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Hintergrund der Erfindung
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1. Technisches Gebiet
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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.
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2. Erläuterung des Standes der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) und den beiliegenden
Zeichnungsfig. ersichtlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung sind unten stehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfig.
im Detail beschrieben, in denen
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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;
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1a eine
perspektivische Darstellung einer Brennerdüse nach dem Stand der Technik
ist, die insbesondere einen Einzeldrahtvorschub, eine Schutzgasleitung
und eine herkömmliche
Kontaktspitze veranschaulicht;
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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;
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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;
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3a ein
Querschnitt der in 3 gezeigten Kontaktspitze und
Drahtvorschübe
entlang der Linie A-A darin ist;
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3b eine
partielle Aufrissansicht einer verjüngten Kontaktspitze und zusammenlaufender Drahtvorschübe gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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4 eine
Querschnittsansicht einer Kontaktspitze und von Drahtvorschüben gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist und insbesondere drei Drähte und einen zusätzlichen Schlitz
veranschaulicht;
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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;
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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;
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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
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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.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Wie
in den 2–8 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).
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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.
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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.
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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.
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Die
innere Machart der Düse 12a umfasst eine
elektrisch aktivierte Kontaktspitze 32 (3–4).
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.
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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.
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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 (3–4)
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.