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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Plasma-Lichtbogenschweißen, und
insbesondere auf eine Plasma-Lichtbogenschweißtechnik, die zum Verschweißen zweier
aufeinanderliegender Werkstücke
geeignet ist, wobei die Oberfläche
wenigstens eines der Werkstücke
mit einer Substanz bedeckt ist, deren Siedepunkt niedriger ist als
der Schmelzpunkt des Basismetalls.
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Das
Plasma-Lichtbogenschweißen,
beispielsweise das Plasma-Lichtbogen-Punktschweißen, wird in einer breiten
Vielfalt von Gebieten eingesetzt. Dies liegt daran, daß es das
Plasma-Lichtbogenschweißen ermöglicht,
aufeinandergelegte metallische Werkstücke von einer Seite her miteinander
zu verschweißen.
Dies ist insofern vorteilhaft, als es das Verschweißen von
kompliziert geformten Werkstücken
und von großen
Werkstücken
ermöglicht.
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Jedoch
erweist sich das herkömmliche
Plasma-Lichtbogenschweißen
dann als problematisch, wenn ein Metall zu schweißen ist,
das auf einer Oberfläche
mit einer Substanz bedeckt ist, die einen Schmelz- bzw. Siedepunkt
mit einem niedrigeren Wert als der Schmelzpunkt des Basismetalls
aufweist, wie dies beispielsweise bei einem galvanisierten Stahlblech
der Fall ist. Die Probleme bestehen darin, daß keine zufriedenstellenden
Schweißergebnisse
erzielt werden können,
weil das die Oberfläche
beschichtende Material verdampft und der hierbei entstehende Dampf
durch das geschmolzene Schweißbad
hindurchtritt, wodurch eine Explosion hervorgerufen wird und/oder
ein Loch in dem verschweißten
Bereich entsteht.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist von dem Anmelder der vorliegenden Erfindung
in der japanischen Patentanmeldung JP 7-266055 A ein Schweißverfahren
vorgeschlagen worden, bei dem zwei Schritte, nämlich die Dampfaustreibung
und der Hauptschweißvorgang,
aufeinanderfolgend durchgeführt
werden, wobei hierzu die Leistung eines Plasma-Lichtbogens justiert
wird. Hierbei wird anfänglich
unter Verwendung eines Plasma-Lichtbogens relativ hoher Leistung
ein Durchgangsloch in mindestens eines der Stahlbleche, die miteinander
zu verschweißen
sind, eingebracht, so daß die
Möglichkeit
geboten wird, daß der
von dem Beschichtungsmaterial gebildete Dampf über dieses Durchgangsloch entweichen
kann. Nachfolgend wird die Leistung des Plasma-Lichtbogens auf einen
geeigneten Pegel abgesenkt, und es werden zwei Stahlbleche miteinander
verschweißt.
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Bei
dem in der JP 7-266055 A offenbarten Schweißverfahren kann jedoch dann,
wenn ein Spalt zwischen zwei miteinander zu verschweißenden Stahlblechen
vorhanden ist, der Fall auftreten, daß aufgrund der Tatsache, daß sich geschmolzenes
Metall in dem Spalt ausbreitet bzw. dort verbraucht wird, das für die Dampfentweichung
vorgesehene Loch durch die nachfolgenden Schweißschritte nicht in den flachen
bzw. Oberflächenebenenzustand
gebracht werden kann, oder daß keine
hohe Schweißfestigkeit
erreicht werden kann, oder daß dann,
wenn der Spalt groß ist,
das Schweißen
selbst nicht ausgeführt
werden kann. Bei einem von den Erfindern durchgeführten Test
wurde ermittelt, daß das
Schweißen
im wesentlichen dann nicht ausgeführt werden kann, wenn der Spalt
zwischen den Stahlblechen eine Größe von ungefähr 0,2 mm überschreitet.
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Aus
der
EP 0 698 441 A1 ist
es bekannt, zwei flächig
aneinander liegende Bleche dadurch zu verschweißen, daß sie zunächst mittels eines Brennerhalters
zusammengepreßt
werden, und ein möglicher
Spalt zwischen ihnen verschwindet. Danach werden die Bleche dann
mittels eines Plasmabrenners punktverschweißt.
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Die
EP 0 365 229 A befaßt sich
mit dem Verschweißen
beispielsweise mit Zink beschichteter Bleche. Die Bleche werden
zunächst
auf eine Temperatur erhitzt, bei der das Beschichtungsmaterial in
eine flüssige oder
visko-elastische Phase übergeht.
Durch Zusammenpressen der Bleche wird das Beschichtungsmaterial dann
aus der Schweißzone
verdrängt,
worauf das Verschweißen
mit einem Hochenergiestrahl erfolgt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einem Plasma-Lichtbogenschweißen zu erreichen,
daß Dampf,
der von einem Material niedrigen Siedepunkts, welches ein zu verschweißende Werkstücke beschichtet,
gebildet wird, effektiv entweicht, und es zu ermöglichen, daß ein zufriedenstellendes Verschweißen selbst
dann erreicht wird, wenn zwischen den Werkstücken ein Spalt vorhanden ist.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Diese
Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und einem
Plasma-Lichtbogenschweißgerät gemäß Patentanspruch
14 gelöst.
Vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Da
bei diesem Plasma-Lichtbogenschweißvorgang der von einem Beschichtungsmaterial
erzeugte Dampf wirksam über
das in das Werkstück
eingebrachte Loch entweichen kann, und bei dem sich hieran anschließenden Hauptschweißvorgang
ein geschmolzenes Füllmaterial
zu dem Loch geleitet wird, können
zufriedenstellende Schweißergebnisse
erzielt werden, da ein Spalt und ein Loch wirksam mit dem Füllmaterial aufgefüllt werden.
Weiterhin kann das Dampfentweichloch lediglich in eines aus der
Mehrzahl von Werkstücken
oder aber in alle eingebracht werden.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird das Füllmaterial
während
des Locheinbringungsschritts nicht zugeführt, sondern wird vielmehr
lediglich bei dem Hauptschweißvorgang
zugeführt.
Dies dient dazu, daß das
Loch rasch eingebracht werden kann.
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Das
Füllmaterial
kann in Abhängigkeit
entweder von einer vorab festgelegten Zufuhrmenge oder in Abhängigkeit
von der Zufuhrzeit geliefert werden. Als Beispiel werden eine Zufuhrmenge
für die
Zufuhr des Füllmaterials
oder die Zufuhrzeitdauer, die an eine vorab angenommene maximale
Spaltgröße angepaßt sind,
vorab festgelegt, und es kann das Füllmaterial in Übereinstimmung
hiermit zugeführt
werden. Alternativ kann die Menge an zuzuführendem Füllmaterial oder die Zufuhrzeitdauer
in Abhängigkeit
von der Größe eines
Spalts zwischen den Teilen des Werkstücks jedesmal dann festgelegt
werden, wenn der Schweißvorgang
ausgeführt wird,
und es kann das Füllmaterial
in Übereinstimmung
hiermit zugeführt
werden.
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Ebenso
wie die Füllmaterialzufuhrmenge
oder die Zufuhrzeitdauer kann auch eine andere Schweißbedingung
(z.B. der Lichtbogenstrom, die Lichtbogenspannung, die Plasmagasströmung, die
Plasmagasart, die Schutzgasströmung,
die Schutzgasart, der Abstand (standoff) oder dergleichen) in Abhängigkeit
von der Größe des Spalts
geändert
werden. In diesem Fall können
die verschiedenen, einzustellenden Schweißbedingungen auch kollektiv
in Abhängigkeit
von der Größe des Spalts
festgelegt werden (beispielsweise wird ein Satz aus einer Vielzahl
von vorab erstellten Schweißbedingungssätzen ausgewählt, die
den Spaltgrößen entsprechen).
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Wenn
die Schweißbedingungen
in Abhängigkeit
von der Spaltgröße festgelegt
werden, ist es notwendig, eine mit der Spaltgröße zusammenhängende Größe zu messen,
um hiermit die Größe des Spalts
zu ermitteln. Als eine physikalische Größe hierfür kann der Spannungswert der
Plasma-Lichtbogenspannung
am Ende des Locheinbringungsvorgangs, oder die Anstiegsrate der
Plasma-Lichtbogenspannung
während
des Locheinbringungsvorgangs genannt werden. In dem letztgenannten
Fall können
die vorstehend angegebene Messung und die Festlegung der Bedingungen
parallel mit dem Locheinbringungsvorgang ausgeführt werden. Wenn die Anstiegsrate
der Lichtbogenspannung gemessen wird, um hierdurch die Größe des Spalts
zu ermitteln, kann eine Mehrzahl von Lichtbogenstromimpulsen wiederholt
während
des Locheinbringungsvorgangs erzeugt werden. Wenn dann die Lichtbogenspannung
an einzelnen Punkten in zeitlicher Übereinstimmung mit der Folge
von Stromimpulsen gemessen wird und die Anstiegsrate der Lichtbogenspannung
berechnet wird, ist es relativ einfach, die Größe des Spalts zu ermitteln,
da die Anstiegsrate eine Größe darstellt,
die die Größe des Spalts
in guter Weise widerspiegelt.
