DD296631A5

DD296631A5 - Verfahren zur steuerung des schweissprozesses beim elektrodenhardschweissen

Info

Publication number: DD296631A5
Application number: DD34310290A
Authority: DD
Inventors: Thomas Reiter; Wolfgang Fischer; Thomas Rummel
Original assignee: Technische Universitaet "Otto Von Guericke" Magdeburg,De
Priority date: 1990-07-27
Filing date: 1990-07-27
Publication date: 1991-12-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Schweiszprozesses beim Elektrodenhandschweiszen, bei dem bei Erkennung eines Kurzschlusses der Sollwert des Schweiszstromes auf einen zweiten Stromsollwert erhoeht wird, der bei nicht erfolgter Wiederzuendung des Lichtbogens aber hoechstens fuer eine erste Zeitdauer - nur wenig groeszer als die maximal zu erwartende Tropfenkurzschluszdauer - anliegt. Nach Ablauf dieser Zeitdauer wird der Sollwert auf einen dritten Stromsollwert erhoeht, der fuer eine zweite Zeitdauer anliegt, die nur so grosz ist, dasz kein Stoffschlusz zwischen Elektrode und Werkstueck entsteht. Bei Nichtzuendung wird der Sollwert fuer etwa 150 bis 600 ms auf einen vierten Stromsollwert verringert. Bei Nichtzuendung wird die Veraenderung der Stromsollwerte periodisch wiederholt. Vorteile der Erfindung bestehen in der Minimierung der Spritzerbildung, dem Schutz der Elektrode vor Ausgluehen und einem guten Erstzuendverhalten. Es ist eine einfache und unkomplizierte Anwendung der Erfindung fuer unterschiedliche Schweiszstroeme und verschiedene Elektrodendurchmesser moeglich.{Steuerung; Schweiszprozesz; Elektrodenhandschweiszen; Stromsollwert; Kurzschlusz; Nichtzuendung}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Schweißprozesses beim Elektrodenhandschweißen, insbesondere mit elektronischen Schweißstromquellen, das den Gebrauchswert der Schweißstromquellen durch die Verbesserung der Zünd- und Schweißeigenschaften und die vereinfachte Einstellung optimaler Parameter für unterschiedliche Elektrodendurchmesser und Strombereiche deutlich erhöht.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Schweißstromquellen, die auf der Grundlage elektronischer Stellprinzipien arbeiten, wie zum Beispiel primär oder sekundär getaktete oder sekundär analog gesteuerte Stromquellen, verfügen über vielfältige Möglichkeiten zur optimalen Anpassung der von der Stromquelle gelieferten Energie an die sehr unterschiedlichen Erfordernisse der einzelnen Prozeßphasen des Schweißprozesses.

Bei elektronischen Stromquellen für das Elektrodenhandschweißen werden bisher für die Gewährleistung eines schnellen und spritzerarmen Zündens sowie für einen stabilen Prozeßablauf unterschiedliche Steuerverfahren angewendet, die unter solchen Bezeichnungen wie elektronische Drossel, hot-start, touch-start oder anti-stick-Schaltung in unterschiedlichem Umfang angewendet werden.

Bei Stromquellen mit elektronich einstellbaren dynamischen Eigenschaften, auch als elektronische Drossel bezeichnet, kann durch den Schweißer die Stromanstiegsgeschwindigkeit bei Kurzschlußbeginn bzw. die Stromabklinggeschwindigkeit nach Wiederzündung des Lichtbogens, ähnlich der Wirkung einer Schweißkreisdrossel eingestellt werden (Firmenschritt „Universalschweißanlage Transarc 500" Firma Fromius Schweißmaschinen KG, Österreich). Diese Einstellung läßt den Lichtbogen „härter" oder „weicher" erscheinen und hat Auswirkungen auf die Spritzerbildung und die Zündeigenschaften. Je geringer die Drosselwirkung ist, desto härter erscheint der Lichtbogen und um so stärker ist die Spritzerbildung, während sich die Zündeigenschaften verbessern. Es muß also in jedem konkreten Anwendungsfall ein Kompromiß zwischen Zünd- und Schweißeigenschaften gefunden werden. Die unter der Bezeichnung „hot-start" bekannten Einrichtungen zur Erhöhung des Kurzschlußstromes gegenüber dem Lichtbogenstrom sollen das Zünden besonders bei kalter Elektrode verbessern (Firmenschrift „Mega-Arc" der Firma Örlikon/Hobart, Schweiz). Sie wirken dynamisch oder statisch.

