DE102009005681A1 - MSG-System mit mehreren unabhängigen Drahtvorschüben - Google Patents

MSG-System mit mehreren unabhängigen Drahtvorschüben Download PDF

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DE102009005681A1
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Alexander D. Troy Khakhalev
Jay Lenox Hampton
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Abstract

Ein Metall-Schutzgasschweißsystem, welches das Schweißen einer Vielzahl von Werkstücken unter Verwendung einer Vielzahl von einzeln wählbaren und separat gesteuerten Drahtvorschüben umfasst, und ein Verfahren hierfür sind vorgesehen, wobei die Vorschübe vorzugsweise verschiedene Drahtdurchmesser und -zusammensetzungen bieten und vorbestimmte Drahtbeiträge während des Schweißens kombiniert werden, um so ein Schweißbad und eine Verbindungsstelle mit vereinigten Eigenschaften aufzuweisen.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Metall-Schutzgasschweiß(MSG)-Systeme und im Spezielleren ein MSG-System mit einer Vielzahl von unabhängig wählbaren und separat gesteuerten Drahtvorschüben, die derart fungieren, um eine größere Flexibilität beim Wählen eines geeigneten Drahtes für verschiedene Schweißbedingungen zu bieten.
  • 2. Erläuterung des Standes der Technik
  • Metall-Schu tzgasschweißen (MSG) ist ein häufig verwendetes Verfahren zum Schweißen von Metallwerkstücken in industriellen Anwendungen. Wie im Stand der Technik von 1 dargestellt, umfassen MSG-Systeme typischerweise einen Brenner (oder Schweißpistole) 1 mit einer Düse 2, einer Spannungsquelle 3, einer Drahtvorschubeinheit 4, die ausgebildet ist, um einen Draht 5 zu dem Brenner 1 vorzuschieben, und ein/e Schutzgasversorgung/Netz 6. In einer bevorzugten Verwendung ist der Schweißbrenner 1 derart orientiert, um einen gleich bleibenden Brennerspitzen-Werk-Abstand von vorpositionierten Werkstücken 7 beizubehalten. Wie im Stand der Technik von 1a gezeigt, umfasst die Schweißpistole eine elektrisch aktivierte Kontaktspitze 8, die axial im Inneren der Pistolendüse 2 ausgerichtet und derart ausgebildet ist, um sich durch Kontaktieren des Drahtes 5 zu laden. Die angelegte Spannung zwischen dem geladenen Draht 5 und den Werkstücken 7 erzeugt einen dazwischen liegenden Lichtbogen. Die durch den Bogen erzeugte Wärmeenergie schmilzt den Draht 5 in einem kugelförmigen, kurzschließenden oder Spritzmodus und dringt in die Werkstücke 7 ein, um die Schweißnaht zu bilden. Somit umfasst der MSG-Schweißvorgang typischerweise eine Bogenzündungsperiode, eine Hauptschweißverlaufperiode (die typischerweise einen Endkrater erzeugt) und eine anschließende Kraterfüllperiode.
  • Mit Bezug auf die vorliegende Erfindung wird typischerweise ein Drahtvorschub wie z. B. von der Art verwendet, die einen um eine Spule bzw. Haspel gewickelten Draht und einen Antriebsmechanismus zum Vorrücken des Drahtes durch einen durch den Brenner definierten Elektrodenkanal beinhaltet, um Drahtmaterial in eine vorwiegend durch den Bogen definierte Heizzone einzuführen. Die meisten herkömmlichen Einheiten stellen den Draht mit einer variablen Vorschubrate in Ansprechen auf die Verbindungsstellengröße und die erforderliche Abscheiderate bereit. Zum Beispiel legen einige Drahtvorschubeinrichtungen den Draht bei Raten von 50 bis 1200 ipm vor. Schließlich ist es auf dem technischen Gebiet auch bekannt, Doppeldrahtvorschübe zu verwenden, die identische Zusammensetzungen und Vorschubraten vorlegen, wo dickere Werkstücke zu schweißen sind.
  • MSG-Drähte weisen typischerweise entweder Vollmaterial- oder Verbundkonfigurationen auf, wobei Vollmaterialdrähte aus Stahl, Aluminium oder Verhältnislegierungen gebildet sein können, und Verbundtypen umfassen Flussmittel- oder Metallseelendrähte. Zum Beispiel werden oft Silizium-Bronze-Drähte für Lötanwendungen vorgesehen. Die bevorzugte Drahtgröße und -zusammensetzung wird in Übereinstimmung mit Faktoren wie z. B. Betriebseigenschaften einer geschweißten Verbindungsstelle, der erforderlichen Abscheiderate und der Verbindungsstellenkonfiguration gewählt. In einigen Fällen wird auch die Menge und Art von verdampftem Material berücksichtigt, von dem absehbar ist, dass es durch das Grundmaterial während des Schweißens verloren geht, sodass eine Drahtzusammensetzung vorgesehen werden könnte, die reich an dem verlorenen Material ist.
  • Wenn diese Faktoren nicht entsprechend berücksichtigt sind, können betriebliche und Leistungsprobleme auftreten. Zum Beispiel übersehen viele Bediener das Leistungsvermögen, das sie gewinnen können, indem sie den Draht in einer Schweißanwendung wechseln. Eine ungeeignete Drahtwahl kann zu einer niedrigen Produktionsrate, einer schlechten Schweißnahtqualität, übermäßigen Spritzern und einem übermäßig großen Krater am Ende und der Notwendigkeit einer Bearbeitung nach dem Schweißen beitragen. Ferner kann, wenn eine ungeeignete Drahtzusammensetzung gewählt wird, die Schweißverbindungsstelle eine Scherfestigkeit, die deutlich bzw. wesentlich geringer ist als jene des Grundmaterials, und daher eine vorzeitige Bruchzone in der Anordnung aufweisen.