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Wenn
dieses mit Stromimpulsen arbeitende Verfahren eingesetzt wird, kann
das Schutzgas bei dem Locheinbringungsvorgang so gesteuert werden,
daß es
geringfügig
geringer ist als das Schutzgas während des
Hauptschweißvorgangs.
Wenn in dieser Weise vorgegangen wird, ist es einfach, die Größe des Spalts
exakt zu ermitteln, da die Änderung
der Anstiegsrate der Lichtbogenspannung, die von der Spaltgröße abhängt, groß wird.
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Im
allgemeinen ist bei dem Plasma-Lichtbogenschweißen die Änderung der Lichtbogenspannung,
die von der Abnutzung der Elektrode herrührt, während eines einzelnen Schweißvorgangs
so gering, daß sie
ignoriert werden kann. Dies erlaubt es, während des Schweißvorgangs
eine stabile Lichtbogenspannung zu erzielen. Da ferner bei dem Plasma-Lichtbogenschweißen ein
Füllmaterial separat
bzw. zusätzlich
zu der Elektrode vorgesehen werden muß, kann die Steuerung der Füllmaterial-Zufuhrmenge
unabhängig
von der Steuerung des als die Wärmequelle
wirkenden Plasmalichtbogens durchgeführt werden. Folglich kann die
Größe des Spalts
bei dem Plasma-Lichtbogenschweißen auf
der Grundlage der Lichtbogenspannung exakt erfaßt werden, und es kann weiterhin
die Menge des zugesetzten Füllmaterials
in Abhängigkeit
von dieser Spaltgröße optimal gesteuert werden. Im Ergebnis können somit
zufriedenstellende Schweißergebnisse
erzielt werden.
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Weitere
Aufgaben der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus den nachfolgenden
Erläuterungen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Schrägansicht,
in der der gesamte Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines Plasma-Lichtbogenschweißgeräts gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt ist, das an einem Roboter angebracht ist;
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2 zeigt
ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer Schweißquelle 3 zusammen
mit zugehörigen Komponenten
veranschaulicht;
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3 zeigt
eine schematische Darstellung, die den Aufbau einer Ausführungsform
eines Plasma-Lichtbogenschweißverfahrens
gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht;
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4 zeigt
eine schematische Darstellung, die den Ablauf bei einer weiteren
Ausführungsform
eines Plasma-Lichtbogenschweißverfahrens
gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht;
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5 zeigt
ein Zeitdiagramm, das eine Ausführungsform
eines Steuerverfahrens zur Steuerung des Plasmastroms, der Plasmagasströmung, der
Schutzgasströmung
und der Zuführung
von Füllmaterial
veranschaulicht, wenn das in 3 oder in 4 gezeigte
Plasma-Schweißverfahren
ausgeführt
wird;
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6 zeigt
ein Zeitdiagramm, das eine weitere Ausführungsform eines Steuerverfahrens
zur Steuerung des Plasmastroms, der Plasmagasströmung, der Schutzgasströmung und
der Zuführung
des Füllmaterials
bei der Ausführung
des in 3 oder in 4 gezeigten
Schweißverfahrens
veranschaulicht;
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7 zeigt
eine Darstellung der Rohrleitung bzw. Verbindung, wobei ein Beispiel
eines Aufbaus zum Schalten einer Gasströmung veranschaulicht ist;
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8 zeigt
eine Darstellung der Rohrleitung bzw. Verbindung, das ein weiteres
Beispiel eines Aufbaus zum Schalten einer Gasströmung veranschaulicht;
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9 zeigt
ein Diagramm, das Schweißfestigkeiten
veranschaulicht, die beim Testen eines herkömmlichen Schweißverfahrens
und von zwei Arten von Schweißverfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung erhalten worden sind;
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10 zeigt
ein Diagramm, das das Ausmaß der
Oberflächenunebenheiten
veranschaulicht, wobei die Darstellung durch Testen eines herkömmlichen
Schweißverfahrens
und von zwei Arten von Schweißverfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung erhalten worden ist;
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11 zeigt
eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Form einer
Schweißnaht;
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12 zeigt
eine Wellenformdarstellung, die Änderungen
des Lichtbogenstroms und der Lichtbogenspannung bei der Durchführung des
in 5 dargestellten Steuerverfahrens zeigt;
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13 zeigt
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Spaltgröße und der
Lichtbogenspannung veranschaulicht;
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14 zeigt
ein Blockschaltbild, das den Aufbau einer Spaltermittlungseinrichtung 13 für die Ausführung eines
Verfahrens zum Messen der Spaltgröße veranschaulicht;
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15 zeigt
ein Ablaufdiagramm, das einen von der in 14 gezeigten
Spaltermittlungseinrichtung 13 ausgeführten Arbeitsvorgang veranschaulicht;
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16 zeigt
eine Wellenformdarstellung, die die Beziehung zwischen dem Lichtbogenstrom
und der Lichtbogenspannung zur Erläuterung des Prinzips eines
zweiten Verfahrens zum Messen der Spaltgröße veranschaulicht;
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17 zeigt
eine Wellenformdarstellung, die die Beziehung zwischen dem Lichtbogenstrom
und der Lichtbogenspannung zur Erläuterung des Prinzips des zweiten
Verfahrens zum Messen der Spaltgröße zeigt;
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18 zeigt
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Spaltgröße und der
Anstiegsrate der Lichtbogenspannung veranschaulicht;
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19 zeigt
ein Zeitdiagramm, das ein Steuerverfahren zum Ausführen des
zweiten Verfahrens zum Messen der Spaltgröße veranschaulicht;
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20 zeigt
ein Ablaufdiagramm, das eine Arbeitsweise der Spaltermittlungseinrichtung 13 bei
der Ausführung
des zweiten Verfahrens zur Messung der Spaltgröße veranschaulicht;
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21 zeigt
eine schematische Darstellung, die einen Arbeitsablauf zur Zuführung eines
Füllmaterials veranschaulicht;
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22 zeigt
ein Blockschaltbild, das einen Aufbau zur Ausführung der Zufuhr des Füllmaterials
gemäß 21 veranschaulicht;
und
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23 zeigt
ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel eines weiteren Steuerverfahrens
veranschaulicht.
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BESTE AUSFÜHRUNGSFORM
ZUR AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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1 zeigt
den gesamten Aufbau eines Ausführungsbeispiels
eines Plasma-Lichtbogenschweißgeräts gemäß der vorliegenden
Erfindung, das an einem Roboter angebracht ist.
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Ein
Plasmaschweißbrenner 1 ist
an einem Ende des Arms eines Roboters 10 angebracht. Die
Bewegungen und die Haltung des Roboters 10 werden durch
eine Robotersteuereinrichtung 4 gesteuert. Ein Werkstück 2 kann
von allen Richtungen her geschweißt werden. Eine Schweißquelle 3 speist
den Plasmaschweißbrenner 1 mit
elektrischer Leistung, Plasmagas und Schutzgas, die zum Ausführen des
Plasma-Lichtbogenschweißens
erforderlich sind, und steuert ferner die Schweißbedingungen, die die Plasmagasströmung, die Schutzgasströmung, die
Schweißstromstärke, die
Schweißzeitdauer
und dergleichen umfassen. Eine Hochfrequenzeinheit 5 erzeugt
hochfrequente Energie zum Erzielen eines dielektrischen Durchbruchs,
wenn ein Pilotlichtbogen erzeugt wird. Ein Gasströmungsschalter 6 ist
an dem Gaseinlaß des
Plasmaschweißbrenners 1 angeordnet.
Der Gasströmungsschalter 6 schaltet
die Strömung
des Plasmagases und des Schutzgases in Abhängigkeit von einem von der
Schweißquelle 3 stammenden
Befehl auf großen
oder kleinen Wert. Eine Füllmaterialdüse 7 ist
in der Nähe
der Spitze des Plasmaschweißbrenners 1 angeordnet.
Ein drahtförmig
ausgebildetes Füllmaterial
wird aus einer Füllmaterialzufuhreinrichtung 8 ausgegeben
und zu der Vorderseite des Schweißbrenners 1 über die
Füllmaterialdüse 7 gespeist.
Die Füllmaterialzufuhreinrichtung 8 bewirkt
das Ausgeben und/oder das Anhalten des Füllmaterials in Abhängigkeit
von einem von der Schweißquelle 3 stammenden
Befehl.
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2 zeigt
den Aufbau der Schweißquelle 3 zusammen
mit den hiermit zusammenhängenden
Elementen.
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Die
Schweißquelle 3 weist
eine Gassteuereinrichtung 12 zum Speisen des Plasmagases
und des Schutzgases mit einem gesteuerten Druck zu dem Plasmaschweißbrenner 1.