Eine dynamisch wirkende hot-start-Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Stromüberhöhung bei Kurzschlußbeginn eine bestimmte Zeitdauer, zum Beispiel 0,1-1 s, wirkt, unabhängig davon, ob in dieser Zeit eine Zündung des Lichtbogens erfolgt ist oder nicht.

Infolgedessen kann es in bestimmten Fällen bei nicht ausreichender Zündenergie zum Festkleben der Elektrode oder bei sehr schneller Zündung zu einem Verspritzen von Elektrodenmaterial kommen. Bei einem fehlgeschlagenem Zündversuch kann nur durch Entfernen der Elektrode vom Werkstück und erneutes Aufsetzen ein neuer Zündvorgang eingeleitet werden. Eine statisch wirkende Kurzschlußstromerhöhung bewirkt eine Vergrößerung des Stromes bei Eintritt eines Kurzschlusses unabhängig von der Dauer bis zum Eintritt der Lichtbogenzündung (DD-PS 26497). Bei einem längeren Kurzschluß kann es so unter Umständen zu einer Überlastung der Stromquelle oder zum Ausglühen der Elektrode und deren Unbrauchbarkeit kommen. Bei der touch-start-Technik wird beim WIG-Schweißen der Zündvorgang durch Berührung der Wolfram-Elektrode mit dem Werkstück eingeleitet (Firmenschrift „Power Inverting 130" der Firma ESAB, Schweden). Der Strom wird während des Kurzschlusses auf kleine Werte um etwa 1A begrenzt, so daß Verunreinigungen der Elektrode und Wolframeinschlüsse in der Naht verhindert werden. Beim Abheben der Elektrode zündet der Lichtbogen, und der Strom wird bis auf den Nennwert erhöht. Dieses Zündverfahren arbeitet hochspannungsfrei. Es ist für das Elektrodenhandschweißen jedoch nicht anwendbar, da für die Zündung abschmelzender Stabelektroden höhere Stromwerte erforderlich sind, die Gefahr des Festklebens der Elektrode besteht und der Werkstoffübergang nicht kurzschlußfrei erfolgt.

Mit einer anti-stick-Steuerung soll ein Klebenbleiben der Elektrode am Werkstück bei nichterfolgter Zündung des Lichtbogens verhindert werden, indem nach einer maximalen Kurzschlußdauer der Strom soweit abgesenkt wird, daß es nicht zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Elektrode und Werkstück kommt und die Elektrode ohne Kraftaufwand vom Werkstück abgehoben werden kann (Firmenschrift „LTH 130 Inverter" der Firma Migatronic, Dänemark). Ein erneuter Zündversuch kann nur durch eine wiederholte Berührung des Werkstückes mit der Elektrode erfolgen. Eine derartige Steuerungsvariante wirkt nur einmalig bei einem Zündvorgang und ermöglicht keine wiederholten Zündversuche. Eine Beeinflussung des Stromverlaufs beim kurzschlußbehafteten Werkstoffübergang ist nicht möglich.

Die Nachteile der bekannten technischen Lösungen bestehen also in der gegenseitigen unvorteilhaften Beeinflussung von verschiedenen Maßnahmen zur Verbesserung des Erstzündens, zur Verhinderung des Klebenbleibens der Elektrode und zur Erhöhung der Prozeßstabilität beim Elektrodenhandschweißen mit kurzschlußbehaftetem Werkstoffübergang sowie in der nicht ausreichenden Reaktion der Stromquelle auf den tatsächlich auftretenden Prozeßzustand, insbesondere auf das Zünden bzw. Nichtzünden eines Lichtbogens bei kalter Elektrode. Die Gefahr des Ausglühens der Elektrode bei Nichtzündung des Lichtbogens wird nicht vermindert.