  • Im Stand der Technik trifft man auch auf weitere Probleme, die mit herkömmlichen Drahtvorschubeinheiten mit einer nicht variablen Vorschubratensteuerung einhergehen. Es ist z. B. für einen Fachmann einzusehen, dass optimale Vorschubraten für die Hauptverbindungsstellen-Schweißperiode oft zu übermäßigen Spritzern und einem Schweißbadverzug während des Füllens des Kraters und der Bogenzündung infolge ungleicher Anfangskräfte und Instabilität führen, während optimale Vorschubraten für die Bogenzündung und das Füllen des Kraters nicht ausreichen, um den erforderlichen Materialbeitrag während des Hauptverlaufes des Schweißens bereitzustellen. Überdies kann, wenn der Wärmeenergieeintrag fehlerhaft ist, die Drahtvorschubrate nicht in Echtzeit angepasst werden.
  • Somit weisen herkömmliche MSG-Drahtvorschubeinheiten, während sie das Material bereitstellen, das erforderlich ist, um ein korrektes Schweißen zu bewirken, nach wie vor verschiedene Nachteile auf. Demzufolge bleibt auf dem technischen Gebiet Bedarf an einer Drahtvorschubeinheit, die auf diese Probleme abzielt, indem sie eine größere Flexibilität und Steuerung in Bezug auf den Drahtbeitrag vorsieht.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • In Reaktion auf diesen Bedarf betrifft die vorliegende Erfindung ein MSG-System mit mehreren unabhängigen Drahtvorschüben mit vorzugsweise verschiedenen Drahtzusammensetzungen und -durchmessern. Unter anderem ist die Erfindung nützlich, um eine Präzisionssteuerung der Schweißbadform, eine größere Flexibilität beim Bestimmen der Schweißverbindungsstellenzusammensetzung und reduzierte Spritzer und eine gleichmäßige Bogenzündung vorzusehen. Das verbesserte Schweißsystem führt zu einem effizienteren Schweißen im Vergleich mit Systemen nach dem Stand der Technik. Zum Beispiel werden vorzugsweise Wärmeenergiedaten und/oder Beobachtungen berücksichtigt, sodass die energieeffizienteste Drahtvorschubrate für jeden Vorschub während der Bogenzündung, des Hauptverlaufes des Schweißens und des Füllens des Kraters genutzt werden kann. Überdies ist auch die Standzeit in Verbindung mit dem Wechseln der Drahtspule reduziert, da einzusehen ist, dass das erfindungsgemäße System über einen deutlich breiteren Anwendungsbereich entsprechend genutzt werden kann. Schließlich umfasst der Nutzen der Erfindung auch das Ermöglichen einer Echtzeitsteuerung und -anpassung des Wärmeeintrages für komplexe Metallkombinationen und -stapel.
  • Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Metall-Schutzgasschweißsystem, das zum Schweißen einer Vielzahl von Werkstücken während eines Schweißvorganges geeignet ist. Das System umfasst einen MSG-Brenner, eine Vielzahl von Drähten und zumindest einen Vorrückmechanismus. Der MSG-Brenner umfasst eine neue Kontaktspitze, die eine Vielzahl von Löchern/Öffnungen für einen Schweißdrahtvorschub definiert. Der Brenner und die Werkstücke sind zusammenwirkend derart ausgebildet, um während einen dazwischen liegenden dynamischen Lichtbogen und eine erhitzte Zone mit einer Betriebstemperatur benachbart dem Bogen zu erzeugen. Jeder der Drähte weist ein distales Ende und vorzugsweise verschiedene Durchmesser, chemische Zusammensetzungen und physikalische und mechanische Eigenschaften auf. Die Öffnungen sind derart ausgebildet, um die Drähte gleichzeitig aufzunehmen, sodass jedes der distalen Enden in die Zone eintritt. Schließlich ist der Vorrückmechanismus derart ausgebildet, um jeden der Drähte bei einer vorbestimmten Vorschubrate in die Zone vorzurücken.
  • Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen einer Vielzahl von Werkstücken unter Verwendung mehrerer unhabhängiger Drahtvorschübe, wobei jedes Werkstück eine Dicke und Zusammensetzung aufweist und jeder Vorschub eine/n Drahtdurchmesser und -zusammensetzung aufweist, die ferner eine Zug- und Scherfestigkeit, eine Schmelztemperatur, eine dynamische Viskosität und Kohäsionskraft aufweist, wenn sie geschmolzen ist. Das Verfahren umfasst eine Vielzahl von Schritten, welche umfassen, dass die Vorschübe in Bezug auf die Werkstücke gesichert werden. Ein gewünschter erster Gesamtdrahtbeitrag (Abscheide- oder -Verbrauchsrate) basiert auf den Werkstückdicken und -zusammensetzungen. Dann wird eine erste Vorschubrate bestimmt, die den gewünschten Drahtbeitrag erzeugen würde. Schließlich rückt ein Draht mit einem vorbestimmten Durchmesser und physikali schen Eigenschaften autonom bei einer bestimmten Vorschubrate vor, um so den ersten Drahtbeitrag zu erzeugen.
  • Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) und den beiliegenden Zeichnungsfig. ersichtlich.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind unten stehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfig. im Detail beschrieben, in denen
  • 1 ein schematischer Aufriss eines MSG-Systems nach dem Stand der Technik ist, der insbesondere einen Brenner, eine Spannungsquelle, eine Drahtvorschubeinheit und ein/en Schutzgasversorgungsbehälter und -netz veranschaulicht;
  • 1a eine perspektivische Darstellung einer Brennerdüse nach dem Stand der Technik ist, die insbesondere einen Einzeldrahtvorschub, eine Schutzgasleitung und eine herkömmliche Kontaktspitze veranschaulicht;
  • 2 eine perspektivische Darstellung einer Vielzahl von Werkstücken ist, die durch einen MSG-Brenner mit mehreren Drahtvorschüben und zugehörigen Bogen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung geschweißt wird, und insbesondere eine Bogenzone und einen vereinigten Drahtbeitrag veranschaulicht, der zu einem Schweißbad geliefert wird;
  • 3 eine partielle Aufrissansicht einer Vielzahl von Werkstücken und einer Mehrfachdrahtvorschub-MSG-Brennerdüse gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, und insbesondere einen Heizzonensensor und die Wechselbeziehung zwischen einer Vielzahl von Drahtvorschüben und einer Kontaktspitze veranschaulicht;
  • 3a ein Querschnitt der in 3 gezeigten Kontaktspitze und Drahtvorschübe entlang der Linie A-A darin ist;
  • 3b eine partielle Aufrissansicht einer verjüngten Kontaktspitze und zusammenlaufender Drahtvorschübe gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 4 eine Querschnittsansicht einer Kontaktspitze und von Drahtvorschüben gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist und insbesondere drei Drähte und einen zusätzlichen Schlitz veranschaulicht;
  • 5 ein schematischer Aufriss eines Mehrfachdrahtvorschub-MSG-Systems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist und insbesondere eine Vielzahl von Vorrückmechanismen, Drahtvorschub- und Heizzonensensoren und einen kommunikativ damit gekoppelten Controller veranschaulicht;
  • 6 eine perspektivische Darstellung einer mit einer Vielzahl von drei Drahtvorschubspulen in Wechselwirkung stehenden Eingangswellen- und Kupplungsanordnung gemäß einer bevor zugten Ausführungsform der Erfindung ist, wobei die Zwischenspule ausgerückt ist;
  • 7 eine perspektivische Darstellung eines Einzelantriebsmechanismus, der ein mit einer Vielzahl von drei Drahtvorschubspulen gekoppeltes Kegelradgetriebe umfasst, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, wobei eine benachbarte Spule ausgerückt ist; und
  • 8 eine partielle Aufrissansicht eines Mehrfachdrahtvorschub-MSG-Systems ist, das einen komplexen Stapel gemäß einem bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung schweißt, die insbesondere die angewendeten Drahtvorschübe während einer Vielzahl von sechs verschiedenen Perioden eines Schweißvorganges veranschaulicht.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Wie in den 28 gezeigt, betrifft die vorliegende Erfindung ein Metall-Schutzgasschweiß(MSG)-System 10, das eine Vielzahl von unabhängigen und separat steuerbaren Drahtvorschüben aufweist. Das System 10 umfasst einen Brenner 12 mit einer/m modifizierten Düse 12a und Griff 12b (bei manueller Bedienung) und einen Körper 12c. Wie auf dem technischen Gebiet bekannt, besitzt der Brenner 12 die Funktion, einen Lichtbogen und eine zugehörige Heizzone 14 zu erzeugen, die eine minimale Betriebstemperatur aufweist, welche ausreicht, um das Grundmaterial einer Vielzahl von Werkstücken 16, 18 zu schmelzen, wobei die Spezifikationen des Schweißens (z. B. die Betriebstemperatur, Bewegungsgeschwindigkeit, Spannung etc.) von der Werkstückgröße und -zusammensetzung abhängig sind. Es ist für einen Fachmann z. B. einzusehen, dass das Metall-Schutzgasschweißen eines Weichstahls Blechlehre Nr. 16 zumindest 160 Ampere mit 100 Prozent Kohlendioxid-Schutzgas erfordert. Es ist jedoch einzusehen, dass die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, um übliche kommerzielle Metallwerkstücke (z. B. Baustahl, hochfesten Stahl, niedrig legierten Stahl, Edelstahl und Aluminium) zu schweißen und zu diesem Zweck dazu dient, den Bereich von Grundmaterialien zu erweitern, die ohne Wechsel zum Schweißen geeignet sind. Schließlich besteht die Heizzone 14 zum Zweck der Erfindung allgemein aus dem Lichtbogen zwischen dem Schweißdraht und dem Werkstück und dem Raum unmittelbar benachbart dem Bogen (2).
  • Wie zuvor erwähnt, ist auch einzusehen, dass ein korrekter Elektrodendurchmesser mit der Dicke und der Zusammensetzung der zu schweißenden Werkstücke in Beziehung steht, wobei ein kleinerer Drahtdurchmesser bevorzugt wird, wenn ein dünneres Metall geschweißt wird. Überdies muss die Ausgangsspannung der MSG-Spannungsquelle auch mit der Nennspannung des gewählten Elektrodendrahtes abgestimmt sein.
  • Die Aufnahme mehrerer unabhängiger Drahtvorschübe ermöglicht es dem erfindungsgemäßen System 10, diese Vorzüge und Anforderungen einfacher zu erzielen bzw. zu erfüllen, indem der Drahtmaterialbeitrag modifiziert wird, um eine breite Vielfalt von Gesamtdrahtzusammensetzungen und -durchmessern zu simulieren. In der veranschaulichten Ausführungsform ist eine beispielhafte Vielzahl von drei Drahtvorschüben 20a, b, c dargestellt. Es ist jedoch einzusehen, dass eine größere oder eine kleinere Vielzahl verwendet werden kann, wobei eine Erhöhung der Anzahl von Vorschüben direkt proportional zu der Systemflexibilität und -vielseitigkeit und umgekehrt proportional zu der Systemkomplexität und Düsenüberfrachtung ist.
