DE102011001842A1

DE102011001842A1 - Lichtbogenschweißen und Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen

Info

Publication number: DE102011001842A1
Application number: DE102011001842A
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Takeda; Keigo Moriguchi; Shigeisa Nishio
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-04-07
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2012-01-05
Also published as: JP2011218387A; US20110248007A1; CN102211238A; JP5234042B2; DE102011001842A8

Abstract

Ein Grundmetall (50), das aus einer Vielzahl von metallischen Werkstoffen (51, 52) mit einem Sauerstoffgehalt von 10 ppm oder mehr besteht, wird zunächst ganz oder teilweise vorgewärmt. Dann lässt man einen AC-Strom (Wechselstrom) I durch das vorgewärmte Grundmetall und eine Elektrode (30) fließen, um einen Lichtbogen zum Schweißen der metallischen Werkstoffe zu erzeugen. Die Kurven- bzw. Wellenform des Stroms wird im Zeitverlauf zwischen einem Spitzenstromwert (Ip) und einem Basisstromwert (Ib) nur auf entweder der Plus- oder der Minuspolseite des Stroms, der einen Stromwert von null ausschließt, geändert. Ein Stromverhältnis, das definiert ist durch Teilen einer Stromamplitude (Iw) zwischen den Spitzen- und Basisstromwerten (Ip, Ib) durch einen Stromdurchschnitt (Iv) des Wechselstroms liegt in einem Bereich von 0,5 bis 2,0. Der Wechselstrom weist eine Frequenz von 500 Hz oder mehr auf.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtbogen-Schweißverfahren, in dem ein Lichtbogen zwischen einem aus metallischen Werkstoffen bestehenden Grundmetall und einer Elektrode erzeugt wird, um die metallischen Werkstoffe miteinander zu verschweißen, sowie eine Lichtbogen-Schweißvorrichtung, die in der Lage ist, diese Schweißarbeit auszuführen.
Verwandte Technik
Lichtbogen-Schweißverfahren sind bekannt. Beispielsweise offenbart JP-A-2001-054263 eine Technik für ein Lichtbogen-Schweißverfahren anhand von TIG(Wolframinertgas)-Schweißen, bei dem von einem Wolframstab mit einem sehr hohen Schmelzpunkt zu einem Grundmetall ein Lichtbogen erzeugt wird, um das Grundmetall mit der Wärme aufzuschmelzen.
Ebenso offenbart beispielsweise JP-B-3948767 eine Technik zum Steuern der Stromwellenform oder der Spannung einer hochfrequenten Wechselstromleistung. Dieses Verfahren dient der Erhöhung der Stabilität des Lichtbogens, der durch TIG-Schweißen erzeugt wird, das für dünne Platten oder dünnwandige Rohre aus metallischen Werkstoffen mit niedrigem Schweißpunkt (z. B. Kupfer, Aluminium, Zink, Magnesium oder eine Legierung aus diesen Werkstoffen) durchgeführt wird.
Ferner offenbart beispielsweise JP-A-2001-018067 eine Technik zum Durchführen eines TIG-Schweißens unter Verwendung einer Frequenz und eines Spitzenstroms, die in einem vorgegebenen Bereich liegen. Genauer wird bei dieser Technik eine Lichtbogenlange (Da) auf Basis eines Spitzenstroms (Ip) von Pulsen so eingestellt, dass sie in einem Bereich liegt, der durch eine Beziehung 0,5 ≤ Da ≤ (Ip – 120)/30 ausgedrückt wird, um eine Exzentrizität des Lichtbogens in Richtung auf eine Seitenwand einer Fuge zu verhindern.
Ferner offenbart beispielsweise JP-A-S49-115957 eine Technik zum Durchführen eines Lichtbogenschweißens mit hochfrequenten Pulsen mit einer Frequenz von 1 kHz bis 100 kHz. In diesem Fall wird eine Zeit (t₁), über die ein Stromkreis offen ist und ein Hauptstrom (I_D) fließen kann, durch Abschalten eines Transistors eingestellt, und eine Zeit (t₂), über die der Stromkreis geschlossen ist und ein Basisgleichstrom (I_B) fließen kann, wird durch Einschalten des Transistors eingestellt.
Jedoch führt die Anwendung der in den oben genannten Patentdokumenten dargelegten Techniken zu einigen Problemen, falls metallische Werkstoffe (z. B. Kupfer) mit einem Sauerstoffgehalt von 10 ppm oder mehr einem Lichtbogenschweißen unterzogen werden. Genauer wird in diesem Fall ein zu schweißendes Werkstück (nachstehend als „Schweißabschnitt” bezeichnet), in dem metallische Werkstoffe aufgeschmolzen werden, durchgebrannt bzw. -geschmolzen, oder, wenn das Schweißen gelingt, werden die Fugen bzw. Nähte nicht gleichmäßig. In einer solchen Situation bewirkt das Durchbrennen bzw. -schmelzen des Schweißabschnitts eine Abnahme der Schweißfestigkeit, und die Ungleichmäßigkeit der Fugenformen führt zu einer ungleichmäßigen Schweißfestigkeit.
Man nimmt an, dass die oben genannten Probleme den folgenden Gründen zuzuschreiben sind. Bei einem vorgegebenen Lichtbogenschweißen (z. B. TIG-Schweißen, MIG(Metallinertgas)-Schweißen und MAG(Metallaktivgas)-Schweißen) strömt ein Inertgas (ein sogenanntes „Schutzgas”), um das Grundmetall gegen die Luft abzuschirmen. Bekanntlich senkt ein Zusetzen von Sauerstoff zum Inertgas die Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls. Wenn ein metallischer Werkstoff, der Sauerstoff enthält, als Grundmetall verwendet wird, wird der im Grundmetall eingeschlossene Sauerstoff freigesetzt, wenn das Grundmetall aufgeschmolzen wird. Dies bewirkt einen Zustand, der dem Zustand nach einer Zusetzung von Sauerstoff gleichbedeutend ist, wodurch die Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls herabgesetzt wird. Falls die Oberflächenspannung von geschmolzenem Metall auf diese Weise herabgesetzt wird, bewirkt eine fortgesetzte Aufbringung einer Lichtbogenkraft ein Durchbrennen des Schweißabschnitts, oder, wenn das Schweißen gelingt, werden die Formen der Fugen ungleichmäßig.
Bei der in JP-B-3948767 offenbarten Technik ermöglicht das Fließen eines hochfrequenten Wechselstroms die abwechselnde Wiederholung eines Ereignisses, bei dem ein Lichtbogen vom Grundmetall zur Elektrode erzeugt wird, und eines Ereignisses, bei dem ein Lichtbogen von der Elektrode zum Grundmetall erzeugt wird. Im Allgemeinen wird das Metall, das vom Lichtbogen erreicht wird, geschmolzen. Auch wenn eine Elektrode mit hohem Schmelzpunkt verwendet wird, werden daher sowohl die Elektrode als auch das Grundmetall in erheblichem Umfang geschmolzen. Wenn die Elektrode abgeschmolzen wird, ändert sich der Weg der Lichtbogenerzeugung abhängig von der Art und Weise, in der die Elektrode abschmilzt. Dies bewirkt ein unerwünschtes Durchbrennen eines Abschnitts des Grundmetalls. Wenn das Schweißen gelingt, besteht daher leider die Tendenz, dass das unerwünschte Durchbrennen die Formen der Fugen ungleichmäßig werden lässt.
Um das Problem von JP-B-3948767 zu lösen, kann die in JP-A-S49-115957 offenbarte Technik angewendet werden. Genauer fließt, wie in 4A bis 4D dargestellt, ein Basisgleichstrom (I_B) konstant auf der Seite eines bestimmten Pols (d. h. auf der Seite eines Pluspols oder eines Minuspols), während ein Hauptstrom (I_P) aufgrund der EIN/AUS-Steuerung eines Transistors fließt oder nicht fließt. Auf diese Weise wird ein Lichtbogen nur in der Richtung von der Elektrode zum Grundmetall erzeugt, und daher wird der Weg der Lichtbogenerzeugung stabil gehalten. Wenn jedoch ein metallischer Werkstoff, der Sauerstoff enthält, als Grundmetall verwendet wird, brennt der Schweißabschnitt abhängig von der Stärke des eingestellten Hauptstroms (I_P) und des Basisgleichstroms (I_B) durch, oder, wenn das Schweißen gelingt, werden die Formen der Fugen ungleichmäßig.