Außerdem erhöht die zusätzliche Einstellung eines Zündregimes die Anzahl von Einstellwerten und erschwert damit die Handhabbarkeit der Stromquelle für den Schweißer. Aus der manuell vorgenommenen, subjektiven Einstellung dieser Werte resultiert weiterhin die nichtoptimale Abstimmung der Einstellwerte auf den jeweiligen Elektrodentyp und den Schweißstromsollwert.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung des Schweißprozesses beim Elektrodenhandschweißen, insbesondere mit elektronischen Schweißstromquellen zu schaffen, das den Gebrauchswert der Schweißstromquellen durch die Verbesserung der Zünd- und Schweißeigenschaften und die vereinfachte Einstellung optimaler Parameter für unterschiedliche Elektrodendurchmesser und Strombereiche deutlich erhöht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung des Schweißprozesses beim Elektrodenhandschweißen, insbesondere mit elektronischen Schweißstromquellen, die eine hohe Stellgeschwindigkeit aufweisen und einen Stromregler beinhalten, zu entwickeln, das es mit einem geringen Aufwand an Bauelementen gestattet, die Zünd- und Schweißeigenschaften beim Elektrodenhandschweißen wesentlich zu verbessern, die Spritzerbildung zu senken und Nahtfehler zu verringern. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verfahren zur Steuerung des Schweißprozesses beim Elektrodenhandschweißen folgende Verfahrensschritte aufweist:

Bei der Erkennung der Prozeßphase Kurzschluß mittels eines beliebigen Kurzschlußsensors wird der Soll-Wert des Schweißstromes von einem ersten Stromsollwert, der dem Soll-Wert beim Schweißen entspricht, auf einen zweiten Stromsollwert erhöht, der ausreichend ist, die schmelzflüssige Verbindung zwischen der Elektrode und dem Werkstück während eines Tropfenkurzschlusses beim Schweißen einzuschnüren und aufzureißen, so daß eine Wiederzündung des Lichtbogens erfolgt, wobei der zweite, höhere Stromsollwert bei nicht erfolgter Wiederzündung des Lichtbogens aber höchstens für eine erste Zeitdauer anliegt. Diese erste Zeitdauer wird so gewählt, daß sie nur wenig größer ist als die maximal zu erwartende Tropfenkurzschlußdauer, vorzugsweise im Bereich von 15 bis 50ms.

Bei Nichtzündung des Lichtbogens nach Ablauf der ersten Zeitdauer wird der Soll-Wert des Schweißstromes auf einen dritten Stromsollwert erhöht, so daß es in der Mehrzahl der Fälle zu einer Zündung des Lichtbogens aus dem Kurzschluß heraus kommt, wobei der dritte Stromsollwert bei nichterfolgter Zündung des Lichtbogens aber höchstens für eine zweite Zeitdauer anliegt. Dabei ist die zweite Zeitdauer nur so groß, daß es nicht zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Elektrode und Werkstück kommt, vorzugsweise liegt sie im Bereich von 50 bis 200ms.

Bei Nichtzündung des Lichtbogens nach Ablauf der zweiten Zeitdauer wird der Soll-Wert des Schweißstromes für eine dritte Zeitdauer auf einen vierten Stromsollwert verringert, der so klein ist, daß ein weiteres Aufschmelzen des Werkstückmaterials nicht erfolgt, aber eine unter Umständen eingetretene Verbindung zwischen Elektrode und Werkstück plastisch bleibt, so daß die Elektrode ohne größeren Kraftaufwand vom Werkstück abgehoben werden kann. Die dritte Zeitdauer liegt vorzugsweise im Bereich von 150 bis 600ms.

Bei Nichtzündung des Lichtbogens nach Ablauf der dritten Zeitdauer wird die Veränderung des Stromsollwertes auf den zweiten, dritten und vierten Stromsollwert periodisch wiederholt, wobei die Wiederholfrequenz so gering ist, daß eine Gefährdung der Baugruppen der Stromquelle durch strommäßige Überlastung ausgeschlossen und ein Ausglühen der Elektrode verhindert wird. Diese Frequenz liegt vorzugsweise im Bereich von 0,25 bis 2Hz.

Die erfindungsgemäße Verfahrensweise bietet den Vorteil, daß der Übergang vom ersten zum zweiten Stromsollwert in seiner Dynamik zwischen einer Rampenfunktion und einer Exponentialfunktion beliebig steuerbar ist, wodurch die Spritzerbildung beim Wiederzünden minimiert werden kann.

