DE102008053342B4

DE102008053342B4 - Schweißverfahren

Info

Publication number: DE102008053342B4
Application number: DE102008053342.4A
Authority: DE
Inventors: Jay Hampton
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2021-08-12
Anticipated expiration: 2028-10-28
Also published as: CN101422839B; DE102008053342A1; US8129652B2; CN101422839A; US20090107960A1

Abstract

Verfahren zum Steuern einer Mischung von Lichtbogenschutzgas während eines Lichtbogenschweißvorgangs, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:(a) Betätigen eines ersten mit einer ersten Gasquelle (48) verbundenen Ventils (40), um selektiv Gas von der ersten Gasquelle (48) in eine Mischkammer (44) und dann in eine Schweißpistole (22) strömen zu lassen;(b) Betätigen eines zweiten mit einer zweiten Gasquelle (54) verbundenen Ventils (42), um selektiv Gas von der zweiten Gasquelle (54) in die Mischkammer (44) und dann in die Schweißpistole (22) strömen zu lassen; und(c) Durchführen des Lichtbogenschweißvorgangs, gekennzeichnet durch(d) Überwachen von mindestens einem Schweißparameter, um eine Bogeninstabilität zu erfassen, wobei der mindestens eine Schweißparameter die Gasströmungsgeschwindigkeit durch die Schweißpistole (22) und zumindest ein von einem optischen Sensor (84) überwachter visueller Schweißparameter ist, der zumindest eines von Luminanz, Spritzen, Schweißbadschwingung und Gasstromturbulenz ist;(e) Übermitteln des mindestens einen überwachten Schweißparameter an ein Steuergerät (62); und(f) automatisches Betätigen des ersten und zweiten Ventils (40, 42) mit dem Steuergerät (62), wenn eine Bogeninstabilität erfasst wird, um das Gas, das von der ersten Gasquelle (48) und der zweiten Gasquelle (54) strömt, anzupassen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Schweißverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für Lichtbogenschweißen, wie es der Art nach im Wesentlichen aus der WO 2007 / 029 033 A1 bekannt ist. Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die US 5 283 418 A verwiesen.
Metallschutzgasschweißen (GMAW, kurz vom engl. Gas Metal Arc Welding) oder Metallinertgas(MIG)-Schweißen ist ein Lichtbogenschweißverfahren, bei dem ein Draht und Schutz-(Schweiß)-Gas durch eine Schweißpistole geleitet werden. Das Schutzgas wird in die Schweißzone geleitet, während ein elektrischer Strom durch die Luft (d.h. ein Lichtbogen) von der Elektrode zu dem Werkstück geleitet wird. Die Schutzgase schützen die Schweißnaht vor atmosphärischer Verschmutzung, um die Eigenschaften der Schweißnaht zu verbessern. Die Stabilität des Bogens kann durch die Art der verwendeten Schutzgase stark beeinflusst werden. Daher werden häufig spezifische Mischungen von Schweißgasen verwendet, um die Schweißqualität zu verbessern. Die Gasmischungen werden in vorgemischten Behältern oder in Großmengensystemen, die einen Gasmischer verwenden, vorgesehen. In jedem Fall sind die Verhältnisse verschiedener Gaskomponenten festgelegt und können somit während des Schweißvorgangs nicht angepasst werden, auch wenn der Eindringbetrag, das Erzeugen von Spritzern und das physikalische Erscheinungsbild einige der Merkmale sind, die durch die gewählte Schutzgasmischung beeinflusst werden. Darüber hinaus hat die Instabilität des Lichtbogens beim Beginn des Schweißens eine große Wirkung auf die gesamte Schweißnaht, da bis zu 80% der Spritzer beim Schweißen beim Einsetzen des Lichtbogens erzeugt werden. Diese Arten von Problemen können auch bei anderen Arten von Bogenschweißen ein Grund zur Besorgnis sein, beispielsweise beim FCAW-Schweißen (kurz vom engl. Flux Cored Arc Welding = Lichtbogenschweißen mit Fülldrahtelektrode), beim Wolfram-Inertgasschweißen (GTAW, kurz vom engl. Gas Tungsten Arc Welding) und beim Plasmalichtbogenschweißen (PAW, kurz vom engl. Plasma Arc Welding).
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Steuern einer Mischung von Lichtbogenschutzgas während eines Lichtbogenschweißvorgangs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
Das Verfahren kann mittels eines Schweißstabilitätssystems für eine Lichtbogenschweißvorrichtung durchgeführt werden. Das Schweißstabilitätssystem kann eine Schutzgaszufuhr und eine Steueranordnung umfassen. Die Schutzgaszufuhr kann eine erste Gasquelle mit einer ersten Gasmischung, eine zweite Gasquelle mit einer zweiten Gasmischung, die sich von der ersten Gasmischung unterscheidet, eine Mischkammer, ein erstes automatisch steuerbares Ventil, das selektiv die erste Gasquelle mit der Mischkammer verbindet, ein zweites automatisch steuerbares Ventil, das selektiv die zweite Gasquelle mit der Mischkammer verbindet, und eine Schutzgaszufuhrleitung, die dafür ausgelegt ist, Gas von der Mischkammer zu einer Schweißpistole zu leiten, umfassen. Die Steueranordnung kann ein Steuergerät, welches das erste und zweite automatisch steuerbare Ventil wirksam schaltet, um das Betätigen des ersten und zweiten automatisch steuerbaren Ventils zu steuern, und einen Sensor, der dafür ausgelegt ist, einen Parameter eines Lichtbogenschweißvorgangs zu überwachen und mit dem Steuergerät zu kommunizieren, umfassen.
Ferner wird eine Lichtbogenschweißvorrichtung beschrieben, die eine Schweißpistole, eine Quelle elektrischen Stroms, die die Schweißpistole wirksam schaltet, eine Drahtzufuhreinheit, die die Schweißpistole wirksam schaltet, eine Schutzgaszufuhr und eine Steueranordnung umfassen kann. Die Schutzgaszufuhr kann eine erste Gasquelle mit einer ersten Gasmischung, eine zweite Gasquelle mit einer zweiten Gasmischung, die sich von der ersten Gasmischung unterscheidet, eine Mischkammer, ein erstes automatisch steuerbares Ventil, das selektiv die erste Gasquelle mit der Mischkammer verbindet, ein zweites automatisch steuerbares Ventil, das selektiv die zweite Gasquelle mit der Mischkammer verbindet, und eine Schutzgaszufuhrleitung, die dafür ausgelegt ist, Gas von der Mischkammer zu der Schweißpistole zu leiten, umfassen. Die Steueranordnung kann ein Steuergerät, das das erste und zweite automatisch steuerbare Ventil wirksam schaltet, um das Betätigen des ersten und zweiten automatisch steuerbaren Ventils zu steuern, und einen Sensor, der dafür ausgelegt ist, einen Parameter eines Lichtbogenschweißvorgangs zu überwachen und mit dem Steuergerät zu kommunizieren, umfassen, wobei das Steuergerät das erste und zweite automatisch steuerbare Ventil als Reaktion auf den überwachten Parameter betätigt.
Ein Vorteil einer Ausführungsform besteht darin, dass durch das Steuern der Gasmischung in Echtzeit im Verhältnis zu der Lichtbogeninstabilität die Bogenstabilität verbessert wird. Mit einer verbesserten Lichtbogenstabilität wird die Menge von Spritzern und Schweißfehlern reduziert und die sich ergebende Schweißqualität wird verbessert.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Diagramm eines Teils eines Schweißsystems gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 ist ein 1 ähnliches schematisches Diagramm, stellt jedoch eine zweite Ausführungsform dar.
3 ist ein Flussdiagramm, das einen Vorgang zum Beibehalten besserer Bogenstabilität darstellt.