Um metallische Werkstoffe im Grundmetall zu schweißen, muss ein Lichtbogen erzeugt werden. Je länger der Lichtbogen in Richtung auf den gleichen Schweißabschnitt erzeugt wird, desto wahrscheinlicher ist ein Durchbrennen des Schweißabschnitts, oder, wenn das Schweißen gelingt, neigen die Formen der Fugen zur Ungleichmäßigkeit (Unregelmäßigkeit).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben aufgeführten Probleme gemacht und hat zum Ziel, ein Lichtbogen-Schweißverfahren und eine Lichtbogen-Schweißvorrichtung zu schaffen, die in der Lage sind, bei Verwendung eines Sauerstoff enthaltenden metallischen Werkstoffs als Grundmetall die Erzeugung eines Lichtbogens so weit wie möglich zu unterdrücken, das Durchbrennen eines Schweißabschnitts zu verhindern und die Formen der Fugen an den Schweißabschnitten gleichmäßiger zu machen als im Stand der Technik.
Um das Ziel zu erreichen, schafft die vorliegende Erfindung in einem Aspekt ein Verfahren zum Miteinanderverschweißen einer Vielzahl von metallischen Werkstoffen, das die folgenden Schritte aufweist: Vorwärmen eines Grundmetalls, das aus einer Vielzahl von metallischen Werkstoffen mit einem Sauerstoffgehalt von 10 ppm besteht, in Teilen oder im Ganzen; und ein erstes Steuern in Bezug auf eine Kurven- bzw. Wellenform eines Wechselstroms, der durch das im Vorwärmschritt vorgewärmte Grundmetall und eine Elektrode fließen soll, um einen Lichtbogen zum Schweißen zu erzeugen, wobei die Wellenform des Stroms in zeitlicher Abfolge zwischen einem Spitzenstromwert und einem Basisstromwert nur entweder auf der Plus- oder der Minuspolseite des Stroms, der einen Strom mit einem Wert von Null ausschließt, geändert wird, wobei ein Stromverhältnis, das durch Teilen einer Stromamplitude zwischen den Spitzen- und Basisstromwerten durch einen Stromdurchschnitt des Wechselstroms definiert wird, in einem Bereich von 0,5 bis 2,0 liegt, wobei der Wechselstrom eine Frequenz von 500 Hz oder mehr aufweist.
Da die Grundmetalle vor dem Schweißen in Teilen oder im Ganzen durch Ausführen des Vorwärmschritts vorgewärmt werden, kann bei dieser Konfiguration die Zeitspanne für die Erzeugung eines Lichtbogens, der zum Aufschmelzen des Grundmetalls erforderlich ist, verkürzt werden. Da der Strom nur auf der Seite eines bestimmten Pols geändert wird, wird der Lichtbogen nur in einer Richtung erzeugt, und somit wird der Weg der Lichtbogenerzeugung stabilisiert. Ferner wurde das Stromverhältnis (= Stromamplitude/Stromdurchschnitt) so eingestellt, dass es in einem Bereich von 0,5 bis 2,0 liegt, und die Frequenz wurde auf 500 Hz oder mehr eingestellt, um dadurch die Kraft des Lichtbogens, die an den Schweißabschnitt angelegt wird, zu variieren. Das aufgeschmolzene Metall, das durch die Kraft des Lichtbogens weggeschoben wird, kehrt zurück, wenn die Kraft des Lichtbogens abnimmt. Somit wird verhindert, dass der Schweißabschnitt durchbrennt, wodurch die Formen der Schweißabschnitte gleichmäßiger werden als im Stand der Technik.
Im Gegensatz dazu wird bei einem Stromverhältnis von kleiner als 0,5 die Kraft des Lichtbogens zu klein, um die metallischen Werkstoffen ausreichend zu schmelzen, und daher nimmt die Schweißfestigkeit ab. Wenn andererseits das Stromverhältnis größer ist als 2,0, ist die Kraft des Lichtbogens so groß, dass der Schweißabschnitt wahrscheinlich durchbrennen wird. Wenn die Frequenz niedriger ist als 500 Hz, können wahrscheinlich keine gleichmäßig geformten Fugen an den Schweißabschnitten ausgebildet werden.
Es sei klargestellt, dass das Verfahren des Vorwärmens des Grundmetalls im Vorwärmschritt beliebig ist. Beispielsweise beinhaltet das Verfahren ein Verfahren, bei dem der Lichtbogen mit einem Temperaturbereich bis zum Schmelzpunkt der metallischen Werkstoffe, die das Grundmetall bilden, erzeugt wird, oder ein Verfahren, bei dem das Grundmetall anhand einer Heizvorrichtung erwärmt wird. Wenn das Grundmetall teilweise vorgewärmt wird, wird das Vorwärmen für den Abschnitt durchgeführt, der für das Schweißen vorgesehen ist (z. B. die Fuge) (im Folgenden als „Schweißziel” bezeichnet). Die metallischen Werkstoffe können nach Belieben gewählt werden, solange die metallischen Werkstoffe einen Sauerstoffgehalt von 10 ppm oder mehr aufweisen. Beispielsweise gehören zu diesen metallischen Werkstoffen diejenigen, die einen niedrigen Schweißpunkt haben (z. B. Kupfer, Aluminium, Zink, Magnesium oder Legierungen dieser Metalle).
Vorzugsweise liegt das Stromverhältnis in einem Bereich von 0,5 bis 1,5, und der Wechselstrom weist eine Frequenz von 1000 Hz oder mehr auf.
Mit dieser Konfiguration wird die Kraft des Lichtbogens auf ein niedrigeres Niveau gesenkt, und eine höhere Frequenz wird verwendet als im Wellenform-Steuerschritt auf Basis des zuerst genannten numerischen Bereichs. Somit wird ein Durchbrennen des Schweißabschnitts zuverlässiger verhindert, und somit werden die Formen der Schweißabschnittsfugen gleichmäßiger.
Es ist auch bevorzugt, dass das Verfahren ferner einen Schritt eines zweiten Steuerns in Bezug auf Änderungen im Magnetfeld um die Elektrode durch den Lichtbogen mit fortschreitender Zeit des Schweißens der metallischen Werkstoffe aufweist, wobei der zweite Steuerschritt parallel zum ersten Steuerschritt aktiv ist.
Mit dieser Konfiguration wird bei einer Änderung des Magnetfelds, das in der Nähe der Elektrode erzeugt wird, auch der Weg der Lichtbogenerzeugung geändert. Somit kehrt das geschmolzene Metall, das durch die Kraft des Lichtbogens weggeschoben wird, zurück, da die Kraft des Lichtbogens mit der Änderung des Weges der Lichtbogenerzeugung verringert wird. Somit wird verhindert, dass der Schweißabschnitt durchbrennt, und somit sind die Formen der Schweißabschnitte gleichmäßiger als im Stand der Technik.
Vorzugsweise ist der erste Steuerschritt dafür ausgelegt, den Strom so zu steuern, dass eine Schweißperiode, in der ein Lichtbogen erzeugt wird, und eine Schweißpause, in der kein Lichtbogen erzeugt wird, abwechselnd wiederholt werden.
„Schweißperiode” bezeichnet eine Zeitspanne (Periode), in welcher der Strom zwischen dem Spitzenstrom und dem Basisstrom wechselt, um intermittierend den Lichtbogen zu erzeugen. „Schweißpause” bezeichnet eine Zeitspanne (Periode), in der kein Lichtbogen erzeugt wird, wobei der Strom auf dem Basisstrom oder bei null gelassen wird.
Mit dieser Konfiguration wird der Schweißabschnitt der metallischen Werkstoffe in der Schweißperiode aufgeschmolzen, während ein Durchbrennen des geschmolzenen Werkstoffs dadurch verhindert wird, dass er in der Schweißpause abgekühlt wird. In den Anfangs-Schweißperioden wird der Lichtbogen mit einem Temperaturbereich bis zum Schmelzpunkt der metallischen Werkstoffe, die das Grundmetall bilden, erzeugt, wodurch der Vorwärmschritt verwirklicht werden kann.
Beispielsweise kann der erste Steuerschritt so ausgelegt sein, dass er den Strom so ändert, dass das Stromverhältnis und/oder die Frequenz mit der Zeit allmählich geändert wird/werden.