Überraschenderweise wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch das Erstzünden des Lichtbogens bei kalter Elektrode wesentlich verbessert, wodurch bisher in Stromquellen eingesetzte Zündhilfeschaltungen entfallen können.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat weiterhin den Vorzug, daß durch das Absenken des Stromsollwertes während der dritten Zeitdauer die Elektrode vor dem Ausglühen geschützt wird. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß der zweite, dritte und vierte Stromsollwert proportional zum ersten verändert werden, so daß eine einfache und unkomplizierte Anwendung für unterschiedliche Schweißströme, vorzugsweise 20 bis 400A und verschiedene Elektrodendurchmesser, vorzugsweise 1,5mm bis 6mm, gesichert ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werdne. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1: eine Anordnung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 2: charakteristische Signalverläufe an verschiedenen Punkten der Anordnung nach Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 besteht die Anordnung aus dem Kurzschlußsensor 1,den Logikbausteinen 2-13, den elektronischen Schaltern 14-17, den Dioden 18-21, den Kondensatoren 22-25, den Widerständen 26-33, den Einstellreglern 34-40 und dem Operationsverstärker 41.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende:

Gemäß Fig. 2, in der charakteristische Signalverläufe an verschiedenen Punkten der Anordnung gemäß Fig. 1 dargestellt sind, dient im Kurzschlußfall das Ausgangssignal des Kurzschlußsensors 1, welches durch den Logikbaustein 2 verarbeitet wird, als Startsignal für den Oszillator, der aus den Logikbausteinen 5-8, den Widerständen 26-30, den Dioden 15-20, dem Kondensator 22 und dem Einstellregler 34 besteht (vgl. Signalverlauf A).

Der vom Oszillator erzeugte Signalverlauf B, dessen Frequenz vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 1 Hz liegt, wird mit den Logikbausteinen 9-13 weiterverarbeitet. Mit der Kombination von Einstellregler 35 und Kondensator 23 wird die Zeitdauer ti festgelegt, die sich mit dem Einstellregler 35 vorzugsweise im Bereich von 15 bis 50ms einstellen läßt. Mit dem so entstandenen Signal (vgl. Signalverlauf C) wird der Schalter 16 angesteuert, der den ersten Stromsollwert auf einen zweiten Stromsollwert erhöht. Die Größe dieses zweiten Stromsollwertes läßt sich mit dem Einstellregler 39 verändern.

Bei weiter andauerndem Kurzschluß bildet der Signalverlauf D, der am Ausgang des Logikbausteines 11 anliegt, die Zeitdauer t2, während derer der Stromsollwert nach Ablauf der Zeitdauer 11 auf einen dritten Stromsollwert, dessen Höhe mit dem Einstellregler 38 einstellbar ist, angehoben wird. Die Zeitdauer 12 läßt sich mit dem Einstellregler 34 vorzugsweise im Bereich von 50 bis 150ms variieren.

Bei Nichtzünden des Lichtbogens nach Ablauf der Zeitdauer t2 wird mit dem Signalverlauf E, der am Ausgang des Logikbausteines 4 anliegt, der Schalter 14 angesteuert, der während der Zeitdauer 13 einen vierten Soll-Wert des Schweißstromes is einstellt, dessen Größe mit dem Einstellregler 37 verändert werden kann. Mit der Bauelementekombination aus Kondensator 25 und Einstellregler 40 lassen sich die Übergänge vom ersten zum zweiten, vom zweiten zum dritten, vom dritten zum vierten und/oder vom zweiten oder dritten zum ersten Stromsollwert dynamisch den Prozeßerfordernissen anpassen.

Bei Nichtzündung des Lichtbogens wird die Veränderung des Soll-Wertes des Schweißstromes is auf den zweiten, dritten und vierten Stromsollwert zyklisch wiederholt, wobei die Frequenz vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 1 Hz liegt. Es ist auch eine solche Anordnung des Kondensators 25 und des Einstellreglers 40 sowie weiterer Elemente denkbar, die lediglich einzelne Übergänge zwischen den Stromsollwerten dynamisch beeinflußt.

Gemäß Fig. 1 sind die Einstellregler 36 bis 39 so angeordnet, daß eine Veränderung des ersten Stromsollwertes eine proportionale Veränderung des zweiten, dritten und vierten Stromsollwertes nach sich zieht.