  • Das System umfasst einen modifizierten Brenner 12, wobei die Kontaktspitze 32 zumindest eine und bevorzugter eine Vielzahl von Öffnungen 22 (3) definiert, die derart ausgebildet ist/sind, um die Vorschübe 20 aufzunehmen. Der Brenner 12 definiert bevorzugt eine Vielzahl von Öffnungen, die größer ist als die Anzahl der Vorschübe, um so zumindest ein zusätzliches Loch 24 zu umfassen, um das Vorsehen von zusätzlichen Drahtvorschüben oder weiteren Vorkehrungen wie z. B. eine Schutzgasströmung zu ermöglichen. In 4 ist z. B. eine Vielzahl von vier Öffnungen 22 definiert, wobei eine ein zusätzliches Loch 24 ist. Somit sind der/die Schweißbrennerkörper 12c und -düse 12a derart ausgebildet, um zusammenwirkend die Öffnungen 22 zu definieren. Wie in 3 gezeigt, kann der Brennerkörper 12c im Spezielleren eine Einzelelektrodenleitung 26 umfassen, die koaxial mit einer Schutzgasleitung 28 ausgerichtet ist. Innerhalb der Elektrodenleitung 26 ist bevorzugt eine Vielzahl von Hülsen 30 angeordnet, um so die Drahtvorschübe 20a, b, c zu trennen. Die Hülsen 30 sind daher aus einem isolierenden Material gebildet.
  • Die innere Machart der Düse 12a umfasst eine elektrisch aktivierte Kontaktspitze 32 (34). Wie in Einzeldrahtvorschüben besitzt die Kontaktspitze 32 die Funktion, mit den Drahtvorschüben 20 in Kontakt zu treten und diese dadurch zu aktivieren, während die Vorschübe 20 kontinuierlich in die Bogenzone 14 geführt werden. Als solches ist die erfindungsgemäße Spitze 32 aus einem leitfähigen Material wie z. B. Kupfer gebildet und definiert die distalen Abschnitte 22a der Öffnungen. Die Hülsen 30 weisen bevorzugt flexible Endabschnitte auf, die eine Verbindung mit einem entsprechenden distalen Abschnitt 22a ermöglichen. Daher weist die erfindungsgemäße Spitze 32, um eine Vielzahl von Drahtvorschüben 20 unterzubringen, einen Durchmesser auf, der bevorzugt etwas größer als eine vergleichbare herkömmliche Kontaktspitze ist. Zum Beispiel kann eine geeignete erfindungsgemäße Spitze 32 zur Verwendung mit herkömmlichen Brennern einen Durchmesser von ca. 10 mm aufweisen.
  • Die distalen Abschnitte 22a sind bevorzugt parallel (3) und beabstandet, um ein gemeinsames Schmelzen der Drahtvorschübe durch einen einzigen Bogen zu ermöglichen. Als solches sind, wenn dmax dem größten der Abschnittsdurchmesser entspricht, benachbarte Abschnitte 22a bevorzugt nicht mehr als das Fünffache von dmax und bevorzugter nicht mehr als das Zweifache von dmax beabstandet (3a). Alternativ kann die Spitze 32 aus einem hitzebeständigeren und dauerhafteren Material wie z. B. einer Metallkeramik gebildet sein, wobei Kupfereinsätze (nicht gezeigt) vorgesehen sind, um die Drähte zu aktivieren. Des Weiteren können alternative Konfigurationen der Spitze 32 verwendet werden, z. B. eine verjüngte Spitze 32a (3b), welche die Drahtvorschübe in Richtung eines Punktes innerhalb der Bogenzone 14 zusammenlaufen lässt, um so eine Drahtmaterialdiffusion/vermischung zu begünstigen und die Bogenwärmeflussdichte zu erhöhen.
  • Jeder Vorschub 20 umfasst einen länglichen Draht (d. h. ein Drahtsegment) 34, der eine Drahtzusammensetzung, eine Länge (l) und einen Durchmesser (d) aufweist; als solches ist eine Vielzahl von drei Drähten 34a, b, c in der veranschaulichten Ausführungsform (34) wiedergegeben. Jede Drahtzusammensetzung weist vorzugsweise eine Schmelztemperatur auf, die niedriger ist als die minimale Betriebstemperatur der Zone 14. Jeder Durchmesser ist derart ausgebildet, dass der Draht 34 eng (d. h. innerhalb einer Toleranz von 0,15 mm) in dem entsprechenden distalen Abschnitt 22a aufgenommen ist, da die Toleranz notwendig ist, um sicherzustellen, dass der Kontakt dazwischen erhalten bleibt. Jeder Draht 34 weist bevorzugt einen deutlich verschiedenen (z. B. zumindest 15% größeren oder kleineren) Durchmesser im Vergleich mit jedem der restlichen Durchmesser auf. Bevorzugter ist jeder Durchmesser um zumindest 20% und am Bevorzugtesten um 25% größer oder kleiner als jeder der übrigen Durchmesser. Zum Beispiel weist, wenn ein erster Draht einen Durchmesser von 1,2 mm aufweist, ein zweiter Draht bevorzugt einen Durchmesser von nicht weniger als 1,4 mm auf, und ein dritter Draht weist bevorzugt einen Durchmesser von nicht mehr als 0,9 mm auf.
  • Jeder Draht 34 weist vorzugsweise eine deutlich verschiedene Zusammensetzung auf, um so eine erhöhte Flexibilität und Vielfältigkeit der Anwendung vorzusehen, wobei der Begriff „deutlich verschiedene Zusammensetzung” funktionell nicht gleichwertige Materialbestandteile im Kontext mit MSG einschließen soll. Die Drahtzusammensetzungen sind vorzugsweise derart gewählt, um einem Bediener verschiedene Alternativen und die Möglichkeit zu bieten, die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindungstelle zu ändern. Im Spezielleren sind die bevorzugten Drähte 34 aus deutlich verschiedenen Zusammensetzungen gebildet, sodass jeder Draht 34 eine verschiedene Zug(oder Scher)-Festigkeit aufweist, was dem System 10 eine Vielfalt an Materialauswahl bietet, um gewünschte Verbindungsstellenfestigkeiten vorzusehen. Die bevorzugten Drähte 34 können aus deutlich verschiedenen Zusammensetzungen gebildet sein, sodass jeder Draht eine verschiedene Fließfähigkeit (oder dynamische Viskosität) aufweist, wenn er geschmolzen ist. Dies bietet dem System 10 eine Vielfalt an Materialauswahl, um das Schweißbad 17 (2) zu formen und zu steuern. Im Spezielleren weist jeder Draht eine Fließfähigkeit auf, die zumindest um 25% größer oder kleiner als jene eines jeden der anderen Drähte 34 ist. Schließlich können die bevorzugten Drähte 34 auch aus deutlich verschiedenen Zusammensetzungen gebildet sein, sodass jeder Draht 34 eine verschiedene Zwischengitter- oder Molekularkraft wie z. B. eine metallische Bindung, eine ionische Bindung, eine elektromagnetische oder Kohäsionskraft aufweist, wenn er geschmolzen ist. Im Hinblick auf die Kohäsion ist z. B. einzusehen, dass die Drahtzusammensetzung, die die höchste Kohäsionskraft (d. h. Oberflächenspannung) aufweist, verwendet werden kann, um das Spritzen während der Bogenzündung zu minimieren, da solch ein Material mit größerer Wahrscheinlichkeit seine Integrität beibehält.
