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Die Erfindung bezieht sich auf ein Schweißverfahren, bei dem einem Schweißkreis ein Schweißstrom mit niederfrequenten Wechselstromphasen und einem dazu relativ hochfrequenten Pulsstrom niedrigerer Amplitude zugeführt wird, wobei die niederfrequenten Wechselstromphasen zeitlich abwechselnd mit Gleichstromphasen zugeführt werden, wobei der hochfrequente Pulsstrom in den Wechselstromphasen und/oder den Gleichstromphasen überlagert wird.
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Ein Schweißverfahren dieser Art ist in der
JP H05 - 138 355 A angegeben. Bei diesem bekanntem Schweißverfahren wird einem Schweißkreis ein Schweißstrom mit niederfrequenten Wechselstromphasen und einem dazu relativ hochfrequenten Pulsstrom niedrigerer Amplitude zugeführt. Die niederfrequenten Wechselstromphasen werden zeitlich abwechselnd mit Gleichstromphasen zugeführt, wobei der niederfrequente Pulsstrom in den Gleichstromphasen überlagert wird.
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Weitere Schweißverfahren, bei denen einem Schweißkreis ein Schweißstrom mit niederfrequenten Wechselstromphasen und einem dazu relativ hochfrequenten Pulsstrom niedrigerer Amplitude zugeführt wird, zeigen auch die
US 2004 / 0 040 945 A1 und die
JP 2001 - 314 966 A .
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Ein weiteres Schweißverfahren ist in der
EP 1 782 907 A2 und der mit dieser zusammenhängenden
DE 20 2006 021 306 U1 angegeben. Hierbei wird in einem Schweißkreis ein Wechselstrom, der von einem Gleichanteil überlagert sein kann, von höherfrequenten Strompulsen überlagert, wobei die Überlagerung mit den höherfrequenten Strompulsen in zeitlichen Abschnitten oder über den gesamten Verlauf des Wechselstroms zugeführt werden kann. Der Wechselstrom ist z. B. geeignet zum Schweißen von Aluminium oder Magnesium mittels eines WIG-Schweißprozesses. Bei negativer Elektrode wird, wie in dieser Druckschrift beschrieben, das grundlegende Schweißverfahren ausgeführt, während bei positiver Elektrode das Werkstück gereinigt wird. Die Gesamtfrequenz des Wechselstroms bzw. der niederfrequenten Strompulse liegt im Bereich von 0,1 bis 20 Hz, während die Frequenz der höherfrequenten Strompulse im Bereich von 20 bis 1000 Hz liegt. Die höherfrequenten Strompulse dienen dazu, den Lichtbogen auf das Werkstück zu konzentrieren bzw. ihn zu stabilisieren. Auch bei einem solchen Schweißverfahren können Situationen auftreten, die es schwierig machen, ein Schweißergebnis zu erhalten, das möglichst optimale Anforderungen erfüllt, wobei das Schweißergebnis oft in hohem Maße vom Geschick und der Erfahrung des Schweißers abhängt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schweißverfahren bereitzustellen, mit dem verbesserte Schweißergebnisse erzielbar sind.
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Diese Aufgabe wird bei einem Schweißverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass die Stromstärke der Gleichstromphase negativ vorgegeben und betragsmäßig geringer eingestellt wird als die negative Spitzen-Stromstärke der Wechselstromphase.