Eingehende Beschreibung
Unter Bezug auf 1 wird eine Lichtbogenschweißvorrichtung, die allgemein bei 20 gezeigt ist, dargestellt. Die Lichtbogenschweißvorrichtung 20 umfasst eine Schweißpistole 22, die verwendet wird, um einen Schweißvorgang an einem/mehreren Werkstück(en) 24 durchzuführen, eine Drahtzufuhreinheit 26, eine elektrische Stromquelle 28, eine Schutzgaszufuhranordnung 30 und ein Schweißstabilitätssystem 32.
Das Schweißstabilitätssystem 32 umfasst die Gaszufuhranordnung 30 und eine Steueranordnung 36. Die Gaszufuhranordnung 30 weist eine Gassteuereinheit 38 auf, die ein erstes Ventil 40, ein zweites Ventil 42 und eine Mischkammer 44 umfasst. Das ersten und zweiten Ventil 40, 42 können Solenoidventile, Servoventile oder andere geeignete Arten von automatisch steuerbaren Ventilen zum Steuern des Stroms von Schutzgasen sein. Das erste Ventil 40 ist mit einer Gaszufuhrleitung 46, die sich von einer ersten Gasquelle 48 erstreckt, und einer Ausgabeleitung 50, die zu der Mischkammer 44 führt, verbunden. Die Gasleitungen sind in 1 und 2 durch gestrichelte Linien angezeigt. Das zweite Ventil 42 ist mit einer Gaszufuhrleitung 52, die sich von einer zweiten Gasquelle 54 erstreckt, und einer Ausgabeleitung 56, die zu der Mischkammer 44 führt, verbunden. Eine Schutzgaszufuhrleitung 58 erstreckt sich von der Mischkammer 44 zu der Schweißpistole 22.
Die erste und zweite Gasquelle 48, 54 weisen natürlich unterschiedliche Arten oder Gemische von verschiedenen Gasen auf. Die bestimmte Gasmischung wird durch die Schweißanwendung und die Zusammensetzung des Werkstückmaterials bestimmt. Die Gase können beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Helium, Kohlendioxid, Wasserstoff oder Mischungen dieser Gase sein. Zudem können, auch wenn nur zwei Ventile 40, 42 und zwei Gasquellen 48, 54 dargestellt sind, bei Bedarf stattdessen drei oder mehr Ventile und Gasquellen verwendet werden.
Die Steueranordnung 36 umfasst ein Überwachungsgerät/ Steuergerät 62, das einen Prozessor für neuronale Netze 60 umfassen kann, der dafür ausgelegt ist, als Reaktion auf bestimmte überwachte Schweißparameter anzupassen. Das Steuergerät 62 steuert das Betätigen des ersten und zweiten Ventils 40,42, wodurch es die Gasströmungsgeschwindigkeit von und ein Verhältnis zwischen der ersten und zweiten Gasquelle 48, 54 steuert.
Die Steueranordnung 36 umfasst auch einen Datenerfassungsteil 64. Der Datenerfassungsteil 64 umfasst verschiedene in Verbindung mit dem Steuergerät 62 stehende Sensoren zum Überwachen von einem oder mehreren Parametern des Schweißvorgangs. Der Datenerfassungsteil 64 kann beispielsweise einen Spannungssensor 66 und/oder einen Stromstärkesensor 68 zum Messen elektrischer Eigenschaften der elektrischen Stromquelle 28, die zwischen der Schweißpistole 22 und dem/den Werkstück(en) 24 angeschlossen ist, umfassen. Ein weiterer Sensor, der verwendet werden kann, ist ein Drahtzufuhrgeschwindigkeitssensor 72, der die Geschwindigkeit der Drahtzufuhr von der Drahtzufuhreinheit 26 ermittelt. Erfindungsgemäß wird ein Gasströmungsgeschwindigkeitssensor 76 verwendet, um die Strömungsgeschwindigkeit von Schutzgas durch die Schweißpistole 22 zu erfassen. Es kann auch ein Magnetfeldstärkensensor 78 verwendet werden, um eine Magnetfeldstärke nahe dem Schweißort zu erfassen. Diese Sensoren können jede gewünschte physikalische Form annehmen und positioniert werden, wo immer sie erforderlich sind, um die betreffenden bestimmten Eigenschaften zu überwachen, und darüber hinaus können einer oder mehrere in verschiedenen Kombinationen verwendet werden, um die bestimmten Schweißeigenschaften zu erfassen, die man überwachen möchte.