Die Strömung
des Plasmagases und des Schutzgases kann jeweils in zwei Stufen,
d.h. auf großen
und auf kleinen Wert, durch Umschalten eines öffnenden und schließenden Ventils
innerhalb des Gasströmungsschalters 6 geschaltet
werden. Der Gasströmungsschalter 6 ist
an einer Stelle angeordnet, die so nahe wie möglich bei dem Schweißbrenner 1 liegt
(z.B. an dem Gaseinlaß des
Schweißbrenners 1),
so daß keine
nennenswerte Zeitverzögerung
zwischen der Schaltbetätigung
des Gasströmungsschalters
und der tatsächlichen
Strömungsänderung
des von dem Schweißbrenner 1 ausgestoßenen Gasstroms
vorhanden ist.
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Die
Schweißquelle 3 umfaßt weiterhin
eine Plasmaenergie- bzw. Plasmaspannungsquelle 11 zum Speisen
des Plasmaschweißbrenners 1 mit
der Leistung (Spannung und Strom), die zur Steuerung der Erzeugung
und der Aufrechterhaltung eines Plasmalichtbogens 20 erforderlich
sind, und eine Spaltermittlungs- bzw. Spaltbestimmungseinrichtung 13 zum
Messen der Größe (Raum
bzw. Breite) eines Spalts 23, der zwischen zwei Stahlblättern bzw.
Stahlblechen 21 und 22 des Werkstücks 2 vorhanden
ist. Die Plasmaenergiequelle 11 führt während des Schweißens eine
Konstantstromsteuerung aus, um hierdurch einen Speisestrom (der
Strom des Plasmalichtbogens 20) auf identischen Wert wie
ein Sollwert zu bringen (wie im weiteren Text noch erläutert wird,
wird der Stromsollwert in Abhängigkeit
von dem Prozeß bzw.
Verfahrensablauf geändert).
Die Spaltermittlungseinrichtung 13 überwacht die von der Plasmaenergiequelle 11 während des
Schweißvorgangs
erzeugte Spannung (d.h. die Spannung zwischen dem Schweißbrenner 1 und
dem Werkstück 2,
und damit den Spannungsabfall an dem Plasmalichtbogen 20),
und ermittelt die Größe des Spalts 23 zwischen
den Stahlblechen 21 und 22 in Übereinstimmung mit einem im
weiteren Text näher
beschriebenen Verfahren.
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Eine
Heizeinrichtung 15 für
das Füllmaterial
ist in der Nähe
der Füllmaterialdüse 7 vorgesehen
und dient zum vorhergehenden Aufheizen des Füllmaterials 9. Eine
Energiequelle 16 für
die Heizeinrichtung 15 für das Füllmaterial ist in der Schweißquelle 3 enthalten.
Das Aufheizen des Füllmaterials 9 bereits
vorab bringt den Vorteil, daß die
Schweißgeschwindigkeit
erhöht
werden kann, weil die Zeitdauer verkürzt wird, die das Füllmaterial 9 benötigt, bis
es nach dem Eintritt in das Innere des Plasmalichtbogens 20 schmilzt.
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Die
Schweißquelle 3 umfaßt weiterhin
eine Schweißsteuereinrichtung 14 zum
Steuern der verschiedenen, vorstehend beschriebenen Elemente. Die
Schweißsteuereinrichtung 14 steuert
die verschiedenen, vorstehend angesprochenen Elemente gemäß einem
Ablauf wie etwa der im folgenden erläuterten Prozedur, wobei ihr
Steuerbetrieb das Betreiben und Anhalten der Gassteuereinrichtung 12;
das Abgeben eines Strömungsschaltbefehls
an den Gasströmungsschalter 6;
das Betätigen
und Anhalten der Füllmaterialzufuhreinrichtung 8;
das Ansteuern und Anhalten der Energiequelle 16 für die Füllmaterial-Heizeinrichtung;
das Ansteuern und Anhalten der Plasmaenergiequelle 11;
das Anlegen eines Stromsollwerts an die Plasmaenergiequelle 11;
das Überwachen
der Versorgungsspannung der Plasmaenergiequelle 11 einschließlich der
Ermittlung der Schweißbedingungen
wie etwa der Menge an zuzuführendem
Füllmaterial
und der Schweißzeit,
die von der Größe des Spalts 23 abhängen, die
durch die Spaltermittlungseinrichtung 13 erfaßt worden
ist; und das Überwachen
der Versorgungsspannung für
die Plasmaenergiequelle 11 sowie das Ermitteln einer zeitlichen Änderung
des Schweißprozesses
umfaßt.
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3 zeigt
den Ablauf bei einer Ausführungsform
des in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung stehenden Plasma-Lichtbogenschweißverfahrens.
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Zunächst wird,
wie in 3(A) gezeigt ist, ein Plasmalichtbogen 20 an
einer Stelle gezündet,
an der das Schweißen
ausgeführt
werden soll. Nachfolgend wird, wie in 3(B) gezeigt
ist, ein Loch 30 für
die Dampfentweichung in einem am nächsten bei dem Schweißbrenner 1 befindlichen
Stahlblatt bzw. Stahlblech (im folgenden als das obere Blatt bezeichnet) 21 unter
Verwendung eines Plasmalichtbogens 20 mit einer relativ
hohen Leistung eingebracht. Zur Erhöhung der Energie des Plasmalichtbogens 20 während dieser
Phase werden entweder der Plasmastrom oder die Plasmagasströmung, oder
diese beiden Parameter, auf einen hohen Wert gesteuert. Wenn der
Lichtbogen 20 auf das obere Blatt 21 einwirkt,
schmilzt ein punktförmiger
bzw. fleckförmiger
Abschnitt desselben, wobei dieser, wie in der Figur gezeigt ist,
entweder weggeblasen wird oder sich in dem das Loch 31 umgebenden
Bereich aufbaut. Das Loch 31 bildet sich dann durch das
obere Blatt 21 hindurch. Da der Plasmalichtbogen 20 mit
hoher Leistung benutzt wird, kann das Loch 31 innerhalb
kurzer Zeit eingebracht werden. Wenn das Loch 31 durch
das obere Blatt 21 hindurchgeht, wird auch das Stahlblatt 22, das
von dem Schweißbrenner 1 am
weitesten entfernt ist (im folgenden wird dies als das untere Blatt
bezeichnet), direkt durch den Plasmalichtbogen 20 erhitzt,
wobei die Erwärmung
des unteren Blatts 22 rasch erfolgt und das Schmelzen ebenfalls
zuverlässig
ausgeführt
wird. Wenn auf der Oberfläche
entweder des oberen Blatts 21 oder des unteren Blatts 22 ein
Beschichtungsmaterial mit niedrigem Siedepunkt vorhanden ist, entweicht
der von dem Beschichtungsmaterial gebildete Dampf über das
Loch 31, das in das obere Blatt 21 eingebracht
ist, nach außen.
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Wenn
das Loch 31 durch das obere Blatt 21 hindurchgetreten
ist, wird die Leistung des Plasmalichtbogens 20 sofort
auf einen Wert abgesenkt, der für
das Schweißen
angemessen ist (d.h., der Plasmastrom und die Plasmagasströmung werden
auf Werte gesteuert, die für
das Schweißen
geeignet sind), und es werden das obere Blatt 21 und das
untere Blatt 22 in angemessener Weise geschmolzen und geschweißt (dieser Vorgang
wird im folgenden als "Hauptschweißen" bezeichnet). Zu
diesem Zeitpunkt wird, wie in 3(C) gezeigt
ist, das Füllmaterial 9 in
den Plasmalichtbogen 20 eingeführt. Hierdurch wird das Füllmaterial 32,
das durch die Wärme
des Lichtbogens geschmolzen wird, zu dem Schweißpunkt (Schweißspot) zugeführt und
füllt sowohl
das Loch 31 als auch den Spalt 23 zwischen den
Stahlblechen auf. Schließlich
ist, wie in 3(D) gezeigt ist, das
Loch 31 wieder aufgefüllt
und der Spalt 23 ebenfalls gefüllt, wobei eine Verschweißung zwischen den
Stahlblättern 21 und 22 erzielt
ist. In diesem Stadium wird das Füllmaterial 9 aus dem
Plasmalichtbogen 20 wieder herausgezogen und es wird dessen
Zuführung
beendet. Nachfolgend wird der Plasmalichtbogen 20 gelöscht. Mit
diesem Ablauf ist ein Schweißvorgang
abgeschlossen.
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Die
Zufuhrmenge des Füllmaterials 9,
die zur vollständigen
Auffüllung
des Lochs 31 benötigt
wird, wird in Abhängigkeit
von Faktoren wie etwa der Dicke des oberen Blatts 21, der
Größe des Lochs 31 und
der Größe des Spalts 23 festgelegt.