Im Allgemeinen wird die Menge an geschmolzenem Metall im Verlauf des Schweißens vergrößert oder verkleinert. Mit dieser Konfiguration werden das Stromverhältnis und die Frequenz allmählich so geändert, dass die Menge des geschmolzenen Metalls auf eine Zielmenge gesteuert wird. Somit wird verhindert, dass die Schweißabschnitte durchbrennen, und die Formen der Schweißabschnittsfugen werden gleichmäßiger.
Ferner kann der erste Steuerschritt dafür ausgelegt sein, den Strom unter Bedingungen zu ändern, wo die Elektrode der Pluspolarität zugeordnet ist, das Grundmetall der Minuspolarität zugeordnet ist, und der Strom nur auf der Seite seiner Minuspolarität geändert wird.
Mit dieser Konfiguration wird der Lichtbogen von der Elektrode zum Grundmetall erzeugt. Daher wird ein Verbrauch bzw. Abschmelzen der Elektrode auf ein niedriges Maß gesenkt, und die laufenden Kosten werden ebenfalls auf ein niedriges Maß gesenkt.
Beispielsweise handelt es sich bei dem Schweißen der Vielzahl von metallischen Werkstoffen entweder um TIG(Wolframinertgas)-Schweißen oder um Plasmaschweißen.
Mit dieser Konfiguration wird das Elektrodenmaterial kaum abgeschmolzen, weil ein Material mit einem sehr hohen Schmelzpunkt (z. B. ein Wolframstab) für die Elektrode verwendet wird. Somit wird der Weg der Lichtbogenerzeugung stabilisiert, was dazu führt, dass ein Durchbrennen der Schweißabschnitte zuverlässig verhindert wird und somit die Gleichmäßigkeit der Schweißabschnittsformen zuverlässiger erreicht wird.
In einem anderen Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Miteinanderverschweißen einer Vielzahl von metallischen Werkstoffen, das die folgenden Schritte aufweist: Vorwärmen eines Grundmetalls, das aus einer Vielzahl von metallischen Werkstoffen mit einem Sauerstoffgehalt von 10 ppm besteht, in Teilen oder im Ganzen; und ein erstes Steuern in Bezug auf eine Wellenform eines Wechselstroms, der durch das im Vorwärmschritt vorgewärmte Grundmetall und eine Elektrode fließen soll, um einen Lichtbogen zum Schweißen zu erzeugen, wobei die Wellenform des Stroms mit der Zeit zwischen einem Spitzenstromwert und einem Basisstromwert nur entweder auf der Plus- oder der Minuspolseite des Stroms, der einen Strom mit einem Wert von Null ausschließt, geändert wird; und ein zweites Steuern in Bezug auf Änderungen im Magnetfeld um die Elektrode durch den Lichtbogen mit fortschreitender Zeit des Schweißens der metallischen Werkstoffe, wobei der zweite Steuerschritt parallel zum ersten Steuerschritt aktiv ist.
Gemäß diesem Aspekt wird der Vorwärmschritt vor dem Schweißen durchgeführt, um das Grundmetall in Teilen oder im Ganzen vorzuwärmen. Daher kann die Zeitspanne für die Erzeugung eines Lichtbogens, der zum Aufschmelzen des Grundmetalls erforderlich ist, verkürzt werden. Außerdem wechselt im Wellenform-Steuerschritt die Wellenform zwischen dem Spitzenstrom und dem Basisstrom. Somit wird ein Lichtbogen nur in einer Richtung erzeugt, wodurch der Weg der Lichtbogenerzeugung stabilisiert wird. Ferner wird im Feldssteuerschritt der Weg der Lichtbogenerzeugung mit der Änderung des Magnetfelds geändert. Daher kann das geschmolzene Metall, das durch die Kraft des Lichtbogens weggeschoben wird, zurückkehren, weil die Kraft des Lichtbogens mit der Änderung des Weges der Lichtbogenerzeugung abnimmt. Somit wird verhindert, dass die einzelnen Schweißabschnitte durchbrennen, und die Formen der Schweißabschnittsfugen können gleichmäßiger werden als im Stand der Technik.
Als weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Miteinanderverschweißen einer Vielzahl von metallischen Werkstoffen geschaffen, die aufweist: ein Vorwärmmittel zum Vorwärmen eines Grundmetalls, das aus einer Vielzahl von metallischen Werkstoffen mit einem Sauerstoffgehalt von 10 ppm besteht, in Teilen oder im Ganzen; und ein erstes Steuermittel zum Steuern einer Wellenform eines Wechselstroms, der durch das vorgewärmte Grundmetall und eine Elektrode fließen soll, um einen Lichtbogen zum Schweißen zu erzeugen, wobei die Wellenform des Stroms mit der Zeit zwischen einem Spitzenstromwert und einem Basisstromwert nur auf entweder der Plus- oder der Minuspolseite des Stroms, der einen Strom mit einem Wert von null ausschließt, geändert wird. Vorzugsweise liegt ein Stromverhältnis, das durch Teilen einer Stromamplitude zwischen den Spitzen- und Basisstromwerten durch einen Stromdurchschnitt des Wechselstroms definiert wird, in einem Bereich von 0,5 bis 2,0, und der Wechselstrom weist eine Frequenz von 500 Hz oder mehr auf.
Mit dieser Konfiguration wird das Grundmetall vom Vorwärmmittel im Ganzen oder in Teilen vorgewärmt, bevor es geschweißt wird. Daher kann die Zeitspanne für die Erzeugung eines Lichtbogens, der zum Schweißen des Grundmetalls erforderlich ist, verkürzt werden. Durch die Wellenform-Steuereinrichtung wird die Wellenform zwischen dem Spitzenstrom und dem Basisstrom geändert. Somit wird ein Lichtbogen nur in einer Richtung erzeugt, wodurch der Weg der Lichtbogenerzeugung stabilisiert wird.
Ferner wird ein Lichtbogen dadurch erzeugt, dass das Stromverhältnis auf einen Bereich von 0,5 bis 2,0 und die Frequenz auf 500 Hz oder mehr eingestellt wird. Somit wird die Kraft des Lichtbogens, die an den Schweißabschnitt angelegt wird, variiert. Da das geschmolzene Metall, das von der Kraft des Lichtbogens weggeschoben wird, zurückkehrt, wenn die Kraft des Lichtbogens abnimmt, wird verhindert, dass die einzelnen Schweißabschnitte durchbrennen, und somit werden die Formen der Schweißabschnittsfugen gleichmäßiger als im Stand der Technik.
Bei der Grundkonfiguration der Vorrichtung weist die Vorrichtung ein zweites Steuermittel auf zum Steuern von Änderungen im Magnetfeld um die Elektrode durch den Lichtbogen im Verlauf des Schweißens der metallischen Werkstoffe, wobei das zweite Steuermittel parallel zum ersten Steuermittel betrieben wird.
Gemäß diesem Aspekt wird das Grundmetall im Ganzen oder in Teilen vom Vorwärmmittel vorgewärmt. Daher kann die Zeitspanne für die Erzeugung eines Lichtbogens, der erforderlich ist, um das Grundmetall zu schweißen, verkürzt werden. Ebenso wechselt die Wellenform-Steuereinrichtung die Wellenform zwischen dem Spitzenstrom und dem Basisstrom. Daher wird ein Lichtbogen nur in einer Richtung erzeugt, wodurch der Weg der Lichtbogenerzeugung stabilisiert wird. Ferner ändert die Feld-Steuereinrichtung den Weg der Lichtbogenerzeugung mit der Änderung des Magnetfelds. Daher kann das aufgeschmolzene Metall, das von der Kraft des Lichtbogens weggeschoben wird, zurückkehren, da die Kraft des Lichtbogens mit der Änderung des Wegs, auf dem dieser erzeugt wird, abnimmt. Somit wird verhindert, dass die einzelnen Schweißabschnitte durchbrennen, und die Formen der Schweißabschnittsfugen können gleichmäßiger werden als im Stand der Technik.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den begleitenden Zeichnungen sind:
1 eine schematische Darstellung eines Beispiels für die Konfiguration einer Lichtbogen-Schweißvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
2 eine Skizze, die ein Beispiel für die Steuerung einer Stromwellenform (Pulswellenform) darstellt;
3A bis 3C Skizzen, die Beispiele für verschiedene Stromwellenformen darstellen;
4A bis 4D jeweils Darstellungen von Lichtbogenbedingungen und Fugenformen bei einer Frequenzänderung;
5 eine Darstellung von Lichtbogenbedingungen und Fugenformen bei Anwendung einer herkömmlichen Technik;
6 eine graphische Darstellung eines Beispiels für eine Beziehung zwischen Frequenz und Schweißfestigkeitsverhältnis;
7 eine graphische Darstellung eines Beispiels für eine Beziehung zwischen Stromverhältnis und Schweißfestigkeitsverhältnis; und
8A und 8B Skizzen, die jeweils ein Beispiel für eine Steuerung zum allmählichen Ändern einer Stromwellenform zeigen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen wird im Folgenden eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es sei klargestellt, dass in der gesamten Beschreibung der Ausdruck „verbinden” oder „Verbindung” für „elektrisch verbinden” oder „elektrische Verbindung” steht, solange nichts anderes ausdrücklich definiert ist. Ebenso bezeichnen die in der Beschreibung verwendeten Richtungsangaben, wie oben, unten, links und rechts, Richtungen in Bezug auf die Betrachtung der Zeichnungen.