  • In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das System 10 derart ausgebildet, um verschiedene Drahtvorschubraten aufzuweisen, und bevorzugter ist jede Vorschubrate individuell steuerbar, um so separat angepasst zu werden. Zu diesem Zweck umfasst das System 10 ferner zumindest einen Vorrückmechanismus 36, der antriebstechnisch mit jedem der Drahtvorschübe 20 gekoppelt ist (5). Bevorzugter ist eine Vielzahl von unabhängig betreibbaren Mechanismen 36 mit separaten Motoren 38 antriebstechnisch mit einer gleichen Vielzahl von Vorschüben 20 gekoppelt, wobei jeder Mechanismus 36 nur mit einem Vorschub 20 in Eingriff steht. Schließlich, wie auf dem technischen Gebiet bekannt, umfasst jeder Vorschub 20 ferner eine drehbare Drahtspule 40, die einen separaten, gewickelten der Drähte 34 lagert und durch einen entsprechenden Mechanismus 36 antriebstechnisch rotiert wird.
  • Eine Variabilität der Vorschubrate kann vorgesehen sein, z. B. indem der Leistungseingang zu den Mechanismen 36 verändert wird, wie auf dem technischen Gebiet ebenfalls bekannt. Zum Beispiel kann, wie in 4 schematisch gezeigt, eine Vielzahl von Potentiometern 42 zwischen einer Spannungsquelle 43 und den Motoren 38 angeordnet sein, um einen variablen Motorausgang zu bewirken. Die Potentiometer 42 sind stufenweise und bevorzugter verschiebbar einstellbar.
  • Es ist daher einzusehen, dass eine bevorzugte Ausführungsform des Systems 10 die Verwendung einer Vielzahl von herkömmlichen Drahtvor schubmechanismen 36 zum Antreiben einer gleichen Vielzahl von Vorschüben 20 berücksichtigt, wobei jeder Mechanismus 36 derart ausgebildet ist, um ein entsprechendes Drahtsegment 34 zu der erfindungsgemäßen Kontaktspitze 32 vorzurücken. Alternativ kann jedoch ein Einzelantriebsmechanismus 36 verwendet werden, um die Vorschübe 20 anzutreiben. Zum Beispiel können die Mechanismen 36 eine Kupplung 44 umfassen, die derart ausgebildet ist, um selektiv zu bewirken, dass ein Einzelmotor 38 und eine Eingangsantriebswelle 46 mit einer entsprechenden Spule 40 in Eingriff und außer Eingriff treten. 6 zeigt allgemein eine Eingangswellen- und Kupplungsanordnung, die mit einer Vielzahl von drei Drahtvorschubspulen 40 in Eingriff steht, wobei die äußeren zwei Spulen in Eingriff stehen und die mittlere Spule ausgerückt ist.
  • Wie in 7 gezeigt, kann der Einzelmechanismus 36 mit einem komplexen Getriebe (z. B. einem Zahnradgetriebe) 48 gekoppelt sein, das derart ausgebildet ist, um die Drahtvorschübe 20 selektiv und einstellbar in Eingriff zu bringen. In dieser Konfiguration treibt die Eingangswelle 46 das Getriebe 48 an, um so den vorgesehenen Ausgang zu erzeugen. In dem beispielhaften Getriebe 48, das in 7 gezeigt ist, sind eine Reihe von Kegelrädern 50 und Magnetrelais 52 zum Schalten verwendet, um eine selektive rotatorische Umsetzung zu bewirken. In 7 stehen zwei der drei Spulen 40 mit einer Welle 46 über das Getriebe 48 in Eingriff und sind durch diese angetrieben. In einer weiteren Alternative, die derart ausgebildet ist, um ein noch größeres Anpassungsvermögen vorzusehen, können eine Vielzahl von unterschiedlichen Antriebsmechanismen 36 und zumindest ein Getriebe 48 zusammenwirkend derart ausgebildet sein, dass jeder der Mechanismen 36 in der Lage ist, selektiv mit einem der Vorschübe 20 in Eingriff zu treten.
  • Schließlich umfasst jeder der bevorzugten Antriebsmechanismen 36 ferner einen Satz von vertikal gestapelten Rollen 54 (5). Wie auf dem technischen Gebiet bekannt, sind die Rollen 54 zusammenwirkend derart dimensioniert und ausgebildet, um die Drähte 34 zu erfassen und weiter vorzurücken, um diese so in die Öffnungen 22 zu führen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das System 10 auch einen Controller 56 (5), der kommunikativ mit den Mechanismen 36 und dem Brenner 12 gekoppelt ist. Der Controller 56 ist programmierbar derart ausgebildet, um jeden der Mechanismen 36 autonom separat zu betätigen, deren jeweilige Vorschubraten zu modifizieren und den Brenner 12 zu betätigen, nachdem er einen korrekten Drahtvorschub bestätigt hat. Der bevorzugte Controller 56 ist daher derart ausgebildet, um einen Eingang zu empfangen und zu bewirken, dass die Vorschubraten auf der Basis des Einganges angepasst werden. Im Hinblick darauf umfasst das bevorzugte System 10 ferner eine sensorische Technologie zum Bestimmen von Anwendungscharakteristika. Zum Beispiel kann ein erster Sensor 58 (5), der wirksam ist, um die eigentliche Bewegung eines Drahtes 34 zu detektieren, nahe dem Austritt einer jeden Spule 40 positioniert sein, sodass der Sensor 58 in der Lage ist, das Ende des jeweiligen Drahtes 34 zu detektieren und dann dem Controller 56 signalisiert, den Schweißvorgang zu beenden.