Von diesen Parametern ist normalerweise die Größe des Spalts 23 derjenige
Faktor, der sich bei jedem Schweißvorgang ändert. Es ist erwünscht, daß keine
Einbuchtung nach dem Abschluß des Schweißvorgangs
dort verbleibt, wo das Loch 31 ausgebildet war. Als eine
Methode zur Erreichung dieses Ziels wird die Zufuhrmenge für das Füllmaterial
für einen
Schweißvorgang
so eingestellt, daß sie
auf den Wert für
einen maximalen Spalt 23 eingestellt ist, wobei der Wert
des maximalen Spalts 23 vorab geschätzt wird. (Bei einem Schweißgerät, das nach
dieser Methode arbeitet, ist die in 2 gezeigte
Spaltermittlungseinrichtung 13 nicht notwendig.) Dieses
Verfahren ist einfach und stellt sicher, daß ein Loch 31 aufgefüllt werden kann.
Wenn jedoch der Spalt 23 kleiner ist als der geschätzte maximale
Wert, ist das Aussehen nicht zufriedenstellend, da unvermeidlich
ein höckerförmiger Vorsprung
an der Schweißstelle
zurückbleibt.
Bei einem weiteren Verfahren ist es demgemäß ebenfalls möglich, die
Größe des Spalts 23 bei
jedem Schweißvorgang
zu messen (wozu z.B. die in 2 gezeigte
Spaltermittlungseinrichtung 13 benutzt wird), und die Menge
an zugeführtem
Füllmaterial
in Abhängigkeit
von dem gemessenen Wert geeignet zu steuern (dieses Verfahren wird nachstehend
in größeren Einzelheiten
erläutert).
Weiterhin gibt es als ein Verfahren zum Einstellen der Menge an
zugeführtem
Füllmaterial
eine Methode, bei der die Zufuhrrate des Füllmaterials während des
in 3(C) gezeigten Hauptschweißvorgangs
konstant gehalten wird und die zeitliche Dauer der Zuführung des
Füllmaterials
eingestellt wird. Wenn dieses Einstellverfahren benutzt wird, gibt
es Fälle,
bei denen die zeitliche Länge des
Hauptschweißvorgangs
in Abhängigkeit
von der zeitlichen Länge
der Zuführung
des Füllmaterials
festgelegt werden muß.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Schweißverfahrens
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Bei
dem in 4 gezeigten Verfahren wird die Leistung des Plasmalichtbogens
während
des anfänglichen
Stadiums der Einbringung des Lochs auf einen höheren Wert als bei dem Schweißverfahren
gemäß 3 eingestellt,
und es wird, wie in 4(B) gezeigt ist,
ein für
den Dampfaustritt vorgesehenes Loch 41 so ausgebildet,
daß es
auch durch das untere Blatt 22 hindurchgeführt ist.
Demgemäß kann der
durch das Beschichtungsmaterial erzeugte Dampf wirkungsvoll über zwei
Löcher 31 und 41,
nämlich
ein oberes und ein unteres Loch, entweichen. Die Leistung des Plasmalichtbogens
wird anschließend
auf einen geeigneten Wert abgesenkt, und es wird, wie in 4(C) gezeigt ist, das Schweißen ausgeführt, während das
Füllmaterial 9 zugeführt wird.
Abschließend
ist, wie in 4(D) gezeigt ist, geschmolzenes
Füllmaterial 32 vollständig von
dem unteren Loch 41 bis zu dem oberen Loch 31 eingefüllt.
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Auch
bei dem Verfahren gemäß 4 ist
es möglich,
eine der beiden vorstehend beschriebenen Methoden zur Einstellung
der Menge an zugeführtem
Füllmaterial
zu benutzen.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Steuerverfahrens zur Steuerung des Plasmastroms, der Plasmagasströmung, der
Schutzgasströmung
und der Zuführung
des Füllmaterials
bei der Durchführung
des in 3 oder in 4 gezeigten
Schweißverfahrens.
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Ein
einzelner Schweißvorgang
enthält
einen Prozeßabschnitt
mit vorhergehender Gasströmung,
bei der das Gas zum Strömen
gebracht wird und eine geeignete Atmosphäre vor der Zündung des
Lichtbogens geschaffen wird; einen Prozeßschritt für die Einbringung des Lochs,
bei dem ein für
die Dampfentweichung vorgesehenes Loch unter Verwendung eines hohe
Energie aufweisenden Lichtbogens so ausgebildet wird, daß es durch
ein Stahlblech hindurchgeht; einen Hauptschweißprozeßschritt, bei dem das Loch
und der Spalt durch das Füllmaterial
aufgefüllt
werden und das Schweißen
unter Verwendung eines Lichtbogens mit einer geeigneten Leistung
ausgeführt
wird; und einen Prozeßschritt
mit nachfolgender Gasströmung,
bei dem eine Oxidation des Schweißbereichs dadurch verhindert
wird, daß eine
Gasströmung
selbst nach dem Auslöschen des
Lichtbogens vorgesehen ist.
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Bei
dem in 5 gezeigten Steuerverfahren werden die Plasmagasströmung und
die Schutzgasströmung
jeweils bei vorgegebenen konstanten Werten während aller vorstehend genannter
vier Prozesse gehalten. Der Plasmastrom (bei der vorliegenden Erläuterung
ist mit dem Plasmastrom derjenige Strom des Hauptlichtbogens gemeint,
der im wesentlichen auf dem Stahlblech benutzt wird, und zwar ausschließlich eines
Pilotlichtbogens) wird während
des Locheinbringungsschritts auf einen relativ hohen Wert gesteuert,
während
er bei dem sich hieran anschließenden
Hauptschweißprozeß auf einen
geringeren, für
den Schweißvorgang
geeigneten Wert gesteuert wird. Die Zuführung des Füllmaterials wird lediglich
während
des Hauptschweißvorgangs
mit einer zeitlichen Länge
ausgeführt,
die mit der eingestellten Füllmaterialzufuhrmenge übereinstimmt. Wie
vorstehend erläutert,
wird die Leistung des Plasmalichtbogens durch die Erhöhung des
Hauptlichtbogenstroms während
des Locheinbringungsschritts größer, so
daß es
möglich
ist, ein Dampfentweichungsloch mit hoher Geschwindigkeit auszubilden.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Steuerverfahrens zur Steuerung des Plasmastroms, der Plasmagasströmung, der
Schutzgasströmung
und der Füllmaterialzuführung.
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Bei
diesem Steuerverfahren wird der Hauptlichtbogenstrom auf einem konstanten
Wert gehalten, und es wird eine große Plasma-Lichtbogenenergie
während
des Locheinbringungsschritts dadurch erhalten, daß statt
der Stromerhöhung
die Plasmagasströmung
erhöht
wird. Wenn die Plasmagasströmung
von bzw. ab dem Prozeßschritt
mit vorhergehender Gasströmung
bis zu einem Zeitpunkt vor dem Locheinbringungsschritt erhöht wird,
ist der Beginn des Locheinbringungsschritts sanft. Zur Erhöhung der
Lichtbogenleistung während des
Locheinbringungsschritts ist es auch möglich, den Plasmastrom zu vergrößern, wie
dies bei der in 5 gezeigten Methode der Fall
ist, und gleichzeitig auch die Plasmagasströmung zu vergrößern, wie
dies in 6 gezeigt ist.
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Wenn
das in 5 oder in 6 gezeigte
Steuerverfahren unter Einsatz des in 2 dargestellten Schweißgeräts realisiert
wird, kann die Steuerung des Plasmastroms durch Justierung des Stromsollwerts
relativ zu bzw. für
die Plasmaenergiequelle 11 ausgeführt werden, und es kann die
Steuerung der Plasmagasströmung
und der Schutzgasströmung
dadurch bewerkstelligt werden, daß der Druck der Gassteuereinrichtung 12 justiert
wird und der Gasströmungsschalter 6 geschaltet
wird. Die Steuerung der Füllmaterialzufuhr kann
durch das Ansteuern und Anhalten der Füllmaterialzufuhreinrichtung 8 bewirkt
werden. Diese Vorgänge werden
von einem Computer (in der Zeichnung nicht dargestellt) innerhalb
der Schweißsteuereinrichtung 19 ausgeführt, der Befehle
an die Plasmaenergiequelle 11, die Gassteuereinrichtung 12,
den Gasströmungsschalter 6 und
die Füllmaterialzufuhreinrichtung 8 in Übereinstimmung
mit einem Programm abgibt.
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Bei
dem in 6 gezeigten Steuerverfahren wird die Größe der Plasmagasströmung umgeschaltet. 7 zeigt
ein Beispiel für
einen speziellen Aufbau zur Ausführung
einer derartigen Umschaltung der Gasströmung.
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Die
in 2 gezeigte Gassteuereinrichtung 12 liefert
ein Gas mit einem bestimmten konstanten Druck zu dem Gasströmungsschalter 6 über eine
Gasleitung 72. Die Gassteuereinrichtung 12 umfaßt einen
Gasströmungsmesser 71.
