichtung möglich ist.
Der Antrieb 32 für derart ausgebildete Vorschubvorrichtungen 11kann sowohl über Linearmo- tore elektrisch wie auch über mit einem Druckmedium beaufschlagte Antriebselemente, z. B. Zylin-
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der 54, betrieben werden.
Selbstverständlich ist erfindungsgemäss auch eine Kombination möglich, bei der ein Rollentrieb 55 auf einer in seiner Bewegungsrichtung schnell umsteuerbaren Schlittenvorrichtung 56 angeord- net ist, wobei die Schlittenvorrichtung 56 für einen feinfühligen Bewegungsablauf beispielsweise über einen mit einem Servomotor 57 betriebenen Spindeltrieb 58 bewegt wird, wie dies in Fig. 10 schematisch dargestellt ist. Bei dieser Ausführung ist eine Drehrichtungsumkehr des Antriebes 32 nicht erforderlich, da die Umkehr der Bewegungsrichtung des Schweissdrahtes 13 durch den Spin- deltrieb 58 erfolgt. Es ist auch möglich, dass der Antrieb 32 der Linear-Schlittenvorrichtung 51 durch einen Exzenterantrieb gebildet ist.
In der Fig. 11 ist anhand eines schematischen Schaubildes eine weitere Ausführung des erfin- dungsgemässen Schweissgerätes 1 gezeigt. Das von der Energiequelle 33 angespeiste Schweissge- rät 1 weist den Leistungsteil 3 mit der Stromquelle 2, die Steuervorrichtung 4, die Vorschubvorrich- tung 11 für den Schweissdraht 13 sowie die Versorgungsleitungen 17,18 sowie den Schweissbren- ner 10 zur Durchführung des Schweissprozesses auf dem Werkstück 16 auf. In einem durch Lei- tungen 59 für den Antrieb 32 gebildeten Versorgungskreis 60 ist ein Schaltmittel 61, z. B. zum Umsteuern des Antriebes 32 z.B. dem Servomotor 50, vorgesehen. Weiters weist die Steuervor- richtung 4 einen durch einen Soll-Ist-Vergleicher 62 ausgebildeten Regelkreis 63 auf, der von einer Auswerteschaltung 64, welche die Lichtbogenspannung detektiert, beaufschlagt wird.
Die Auswer- teschaltung 64 und der Soll-Ist-Vergleicher 62 bilden mit dem Regelkreis 63 eine Diagnoseschal- tung 65 zur Beaufschlagung des Schaltmittels 61. In der Auswerteschaltung 64 wird die Span- nungsänderung am Lichtbogen 15 permanent ermittelt, wobei bevorzugt mittels eines Zeitgliedes 66 die Spannungsänderung in einer vorgegebenen Zeiteinheit ermittelt und in der Diagnoseschal- tung 65 einer Regelfunktion zugrunde gelegt wird. Damit ist es nunmehr möglich, die Ansteuerung des Antriebes 32 der Vorschubvorrichtung 11 in Abhängigkeit der Spannungsänderung des Licht- bogens 15 und in Abhängigkeit hinterlegter Parameter des Soll-Ist-Vergleichers 62 durchzuführen und den Schweissdraht 13 in Richtung des Werkstückes 16 mit einer geregelten Vorschubge- schwindigkeit zu fördern.
Bei Detektierung eines Spannungsabfalles sind Gegenmassnahmen durch Umsteuern des Antriebes 32 und damit die Bewegungsumkehr des Schweissdrahtes 13 in Bruchtei- len von Sekunden möglich, wodurch ein Kurzschluss-Zustand mit seinen negativen Auswirkungen wie "Verkleben" des Schweissdrahtes 13 am Werkstück 16 bzw. "Schweissspritzer" wirkungsvoll vermieden werden.
Die Ausführung der Vorrichtung die die Drahtelektrode vorwärts und/oder rückwärts bewegt, kann auf allen nur erdenklichen Möglichkeiten erfolgen und schränken den Umfang der Erfindung nicht ein.
So kann zum Beispiel der Drahtantrieb mittels zweier Rollen, welche eine Nut aufweisen, in der der Draht geführt wird, erfolgen. Diese Rollen werden beispielsweise von einem bürstenlosen Servomotor angetrieben, der für sehr schnelle Drehrichtungsänderungen spezifiziert ist.
Weiters wäre ein Antrieb mittels eines Greifmechanismus denkbar oder aber ein Rollenantrieb, welcher auf einem Schlitten montiert ist, wobei über den Schlitten die Richtungsänderungen der Drahtelektrode, insbesondere des Schweissdrahtes, erfolgen.