Der aus den Logikbausteinen 5 bis 8, den Widerständen 26-30, dem Einstellregler 34, den Dioden 18 bis 20 und dem Kondensator 22 bestehende Oszillator ist so angeordnet, daß bei erfolgter Lichtbogenzündung der Zyklus abgebrochen und der erste Soll-Wert des Schweißstromes is eingestellt wird.

Gemäß Fig. 2 zeigen die Signalverläufe F und G den Verlauf des Schweißstromes is, wenn bei einem Kurzschluß der Stromsollwert auf einen zweiten Stromsollwert erhöht wurde und der Lichtbogen vor Ablauf der Zet ti wieder zündet. Im Signalverlauf G ist der Übergang vom ersten auf den zweiten Soll-Wert des Schweißstromes is stetig, welches durch den Einstellregler 40 erreicht werden kann. Signalverlauf I zeigt den Verlauf des Schweißstromes is, bei dem bei Kurzschluß nach Ablauf der Zeitdauer 11 ein dritter Soll-Wert des Schweißstromes is vorgegeben ist und der Lichtbogen innerhalb der Zeit 12 zündet.

Signalverlauf K zeigt den sich zyklisch mit der Periodendauer T wiederholenden Verlauf des Schweißstromes is bei Dauerkurzschluß.

In der nachfolgenden Tabelle sind günstige Einstellwerte für verschiedene Elektroden zusammengestellt.

Elektrodentyp	IS	zweiter	dritter	vierter	ti	t2	I
Durchmesser	ÄAÜ		Stromsollwert ÄAÜ			ÄmsÜ	ÄsÜ
E 433 RR(B) 22
2,5mm	90	120	160	60	15	250	1
E432R12
3,25 mm	145	190	250	95	15	250	1

Claims

Verfahren zur Steuerung des Schweißprozesses beim Elektrodenhandschweißen, insbesondere mit elektronischen Schweißstromquellen, die eine hohe Stellgeschwindigkeit aufweisen und einen Stromregler beinhalten, der mit einem prozeßabhängigen Sollwert beaufschlagt wird, gekennzeichnet dadurch, daß bei der Erkennung der Prozeßphase Kurzschluß mittels eines beliebigen Kurzschlußsensors (1) der Soll-Wert des Schweißstromes (is) von einem ersten Stromsollwert, der dem Soll-Wert beim Schweißen entspricht, auf einen zweiten Stromsollwert erhöht wird, der ausreichend ist, die schmelzflüssige Verbindung zwischen der Elektrode und dem Werkstück während eines Tropfenkurzschlusses beim Schweißen einzuschnüren und aufzureißen, so daß eine Wiederzündung des Lichtbogens erfolgt, wobei der zweite, höhere Stromsollwert bei nicht erfolgter Wiederzündung des Lichtbogens aber höchstens für eine erste Zeitdauer (ti) anliegt und diese Zeitdauer (t 1) so gewählt wird, daß sie nur wenig größer ist als die maximal zu erwartende Tropfenkurzschlußdauer (tKSmax),

daß bei Nichtzündung des Lichtbogens nach Ablauf der erstgenannten Zeitdauer (t 1) der Soll-Wert des Schweißstromes (is) auf einen dritten Stromsollwert erhöht wird, wobei der dritte Stromsollwert bei nichterfolgter Zündung des Lichtbogens höchstens für eine zweite Zeitdauer (t2) anliegt, die nur so groß ist, daß keine stoffschlüssige Verbindung zwischen Elektrode und Werkstück entsteht, daß bei Nichtzündung des Lichtbogens nach Ablauf der zweiten Zeitdauer (t2) der Soll-Wert des Schweißstromes (is) für eine dritte Zeitdauer (t3) im Bereich von 150 bis 600 ms auf einen vierten Stromsollwert verringert wird, der so klein ist, daß ein weiteres Aufschmelzen des Werkstückmaterials nicht erfolgt, aber eine unter Umständen eingetretene Verbindung zwischen Elektrode und Werkstück plastisch bleibt,

daß bei Nichtzündung des Lichtbogens nach Ablauf der dritten Zeitdauer (t3) die Veränderung des Stromsollwertes auf den zweiten, dritten und vierten Stromsollwert periodisch wiederholt wird, wobei die Wiederholfrequenz so gering ist, daß eine Gefährdung der Baugruppen der Stromquelle durch strommäßige Überlastung ausgeschlossen ist und ein Ausglühen der Elektrode verhindert wird.