DE19738785C2 - Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lichtbogenschweissen mit ab­ schmelzender Elektrode gemäß den Oberbegriff des Patentanspruches 1.

In der Zeitschrift "Der Praktiker" (Jahrg. 1990, Heft 6, Seite 290 ff) ist eine elektronische Schweissstromquelle mit einer Regeleinheit beschrieben, die den momentanen Sollwert für den Schweissstrom und die Schweissspan­ nung vorgibt und auch auf den Antrieb für den Elektrodenvorschub ein­ wirkt.

Hierbei ist hinsichtlich der Längenregelung für den Lichtbogen ausgeführt, daß neuzeitliche Impulslichtbogenschweissanlagen heute einen drehzahl­ geregelten Antrieb besitzen und deshalb von daher keine Änderungen der Lichtbogenlänge zu erwarten seien, sodaß der Selbstregeleffekt unter normalen Umständen ausreichend sei und nur im Falle des Schweissens bei extremen geometrischen Bedingungen eine äußere Regelung einge­ schaltet werden müsse, die die je nach Modulation bei Änderungen der Lichtbogenlänge auftretenden Strom- oder Spannungsänderungen zum Nachregeln der Lichtbogenlänge benutzt. Da über die Art und Weise dieser Korrektur nichts ausgesagt ist, kann diese, wie an sich bekannt, entweder durch entsprechende Veränderung elektrischer Kenngrößen, oder durch Veränderung der Vorschubverhältnisse der Elektrode erfolgen.

In der DE 19 28 198 B2 ist eine Kurzschluß-Lichtbogenschweissvorrichtung beschrieben, die eine Elektrodenvorschubeinrichtung und eine Regelein­ richtung mit einem gesteuerten Gleichrichter zur Steuerung der dem Elektrodenvorschubmotor zugeführten Eingangsleistung aufweist. Dieser ist derart gesteuert, daß er erst dann durchlässig wird, wenn sich die Lichtbogenspannung stabilisiert hat, sodaß eine bessere Vorschubsteu­ erung dadurch erzielt wird, daß der Vorschubmotor jeweils nur von der stabilisierten Lichtbogenspannung beeinflußt wird. Hierdurch soll erreicht werden, daß die Elektrodenzuführgeschwindigkeit in direkter und genauer Abhängigkeit von der jeweiligen Länge der Lichtbogenbrennzeit während jeder Arbeitsperiode gesteuert wird, sodaß sich bei der Arbeitsperiode die gleiche Lichtbogenbrennzeit und die gleiche Kurzschlußdauer ergibt, und somit sich die Erzeugung von Kurzschlüssen und Lichtbögen in Form gleichmäßiger Arbeitsspiele vollzieht.

Damit soll die zur Brennzeit des Lichtbogens genau proportionale Span­ nung in enger Anlehnung an die sich von Augenblick zu Augenblick verän­ dernden Schweissbedingungen während der tatsächlichen Schweisszeit ermittelt werden, um den Elektrodenvorschubmotor in Abhängigkeit vom Wert der ermittelten Spannung so zu betreiben, daß die Vorschubge­ schwindigkeit des Elektrodendrahtes genau gesteuert werden kann.

Den vorgenannten Verfahren ist gemeinsam, daß zum jeweiligen Zeitpunkt des Ablösens des Tropfens hohe Energien auftreten, die nachteilige Folgen für die Qualität des Schweissprozesses haben und beispielsweise zu Spitzerbildungen, Einbrandkerben u. ä. führen. Da die Abweichungen im Ablösen der Tropfen einer statistisch ermittelbaren Verteilung entsprechen, ist es bekannt, zur Vermeidung der genannten Nachteile Stabilisierungs­ maßnahmen für die Ablösung der Tropfen zu treffen. Da diese überwie­ gend auf der ermittelten statistischen Verteilung und deren Auswertung beruhen, die entsprechend große Toleranzen aufweist, sind diese auf den Mittelwerten der Abweichungen basierenden Maßnahmen nur in bestimm­ ten Einsatzfällen erfolgreich.

Präzisionsschweissungen, sowie das Schweissen sehr dünnwandiger Teile und das Verschweissen bestimmter Materialkombinationen sind deshalb mit den vorgenannten Verfahren nicht oder nur bedingt möglich. Hierzu werden Verfahren mit nichtabschmelzender Elektrode bevorzugt, da bei diesen die Wärmeeinbringung einerseits und die Materialeinbringung ande­ rerseits voneinander getrennt beeinflußt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, für eine gattungsgemäße Schweissenergiequelle die Tropfenbildung sowie den Übergang des Trop­ fens von der abschmelzenden Elektrode zum Werkstück, und die Badbil­ dung zu verbessern und dabei reproduzierbar zu gestalten.