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Gerade auch bei schwierigen Schweißaufgaben, wie beispielsweise beim Schweißen von Werkstücken mit Aluminium, werden durch die abwechselnden Wechselstromphasen und Gleichstromphasen und die Überlagerung des hochfrequenten Pulsstroms, wobei die Stromstärke der Gleichstromphase negativ vorgegeben und betragsmäßig geringer eingestellt wird als die negative Spitzen-Stromstärke der Wechselstromphase Schweißergebnisse mit gleichmäßig hoher Qualität erreicht. Auffällig sind im Vergleich mit bisherigen Verfahren z. B. weniger Poren, weniger zugeführte elektrische Leistung, gleichmäßige Schuppung, günstiger Einbrand und günstige Nahtbreite (ähnlich wie bei Wechselstrom-Schweißen bekannt), gute Beherrschbarkeit des Schmelzbades, relativ einfaches Schweißen in Zwangslagen. Während des Schweißprozesses entsteht ein vorteilhaftes Schwingen der Schmelze, wobei die Oxidschicht entfernt wird. In der Gleichstromphase beruhigt sich die Schmelze und die Poren gasen auf. Zudem wird der Lichtbogen eingeschnürt und ein konzentrierter Wärmeeintrag in das Werkstück im Bereich der Schweißnaht wird erreicht, wodurch sich verbesserte Fließeigenschaften ergeben.
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Zu beobachten sind verschiedene vorteilhafte Effekte. Während der Wechselstromphase dient ein negatives Potential der Elektrode zum Kühlen der Elektrode, wobei aber keine Reinigungswirkung, insbesondere bei einer Aluminium-Oxidschicht eintritt. Bei positivem Potential der Elektrode tritt indes eine Reinigungswirkung ein, wobei eine Oxidschicht entfernt bzw. aufgebrochen wird. Gleichzeitig erfolgt aber ein hoher Wärmeeintrag in die Elektrode. Durch die anschließende Gleichstromphase (bei negativer Elektrode) verringert sich jedoch die Elektrodentemperatur, so dass gegenüber sonst üblichen Wechselstromverfahren ein verringerter Verschleiß der Elektrode eintritt. Zudem wird ein verbessertes Ausgasen aus der Schmelze erreicht. Durch den gleichzeitigen hochfrequenten Pulsstrom wird der Lichtbogen fokussiert und eine verbesserte Lichtbogenstabilität erreicht, wodurch hohe Schweißgeschwindigkeiten und ein besseres Einbrandverhalten unterstützt werden. Hierdurch werden auch bei geringen Stromstärken, insbesondere auch bei dünnen Blechen, optimierte Schweißergebnisse erzielt. Vorteile ergeben sich insbesondere auch bei schnellem Häften, da die Schmelze sehr gut verläuft.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Zu guten Schweißergebnissen trägt bei, dass die Wechselstromphasen über eine Zeitdauer mehrerer Wechselstromperioden aufrechterhalten werden.
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Vorteile für den Schweißprozess werden ferner dadurch erreicht, dass die Wechselstromphasen über eine längere Zeitdauer aufrechterhalten werden als die Gleichstromphasen.
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Günstige Abstimmungsmöglichkeiten auf unterschiedliche Schweißaufgaben werden dadurch erhalten, dass das Verhältnis der Zeitdauern einer Wechselstromphase und einer Gleichstromphase zwischen 4:1 und 1:4 liegt.
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Weitere vorteilhafte Steuerungsmöglichkeiten bzw. Regelungen für den Schweißprozess ergeben sich daraus, dass die Zeitdauer der Wechselstromphasen und/oder der Gleichstromphasen höchstens 5 Sekunden, vorzugsweise höchstens 1 oder höchstens 0,5 Sekunden gewählt wird.
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Vorteilhafte Abstimmungsmöglichkeiten auf verschiedene Schweißaufgaben werden ferner dadurch erhalten, dass die Zeitdauer der Wechselstromphase und/oder die Zeitdauer der Gleichstromphase von Hand oder automatisch eingestellt, insbesondere in Abhängigkeit von der Schweißaufgabe eingeregelt wird.
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Ein optimierter Schweißprozess wird ferner dadurch erzielt, dass die positive und/oder negative Spitzen-Stromstärke der Wechselstromphase einstellbar, insbesondere regelbar ist und abhängig von der Schweißaufgabe von Hand oder automatisch gewählt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich dadurch, dass die Stromstärke der Gleichstromphase einstellbar, insbesondere einregelbar ist und in Abhängigkeit von der Schweißaufgabe gewählt wird, abhängig oder unabhängig von der Stromstärke und/oder der Zeitdauer der Wechselstromphase.