  • Ein zweiter Sensor 60, der wirksam ist, um eine Bogenzonencharakteristik zu bestimmen, kann in Bezug auf die Brennerdüse 12a und die Zone 14 während des Schweißvorganges positioniert sein. Zum Beispiel, wie am besten in 3 gezeigt, kann der Sensor 60 ein Thermoelement sein, das an der Düse 12a angebracht und derart ausgebildet ist, um die Zonentemperatur zu detektieren. In dieser Konfiguration erzeugt der bevorzugte Sensor 60 ferner korrelative Bogenzonencharakteristikdaten, die sich auf die Temperatur oder eine Ableitung davon beziehen, wie z. B. einen geschätzten oder extrapolierten Wärmeeintragenergiewert. Der erste wie auch der zweite Sensor 58, 60 sind kommunikativ mit dem Controller 56 gekoppelt (d. h. über eine geeignete Kurzbereich-Drahtlostechnologie oder verdrahtet), um so in der Lage zu sein, die Daten an den Controller 56 als ein Eingangssignal zu transportieren. Der Controller 56 ist derart ausgebildet, um ein kontinuierliches Ausgangssignal auf der Basis des empfangenen Eingangssignals zu modifizieren. Somit weist das System 10 vorzugsweise ein Regelungssystem auf.
  • Im Betrieb, nach Empfang der Installationsinformation von dem Bediener in Bezug auf die Anwendung (z. B. Werkstückdicke, Stapelkonfiguration und -zusammensetzung etc.), ist der bevorzugte Controller 56 programmierbar derart ausgebildet, um einen gewünschten Gesamtdrahtbeitrag zu bestimmen. Der Controller 56 ist derart ausgebildet, um dann eine Vorschubrate für jeden der Drahtvorschübe 20 zu bestimmen, die den gewünschten Beitrag erzielen würden. Hierfür umfasst der bevorzugte Controller 56 eine abfragbare Datenbank 62 von Beiträgen und Vorschubraten für einen vorhandenen Satz von Drahtvorschüben 20 und Anwendungen.
  • Alternativ oder zusätzlich zu der Datenbank 62 kann ein komplexer Algorithmus verwendet werden, der resultierende Bad- und Verbindungsstellencharakteristika auf der Basis der Materialeigenschaften der Drahtvorschübe 20 berechnet und ferner die Vorschübe 20 optimiert (d. h. die bevorzugten Raten hierfür bestimmt), um eine Bad- oder Verbindungsstellencharakteristik zu erzielen. Wenn vorhanden, können die algorithmischen Bestimmungen für eine gegebene Anwendung dann in der Datenbank 62 für einen zukünftigen Abruf gespeichert werden. Sobald die Vorschubraten bestimmt sind, betätigt der bevorzugte Controller 56 autonom den Brenner 12 und rückt die Vorschübe 20 in die Zone 14 bei den Vor schubraten vor, indem er das entsprechende Signal an die Antriebsmechanismen 36 sendet.
  • In einem zweiten Betriebsmodus ist der bevorzugte Controller 56 ferner derart ausgebildet, um einen Gesamtdrahtbeitrag für jede einer Vielzahl von asynchronen Anwendungsperioden (oder -phasen) zu bestimmen und um diese Beiträge zu erzielen, indem er separate Vorschubraten für jeden der Drahtvorschübe 20 während dieser Periode bestimmt. Zum Beispiel kann ein Bogenzündungsbeitrag über eine erste Periode bestimmt und erzeugt werden, sodass Spritzer minimiert sind und die Wärmeenergie reduziert ist; und ein Haupt-Verbindungsstellenfüllbeitrag kann über eine zweite Periode bestimmt und erzeugt werden, um so die Schweißbadform zu steuern und zu der gewünschten Verbindungsstellenfestigkeit zu führen. Schließlich kann ein Kraterfüllbeitrag über eine dritte Periode bestimmt und erzeugt werden. Hinsichtlich der Bogenzündungs- und Kraterfüllperioden ist einzusehen, dass die Gesamtdrahtbeiträge bevorzugt durch den minimalen verfügbaren Drahtbeitrag bereitgestellt werden.
  • 8 veranschaulicht den zweiten Betriebsmodus und zeigt einen komplexen Stapel von Werkstücken, die in einem einzigen Durchgang durch ein MSG-System 10 mit drei Drähten geschweißt werden, das einen kleinen, einen mittleren und einen großen Drahtvorschub 20 aufweist. Es ist einzusehen, dass komplexe Stapelkonfigurationen, wie hier dargestellt, die tatsächliche industrielle Anwendung besser wiedergeben und die Vorteile der vorliegenden Erfindung hervorheben. In der Anfangsphase (1) werden die Brennerdüse 12a und die Werkstücke kurzgeschlossen, um eine Bogenzündung vorzusehen, die für eine Dauer von ungefähr 0,5 bis 1 s typisch ist. Der kleinste Draht (in Bezug auf den Durchmesser) wird während dieser Periode allein mit einer entsprechenden Bogenzündungs-Drahtvorschubrate vorgeschoben. In Phase (2) wurde die Bogenzündung abgeschlossen und eine Haupt-Verbindungsstellenfüllung hat für einen Abschnitt des Stapels begonnen, der zwei Bleche umfasst. Hier wird der Zwischen(oder „Arbeits”)-Draht vorgeschoben, die Düse 12a beginnt umzusetzen, um der vorgeschlagenen Verbindungsstellenausrichtung zu folgen, und der Vorschub des kleinen Drahtes wird beendet. Es ist einzusehen, dass die Phase (1) und der Beginn der Phase (2) räumlich gemeinsam, aber zu verschiedenen Zeiten stattfinden. In Phase (3) ändert sich der Stapel zu einem Abschnitt, der drei Bleche mit einer ersten Höhe umfasst, und der Vorschub des großen Drahtes wird dem Vorschub des mittleren Drahtes hinzugefügt. In Phase (4) gibt der Stapel einen Abschnitt aus drei Blechen mit einer reduzierten Höhe im Vergleich mit Phase (3) wieder. Hier wird der Vorschub des mittleren Drahtes beendet, sodass nur der Vorschub des großen Drahtes verbleibt. In Phase (5) kehrt der Stapel zu der Konfiguration von Phase (2) zurück und als solches wird der mittlere Draht wiederum allein vorgeschoben. Schließlich, in Phase (6), am Ende der Stapelung aus zwei Blechen und des Schweißdurchgangs, wird ein Kraterfüll-Drahtbeitrag bereitgestellt, wobei der kleine Draht allein vorgeschoben wird, wie in Phase (1).