Nun wird mit Bezug auf 1 bis 7 eine Lichtbogen-Schweißvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für die Konfiguration einer Lichtbogen-Schweißvorrichtung 10 gemäß dieser Ausführungsform. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Lichtbogen-Schweißvorrichtung 10 als Vorrichtung für eine TIG(Wolframinertgas)-Schweißvorrichtung oder eine Plasmaschweißvorrichtung vorgesehen. Die Lichtbogen-Schweißvorrichtung 10, die in 1 dargestellt ist, weist ein Grundmetall 50 (d. h. ein erstes Grundmetall 51 und ein zweites Grundmetall 52), eine Elektrode 30 (einen Schweißbrenner), einen Stromversorgungsmechanismus 20 und einen Feldgenerator 40 auf. Die Lichtbogen-Schweißvorrichtung 10 ist so ausgestaltet, dass sie einen Lichtbogen zwischen dem Grundmetall 50 und der Elektrode 30 erzeugt, um metallische Werkstoffe zu schweißen.
Jeder metallische Werkstoff mit einem Sauerstoffgehalt von 10 ppm oder mehr eignet sich als Grundmetall 50. Um das Schweißen mit einem Lichtbogen zu erleichtern, werden vorzugsweise Werkstoffe verwendet, die einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisen (z. B. Kupfer, Aluminium, Zink, Magnesium oder Legierungen dieser Metalle). Jeder metallische Werkstoff, der potentiell einen Lichtbogen zwischen der Elektrode 30 und dem Grundmetall 50 erzeugt, ist als Elektrode 30 geeignet. Jedoch kann die Elektrode 30 vorzugsweise aus einem nicht-abschmelzenden Material bestehen, das bei der Erzeugung des Lichtbogens nicht (oder kaum) verbraucht wird. Solch ein nicht-abschmelzendes Material ist hierin unter anderem Wolfram (einschließlich von Mischungen aus Wolfram und Thorium, Cer, Lanthan oder Zirkonium).
Der Stromversorgungsmechanismus 20 ist so aufgebaut, dass er elektrischen Strom erhält, der von einer hier nicht dargestellten Stromquelle (z. B. einer im Handel erhältlichen Stromquelle oder Batterie) geliefert wird, so dass AC-Strom (Wechselstrom) I für die Erzeugung eines Lichtbogens zwischen dem Grundmetall 50 und der Elektrode 30 ausgegeben werden kann. Um die vorliegende Erfindung umzusetzen, weist der Stromversorgungsmechanismus 20 eine Wellenform-Steuereinrichtung 21, ein Vorwärmmittel 22 und eine Feld-Steuereinrichtung 23 auf.
Selbstverständlich sind der Stromversorgungsmechanismus 20 und die Elektrode 30 miteinander verbunden, beispielsweise über ein Stromleitungskabel. Ebenso sind der Stromversorgungsmechanismus 20 und das Grundmetall 50 (das erste Grundmetall 51 und das zweite Grundmetall 52) beispielsweise über ein Stromleitungskabel miteinander verbunden. Wenn die Elektrode 30 als Minuspol dient und das Grundmetall 50 als Pluspol dient, fließt der Strom I entgegen dem Uhrzeigersinn, wie von dem durchgezogenen Pfeil in 1 dargestellt. Wenn die Elektrode 30 als Pluspol dient und das Grundmetall 50 als Minuspol dient, fließt dagegen der Strom I im Uhrzeigersinn, wie von dem Punkt-Strich-Pfeil in 1 dargestellt.
Die Konfiguration usw. der Wellenform-Steuereinrichtung werden später beschrieben. Das Vorwärmmittel 22 dient dazu, das Grundmetall 50 ganz oder teilweise vorzuwärmen.
Das Vorwärmmittel 22 kann beliebig aufgebaut sein, solange das Grundmetall 50 ganz oder teilweise vorgewärmt wird. Beispielsweise kann das Vorwärmmittel 22 so aufgebaut sein, dass ein Lichtbogen mit einem Temperaturbereich bis zum Schweißpunkt der metallischen Werkstoffe, aus denen das Grundmetall 50 besteht, erzeugt wird. Diese Konfiguration eignet sich dafür, das Grundmetall 50 teilweise vorzuwärmen. Vorzugsweise kann diese Konfiguration insbesondere zum Vorwärmen eines Schweißziels verwendet werden.
Das Vorwärmmittel 22 kann auch so ausgestaltet sein, dass das Grundmetall 50 unter Verwendung eines Heizelements, beispielsweise einer Heizung, vorgewärmt wird. Diese Konfiguration eignet sich dafür, das Grundmetall 50 im Ganzen vorzuwärmen. Die Vorwärmtemperatur hängt von den Werkstoffen ab, aus denen das Grundmetall 50 besteht. Beispielsweise liegt die Vorwärmtemperatur im Fall von Kupfer bei 100°C bis 300°C.
Die Feld-Steuereinrichtung 23 dient dazu, ein Magnetfeld zu steuern, das vom Feldgenerator 40 in der Nähe der Elektrode 40 erzeugt wird. Wenn das Magnetfeld sich ändert, ändert sich auch der Weg der Lichtbogenerzeugung. Der Feldgenerator 40 kann beliebig ausgestaltet sein, solange beispielsweise die Stärke und die Richtung des Magnetfelds gesteuert werden können. Beispielsweise kann der Feldgenerator 40 von einem Elektromagneten oder einer Magnetspule gebildet werden.
Die Wellenform-Steuereinrichtung 21 dient dazu, die Wellenform des Stroms I für die Erzeugung eines Lichtbogens zwischen dem Grundmetall 50 und der Elektrode 30 zu steuern. Mit Bezug auf 2 wird nachstehend ein Beispiel für die Steuerung der Wellenform (einer Pulswellenform als einem Beispiel) beschrieben.
2 ist eine Skizze, die ein Beispiel für die Steuerung einer Stromwellenform darstellt. Die in 2 dargestellte Stromwellenform wechselt zwischen einem Spitzenstrom Ip und einem Basisstrom Ib nur auf einer Polseite (d. h. der Seite des Pluspols oder der Seite des Minuspols), der null ausschließt. Anders ausgedrückt kann der Strom I, bei dem es sich um den Basisstrom Ib (eine Gleichstromkomponente) handelt, ununterbrochen fließen. Der Basisstrom Ib wird von einer Pulswellenkomponente (Wellenkomponente) überlagert, die sich mit der Stromamplitude Iw ändert. Wenn beispielsweise die Elektrode 30 ein Minuspol ist und das Grundmetall 50 ein Pluspol ist, wechselt der Strom I zwischen dem Spitzenstrom Ip und dem Basisstrom Ib auf der Seite des Minuspols. Die Stromamplitude Iw gibt eine Amplitude zwischen dem Spitzenstrom Ip und dem Basisstrom Ib an.
Die Wellenform-Steuereinrichtung 21 gibt den Strom I mit einem Stromverhältnis Ir aus, das anhand einer Formel Ir = Iw/Iv berechnet wird (wobei Iv der Stromdurchschnitt ist). Genauer gibt die Wellenform-Steuereinrichtung 21 den Strom I mit einem Stromverhältnis Ir im Bereich von 0,5 bis 2,0 und mit einer Frequenz aus, die über 500 Hz liegt. Stärker bevorzugt wird der Strom I mit einem Stromverhältnis im Bereich von 0,5 bis 1,5 und mit einer Frequenz von mindestens 1000 Hz ausgegeben.