2 stellt eine zweite Ausführungsform dar. Da die in dieser Ausführungsform beschriebene Vorrichtung eine Abwandlung der ersten Ausführungsform ist, bezeichnen gleiche Bezugszahlen entsprechende Teile in den Zeichnungen, und um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, unterbleibt eine ausführliche Beschreibung derselben. Die Gaszufuhranordnung 30, Schweißpistole 22, Drahtzufuhreinheit 26 und elektrische Stromquelle 28 können die gleichen sein wie in der ersten Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform steht das Überwachungsgerät/Steuergerät 62 jedoch in Wechselwirkung mit dem Datenerfassungsteil 64 mit einem optischen Sensor 84. Der optische Sensor 84 überwacht visuelle Eigenschaften des Bogens während des Schweißvorgangs, nämlich die Luminanz, Spritzen, Schweißbadschwingung und/oder Gasstromturbulenz . Die Algorithmen in dem Steuergerät 62 betreffen dann das Interpretieren einer oder mehrerer dieser visuellen Eigenschaften und das Anpassen der Ventile 40, 42, um den Gasstrom und die Gasmischung, die von der Gassteuereinheit 38 kommen, anzupassen. Es kann wieder ein Prozessor für neuronale Netze 60 verwendet werden, um Schweißanpassungen vorzusehen, um die Schweißeigenschaften zu optimieren. Der optische Sensor 84 ist so positioniert, dass er den Bereich um den Bogen während der Schweißvorgänge überblickt, und kann an einem Roboter angebracht (nicht gezeigt) oder feststehend sein, je nachdem, welche bestimmten Schweißvorgänge durchgeführt werden.
Alternativ kann der optische Sensor 84 mit einem oder mehreren anderen in der ersten Ausführungsform erläuterten Sensoren verwendet werden. Und wie bei der ersten Ausführungsform können nach Bedarf drei oder mehr Gaszufuhren (und zusätzliche Ventile) verwendet werden.
3 ist ein Flussdiagramm des Schweißstabilitätsverfahrens, das für die Anordnungen von 1 und 2 angewandt werden kann. Bei Block 100 wird eine anfängliche Mischung von den Gasquellen 48, 54 festgelegt. Das Steuergerät 62 ermittelt die gewünschte Mischung und die Menge, die von jeder Quelle 48, 54 erforderlich ist, um diese Mischung zu erhalten. Bei Block 102 wird der Schweißvorgang gestartet. Das Steuergerät 62 betätigt die Ventile 40, 42, um die entsprechende Menge Gas von jeder Quelle 48, 54 zu erhalten. Die Gase vermischen sich in der Mischkammer 44 und werden durch die Schutzgaszufuhrleitung 58 in die Schweißpistole 22 geleitet. Ferner werden die elektrische Stromquelle 28 und die Drahtzufuhreinheit 26 aktiviert.
Bei Schritt 104 werden während des Schweißens der/die bestimmte(n) Schweißparameter überwacht. Wie vorstehend erwähnt können diese Parameters eines oder mehrere von: Spannung, Stromstärke, Drahtzufuhrgeschwindigkeit, Gasströmungsgeschwindigkeit, Magnetfeldstärke und die verschiedenen visuellen Eigenschaften umfassen. Die Daten von dem bestimmten Sensor oder Sensoren werden in Echtzeit zu dem Steuergerät 62 übermittelt, wo ein Algorithmus bei Block 106 ermittelt, ob Bogeninstabilität erfasst wird. Das Steuergerät 62 kann in dem Prozessor für neuronale Netze 60 Algorithmen verwenden, um Instabilität zu ermitteln, was ermöglicht, dass Lernen und Anpassungen in dem Prozessor selbst stattfinden. Die verwendeten Algorithmen betreffen natürlich die bestimmte(n) überwachte(n) Eigenschaft(en).
Wenn Instabilität erfasst wird, wird bei Block 108 die Strömungsgeschwindigkeit und das Verhältnis von Gasen von den Gasquellen 48, 54 angepasst. Diese Anpassung wird erreicht, indem das Steuergerät 62 das erste und zweite Ventil 40, 42 anpasst. Wenn das Schweißen bei Block 110 nicht abgeschlossen ist, wird das Überwachen fortgesetzt. Wenn das Schweißen abgeschlossen ist, endet der Schweißvorgang bei Block 112.