  • In einer beispielhaften Anwendung, in der zwei Baustahlwerkstücke (0,8 mm und 1,2 mm dick) zu schweißen sind, kann ein geeigneter Gesamtdrahtbeitrag während der Bogenzündung durch einen Stahldraht (ER70-S3) mit einem Durchmesser von 0,9 mm und einer Vorschubrate von 200 ipm; während des Füllens der Verbindungstelle durch einen Stahldraht (ER70-S6) mit einem Durchmesser von 1,1 mm und einer Vorschubrate von 500 ipm; und während des Füllens des Kraters durch den ER70-S-3-Draht bei einer Vorschubrate von 300 ipm bereitgestellt werden.
  • Es ist einzusehen, dass geeignete Fabrikate oder Modelle von nicht modifizierten Brennerkomponenten, Sensoren 58, 60 und Antriebsmechanis mus-Komponenten wie z. B. Motoren 38, Drahtspulen 40, Kupplungen 44 und Rollen 54, wie auch geeignete Controller-Programmier-, -verarbeitungs- und -speicher-Spezifikationen durch einen Fachmann ohne übermäßiges Experimentieren problemlos bestimmbar sind und als solche hierin nicht weiter beschrieben wurden.
  • Die bevorzugten Formen der oben beschriebenen Erfindung dienen rein Illustrationszwecken und sind nicht einschränkend bei der Interpretation des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung anzuwenden. Offensichtliche Modifikationen an den beispielhaften Ausführungsformen und Betriebsarten, die hierin dargelegt sind, könnten von einem Fachmann ohne weiteres vorgenommen werden, ohne von dem Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Erfinder erklären hiermit, sich auf die Doctrine of Equivalents zu berufen, um den angemessenen Schutzumfang der vorliegenden Erfindung in Bezug auf jede/s Vorrichtung, Anordnung oder Verfahren zu bestimmen und zu beurteilen, die/das nicht grundlegend von dem in den nachfolgenden Ansprüchen dargelegten eigentlichen Schutzumfang der Erfindung abweicht.

Claims (20)

  1. Metall-Schutzgasschweißsystem, das zum Schweißen einer Vielzahl von Werkstücken während eines Schweißvorganges geeignet ist, wobei das System umfasst: einen MSG-Brenner mit einer Düse und einem Griff, der zumindest eine Öffnung definiert, wobei die Öffnung innerhalb der Düse endet, wobei der Brenner und die Werkstücke zusammenwirkend derart ausgebildet sind, um während des Schweißvorganges einen dazwischen liegenden Lichtbogen und eine erhitzte Zone mit einer Betriebstemperatur benachbart dem Bogen zu erzeugen; eine Vielzahl von Drahtsegmenten, die jeweils ein distales Ende und eine Schmelztemperatur unter der Betriebstemperatur aufweisen, wobei die zumindest eine Öffnung derart ausgebildet ist, um die Drahtsegmente gleichzeitig aufzunehmen, sodass jedes der distalen Enden in die Zone eintritt; und zumindest einen Vorrückmechanismus, der antriebstechnisch mit jedem der Segmente gekoppelt und derart ausgebildet ist, um jedes der Segmente bei einer vorbestimmten Vorschubrate gleichzeitig in die Zone vorzurücken.
  2. System nach Anspruch 1, wobei die Segmente deutlich verschiedene Durchmesser aufweisen.
  3. System nach Anspruch 1, wobei die Segmente aus deutlich verschiedenen Zusammensetzungen gebildet sind, sodass jedes Seg ment nachdem es geschmolzen ist, ein verschiedenes Fließvermögen aufweist.
  4. System nach Anspruch 1, wobei die Segmente aus deutlich verschiedenen Zusammensetzungen gebildet sind, sodass jedes Segment eine Verbindungsstelle mit einer verschiedenen Scherfestigkeit erzeugt.
  5. System nach Anspruch 1, wobei die Segmente aus deutlich verschiedenen Zusammensetzungen gebildet sind, sodass jedes Segment nachdem es geschmolzen ist, eine verschiedene Kohäsionskraft aufweist.
  6. System nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl von Öffnungen, die nicht kleiner ist als die Vielzahl von Segmenten, durch den Brenner definiert ist, und jedes Segment in einer separaten Öffnung aufgenommen ist.
  7. System nach Anspruch 6, wobei der Brenner eine Kontaktspitze umfasst, wobei die Spitze einen distalen Abschnitt einer jeden Öffnung definiert und die Abschnitte und Drahtdurchmesser zusammenwirkend derart ausgebildet sind, sodass die Spitze mit jedem Segment in Kontakt tritt.