Der Stromdurchschnitt Iv zeigt den Durchschnitt des sich ändernden Stroms I an. Die Obergrenze für die Frequenz kann beliebig eingestellt werden, solange der Lichtbogen nicht ununterbrochen erzeugt wird. Wenn die Frequenz extrem hoch und somit der Frequenzzyklus verkürzt ist, führt dies dazu, dass der Lichtbogen ununterbrochen erzeugt wird. Aus diesem Grund sollte die Obergrenze für die Frequenz im Ergebnis in einem Bereich von etwa 100 kHz bis 1 MHz liegen, damit der Lichtbogen intermittierend erzeugt wird.
3A bis 3C sind Skizzen, die Beispiele für verschiedene Stromwellenformen darstellen. Die Stromwellenform, die von der Stromwellen-Steuereinrichtung 21 über den Basisstrom Ib des Stroms I gelegt wird, ist nicht auf die in 3A dargestellte Pulswellenform (die rechteckige Welle) beschränkt. Genauer kann die Stromwellenform eine Sinuswelle, wie in 3B dargestellt, oder eine rechteckige Welle, wie in 3C dargestellt, oder eine andere Stromwellenform, wie eine Sägezahnwelle, sein. Was diese Stromwellenformen betrifft, so ist es möglich, nur eine Art von Stromwellenform über den Basisstrom Ib zu legen, oder es können zwei oder mehr Arten von Stromwellenformen kombiniert und für die Überlagerung verwendet werden. Ebenso können die überlagernden Wellenformen je nach den Werkstoffen des Grundmetalls 50, das geschweißt werden soll, oder den Bedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit usw.), die während des Schweißens herrschen, gewechselt werden. Beispielsweise kann für eine Zeitspanne (Periode) eine Pulswellenform-Überlagerung verwendet werden, und eine Sinuswellen-Überlagerung kann für eine andere Zeitspanne (Periode) verwendet werden.
Ferner bewirkt die Wellenform-Steuereinrichtung 21 eine Steuerung, mit der eine Schweißperiode, in der ein Lichtbogen erzeugt wird, und eine Schweißpause, in der kein Lichtbogen erzeugt wird, abwechselnd wiederholt werden. Diese Steuerung wird beispielsweise auf einen Modus angewendet, wo eine Vielzahl von voneinander beabstandeten Schweißzielen entlang einer gekrümmten (insbesondere ringförmigen) oder geraden Linie angeordnet sind und das Schweißen von Ziel zu Ziel durchgeführt wird, beispielsweise durch Drehen oder Bewegen der Ziele.
Normalerweise fließt der Strom I für die Erzeugung eines Lichtbogens und für das Schweißen, wenn das Grundmetall 50 und die Elektrode 30 Positionen einnehmen, wo ihr relativer Abstand am kürzesten ist (im Folgenden werden diese Positionen als „Schweißpositionen” bezeichnet. Genauer entspricht die Zeitspanne, in der das Grundmetall 50 und die Elektrode 30 ihre Schweißpositionen einnehmen, der „Schweißperiode”. Ebenso entspricht die Zeitspanne, in der das Grundmetall 50 und die Elektrode 30 andere Positionen als ihre Schweißpositionen einnehmen, der „Schweißpause”.
Abhängig von der Art der Drehung, der Bewegung oder dergleichen, können dieselben Schweißziele ihre Schweißpositionen öfter als einmal (mit einer voreingestellten Häufigkeit, d. h. zweimal oder öfter) einnehmen. In diesem Fall wird das Schweißen entsprechend häufiger durchgeführt. Auch in diesem Fall kann das Grundmetall 50, das aus den metallischen Werkstoffen besteht, in den Anfangsschweißperioden (die z. B. nur das erste Mal oder auch das zweite Mal umfassen) durch Erzeugen eines Lichtbogens mit einem Temperaturbereich bis zum Schmelzpunkt der metallischen Werkstoffe vorgewärmt werden.
Im Folgenden wird kurz ein Lichtbogen-Schweißverfahren beschrieben, bei dem ein Lichtbogen zwischen dem Grundmetall 50 (genauer den ersten und zweiten Grundmetallen 51 und 52, die in 1 dargestellt sind) und der Elektrode 30 erzeugt wird, um die metallischen Werkstoffen unter Verwendung der Lichtbogen-Schweißvorrichtung 10 zu schweißen. Das Lichtbogen-Schweißverfahren weist die folgenden Schritte auf.
(1) Vorwärmschritt
Im Vorwärmschritt, der vor dem Schweißen durchgeführt wird, wird das Grundmetall 50 ganz oder teilweise vorgewärmt. Wenn das Grundmetall 50 teilweise vorgewärmt wird, wird das Vorwärmen für das Schweißziel durchgeführt.
(2) Wellenform-Steuerschritt
Vorzugsweise wird der Wellenform-Steuerschritt in einem früheren Zeitabschnitt im Anschluss an das Vorwärmen durchgeführt, um die Zeitspanne (Periode) für die Lichtbogenerzeugung durch volles Ausnutzen der Vorwärmung zu verkürzen. Das Schweißziel aus den metallischen Werkstoffen (das Grundmetall 50) wird durch Fließenlassen des Stroms I, der in 2 und 3A bis 3C dargestellt ist, und durch Erzeugen eines Lichtbogens zwischen dem Grundmetall 50 und der Elektrode 30 aufgeschmolzen und geschweißt. Falls dasselbe Schweißziel seine Schweißposition öfter als einmal einnimmt, wird das Schweißen durch Wechseln der Stärke des Stroms I zwischen Vorwärmen und Schweißen durchgeführt.
(3) Feld-Steuerschritt
Der Feld-Steuerschritt wird parallel zum Wellenform-Steuerschritt durchgeführt. Im Feld-Steuerschritt wird das Magnetfeld, das vom Feldgenerator 40 in der Nähe der Elektrode 30 erzeugt wird, im Verlauf des Schweißens geändert. Die Intensität bzw. Stärke und die Richtung des Magnetfels nehmen dabei Werte an, die eine Änderung des Weges der Lichtbogenerzeugung zwischen dem Grundmetall 50 und der Elektrode 30 ermöglichen. Dagegen stabilisiert eine geeignete Steuerung des Magnetfelds den Weg der Lichtbogenerzeugung.
4A bis 4D zeigen jeweils Lichtbogenbedingungen und Fugenformen bei geänderten Frequenzen. Genauer zeigen 4A bis 4D die Versuchsergebnisse für ein Lichtbogenschweißen, das durch Einstellen von vier Frequenzen mit einer Pulswellenkomponente, wie in 2 dargestellt, von der Lichtbogen-Schweißvorrichtung 10 für das Grundmetall 50 (d. h. die in 1 dargestellten ersten und zweiten Grundmetalle 51 und 52) durchgeführt wird, d. h. für Kupfer mit einem Sauerstoffgehalt von 10 ppm.
4A bis 4C zeigen die Fälle, wo die Frequenz auf 500 Hz, 1000 Hz, 1500 Hz bzw. 2000 Hz eingestellt ist. Zum Vergleich zeigt 5 Lichtbogenbedingungen und Fugenformen für die Durchführung eines Schweißens anhand einer herkömmlichen Technik. In jeder dieser Figuren sind die Lichtbogenbedingungen oben dargestellt, und die Schweißergebnisse sind unten dargestellt. Unten in jeder Figur sind die Schweißergebnisse dargestellt, wobei sechs Proben des Grundmetalls 50 in einer Reihe angeordnet sind, kombiniert zu drei Gruppen aus ersten und zweiten Grundmetallen 51 und 52 (links, Mitte und rechts).
In den in 4A bis 4D dargestellten Ergebnissen weist die Fuge am Schweißabschnitt bei allen drei Gruppen eine Kuppelform auf Es ist zu sehen, dass die Schweißabschnitte der drei Gruppen in jeder Figur im Wesentlichen die gleiche Kuppelform DM aufweisen, wie in jeder der 4A bis 4D dargestellt. Eine im Wesentlichen gleiche Fugenform bedeutet, dass die Schweißfestigkeit im Wesentlichen gleichmäßig ist. Im Stand der Technik weist dagegen die Fuge am Schweißabschnitt eine rechteckige Form TR auf, die sich zwischen den drei Gruppen unterscheidet, wie unten in 5 dargestellt ist. Daher ist die Schweißfestigkeit in 5 ungleichmäßig.