Ausgehend von einer gattungsgemäßen Schweissenergiequelle wird diese Aufgabe dadurch gelöst, der Regelungseinrichtung während der Tropfenbildung an der Elektrode ein Signal zuführbar ist, aus dem sich die jeweilige Länge des Lichtbogens ermitteln läßt und daß die Elektrode oder das Werkstück vor Abschluss der Tropfenbildung eine den Übergang des Tropfens unterstützende Bewegung ausführt.

Während bei den bekannten Verfahren nach dem Festlegen der elektri­ schen Parameter für den Schweissvorgang eine Optimierung der Tropfen­ bildung bzw. des Tropfenüberganges lediglich durch Verändern der einge­ stellten elektrischen Parameter versucht wird, führen die Elektrode oder das Werkstück in Abkehr hiervon vor Abschluß der Tropfenbildung eine den Übergang des Tropfens unterstützende Bewegung aus. Dabei kann der Übergang des Tropfens entweder durch seine Berührung mit dem Werkstück oder durch das Abbremsen der Elektrode unterstützt werden. Die Bewegung der Elektrode kann dabei individuell an die Erfor­ dernisse des jeweiligen Schweißvorganges oder auch an die Materialkom­ binationen angepaßt werden, und kontinuierlich oder intermittierend oder auch mit größeren Stillstandsphasen erfolgen.

Der Schweissvorgang läßt sich somit bis herab auf die Ebene eines einzel­ nen Tropfens reproduzierbar gestalten.

Der Lageregler für die jeweilige Position der Elektrode kann der Regeleinrichtung für den Schweissprozess untergeordnet und von dieser gesteuert werden. Damit ist die jeweilige momentane Position der Elektrode wie ein üblicher Schweissparameter (z. B. Schweißstrom) von Regeleinrichtung vorgebbar. Da hiermit die jeweilige momentane Lichtbo­ genlänge weitgehend unabhängig von den anderen Schweissparametern gewählt werden kann, erhält die Schweissenergiequelle einen zusätzlichen Freiheitsgrad und ermöglicht reproduzierbare Schweisseigenschaften in Anwendungsbereichen, die bislang Systemen mit nichtabschmelzenden Elektroden vorbehalten waren.

Dabei werden durch die Möglichkeit der Beeinflussung von Licht­ bogenlänge, Schweissstrom und -Zeit sowohl eine definierte Badbildung am Werkstück sowie durch die Beeinflussungsmöglichkeit von Schweiss­ strom und -Zeit eine definierte Tropfenbildung an der abschmelzenden Elektrode erreicht.

Vorteilhaft ist es, wenn zur Erzielung der Relativbewegung zwischen der Elektrode und dem Werkstück ein zusätzlicher Positionierantrieb vorge­ sehen ist, der der Vorschubvorrichtung für die Zufuhr der Elektrode zur Schweissstelle nachgeordnet und vorzugsweise im Bereich der Schweiss­ stelle angeordnet ist.

Da der Positionierantrieb ohne weiteres im unmittelbaren Bereich der eigentlichen Schweissvorganges an der gestreckt zuzuführenden Elek­ trode angreifen kann und damit die zu beschleunigenden und zu verzö­ gernden Massen wesentlich reduziert werden können, läßt sich die Positio­ nierbewegung der Elektrode von ihrer eigentlichen Zuführbewegung tren­ nen und somit mit sehr hoher Geschwindigkeit durchführen. Für das Erreichen der jeweiligen Lage der Elektrode kann dabei sowohl ein offener Steuerkreis als auch ein geschlossener Regelkreis verwendet wer­ den.

Für die Erzielung von reproduzierbaren Bewegungen der Elektrode ist es zweckmäßig, wenn die sich bei jedem kurzschlußbehafteten Tropfen­ übergang zwischen der Elektrode und dem Werkstück bildende Kurz­ schlußspannung der Regelungseinrichtung zuführbar ist, und die Rege­ lungseinrichtung durch das Erkennen dieses Kurzschlusses jeweils die Nullposition der Elektrode neu ermittelt.