  8. System nach Anspruch 7, wobei die distalen Abschnitte derart ausgebildet sind, um die Segmente in Richtung eines Punktes innerhalb der Zone zusammenlaufen zu lassen.
  9. System nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl von unabhängig bedienbaren Mechanismen antriebstechnisch mit der Vielzahl von Segmenten gekoppelt und zusammenwirkend derart ausgebildet ist, um die Segmente bei verschiedenen Vorschubraten in die Zone vorzurücken.
  10. System nach Anspruch 9, wobei jeder der Vielzahl von Mechanismen derart ausgebildet ist, um jedes der Segmente separat in Eingriff oder außer Eingriff zu bringen.
  11. System nach Anspruch 10, wobei jeder der Mechanismen ferner einen separaten Motor und ein Kupplungselement umfasst, das derart ausgebildet ist, um zu bewirken, dass der Motor die Segmente selektiv in Eingriff und außer Eingriff bringt.
  12. System nach Anspruch 9, welches ferner umfasst: einen Controller, der kommunikativ mit den Mechanismen gekoppelt und derart programmierbar ausgebildet ist, um jeden der Mechanismen separat autonom zu betätigen, wobei der Controller und der Antriebsmechanismus zusammenwirkend derart ausgebildet sind, um die Vorschubraten zu erzeugen und zu modifizieren.
  13. System nach Anspruch 9, wobei der Controller derart ausgebildet ist, um einen Eingang zu empfangen und zu bewirken, dass die Vorschubraten auf der Basis des Einganges modifiziert werden.
  14. System nach Anspruch 13, welches ferner umfasst: einen Sensor, der in Bezug auf den Brenner und die Werkstücke derart positioniert und wirksam ist, um eine Zonencharakteristik während des Schweißvorganges zu bestimmen, wobei der Sensor derart ausgebildet ist, um korrelative Zonencharakteristikdaten zu erzeugen, und mit dem Controller kommunikativ gekoppelt ist, sodass der Sensor wirksam ist, die Daten zu transportieren, und der Controller wirksam ist, um diese zu empfangen, und die Daten mit dem Eingang zu korrelieren.
  15. Metall-Schutzgasschweißsystem, das zum Schweißen einer Vielzahl von Werkstücken während eines Schweißvorganges geeignet ist, wobei das System umfasst: einen MSG-Brenner mit einer Düse und einem Griff, der zumindest eine Öffnung definiert, wobei die Öffnung innerhalb der Düse endet, wobei der Brenner und die Werkstücke zusammenwirkend derart ausgebildet sind, um während des Schweißvorganges einen dazwischen liegenden Lichtbogen und eine erhitzte Zone mit einer Betriebstemperatur benachbart dem Bogen zu erzeugen; eine Vielzahl von Drahtsegmenten, die wesentlich verschiedene Durchmesser und Zusammensetzungen aufweisen und jeweils ferner ein distales Ende und eine Schmelztemperatur unter der Betriebstemperatur aufweisen, wobei die zumindest eine Öffnung derart ausgebildet ist, um die Drahtsegmente gleichzeitig aufzunehmen, sodass jedes der distalen Enden in die Zone eintritt; zumindest einen Vorrückmechanismus, der antriebstechnisch mit jedem der Segmente gekoppelt und derart ausgebildet ist, um jedes der Segmente bei einer vorbestimmten Vorschubrate in die Zone vorzurücken; und einen Controller, der kommunikativ mit dem zumindest einen Mechanismus gekoppelt und derart programmierbar ausgebildet ist, um diesen autonom zu betätigen, wobei der Controller und der zumindest eine Mechanismus zusammenwirkend derart ausgebildet sind, um die Vorschubraten zu erzeugen und zu modifizieren.
  16. Verfahren zum Schweißen einer Vielzahl von Werkstücken unter Verwendung mehrerer unhabhängiger Drahtvorschübe, wobei jedes Werkstück eine Dicke und Zusammensetzung aufweist und jeder Vorschub eine Drahtzusammensetzung, Schmelztemperatur und einen Durchmesser aufweist, wobei das Verfahren umfasst, dass: a. die Vorschübe in Bezug auf die Werkstücke gesichert werden; b. ein erster Gesamtdrahtbeitrag auf der Basis der Werkstückdicken und -zusammensetzungen bestimmt wird; c. eine erhitzte Zone benachbart den Werkstücken erzeugt wird, wobei die Zone eine minimale Betriebstemperatur aufweist, die größer ist als jede der Drahtschmelztemperaturen; und d. eine erste Vorschubrate für jeden der Vorschübe bestimmt wird und jeder der Vorschübe autonom bei einer Vorschubrate in die Zone vorgerückt wird, um so den ersten Gesamtdrahtbeitrag zu erzeugen.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Schritte b) und d) ferner die Schritte umfassen, dass erste und zweite asynchrone Anwendungsperioden bestimmt werden, ein zweiter Gesamtdrahtbeitrag bestimmt wird, der erste Gesamtdrahtbeitrag über die erste Periode erzeugt wird, eine zweite Vorschubrate für jeden der Vorschübe bestimmt wird, und jeder der Vorschübe autonom bei einer zweiten Vorschubrate über die zweite Periode in die Zone vorgerückt wird, um so den zweiten Gesamtdrahtbeitrag zu erzeugen.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die erste Anwendungsperiode eine Bogenzündungsperiode ist und die ersten Vorschubraten derart ausgebildet sind, sodass der erste Gesamtdrahtbeitrag der minimale Drahtbeitrag ist, der verfügbar ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die zweite Anwendungsperiode eine Hauptverbindungsstellen-Schweißperiode ist und die zweiten Vorschubraten derart ausgebildet sind, sodass der zweite Gesamtdrahtbeitrag eine erwünschte Schweißbadform und -chemie bereitstellt.
  20. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt d) ferner die Schritte umfasst, dass eine Rückkopplung von der Zone empfangen wird, und die Vorschubraten auf der Basis der Rückmeldung während des Schweißens autonom angepasst werden.
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