6 ist eine graphische Darstellung eines Beispiels für eine Beziehung zwischen Frequenz und Schweißfestigkeitsverhältnis. Genauer zeigt 6 die Festigkeitsänderung, die an einen Schweißabschnitt angelegt wird, falls der Sauerstoffgehalt und die Frequenz der Pulswellenkomponente geändert werden. 6 ist eine graphische Darstellung, in der die vertikale Achse ein Schweißfestigkeitsverhältnis Sr anzeigt und die horizontale Achse die Frequenz der Pulswellenkomponente anzeigt. Das Schweißfestigkeitsverhältnis Sr ist ein Verhältnis einer Schweißfestigkeit Sb zu einer Bezugsfestigkeit Sa und wird durch eine Formel Sr = Sb/Sa ausgedrückt. Die Bezugsfestigkeit Sa bezeichnet die Festigkeit eines Schweißabschnitts eines Grundmetalls 50 aus reinem Kupfer (mit einem Sauerstoffgehalt von 0 ppm), wobei der Abschnitt mit einem Stromverhältnis Ir von 1,0 geschweißt wurde. Die Schweißfestigkeit Sb bezeichnet die Festigkeit an einem Schweißabschnitt eines Grundmetalls 50 aus Kupfer, wobei der Abschnitt unter Änderung des Sauerstoffgehalts des Kupfers und der Frequenz der Pulswellenkomponente geschweißt wurde.
Genauer zeigt 6 das Schweißfestigkeitsverhältnis Sr bei einer Änderung der Frequenz der Pulswellenkomponente für Kupfer mit einem Sauerstoffgehalt von 5 ppm (angezeigt durch „O”), Kupfer mit einem Sauerstoffgehalt von 10 ppm (angezeigt durch „Δ”) und Kupfer mit einem Sauerstoffgehalt von 250 ppm (angezeigt durch „•”). Das Schweißen wurde durch Einstellen des Tastverhältnisses der Pulswellenkomponente auf 50% und Einstellen von deren Frequenz auf 0 Hz, 500 Hz, 1000 Hz, 1500 Hz, 2000 Hz und 3000 Hz durchgeführt.
Gemäß den in 6 dargestellten Ergebnissen nimmt das Schweißfestigkeitsverhältnis Sr einen Wert von etwa 1,0 an, wenn die Frequenz der Pulswellenkomponente auf 500 Hz oder mehr eingestellt wird, und zwar unabhängig von einer Zunahme des Sauerstoffgehalts des Kupfers, das für das Grundmetall 50 verwendet wird. Ähnliche Ergebnisse werden für die metallischen Werkstoffe außer Kupfer erhalten. Wenn das Lichtbogenschweißen mit einer auf 500 Hz oder mehr eingestellten Frequenz der Pulswellenkomponente durchgeführt wird, ist daher die Festigkeit, die an den Schweißabschnitt angelegt wird, der Festigkeit, die als Ergebnis des Schweißens unter Verwendung von reinen Werkstoffen (Werkstoffen mit einem Sauerstoffgehalt von 0 ppm) erhalten wird, gleich, und zwar unabhängig vom Sauerstoffgehalt.
Außerdem zeigen die in 6 dargestellten Versuchsergebnisse, dass das Lichtbogenschweißen vorzugsweise durchgeführt wird, wenn die Frequenz der Pulswellenkomponente auf 1000 Hz oder mehr eingestellt ist.
7 ist eine graphische Darstellung eines Beispiels für eine Beziehung zwischen Stromverhältnis und Schweißfestigkeitsverhältnis. Genauer zeigt 7 die Änderung der Festigkeit, die an einen Schweißabschnitt angelegt wird, wenn das Stromverhältnis Ir des Stroms I geändert wird. In 7 zeigt die vertikale Achse das Schweißfestigkeitsverhältnis an, und die horizontale Achse zeigt das Stromverhältnis Ir an (d. h. Iw/Iv, wobei Iw die Stromamplitude ist und Iv der Stromdurchschnitt ist. Die Definition des Schweißfestigkeitsverhältnisses Sr ist die gleiche wie in dem in 6 dargestellten Fall. Das Tastverhältnis der Pulswellenkomponente wurde auf 50% eingestellt, und deren Frequenz wurde auf 500 Hz eingestellt. Ein Schweißen wurde mit einem auf 0, 0,2, 0,5, 0,6, 1,0, 1,5 und 2,0 eingestellten Stromverhältnis Ir des Stroms I durchgeführt.
Gemäß den in 7 dargestellten Ergebnissen ist die mit dem Schweißabschnitt assoziierte Festigkeit der Festigkeit im Falle einer Verwendung von reinen Werkstoffen gleich, wenn das Stromverhältnis Ir des Stroms I bei 0,5 oder darüber liegt oder in einem Bereich von bis zu mindestens 2,0 liegt. Obwohl nicht dargestellt, wurden die gleichen Ergebnisse erhalten, als der Sauerstoffgehalt des Kupfers, das für das Grundmetall 50 verwendet wird, auf eine in 6 dargestellte Weise geändert wurde, wobei das Tastverhältnis und die Frequenz der Pulswellenkomponente auf Werte eingestellt wurden, die sich von denen von 7 unterscheiden.
Außerdem zeigen die in 7 dargestellten Versuchsergebnisse, dass das Lichtbogenschweißen vorzugsweise mit einem Stromverhältnis Ir von 0,5 bis 1,5 durchgeführt wird.
Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform werden die nachstehend aufgeführten Vorteile erhalten.
In der oben beschriebenen Konfiguration des Lichtbogenschweißverfahrens wurden metallische Werkstoffe mit einem Sauerstoffgehalt von 10 ppm oder mehr als das Grundmetall 50 verwendet, und das Grundmetall 50 wurde anhand des Vorwärmmittels 22 (oder des Vorwärmschritts) ganz oder teilweise vorgewärmt. Dann wurde die Wellenform des Stroms I zwischen dem Spitzenstrom Ip und dem Basisstrom Ib auf der Seite eines Pols (d. h. auf der Seite des Pluspols oder des Minuspols), der null ausschließt, geändert. Ferner wurde das Stromverhältnis Ir so eingestellt, dass es in einen Bereich von 0,5 bis 2,0 fällt, und die Frequenz wurde auf 500 Hz oder mehr eingestellt, um dadurch einen Lichtbogen zu erzeugen (Wellenformsteuerung; siehe 1 bis 7).
Da das Grundmetall 50 vor dem Schweißen erwärmt wird, kann bei dieser Konfiguration die Zeitspanne für die Erzeugung des Lichtbogens, der zum Aufschmelzen des Grundmetalls 50 nötig ist, verkürzt werden. Da der Strom I nur auf der Seite eines bestimmten Pols gewechselt wird, wird außerdem ein Lichtbogen nur in einer Richtung erzeugt, und somit wird der Weg der Lichtbogenerzeugung stabilisiert. Ferner wurde das Stromverhältnis Ir so eingestellt, dass es in einen Bereich von 0,5 bis 2,0 fällt, und die Frequenz wurde auf 500 Hz oder mehr eingestellt, um dadurch die Kraft des Lichtbogens, der an den Schweißabschnitt angelegt wird, zu variieren. Das aufgeschmolzene Metall, das durch die Kraft des Lichtbogens weggeschoben wird, kehrt zurück, wenn die Kraft des Lichtbogens herabgesetzt wird. Somit wird verhindert, dass der Schweißabschnitt durchbrennt, wodurch die Formen der Schweißabschnitt gleichmäßiger werden als im Stand der Technik.
Der Wellenform-Steuerschritt (oder das Wellenform-Steuermittel) wurde so ausgestaltet, dass das Stromverhältnis Ir auf einen Bereich von 0,5 bis 1,5 eingestellt wird und die Frequenz auf 1000 Hz oder mehr eingestellt wird, um dadurch den Lichtbogen zu erzeugen (siehe 1 bis 7).