Da der Abstand zwischen dem Werkstück und dem Ende der Elektrode in der Kurzschlußposition stets der gleiche ist, und damit die Relativlage der Elektrode zum Werkstück ebenfalls stets die gleiche, ist es für die Optimie­ rung sowohl der Tropfenbildung als auch des Überganges des Tropfens vorteilhaft, für den Beginn einer jeden Tropfenbildung stets von ein und derselben Ausgangsposition der Elektrode auszugehen und hierzu dis Kurzschlußposition der Elektrode heranzuziehen, die bei jedem kurz­ schlußbehafteten Tropfenübergang neu feststellbar ist.

Zur mechanischen Unterstützung des Überganges des Tropfens zum Werkstück, kann es für bestimmte Materialkombinationen vorteilhaft sein, wenn die Bewegung der Elektrode einem vorgebbaren zyklischen Ge­ schwindigkeitsprofil folgt, oder wenn bei konstanter Elektrodengeschwin­ digkeit das Werkstück dementspechend bewegt wird, und die Regler­ einheit den Strom- und Spannungsverlauf entsprechend steuert oder prozessabhängig anpaßt, um im Gesamtsystem den Tropfenübergang zu unterstützen.

Für bestimmte Einsatzfälle kann es zweckmäßig sein, den Übergang des Tropfens derart zu unterstützen, daß dieser nicht kurzschlußbehaftet ist. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Positionierantrieb für die Elektrode seine Geschwindigkeit dann verringert, wenn sich ein Tropfen flüssigen Materials gebildet hat, um den Tropfen vor dem Entstehen eines Kurzschlusses von der Elektrode abzuschleudern.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung sowohl des prinzipiellen Aufbaus als auch der Wirkungs­ weise einer erfindungsgemäßen Schweissvorrichtung. Hierbei wird auf eine Beschreibung der bekannten Schaltungsanord­ nungen verzichtet, die Teil der Schweissenergiequelle sind. So werden weder die Bedieneinheit mit der Vorrichtung zum Vorgeben von Schweiss­ parametern, noch das eine Konstantstromcharakteristik aufweisende Leis­ tungsteil beschrieben. Erwähnt sei jedoch, daß der Sollstrom vorgebbar und die Verstärkung konstant 100 A/V ist, wobei Änderungen von 1000 A/ms möglich sind.

Ferner wird auf die Beschreibung solcher Schweissverfahren verzichtet, die mit der erfindungsgemäßen Lösung zwar prinzipiell durchführbar sind, die ansonsten aber in keinem direkten Bezug zur Erfindung stehen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand der beige­ fügten Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Anordnung für micro-MIG-Schweißungen;

Fig. 2 eine Grafik der Strom- und Spannungsverläufe für mehrere Trop­ fenzyklen;

Von einer Schweissstelle 1 gelangt der Istwert der Schweissspannung über einen Spannungsteiler 2 und einen Filter 3 unter Reduzierung von Stör­ spannungen zum Eingang eines A/D Wandlers 4. Der Ausgang des Wandlers 4 ist mit einem Microcontroller 5 verbunden, der die Regeleinrichtung 6 für den Schweissprozess bildet, und von einem Taktgeber 7 getaktet wird. Die Regeleinrichtung 6 erhält die digitalen Daten für die Schweisssollwerte über einen Eingang 8 und gibt ihrerseits die Soll­ werte für den Schweissstrom und die Stellung der abschmelzenden Elek­ trode 9 zu einer steuerbaren Konstantstomquelle 10 sowie zu einem Lage­ regler 11.

Da die abschmelzende Elektrode 9 einem ständigen Verbrauch unterliegt, ist der Lageregler 11 inkremental aufgebaut. Der vom Schweissprozess­ regler 6 vorgegebene Sollwert bewirkt, daß die Elektrode 9 durch eine Elektrodenvorschubeinrichtung 12 um den vorgegebenen Betrag in die vorgegebene Richtung mit der vorgegebenen Geschwindigkeit bewegt wird. Die hohen Beschleunigungen machen es erforderlich, die zu bewegenden Massen möglichst klein zu halten. Der Elektrodendraht wird daher mittels der kontinuierlich oder intermittierend arbeitenden Elektro­ denvorschubeinrichtung 12, die eine eigene Steuerung aufweisen kannt, von einer Vorratsrolle 13 in eine Pufferzone 14 gefördert.