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Ist vorgesehen, dass die Frequenz des Pulsstroms im Bereich von 2 bis 20 kHz, vorzugsweise zwischen 15 und 17.5 kHz gewählt wird, und in der Wechselstromphase gleich groß wie in der Gleichstromphase oder ungleich, nämlich kleiner oder größer als in der Gleichstromphase ist, so wird der Schweißprozess weiterhin vorteilhaft beeinflusst, wobei Störgeräusche minimiert werden.
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Zum Optimieren der Schweißergebnisse ist vorteilhaft, dass für den Pulsstrom eine Amplitude im Bereich von 10 bis 50A, vorzugsweise zwischen 10 bis 20A gewählt wird.
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Weitere Vorteile für die Steuerung bzw. Regelung des Schweißprozesses ergeben sich dadurch, dass in der Wechselstromphase das Verhältnis der Spitzen-Stromstärke bei positivem Elektrodenpotenzial zu der betragsmäßigen Spitzen-Stromstärke bei negativem Elektrodenpotenzial zwischen 1 zu 1 und 4 zu 1 gewählt wird.
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Für unterschiedliche Schweißaufgaben bestehen verschiedene Ausgestaltungsvarianten, die bei einem Schweißgerät auch von Hand oder automatisch bzw. assistiert einstellbar sein können, darin, dass die Wellenform in der Wechselstromphase sinusförmig, trapezförmig, rechteckförmig, dreieckförmig oder als Mischform dieser Wellenformen vorgegeben wird und keinen oder einen negativen oder positiven Gleichanteil enthält.
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Weitere vorteilhafte Einflussmöglichkeiten auf den Schweißprozess werden dadurch erhalten, dass die Frequenz des in der Wechselstromphase vorgegebenen Wechselstroms im Bereich von 30 Hz bis 300 Hz liegt und abhängig von der Schweißaufgabe von Hand oder automatisch gewählt wird.
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Des Weiteren ist ein Schweißgerät so ausgebildet, dass damit das im Anspruch 1 genannte Verfahren durchführbar ist, wobei verschiedene Ausgestaltungsvarianten dadurch gegeben sind, dass die in den abhängigen Ansprüchen genannten Ausgestaltungen des Verfahrens durchführbar sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Schweißgeräts mit wesentlichen Komponenten zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Schweißverfahrens,
- 2 ein typisches Ausführungsbeispiel für die Auslegung einer Wechselstromphase mit anschließender Gleichstromphase, wobei ein überlagerter hochfrequenter Pulsstrom weggelassen ist,
- 3 ein hochfrequenter Pulsstrom, welcher der Wechselstromphase, der Gleichstromphase oder sowohl der Wechselstromphase als auch der Gleichstromphase überlagert wird,
- 4 ein Ausschnitt der Wechselstromphase mit einem überlagerten hochfrequenten Pulsstrom gemäß 3, wobei die zeitliche Auflösung des Wechselstroms gegenüber 2 vergrößert und die Amplitude gleich ist wie in 2,
- 5 einen zeitlichen Ausschnitt des Schweißstroms mit Wechselstromphase, abwechselnd mit Gleichstromphase und beiden Phasen (Wechselstrom und Gleichstrom) überlagertem hochfrequenten Gleichstrom und
- 6 ein gegenüber 5 zeitlich höher aufgelöster Ausschnitt des Schweißstroms mit einem Abschnitt der Wechselstromphase und anschließender Gleichstromphase bei überlagertem hochfrequenten Pulsstrom.