Mit dieser Konfiguration wird die Kraft des Lichtbogens auf ein niedriges Maß gesenkt, während die Frequenz erhöht wird. Somit wird zuverlässig ein Durchbrennen der einzelnen Schweißabschnitte verhindert, wodurch die Formen der Schweißabschnitte gleichmäßiger werden.
Die Feld-Steuereinrichtung 23 wurde so ausgestaltet, dass das Schweißen Fortschritte macht wird und das Magnetfeld, das in der Nähe der Elektrode 30 erzeugt wird, geändert wird (Wellenformsteuerung; siehe 1).
Mit dieser Konfiguration wird bei einer Änderung des Magnetfelds, das in der Nähe der Elektrode 30 erzeugt wird, auch der Weg der Lichtbogenerzeugung geändert. Somit kehrt das geschmolzene Metall, das von der Kraft des Lichtbogens weggeschoben wird, zurück, da die Kraft des Lichtbogens bei einer Änderung des Weges der Lichtbogenerzeugung herabgesetzt wird. Somit wird verhindert, dass der Schweißabschnitt durchbrennt, und somit werden die Formen der Schweißabschnitte gleichmäßiger als im Stand der Technik.
In einer Konfiguration wurden die Schweißperiode und die Schweißpause abwechselnd wiederholt.
Mit dieser Konfiguration werden die Schweißabschnitte der metallischen Werkstoffe in der Schweißperiode aufgeschmolzen, während das geschmolzene Metall in der Schweißpause gekühlt wird, um zu verhindern, dass es durchbrennt. In den Anfangsschweißperioden (nur in der ersten Schweißperiode oder auch in der zweiten Schweißperiode usw.) wird ein Lichtbogen mit einem Temperaturbereich von bis zum Schmelzpunkt der metallischen Werkstoffe, aus denen das Grundmetall 50 besteht, erzeugt, wodurch das Grundmetall 50 vorgewärmt wird.
Der Wellenform-Steuerschritt wurde so ausgestaltet, dass die Elektrode 30 als Minuspol verwendet wird und das Grundmetall 50 als Pluspol verwendet wird, und dass der Strom I zwischen dem Spitzenstrom Ip und dem Basisstrom Ib auf der Seite des Minuspols geändert wird (siehe 1 und 2).
Mit dieser Konfiguration wird ein Lichtbogen von der Elektrode 30 zum Grundmetall 50 erzeugt. Daher wird der Verbrauch der Elektrode 30 auf ein niedriges Maß gesenkt, und die laufenden Kosten werden ebenfalls auf ein niedriges Maß gesenkt. Vorzugsweise wird ein nicht abschmelzendes Material für die Elektrode 30 verwendet, wobei dieses Material nicht verbraucht (oder kaum verbraucht) wird, wenn ein Lichtbogen erzeugt wird. Beispielsweise schließt das nicht abschmelzende Material Wolfram (einschließlich von Thorium, Cer, Lanthan oder Zirkonium enthaltendem Wolfram) ein.
In einer Konfiguration wurde entweder ein TIG-Schweißen oder ein Plasmaschweißen durchgeführt (siehe 1).
Mit dieser Konfiguration wird die Elektrode 30 per se kaum geschmolzen, da ein nicht abschmelzendes Material für die Elektrode 30 verwendet wird. Somit wird der Weg der Lichtbogenerzeugung stabilisiert, was dazu führt, dass ein Durchbrennen der Schweißabschnitte zuverlässig verhindert und somit die Gleichmäßigkeit der Schweißabschnittsformen zuverlässiger erreicht wird.
Bisher wurde eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Anders ausgedrückt kann die vorliegende Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen innerhalb des Bereichs durchgeführt werden, der nicht vom Gedanken der Erfindung abweicht. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung in den folgenden verschiedenen Modifikationen implementiert werden.
(Modifikationen)
In der nachstehend aufgeführten Modifikation haben die Komponenten, die denen der obigen Ausführungsform gleich oder ähnlich sind, die gleichen Bezugszahlen, um auf ihre Erläuterung verzichten zu können.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wurde die Wellenform-Steuereinrichtung 21 (oder der Wellenform-Steuerschritt) so ausgestaltet, dass das Stromverhältnis Ir in einen Bereich von 0,5 bis 2,0 fällt, wobei die Stromspitze Ip auf einen konstanten Pegel eingestellt ist (siehe 2). Alternativ zur obigen Ausführungsform kann die Stromspitze Ip abhängig vom Zustand des Schweißabschnitts, der sich im Verlauf des Schweißens ändert, allmählich geändert werden.
8A und 8B sind Skizzen, die jeweils ein Beispiel für eine Steuerung darstellen, mit der die Stormwellenform allmählich geändert wird. Genauer zeigt 8A ein Beispiel für eine allmähliche Verkleinerung, und 8B zeigt ein Beispiel für eine allmähliche Vergrößerung. In 8A dauert ein Spitzenstrom Ip1 bis zu einem Zeitpunkt t1 an. Vom Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t2 wird der Spitzenstrom Ip entlang einer allmählich abwärts verlaufenden Linie L1 allmählich verkleinert. Vom Zeitpunkt t2 an wird eine Steuerung durchgeführt, mit der ein Spitzenstrom Ip2 andauert. In 8B dauert ein Spitzenstrom Ip3 bis zu einem Zeitpunkt t3 an. Ab dem Zeitpunkt t3 bis zu einem Zeitpunkt t4 wird der Spitzenstrom Ip entlang einer allmählich aufwärts verlaufenden Linie L2 allmählich vergrößert. Ab dem Zeitpunkt t4 wird eine Steuerung durchgeführt, mit der ein Spitzenstrom Ip4 andauert. Da das Stromverhältnis Ir hierbei auf einer konstanten Höhe gehalten wird, ändert sich der Stromdurchschnitt Iv mit der Änderung des Spitzenstroms Ip. Die Neigung (ein Faktor für den allmählichen Abstieg oder ein Faktor für den allmählichen Anstieg) der allmählich abwärts verlaufenden Linie L1 und der allmählich aufwärts verlaufenden Linie L2 hängt von den Werkstoffen ab, aus denen das Grundmetalls 50 besteht. So müssen diese Linien L1 und L2 keine geraden Linien sein, wie in 8A und 8B dargestellt, sondern können gekrümmte Linien sein. Es kann entweder nur die allmähliche Verkleinerung oder nur die allmähliche Vergrößerung durchgeführt werden, oder diese Änderungen können einander im Verlauf des Schweißens abwechseln.
Als Alternative zu der Modifikation, bei der der Spitzenstrom Ip allmählich geändert wird, sind auch andere Modifikationen möglich, wie eine Modifikation, bei der der Basisstrom Ib geändert wird, eine Modifikation, bei der eine Pulsbreite geändert wird, wenn eine Pulswellenkomponente über den Strom I gelegt wird, und eine Modifikation, bei der die Frequenz einer Wellenkomponente geändert wird. Diese Modifikationen sind nicht auf den Fall beschränkt, wo das Stromverhältnis Ir auf einer konstanten Höhe gehalten wird. Diese Modifikationen funktionieren auf ähnliche Weise, wenn das Stromverhältnis Ir in einem Bereich von 0,5 bis 2,0 geändert wird, ohne den Strom Ir auf einem konstanten Pegel zu halten. In jeder der Modifikationen können Vorteile und Wirkungen erhalten werden, die denen der oben beschriebenen Änderung des Stroms Ip ähnlich sind.
In den oben genannten Modifikationen werden der Faktor für den allmählichen Abstieg und der Faktor für den allmählichen Anstieg, ebenso wie die Steuerzeitpunkte t1, t3 und die Steuerzeitpunkte t2 und t4 beispielsweise abhängig von den Werkstoffen bzw. Materialien des Grundmetalls 50 und der Elektrode 30 und den Schweißbedingungen eingestellt. Natürlich können diese Faktoren und Zeiteinstellungen vorzugsweise unter Berücksichtigung der Ergebnisse von vorab durchgeführten Versuchen oder Feldversuchen eingestellt werden. Für eine vollständige Automatisierung kann ein Schweißabschnitt unter Verwendung einer Bildaufnahmevorrichtung abgebildet werden, wobei das aufgenommene Bild verarbeitet werden kann, um die Form der Schweißabschnittsfuge zu erhalten, und dann kann der Spitzenstrom Ip (oder der Basisstrom Ib oder die Pulsbreite) so geändert werden, dass die tatsächliche Form der Fuge einer angestrebten Fugenform ähnlich wird.