Der Gasströmungsschalter 6 ist,
wie in 1 gezeigt ist, an einer Position so nahe wie möglich bei
dem Schweißbrenner 1 angeordnet,
so daß als
Folge hiervon die Strömung
des aus der Düse
des Schweißbrenners 1 austretenden
Gases rasch und ohne eine nennenswerte Zeitverzögerung geändert werden kann. Im Innern
des Gasströmungsschalters 6 ist
die Gasleitung 72 in zwei Leitungen unterteilt, wobei in einer
Leitung ein öffnendes
und schließendes
Magnetventil (Solenoid-Schließventil) 73 und
ein manuelles Drosselventil 74 vorgesehen sind. In der
anderen Leitung sind in gleichartiger Weise ein öffnendes und schließendes Magnetventil 75 und
ein manuelles Drosselventil 76 angeordnet. Die Öffnung des
Drosselventils 74 einer Leitung wird manuell vorab auf
der Grundlage des Strömungswerts
eingestellt, der von dem Gasströmungsmesser 71 angezeigt
wird, und zwar derart, daß eine
große
Strömung
während
des Locheinbringungsschritts erhalten wird, wie dies in 6 gezeigt
ist. Die Öffnung
des Drosselventils 76 in der anderen Leitung wird vorab
manuell auf der Basis des von dem Gasströmungsmesser 71 angezeigten
Strömungswerts
so eingestellt, daß eine
kleine Strömung
während
des Hauptschweißvorgangs
erhalten wird. Anschließend
wird ausgehend von einem anfänglichen
Zustand, bei dem die beiden Ventile 73 und 75 geschlossen
sind, zunächst lediglich
das in der für
die starke Strömung
vorgesehenen Leitung vorhandene Ventil 73 in Abhängigkeit
von einem Befehl geöffnet,
der von der in 2 dargestellten Schweißsteuereinrichtung 14 zugeführt wird,
so daß die
vorbereitende Strömung
beginnt. Das Ventil 73 wird zu demjenigen Zeitpunkt geschlossen,
zu dem der Locheinbringungsvorgang endet, und es wird das Ventil 75 der
anderen Leitung zum gleichen Zeitpunkt geöffnet. Das Ventil 75 wird
dann geschlossen, wenn die nachträgliche Strömung endet.
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Dieser
Aufbau gemäß 7 weist
den Vorteil auf, einfach zu sein, besitzt aber andererseits die
folgenden Nachteile. Da sich die Öffnung der Drosselventile mit
der Zeit ändert
und sich Verunreinigungen im Inneren der Gasleitung ablagern, müssen die Öffnungen
der Drosselventile 74 und 76 von Zeit zu Zeit
justiert werden. Damit diese Einstellung der Öffnungen ausgeführt werden
kann, muß eine
Person zu der Position des Schweißbrenners 1 gehen.
Wenn der Schweißbrenner 1 an
einem Fertigungsstraßenroboter 10 gemäß der Darstellung
in 1 angebracht ist, ist es einer Person aus Sicherheitsgründen jedoch
im allgemeinen nicht erlaubt, sich dem Roboter 10 zu nähern, während sich
die Fertigungsstraße
im Betrieb befindet. Demzufolge muß die gesamte Fertigungsstraße von Zeit
zu Zeit für
die Einstellung der Drosselventile angehalten werden. Weiterhin
kann ein Flächenströmungsmesser,
der generell als der Gasströmungsmesser 71 benutzt
wird, nicht an einem beweglichen Teil wie etwa an einem Roboterarm
vorgesehen werden, so daß der
Gasströmungsmesser 71,
wie in 7 gezeigt ist, an einer stabilen Position entfernt
von den Drosselventilen 74 und 76 in der Nähe des Schweißbrenners 1 angeordnet werden
muß. Demzufolge
ist die Einstellung der Öffnung
der Drosselventile nicht möglich,
wenn nicht mindestens zwei Personen eingesetzt werden.
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8 zeigt
ein Beispiel für
einen weiteren Aufbau, bei dem dieses Problem verringert bzw. beseitigt ist.
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In
der Gassteuereinrichtung 12 ist die Gasleitung in zwei
Systeme 81 und 82 stromab des Gasströmungsmessers 71 unterteilt,
und es ist jeweils eine Drucksteuereinrichtung 83, 84 in
jeder der unterteilten Gasleitungen 81 und 82 angeordnet.
Die Enden der unterteilten Gasleitungen 81 und 82 sind
mit zwei Gasleitungen im Innern des Gasströmungsschalters 6 in
der Nähe
des Schweißbrenners
in gleicher Weise wie bei 7 verbunden.
Die Öffnungen
der Drosselventile 74 und 76 im Innern des Gasströmungsschalters 6 sind
vor dem Betrieb der Montagelinie bzw. Fertigungsstraße unter
Verwendung des bereits beschriebenen Verfahrens eingestellt. Nach
dem Beginn des Betriebs der Montagelinie bzw. Fertigungsstraße wird
eine vorgegebene Gasströmung
dadurch aufrechterhalten, daß die
Drucksteuereinrichtungen 83 und 84, die in der
Nähe des
Gasströmungsmessers 71 angeordnet
sind, von Zeit zu Zeit justiert werden, ohne daß die Drosselventile 74 und 76 eingestellt
werden. Der Gasströmungsmesser 71 befindet
sich entfernt von dem Schweißbrenner 1.
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Da
die Öffnungen
der Drosselventile 74 und 76 nicht exakt justiert
werden müssen,
können
kostengünstige,
kompakte Drosselventile 74, 76 mit feststehender Öffnung benutzt
werden, die eine geeignete Öffnung
aufweisen. Vom Gesichtspunkt der Erhöhung der Manövrierbarkeit
des Roboterarms her gesehen ist die in dieser Weise erreichte kleinere
und geringeres Gewicht zeigende Auslegung des Gasströmungsschalters 6 erwünscht.
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Die
in den 7 und 8 gezeigten Beispiele für die Gestaltungen
können
sowohl zum Umschalten einer Schutzgasströmung als auch zum Umschalten
einer Plasmagasströmung
benutzt werden. Bei den in den 5 und 6 gezeigten
Steuerverfahren ist die Schutzgasströmung vom Beginn bis zum Ende
konstant. Wie jedoch nachfolgend näher beschrieben wird, gibt
es zur Erleichterung der Messung des Spalts zwischen den Stahlblechen
manchmal Zeiten, zu denen es erwünscht
ist, die Schutzgasströmung
in dem Locheinbringungsschritt geringfügig kleiner zu machen als die
Schutzgasströmung
während
des Hauptschweißvorgangs. In
diesem Fall können
die in den 7 und 8 gezeigten
Ausgestaltungen auch dazu benutzt werden, die Schutzgasströmung zu
schalten.
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Auch
wenn dies nicht direkt mit der vorliegenden Erfindung zusammenhängt, ist
es bei Anwendung des gleichen Prinzips wie bei dem in 8 gezeigten
Aufbau möglich,
eine Gestaltung zu erreichen, die benutzt werden kann, wenn unterschiedliche
Gase zu einer Mehrzahl von Gasleitungen gespeist werden und zwei
oder mehr Arten von Gasen bei dem Schweißbrenner geschaltet werden.
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In 9 und 10 sind
die Schweißfestigkeiten
und das Ausmaß der
Oberflächenunebenheit
dargestellt, die beim Testen eines herkömmlichen Schweißverfahrens
und von zwei Arten von Schweißverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung erhalten wurden.
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Das
herkömmliche
Schweißverfahren
bezieht sich hierbei auf das Verfahren gemäß der japanischen Patentanmeldung
JP 7-266055 A, d.h., anders ausgedrückt, auf ein Verfahren, bei
dem ein Hauptschweißvorgang
nach dem Locheinbringungsschritt ohne Zufuhr von irgendwelchem Füllmaterial
ausgeführt
wird. Die hierbei erhaltenen Testergebnisse sind in den Figuren
mit den Kurven "ohne
Füllmaterial" gezeigt. Die beiden Arten
der Schweißverfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung bestehen aus einem Verfahren, bei dem im Anschluß an einen
Locheinbringungsschritt ein Hauptschweißvorgang ausgeführt wird,
bei dem eine festgelegte Menge von Füllmaterial zugeführt wird,
und einem Verfahren, bei dem im Anschluß an den Locheinbringungsschritt
ein Hauptschweißvorgang
ausgeführt
wird, bei dem Füllmaterial
mit einer Menge zugeführt
wird, die in Abhängigkeit
von der Größe des Spalts
zwischen den Stahlblechen gesteuert wird. Die bei dem erstgenannten
Verfahren erhaltenen Testergebnisse sind mit den Kurven "feste Füllmaterialmenge" dargestellt, während die
bei dem letzteren Verfahren erhaltenen Ergebnisse mit den Kurven "optimal gesteuertes
Füllmaterial" veranschaulicht
sind. Weiterhin ist mit dem "Spalt", der auf den horizontalen
Achsen der 9 und 10 dargestellt
ist, die Größe des Spalts
zwischen dem oberen Blatt 21 und dem unteren Blatt 22 bezeichnet,
wie dies in 11 dargestellt ist. Mit "Schweißfestigkeit", die auf der vertikalen
Achse der 9 aufgetragen ist, ist die Zugfestigkeit
bezeichnet, die bei Ausführung
von Zugtests bei einer Schweißnaht,
die zwischen dem oberen Blatt 21 und dem unteren Blatt 22 durch
Punktschweißen
gebildet ist, erhalten wird. Mit "Oberflächenunebenheit", die auf der vertikalen
Achse der 10 aufgetragen ist, ist die
Höhe der
Ausbauchung der Schweißstelle 11 gegenüber der
oberen Oberfläche
des oberen Blatts 21 bezeichnet, wie dies in 11 gezeigt
ist (oder die Tiefe der Einbuchtung gegenüber der oberen Oberfläche des
oberen Blatts 21, wenn die Schweißstelle 11 konkav
verläuft).