Ein Positionierantrieb 15, der beispielsweise einen hochdynamischen Schrittmotor 16 und einen Sensor 17 umfasst, ist möglichst nahe an der eigentlichen Schweissstelle angeordnet und fördert die Drahtelektrode 9 in gestreckter Form aus dem Puffer 14 auf kürzestem Weg durch die Kontak­ tierung für den Schweissstrom zum Werkstück 18.

In Fig. 2 sind die typischen Verläufe der einzelnen Parameter während einer Schweißung dargestellt. Vorgegeben werden der Schweißstrom und die Lage der abzuschmelzenden Elektrode. Die gemessene Schweißspan­ nung ist ebenfalls dargestellt.

Am Schweißbeginn wird die Elektrode solange bei ausgeschalteter Stromquelle zum Werkstück hin bewegt, bis ein Kurzschluß zwischen der Elektrode und dem Werkstück festgestellt wird (A). Die Stromquelle wird mit dem Sollwert Zündstrom eingeschaltet. Dies kann spitzerfrei im Lift-Arc- Verfahren, das aus Systemen mit nichtabschmelzender Elektrode bekannt ist, erfolgen (B). Anschließend wird die Elektrode auf Zündabstand zurück gefahren (C). In der anschließenden Schweißstromzeit steht die Elektrode still. Das Werkstück schmilzt auf und an der Elektrode bildet sich ein Tropfen flüssigen Materials. Danach wird die Elektrode wieder zum Werkstück hin bewegt (E), wobei der Strom auf Übergangsstrom abgesenkt ist. Diese Phase endet mit dem Erkennen eines Kurzschlusses zwischen der Elek­ trode und dem Werkstück. Die Phasen C, D und E werden bis zum Schweißende zyklisch wiederholt, wobei Abstände, Ströme und Zeiten prozessabhängig variiert werden können. Dabei erfolgt das Wiederzünden des Lichtbogens durch Herausziehen der Elektrode aus dem Schmelzbad bei minimalem Stromfluß, sodaß keine Spritzer entstehen können. Am Schweißende wird während des Überganges des letzten Tropfens die Stromquelle abgeschaltet und die Elektrode auf Ruheabstand zurückge­ fahren. Sie bleibt deshalb spitz und erleichtert den Schweißbeginn an der nachfolgenden Naht.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode mit einer Vorschubeinrichtung mit einem Vorschubmotor für die Zufuhr der Elektrode zur Schweissstelle, einer durch elektrische Führungsgrößen steuerbaren elektronischen Schweissenergiequelle und mit einer diese und die Vorschubeinrichtung führenden Regelungseinrichtung, die der Schweissenergiequelle den momentanen Schweissstrom oder die -spannung vorgibt, dadurch gekennzeichnet daß, der Regelungseinrichtung (6) während der Tropfenbildung an der Elek­ trode (9) ein Signal zuführbar ist, aus dem sich die jeweilige Länge des Lichtbogens ermitteln läßt und daß die Elektrode (9) oder das Werkstück (18) vor Abschluss der Tropfenbildung eine den Übergang des Tropfens unterstützende Bewegung ausführt.

2. Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der Relativbewegung zwischen der Elektrode (9) und dem Werkstück (18) ein Positionierantrieb (15) vorgesehen ist, der der Elek-tro­ denvorschubeinrichtung (12) nachgeordnet und vorzugsweise im Bereich der Schweissstelle (1) angeordnet ist.

3. Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich bei jedem kurzschlußbehafteten Tropfenübergang zwischen der Elektrode (9) und dem Werkstück (18) bildende Kurzschlußspannung der Regelungseinrichtung (6) zuführbar ist, und diese durch das Erkennen dieses Kurzschlusses jeweils die Nullposition der Elektrode (9) neu ermittelt.

4. Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionierantrieb (15) für die Elektrode (9) einem vorgebbaren zyklischen Geschwindigkeitsprofil folgt, oder das Werkstück (18) bei konstanter Elektrodengeschwindigkeit bewegt wird, und die Regelungs­ einrichtung (6) zur Unterstützung des Übergangs des Tropfens von der Elektrode (9) zum Werkstück (18) den Strom- und Spannungsverlauf entsprechend steuert oder prozessabhängig anpaßt.

5. Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionierantrieb (15) für die Elektrode (9) seine Geschwindigkeit dann verringert, wenn sich ein Tropfen flüssigen Materials gebildet hat, um diesen vor einem kurzschlußbehafteten Tropfenübergang von der Elektro­ de abzuschleudern.