Die Wellenform-Steuereinrichtung 21 wurde so ausgestaltet, dass entweder nur das Stromverhältnis Ir oder nur die Frequenz oder beide im Verlauf des Schweißens allmählich geändert wird bzw. werden (siehe 8A und 8B).
Mit dieser Konfiguration kann die allmähliche Änderung des Stromverhältnisses Ir oder der Frequenz die Menge des aufgeschmolzenen Metalls auf eine angestrebte Menge steuern und kann außerdem ein Durchbrennen verhindert und kann dafür sorgen, dass die Formen der Schweißabschnitte gleichmäßig werden.
Die obige Ausführungsform wurde so ausgestaltet, dass entweder ein TIG (Wolframinertgas)-Schweißen oder ein Plasmaschweißen durchgeführt wird (siehe 1). Alternativ dazu kann die vorliegende Erfindung auch auf andere Schweißverfahren angewendet werden, wie ein Metall-Schutzgasschweißen, ein halbautomatisches Lichtbogenschweißen, ein Lichtbogen-Schutzgasschweißen, ein MIG(Metallinertgas)-Schweißen, ein MAG(Metall aktivgas)-Schweißen, ein CO₂-Schutzgas-Lichtbogenschweißen, ein Unterpulver-Lichtbogenschweißen und ein Tandem-Lichtbogenschweißen. Falls die vorliegende Erfindung auch auf andere Schweißverfahren angewendet wird, können ähnliche Vorteile und Wirkungen erzielt werden wie mit der oben beschriebenen Ausführungsform, d. h. die weitestgehende Unterdrückung einer Lichtbogenerzeugung, die Verhinderung eines Durchbrennens von Schweißabschnitten und die Erzielung von gleichmäßigeren Formen von Schweißabschnittsfugen als im Stand der Technik.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wurde die vorliegende Erfindung auf den Fall angewendet, dass zwei einander gegenüber angeordnete Proben des Grundmetalls 50 (d. h. erste und zweite Grundmetalle 51 und 52) verschweißt werden (siehe 1). Alternativ dazu kann die vorliegende Erfindung auch den Fall angewendet werden, dass drei oder mehr Werkstoffe des Grundmetalls 50 an einem Punkt verschweißt werden, oder auf den Fall, dass zwei oder mehr Werkstoffe des Grundmetalls 50 aneinander gelegt werden, um eine vorgegebene Form (z. B. eine L- oder T-Form) zu erhalten. Die Änderungen, die in diesen Fällen vorgenommen werden, betreffen nur die Zahl der Objekte, die geschweißt werden sollen, und nur die Art des Schweißens. Somit können auch in diesen Fällen Vorteile und Wirkungen, die denen der obigen Ausführungsform ähnlich sind, erhalten werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2001-054263 A [0002]
JP 3948767 B [0003, 0008, 0009]
JP 2001-018067 A [0004]
JP 49-115957 A [0005]
JP 49-115957 [0009]

Claims

Verfahren zum Miteinanderverschweißen einer Vielzahl von metallischen Werkstoffen, die folgenden Schritte aufweisend: Vorwärmen eines Grundmetalls, das aus einer Vielzahl von metallischen Werkstoffen mit einem Sauerstoffgehalt von 10 ppm oder mehr besteht, in Teilen oder im Ganzen; und ein erstes Steuern einer Wellenform eines AC-Stroms (Wechselstroms), der durch das im Vorwärmschritt vorgewärmte Grundmetall und eine Elektrode fließt, um einen Lichtbogen zum Schweißen zu erzeugen, wobei die Wellenform des Stroms im Verlauf der Zeit zwischen einem Spitzenstromwert und einem Basisstromwert, der einen Nullstrom ausschließt, nur auf entweder der Plus- oder der Minuspolseite des Stroms geändert wird, wobei ein Stromverhältnis, das durch Teilen einer Stromamplitude zwischen den Spitzern- und Basisstromwerten durch einen Stromdurchschnitt des Wechselstroms definiert wird, in einem Bereich von 0,5 bis 2,0 liegt, wobei der Wechselstrom eine Frequenz von 500 Hz oder mehr aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Stromverhältnis vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 bis 1,5 liegt und der Wechselstrom eine Frequenz von 1000 Hz oder mehr aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das ferner einen Schritt eines zweiten Steuerns von Änderungen im Magnetfeld um die Elektrode durch den Lichtbogen mit fortschreitender Zeit des Schweißens der metallischen Werkstoffe aufweist, wobei der zweite Steuerschritt parallel zum ersten Steuerschritt durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Steuerschritt dafür ausgelegt ist, den Strom so zu steuern, dass eine Schweißperiode für die Erzeugung des Lichtbogens und eine Schweißpause, in der kein Lichtbogen erzeugt wird, einander wiederholt abwechseln.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Steuerschritt dafür ausgelegt ist, den Strom so zu ändern, dass das Stromverhältnis und/oder die Frequenz im Lauf der Zeit allmählich geändert wird bzw. werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Steuerschritt dafür ausgelegt ist, den Strom unter Bedingungen zu ändern, wo die Elektrode der Pluspolarität zugewiesen ist, das Grundmetall der Minuspolarität zugewiesen ist und der Strom nur auf seiner Minuspolaritätsseite geändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Schweißen der Vielzahl von metallischen Werkstoffen entweder ein TIG(Wolframinertgas)-Schweißen oder ein Plasmaschweißen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Vorwärmschritt dafür ausgelegt ist, das Grundmetall zu erwärmen, bis das Grundmetall auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt wurde, die dem Grundmetall zugewiesen ist, wobei die vorgegebene Temperatur von den Arten der Bestandteile des Grundmetalls abhängt.
Verfahren zum Miteinanderverschweißen einer Vielzahl von metallischen Werkstoffen, die folgenden Schritte aufweisend: Vorwärmen eines Grundmetalls, das aus einer Vielzahl von metallischen Werkstoffen mit einem Sauerstoffgehalt von 10 ppm oder mehr besteht, in Teilen oder im Ganzen; und ein erstes Steuern einer Wellenform eines AC-Stroms (Wechselstroms), der durch das im Vorwärmschritt vorgewärmte Grundmetall und eine Elektrode geschickt wird, um einen Lichtbogen zum Schweißen zu erzeugen, wobei die Wellenform des Stroms im Verlauf der Zeit zwischen einem Spitzenstromwert und einem Basisstromwert, der einen Nullstrom ausschließt, nur auf entweder der Plus- oder der Minuspolseite des Stroms geändert wird, und ein zweites Steuern von Änderungen im Magnetfeld um die Elektrode durch den Lichtbogen mit fortschreitender Zeit des Schweißens der metallischen Werkstoffe, wobei der zweite Steuerschritt parallel zum ersten Steuerschritt aktiv ist.
Vorrichtung zum Miteinanderverschweißen einer Vielzahl von metallischen Werkstoffen, aufweisend: ein Vorwärmmittel zum Vorwärmen eines Grundmetalls, das aus einer Vielzahl von metallischen Werkstoffen mit einem Sauerstoffgehalt von 10 ppm oder mehr besteht, in Teilen oder im Ganzen; und ein erstes Steuermittel zum Steuern einer Wellenform eines AC-Stroms (Wechselstroms), der durch das im Vorwärmschritt vorgewärmte Grundmetall und eine Elektrode geschickt wird, um einen Lichtbogen zum Schweißen zu erzeugen, wobei die Wellenform des Stroms im Verlauf der Zeit zwischen einem Spitzenstromwert und einem Basisstromwert, der einen Nullstrom ausschließt, nur auf entweder der Plus- oder der Minuspolseite des Stroms geändert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei ein Stromverhältnis, das durch Teilen einer Stromamplitude zwischen den Spitzen- und Basisstromwerten durch einen Stromdurchschnitt des Wechselstroms definiert wird, in einem Bereich von 0,5 bis 2,0 liegt, und wobei der Wechselstrom eine Frequenz von 500 Hz oder mehr aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, ein zweites Steuermittel aufweisend zum Steuern von Änderungen im Magnetfeld um die Elektrode durch den Lichtbogen mit fortschreitender Zeit des Schweißens der metallischen Werkstoffe, wobei das zweite Steuermittel parallel zum ersten Steuermittel betrieben wird.