Claims

Verfahren zum Steuern einer Mischung von Lichtbogenschutzgas während eines Lichtbogenschweißvorgangs, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) Betätigen eines ersten mit einer ersten Gasquelle (48) verbundenen Ventils (40), um selektiv Gas von der ersten Gasquelle (48) in eine Mischkammer (44) und dann in eine Schweißpistole (22) strömen zu lassen; (b) Betätigen eines zweiten mit einer zweiten Gasquelle (54) verbundenen Ventils (42), um selektiv Gas von der zweiten Gasquelle (54) in die Mischkammer (44) und dann in die Schweißpistole (22) strömen zu lassen; und (c) Durchführen des Lichtbogenschweißvorgangs, gekennzeichnet durch (d) Überwachen von mindestens einem Schweißparameter, um eine Bogeninstabilität zu erfassen, wobei der mindestens eine Schweißparameter die Gasströmungsgeschwindigkeit durch die Schweißpistole (22) und zumindest ein von einem optischen Sensor (84) überwachter visueller Schweißparameter ist, der zumindest eines von Luminanz, Spritzen, Schweißbadschwingung und Gasstromturbulenz ist; (e) Übermitteln des mindestens einen überwachten Schweißparameter an ein Steuergerät (62); und (f) automatisches Betätigen des ersten und zweiten Ventils (40, 42) mit dem Steuergerät (62), wenn eine Bogeninstabilität erfasst wird, um das Gas, das von der ersten Gasquelle (48) und der zweiten Gasquelle (54) strömt, anzupassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (f) weiterhin dadurch festgelegt ist, dass das Steuergerät (62) einen Prozessor (60) für neuronale Netze verwendet, um das Vorhandensein von Bogeninstabilität auf der Grundlage des mindestens einen übermittelten Schweißparameters zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (d) weiterhin dadurch festgelegt ist, dass der mindestens eine Schweißparameter eine Magnetfeldstärke benachbart einem Schweißort ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (d) weiterhin dadurch festgelegt ist, dass der mindestens eine Schweißparameter mindestens zwei Schweißparameter umfasst, und Schritt (e) weiterhin durch das Übermitteln der mindestens zwei überwachten Schweißparameter an das Steuergerät (62) festgelegt ist.