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Ein Schweißgerät, das zum Durchführen eines Schweißverfahrens gemäß vorstehender Beschreibung aufgebaut ist, ist schematisch mit seinen wesentlichen Komponenten in 1 gezeigt. In einem Gehäuse des Schweißgeräts 10 sind eine Steuerungseinrichtung 1, eine Bedienungseinrichtung 2 mit zugehöriger Elektronik und Anzeigeeinheiten (die auch teilweise außen am Gehäuse angeordnet sein können), ein Leistungsteil 3 und ein AC-Schalter 4 mit betreffender elektrischer Ausgestaltung zum Zuführen eines Wechselstroms in einen Schweißkreis angeordnet. In den Schweißkreis liegt ein an das Schweißgerät über entsprechende Verbindungsleitungen angeschlossener Brenner 5, wobei der Schweißkreis über einen Lichtbogen 6 zwischen Brenner 5 und einem Werkstück geschlossen wird, das seinerseits mit dem Schweißgerät elektrisch verbunden ist, um den Schweißkreis zu vervollständigen bzw. das Werkstück auf Massepotential zu legen.
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Mittels der Steuerungseinrichtung 1 werden der Leistungsteil 3 und der AC-Schalter 4 so angesteuert, dass der in den 5 und 6 dargestellte (auch schon vorstehend mit seinen Parametern beschriebene) Schweißstrom im Schweißkreis zustande kommt. In 2 ist eine Wechselstromphase und anschließende Gleichstromphase über der Zeitachse ohne überlagerten höherfrequenten Pulsstrom dargestellt. Dabei schließt sich an eine Wechselstromphase einer Zeitdauer Δt1 eine Gleichstromphase einer Dauer Δt2 an, an welche sich wiederum eine Wechselstromphase und abschließende Gleichstromphase der Zeitdauer Δt1 bzw. Δt2 und so fort abwechselnd anschließen. Beispielsweise beträgt dabei die Zeitdauer Δt1 der Gleichstromphase 0,3 Sekunden und die Zeitdauer der Gleichstromphase 0,2 Sekunden, wobei diese Zeitdauern von Hand und/oder automatisch über entsprechende Schalt- bzw. Steuerglieder einstellbar oder steuerbar bzw. regelbar sein können. Weiterhin typische Werte der Frequenzen bzw. Zeitdauern der Wechselstromphase, der Gleichstromphase und des im Vergleich zur relativ niederfrequenten Wechselstromphase verhältnismäßig hochfrequenten Pulsstroms sind vorstehend angegeben. Beispielsweise beträgt die Frequenz des Wechselstroms in der Wechselstromphase einige Hz (z. B. im Bereich von 10 Hz bis 500 Hz) wogegen die Frequenz des relativ hoch frequenten Wandstroms einige Kilohertz (z. B. im Bereich von 2 kHz bis 20 kHz, vorzugsweise im nicht mehr hörbaren Frequenzbereich zwischen 15 kHz und 18 kHz) liegt. Die Amplitude des Pulsstroms liegt z. B. im Bereich von 10A bis 50A, vorzugsweise zwischen 10A und 40A und kann von Hand und/oder automatisch wählbar sein.
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Der Betrag des in der Regel negativen Gleichstroms in der Gleichstromphase (bei negativer Elektrode) liegt z. B. im Bereich von 50A bis 250A, beispielsweise zwischen 120A und 200A.
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Die Amplitude des Wechselstroms in der Wechselstromphase liegt z. B. zwischen - 250 und + 250 A und kann von einem Gleichstromanteil (im zeitlichen Mittel) überlagert sein, wie z. B. im Falle eines rechteckförmigen Wechselstroms mit unterschiedlich langen positiven und negativen Stromanteilen. Auch die Wellenform des in der Wechselstromphase vorliegenden Wechselstroms kann unterschiedlich sein, wie sinusförmig, sinusähnlich, dreieckförmig, trapezförmig, rechteckförmig oder rechteckförmig mit angeschnittenen Ecken, wobei auch verschiedene Wellenformen kombiniert sein können. Das Schweißgerät 10 kann dabei so ausgebildet sein, dass unterschiedliche Wellenformen einstellbar bzw. automatisch wählbar sind, beispielsweise in Abhängigkeit einer jeweiligen Schweißaufgabe.