Die speziellen, bei den Tests eingesetzten Bedingungen sind im Folgenden
angegeben.
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Das
obere Blatt war ein galvanisiertes Stahlblech mit einer Dicke von
0,8 mm. Das untere Blatt war ein SPHC-Stahlblatt mit einer Dicke
von 1,8 mm. Der Schweißstrom
lag konstant bei 45 A, während
das Plasmagas und das Unterstützungsgas
Argon +7% Wasserstoff enthielt. Die Plasmagasströmung betrug sechs Liter je
Minute während
des Locheinbringungsvorgangs und zwei Liter je Minute während des
Hauptschweißvorgangs.
Der Durchmesser des Füllmaterials
betrug ∅ 1,2 mm. Im Hinblick auf die Füllmaterialzufuhrmenge wurde
eine feste Menge mit einer Länge
von 47 mm als die "feste
Füllmaterialmenge" zugeführt, während die
Füllmaterialzufuhr menge
bei dem "optimal
gesteuerten Füllmaterial" in Abhängigkeit
von der Spaltgröße geändert wurde,
wie dies in Tabelle 1 gezeigt ist.
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Wie
aus 9 ersichtlich ist, konnte das Dampfentweichungsloch
bei dem herkömmlichen
Verfahren "ohne
Füllmaterial" nicht mehr gefüllt werden,
wenn der Spalt eine Größe von 0,2
mm überschritt,
und es konnte das Schweißen
selbst nicht mehr ausgeführt
werden. Selbst wenn der Spalt kleiner war als 0,2 mm, war die Zugfestigkeit
relativ niedrig. Im Unterschied hierzu konnte das Loch bei dem Verfahren
mit "fester Füllmaterialmenge" gemäß der vorliegenden
Erfindung gefüllt
werden und ein Schweißen
ausgeführt
werden, selbst wenn der Spalt eine Größe von 1,2 mm aufwies. Die
Zugfestigkeit war hierbei bei einem relativ hohen Wert über einen
breiten Spaltbereich von 0 bis 1,2 mm hinweg stabil. Bei dem Verfahren "optimal gesteuertes
Füllmaterial" gemäß der vorliegenden
Erfindung wurde eine sehr stabile Zugfestigkeit erhalten, die vergleichbar war
mit der bei dem Verfahren "feste
Füllmaterialmenge" erhaltenen Zugfestigkeit.
Im Hinblick auf das Ausmaß der
Oberflächenunebenheit
war es, wie aus 10 ersichtlich ist, bei dem
Verfahren "optimal
gesteuertes Füllmaterial" gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
die Oberfläche
der Schweißstelle
effektiv flacher zu bekommen als bei den beiden anderen Verfahren,
und zwar unabhängig
von der Größe des Spalts.
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Bei
dem Verfahren "optimal
gesteuertes Füllmaterial" gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es notwendig, die Größe des Spalts zu messen. Bezüglich dieser
Spaltmessung werden nachfolgend zwei Arten von Meßmethoden
beschrieben. Eine erste Methode besteht darin, daß die Größe des Spalts
anhand des Werts der Plasma-Lichtbogenspannung zu demjenigen Zeitpunkt,
an dem der Locheinbringungsschritt abgeschlossen ist, bestimmt wird.
Die zweite Methode ist ein Verfahren, bei dem die Größe des Spalts
anhand des zeitlichen Gradienten der Änderung der Plasma-Lichtbogenspannung
während
des Locheinbringungsschritts ermittelt wird. Im folgenden wird zunächst die
Beschreibung der ersten Methode vorgenommen.
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In 12 sind
die Änderungen
des Lichtbogenstroms und der Lichtbogenspannung bei der Ausführung eines
Steuerverfahrens wie etwa dem in 5 gezeigten
Verfahren dargestellt (hierbei wurde unter Bedingungen gemessen,
bei denen eine Schutzgasströmung
mit sechs Litern je Minute vorlag). Bei dem Steuerverfahren gemäß 5 wird,
wie bereits erläutert,
der Lichtbogenstrom auf einen relativ hohen konstanten Wert während des
Locheinbringungsschritts gesteuert, auf einen relativ niedrigen
Wert verringert, wenn der Locheinbringungsschritt abgeschlossen
ist, und auf seinen konstanten niedrigen Wert während des sich hieran anschließenden Hauptschweißvorgangs
gesteuert. Die in 12 gezeigte Stromwellenform
veranschaulicht diese Art der Änderung
des Lichtbogenstroms, während
die Spannungswellenform eine Änderung
der Lichtbogenspannung während
dieser Zeit anzeigt. Wie in der Figur dargestellt ist, fällt die
Lichtbogenspannung dann, wenn der Locheinbringungsschritt abgeschlossen
ist, ab, und stabilisiert sich zu einem Zeitpunkt t1 (bei dem in 12 gezeigten
Beispiel liegt dieser Zeitpunkt zwischen 0,8 bis 0,85 Sekunden nach
dem Beginn des Locheinbringungsschritts) statisch bei einem praktisch
konstanten Wert. Diese statisch stabilisierte Lichtbogenspannung
besitzt in Abhängigkeit
von der Spaltgröße einen
unterschiedlichen Wert V1, V2. Hierbei ist der auftretende Wert
um so höher,
je größer die
Spaltgröße ist.
Der Grund hierfür
liegt vermutlich darin, daß der Schweißbrenner 1 um
so weiter entfernt von dem unteren Blatt 22 ist, je größer die
Spaltgröße ist,
was zu einer längeren
Plasma-Lichtbogensäule
und zu einem erhöhten
Abfall der Spannung führt. 13 zeigt
verkürzt bzw.
vereinfacht die Beziehung zwischen der Größe des Spalts und der statisch
stabilisierten Lichtbogenspannung. Die Lichtbogenspannung, die einen
gewissen Versatzwert (Offsetwert) V0 aufweist, ist praktisch proportional
zu der Spaltgröße. Daher
wird die Beziehung zwischen der Spaltgröße und der Lichtbogenspannung, die
in 13 gezeigt ist (in der Realität die Beziehung zwischen der
Lichtbogenspannung und der Füllmaterialzufuhrmenge
(Zufuhrzeit) entsprechend der Größe des Spalts)
beispielsweise in dem Format einer Nachschlagetabelle in der in 2 gezeigten
Schweißsteuereinrichtung 14 gespeichert,
und es wird die Lichtbogenspannung bei jedem Schweißvorgang
zu dem Zeitpunkt t1 gemessen, wenn der Locheinbringungsschritt abgeschlossen
ist (als Beispiel wird ein mittlerer Wert dadurch erhalten, daß die Lichtbogenspannung
alle 0,001 Sekunden in Zeitintervallen zwischen 0,8 bis 0,85 Sekunden
ab dem Start des Locheinbringungsschritts abgetastet wird). Durch
Verwendung des hierbei gemessenen Werts ist es möglich, die Größe des Spalts
(in der Realität
die Füllmaterialzufuhrmenge
(Zufuhrzeit), die der Spaltgröße entspricht)
durch Adressieren der Nachschlagetabelle zu ermitteln.
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14 zeigt
einen Aufbau der Spaltermittlungseinrichtung 13, die gemäß dieser
Spaltgrößenmeßmethode
arbeitet.
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Die
Spaltermittlungseinrichtung 13 weist einen Meßabschnitt 132,
einen Filterabschnitt 133, einen Verarbeitungsabschitt 134,
einen Speicherabschnitt 135 zur zeitweiligen Speicherung,
einen Referenzwertspeicherabschnitt 136 und einen Vergleichsabschnitt 137 auf.
Diese Elemente können
miteinander über
einen Schnittstellenabschnitt 138 kommunizieren und können ferner
mit der Schweißsteuereinrichtung 14 kommunizieren.