Die Drahtantriebseinheit sollte sich bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen sehr nahe an dem Schweissbrenner, insbesondere an der Schweissbrennerspitze, befinden, da bei grösseren Entfernungen die Bewegung an der Schweissbrennerspitze aufgrund des Spiels in der Drahtvor- schubseele verzögert zur Bewegung des Drahtantriebs erfolgt und somit nicht mehr entsprechend schnell auf den Prozesszustand reagiert werden kann.
Es kann jedoch auch die Drahtvorschubbewegung, also die Vorwärts- und/oder Rückwärtsbe- wegung, durch die Relativbewegung des Schweissbrenners 10 zum Werkstück 16, der beispiels- weise auf einem Linearschlitten befestigt ist, erfolgen, wobei dann die Drahtvorschubsteuerung den Schweissdraht mit konstanter Geschwindigkeit nach vor, also in Richtung des Werkstückes 16 bzw. des Schmelzbades, fördern kann und sich der Drahtantrieb nicht unmittelbar an der Schweissstelle befinden muss. Der Drahtantrieb braucht auch in diesem Fall keine Rückwärtsbewegung ausführen können.
Es muss noch festgehalten werden, dass der zuvor beschriebene, erfindungsgemässe Verfah- rensablauf wie auch die erfindungsgemässe Vorrichtung sowohl bei einem manuellen Schweisspro- zess wie auch maschinell durchgeführten Schweissprozessen, z. B. insbesondere an Schweissrobo-
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tern, anwendbar sind. Abschliessend sei darauf hingewiesen, dass in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen einzelne Teile unproportional vergrössert dargestellt wurden, um das Ver- ständnis der erfindungsgemässen Lösung zu verbessern. Des weiteren können auch einzelne Teile der zuvor beschriebenen Merkmalskombinationen der einzelnen Ausführungsbeispiele in Verbin- dung mit anderen Einzelmerkmalen aus anderen Ausführungsbeispielen, eigenständige, erfin- dungsgemässe Lösungen bilden.
Vor allem können die einzelnen in den Fig. 1 ; 3,4, 5,6, 7,8, 9; 10,11 gezeigten Ausführun- gen den Gegenstand von eigenständigen erfindungsgemässen Lösungen bilden. Die diesbezügli- chen erfindungsgemässen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen.
Bezugszeichenaufstellung
1 Schweissgerät 41 Kurvenverlauf
2 Stromquelle 42 Zeitpunkt
3 Leistungsteil 43 Kurvenverlauf
4 Steuervorrichtung 44 Kurvenverlauf
5 Umschaltglied 45 Zeitpunkt
6 Steuerventil 46 Zeitdauer
7 Versorgungsleitung 47 Stromimpuls
8 Gas 48 Führungsnut
9 Gasspeicher 49 Führungsnut
10 Schweissbrenner 50 Servomotor
11 Vorschubvorrichtung 51 Linear-Schlittenvorrichtung
12 Versorgungsleitung 52 Greifzange
13 Schweissdraht 53 Schlittenanordnung
14 Vorratstrommel 54 Zylinder
15 Lichtbogen 55 Rollentrieb
16 Werkstück 56 Schlittenvorrichtung
17 Versorgungsleitung 57 Servomotor
18 Versorgungsleitung 58 Spindeltrieb
19 Kühlkreislauf 59 Leitung
20 Strömungswächter 60 Versorgungskreis
21 Kühlmittelbehälter 61 Schaltmittel
22 Ein- und/oder Ausgabevorrichtung 62 Soll-Ist-Vergleicher
23 Schlauchpaket 63 Regelkreis
24 Verbindungsvorrichtung 64
Auswerteschaltung
25 Zugentlastungsvorrichtung 65 Diagnoseschaltung
26 Gehäuse 66 Zeitglied
27 Steuerleitung
28 Steuerleitung
29 Antriebsvorrichtung
30 Förderrollen
31 Förderrolle
32 Antrieb
33 Energiequelle
34 Zeitpunkt
35 Zeitpunkt
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36 Zeitpunkt 37 Zeitpunkt 38 Zeitpunkt 39 Lichtbogenspannung 40 Schweissstrom
PATENTANSPRÜCHE: 1.
Schweissverfahren, insbesondere Lichtbogenschweissverfahren, zur Durchführung eines
Schweissprozesses mit einem in einem Lichtbogen abschmelzenden Schweissdraht, der mit
Energie aus zumindest einer geregelten Stromquelle versorgt wird, wobei über eine Steu- ervorrichtung eine entsprechende Steuerung oder Regelung der Stromquelle und/oder des
Drahtvorschubes durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem erstmaligen
Zünden des Lichtbogens, insbesondere nach Beendigung eines Zündverfahrens, bei je- dem Auftreten eines Kurzschlusses zwischen dem Schweissdraht und einem Werkstück während bzw. bei dem ausgewählten Schweissprozess die Vorwärtsbewegung des
Schweissdrahtes gestoppt oder umgekehrt wird.