Der Meßabschnitt 132 tastet
die Lichtbogenspannung, die von der Plasmaenergiequelle 11 erzeugt wird,
im Intervall zwischen 0,8 bis 0,85 Sekunden nach dem Beginn des
Locheinbringungsschritts ab. Der Filterabschnitt 133 unterzieht
die bei der Abtastung der Lichtbogenspannung erhaltenen abgetasteten
Werte einem Filterungsprozeß und
beseitigt Rausch- bzw. Störungskomponenten.
Der Verarbeitungsabschitt 134 berechnet einen mittleren
Wert aus der Serie von abgetasteten Werten, die bei bzw. während der
Meßintervalle erhalten
worden sind. Der Speicherabschnitt 135 speichert eine Folge
von abgetasteten Werten und einen mittleren Wert vorübergehend.
In dem Referenzwertspeicherabschnitt 136 ist die vorstehend
erläuterte
Nachschlagetabelle gespeichert. Der Vergleichsabschnitt 137 benutzt
den mittleren Wert zur Ermittlung einer Füllmaterialzufuhrzeit, die der
Spaltgröße entspricht,
indem er auf die Nachschlagetabelle zugreift, und benutzt den mittleren
Wert weiterhin zur Bestimmung der Zeitdauer eines Hauptschweißvorgangs
in Abhängigkeit
von der Füllmaterialzufuhrzeit,
und benachrichtigt die Schweißsteuereinrichtung 14 über diese
festgelegten Schweißbedingungen.
Die Schweißsteuereinrichtung 14 steuert
die Füllmaterialzufuhreinrichtung 8 und
die Plasmaenergiequelle 11 während des Hauptschweißvorgangs
in Abhängigkeit
von der ermittelten Füllmaterialzufuhrzeit
und der Zeitdauer des Hauptschweißvorgangs.
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In 15 ist
der Ablauf der Arbeitsschritte dargestellt, die von der in 14 gezeigten
Spaltermittlungseinrichtung 13 ausgeführt werden.
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Zunächst wird
gleichzeitig mit dem Beginn des Schweißens (S1) ein Zeitgeber gestartet
(S2). Wenn der Zeitgeber das oder die Meßintervalle anzeigt (0,8 bis
0,85 Sekunden ab dem Start des Locheinbringungsschritts) (S3) wird
die Lichtbogenspannung in Intervallen von 0,001 Sekunden abgetastet
(S4), der oder die abgetasteten Werte einem Filtervorgang unterzogen
(S5) und in dem Speicherabschnitt 135 für vorübergehende Speicherung gespeichert.
Wenn das Meßintervall
endet (S6), wird ein mittlerer Wert von allen abgetasteten Werten
berechnet (S7), und es wird dieser mittlere Wert dazu benutzt, die
Füllmaterialzufuhrmenge
aus der Nachschlagetabelle auszulesen (S8). Bei dem Auslesen der
Tabelle wird die Füllmaterialzufuhrmenge
aus einer Adresse entsprechend dem Lichtbogenspannungswert in der
Tabelle ausgelesen, der am nächsten
bei dem mittleren Wert liegt. Anschließend werden dann in Übereinstimmung
mit der ausgelesenen Füllmaterialzufuhrmenge
die Schweißbedingungen
für den
Hauptschweißvorgang
ausgewählt
(S9) und an die Schweißsteuereinrichtung 14 mitgeteilt.
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Diese
erste Meßmethode
zur Messung der Spaltgröße ist nicht
nur auf das in 5 gezeigte Steuerverfahren beschränkt, sondern
kann auch bei dem Steuerverfahren, das in 6 gezeigt
ist, eingesetzt werden. Bei dem in 6 gezeigten
Steuerverfahren wird die Lichtbogenspannung ebenfalls in Zeitintervallen bzw.
in einem Zeitintervall gemessen, bei denen bzw. dem sich die Lichtbogenspannung
im Anschluß an
das Ende des Locheinbringungsprozesses gerade statisch stabilisiert
hat.
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Ein
Problem bei dieser ersten Methode zur Messung der Spaltgröße besteht
darin, daß die
anfänglich vorgegebene
Nachschlagetabelle überarbeitet
werden muß,
wenn sich die Elektrode 131, die im Innern des Schweißbrenners 1 vorhanden
und in 14 gezeigt ist, abnutzt oder
abgenutzt hat, während
sich die Anzahl von Schweißvorgängen erhöht hat,
und daß eine
Messung nicht ausgeführt
werden kann, wenn sich der Abstand des Schweißbrenners 1 (der Abstand
gegenüber
einem Werkstück)
bei jedem Werkstück
unterscheidet. Dies liegt daran, daß sich die in 13 gezeigte
Versatzspannung (Offsetspannung) V0 in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen
der Spitze der Elektrode 131 in dem Innern des Schweißbrenners 1 und
der Oberfläche des
Werkstücks 2 ändert.
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Die
zweite Methode zur Messung der Spaltgröße stellt eine Lösung für dieses
Problem bereit. In den 16 und 17 ist
die Beziehung zwischen dem Lichtbogenstrom und der Lichtbogenspannung
zur Erläuterung
der Grundlagen dieser zweiten Methode gezeigt.
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In
jedem der in 16 und 17 gezeigten
Fälle wird
ein Lichtbogenstrom mehrfach zwischen einem großen Stromwert und einem kleinen
Stromwert umgeschaltet (hin- und hergeschaltet). Anders ausgedrückt, wird
erzwungen, daß eine
Mehrzahl von rechteckförmigen
Lichtbogenstromimpulsen, die großen Stromwert besitzen, wiederholt
fließt.
Hierbei ist der große
Stromwert, der von diesen Lichtbogenstromimpulsen angenommen wird,
ein Stromwert, der ausreichend ist, um ein Loch in ein Stahlblech
sicher einzubringen, wie beispielsweise der in 6 gezeigte
Lichtbogenstromwert bei dem Locheinbringungsschritt. Umgekehrt ist
der kleine Lichtbogenstromwert bei der Impulsruhezeit bzw. -phase
zwischen den Impulsen ein Lichtbogenstromwert, der niedriger ist
als der in 6 gezeigte Stromwert, der bei
dem Hauptschweißvorgang
benutzt wird, und der nicht ausreichend ist, ein Loch in ein Stahlblech
einzubringen.
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Wie
aus 16 und 17 klar
ersichtlich ist, besitzt die Lichtbogenspannung bei dem Lichtbogenstromimpuls
einen niedrigeren Wert als die Lichtbogenspannung während der
Impulsruhephase, wobei jedoch die niedrige Lichtbogenspannung linear
ansteigt, während
sich die Anzahl von Lichtbogenstromimpulsen erhöht. Wenn die Spaltgröße unterschiedlich
ist (z.B. zwischen einer Spaltgröße von 0
mm und einer Spaltgröße von 1,2
mm), und wenn der lineare Anstieg der Lichtbogenspannung während einer
Folge von Lichtbogenstromimpulsen ermittelt wird, wie dies in den
Figuren mit den gestrichelten Linien angegeben ist, ist es ersichtlich, daß sich der
Gradient des linearen Anstiegs (mit anderen Worten, die Rate des
Anstiegs der Lichtbogenspannung) in Abhängigkeit von der Größe des Spalts ändert. Eine
Beziehung wie etwa die in 18 gezeigte
Beziehung ist generell zwischen der Größe des Spalts und der Anstiegsrate
der Lichtbogenspannung zu beobachten. Hierbei ergibt sich, daß sich die
Anstiegsrate der Lichtbogenspannung dann, wenn das Fließen eines bzw.
mehrerer Lichtbogenstromimpulse erzwungen wird, praktisch proportional
zu der Größe des Spalts ändert, wobei
eine gewisse Offset-Anstiegsrate R0 vorhanden ist. Die in dieser 18 gezeigte
Charakteristik bzw. Kennlinie ist stabil und nahezu überhaupt
nicht durch die Abnutzung der Elektrode und durch Änderungen bei
dem Abstand des Schweißbrenners
beeinflußt.
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Weiterhin
ist in 16 ein Fall gezeigt, bei dem
die Schutzgasströmung
auf einen Wert von vier Litern je Minute eingestellt ist, während in 17 ein
Fall gezeigt ist, bei dem die Schutzgasströmung auf einen Wert von zehn
Litern je Minute eingestellt ist. Wie aus einem Vergleich der beiden
Figuren ersichtlich ist, zeigt sich bei dem in 16 veranschaulichten
Fall, bei dem die Schutzgasströmung
geringer ist, der Unterschied der Anstiegsrate der Lichtbogenspannung
in Abhängigkeit
von der Größe des Spalts
noch deutlicher.
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Für die Ausführung der
zweiten Meßmethode,
bei der die vorstehend erläuterten
Sachverhalte ausgenutzt werden, wird ein Steuerverfahren wie etwa
das in 19 dargestellte Verfahren eingesetzt.
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Bei
dem in 19 gezeigten Steuerverfahren
wird erzwungen, daß ein
Lichtbogenstromimpuls bzw. Lichtbogenstrompuls ähnlich wie der vorstehend beschriebene
Lichtbogenstromimpuls bzw. -puls während des Locheinbringungsschritts
fließt,
und es wird dann, wenn der Locheinbringungsschritt endet, ein Vorgang ausgeführt, bei
dem die Größe des Spalts
(in der Praxis die Füllmaterialzufuhrmenge,
die an die Spaltgröße angepaßt ist)
ermittelt wird, und es werden Schweißbedingungen gewählt, wobei
der Lichtbogenstrom während
dieser Zeit geringfügig
kleiner gemacht wird als ein geeigneter Schweißstromwert. Im Anschluß hieran wird
der Lichtbogenstrom auf einen zum Schweißen geeigneten Wert eingestellt
und es wird der Hauptschweißvorgang
ausgeführt.
Hierbei kann die Plasmagasströmung
in gleicher Weise wie bei dem Verfahren gemäß 5 vom Beginn
bis zum Ende auf einen zum Schweißen geeigneten Wert eingestellt
sein. Allerdings ist die Steuerung des Lichtbogenstroms auf einen
großen
Wert bis zum Ende des Schritts der Locheinbringung und das anschließende Zurückbringen
des Lichtbogenstroms auf einen zum Schweißen geeigneten Wert nach dem
Locheinbringungsschritt, wie dies in 19 gezeigt
ist (anders ausgedrückt,
wie bei dem in 6 gezeigten Steuerverfahren),
im Hinblick auf das Ermöglichen
der Einbringung des Lochs mit hoher Geschwindigkeit bevorzugt, wobei
zudem die Unterschiede der Anstiegsrate der Lichtbogenspannung in
Abhängigkeit
von der Größe des Spalts
noch deutlicher werden. Ferner ist die Schutzgasströmung bis
zu dem Ende des Locheinbringungsschritts auf einen Wert eingestellt,
der geringfügig
kleiner ist als der geeignete Wert, wobei die Schutzgasströmung auf
einen angemessenen Wert nach dem Locheinbringungsschritt wieder
zurückgebracht wird.
Im Hinblick auf die geringe Schutzgasströmung während des Locheinbringungsschritts
ist es wichtig, daß die
Schutzgasströmung
geeignet derart eingestellt wird, daß sie nicht so gering wird,
daß sich
Probleme im Hinblick auf die Oxydation eines Schweißbereichs
einstellen können.
Die Zuführung
des Füllmaterials
wird während
des Hauptschweißvorgangs
lediglich mit einer Zeitdauer ausgeführt, die mit der Füllmaterialzufuhrmenge übereinstimmt,
die bei dem Schritt des Auswählens
der Schweißbedingungen
festgelegt wurde.
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Die
zweite Methode zur Messung der Spaltgröße kann durch eine Spaltermittlungseinrichtung
mit dem in 14 gezeigten Aufbau ausgeführt werden.
In diesem Fall tastet der Meßabschnitt 132 die
Lichtbogenspannung ab, während
das Fließen
von Lichtbogenstromimpulsen (Lichtbogenstrompuls) während des Locheinbringungsschritts
erzwungen wird. Wenn beispielsweise Lichtbogenstromimpulse mit der
in 16 gezeigten Wellenform eingesetzt werden, wird
die Lichtbogenspannung beispielsweise in Intervallen von jeweils 0,001
Sekunden während
dreier Zeitintervalle A, B und C mit einer Dauer von beispielsweise
0,04 Sekunden ab dem Beginn des Locheinbringungsschritts abgetastet,
wobei die drei Zeitintervalle ihren Mittelpunkt jeweils bei den
drei Zeitpunkten 0,1 Sekunden, 0,3 Sekunden bzw. 0,5 Sekunden ab
dem Beginn des Locheinbringungsschritts haben. Weiterhin führt der
Verarbeitungsabschnitt 134 eine lineare Regressionsberechnung
unter Heranziehung von 120 abgetasteten Lichtbogenwerten aus, und
es wird deren Gradienten, d.h. die Anstiegsrate der Lichtbogenspannung
anhand der erhaltenen Regressionslinie bestimmt (anders ausgedrückt, wird
die in 16 gezeigte strichlierte Linie
ermittelt). In dem Referenzwertspeicherabschnitt 136 ist
eine Nachschlagetabelle gespeichert, die die Übereinstimmung zwischen der
Anstiegsrate der Lichtbogenspannung und der Größe des Spalts (tatsächlich handelt
es sich um die Füllmaterialzufuhrmenge
(Zufuhrzeit) entsprechend der jeweiligen Spaltgröße) angibt. Der Vergleichsabschnitt 137 benutzt
die berechnete Lichtbogenanstiegsrate zur Ermittlung der Füllmaterialzufuhrmenge
(Zufuhrzeit), die der Spaltgröße entspricht,
unter Adressierung der Nachschlagetabelle und sendet diese Füllmaterialzufuhrmenge
(Zufuhrzeit) zu dem Steuerabschnitt 138.
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20 zeigt
die Arbeitsweise der Spaltermittlungseinrichtung 13, wenn
diese gemäß dem zweiten Meßverfahren
zur Messung der Spaltgröße arbeitet.
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Zunächst wird
gleichzeitig mit dem Beginn des Schweißvorgangs (S11) ein Zeitgeber
gestartet (S12). Wenn der Zeitgeber die Meßintervalle anzeigt (in Zeitintervallen
mit einer Dauer von jeweils 0,04 Sekunden und einer Zentrierung
um die Zeitpunkte 0,1 Sekunden, 0,3 Sekunden, 0,5 Sekunden, gerechnet
ab dem Beginn des Locheinbringungsvorgangs) (S13), wird die Lichtbogenspannung
in Intervallen bzw. Abständen
von 0,001 Sekunden abgetastet (S14) und der jeweils abgetastete
Wert einem Filtervorgang unterzogen (S15). Dieser abgetastete Wert
wird dann in dem Speicherabschnitt 135 zur zeitweiligen
Speicherung abgelegt. Wenn dieser Vorgang bei den drei Meßintervallen
ausgeführt
worden ist (S16) und alle Meßintervalle
geendet haben (S17), wird die Anstiegsrate der Lichtbogenspannung
unter Ausführung
einer linearen Regres sionsberechnung unter Heranziehung aller abgetasteten
Werte ermittelt (S18). Im Anschluß hieran wird diese Anstiegsrate der
Lichtbogenspannung dazu benutzt, die Füllmaterialzufuhrmenge, die
der Spaltgröße entspricht,
unter Zugriff auf die Nachschlagetabelle (S19) auszulesen. In Übereinstimmung
mit der ausgelesenen Füllmaterialzufuhrmenge
werden die Schweißbedingungen
für den
Hauptschweißvorgang
ausgewählt
(S20) und der Schweißsteuereinrichtung 14 mitgeteilt.
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Die
geeignete Füllmaterialzufuhrmenge
(Füllmaterialzufuhrzeit),
die für
die Spaltgröße geeignet
ist, kann beliebig gemäß einer
der beiden vorstehend erläuterten
Methoden ermittelt werden. Wie aus 10 ersichtlich
ist, wird es dann, wenn sich der Spalt dem Wert Null annähert, und
das Schweißen
ohne Füllmaterial ausgeführt wird,
möglich,
die Rauhigkeit der Oberfläche
zu verringern. Wenn somit das bei der Spaltermittlung erhaltene
Ergebnis gleich Null ist oder in der Nähe von Null liegt, kann der
Schweißvorgang
ohne Zuführen
von Füllmaterial
durchgeführt
werden, und es können
die Bedingungen so festgelegt werden, daß Füllmaterial nur dann zugeführt wird,
wenn der Spalt größer ist.
Der Vorgang der Zufuhr von Füllmaterial
kann dann gemäß der Darstellung
in 21 ausgeführt
werden.
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Zunächst wird
der Hauptschweißvorgang
gestartet, wobei das Füllmaterial 9 in
den Plasmalichtbogen 20 mit einer konstanten Rate ((A)
in der Figur) eingeführt
wird. Das Füllmaterial
wird zu demjenigen Zeitpunkt angehalten, an dem eine festgelegte
Füllmaterialzufuhrzeit
verstrichen ist ((B) in der Figur) und es wird das Füllmaterial 9 sofort
aus dem Plasmalichtbogen heraus nach außen zurückgezogen ((C) in der Figur).
(Wenn dieser Zurückziehvorgang
ausgeführt
wird, kann der Fall auftreten, daß der Endbereich des Füllmaterials 9 durch
die Hitze des Lichtbogens deformiert wird, nach unten herabhängt und
an dem Werkstück
anhaftet.) Bei einem Zeitpunkt, bei dem die für den Hauptschweißvorgang
festgelegte Zeitdauer verstrichen ist, wird der Plasmalichtbogen
abgeschaltet und es endet der Hauptschweißvorgang ((D) in der Figur).
Bei dem nächsten Schweißvorgang
wird zu demjenigen Zeitpunkt, zu dem der Locheinbringungsvorgang
abgeschlossen ist, die Zufuhr des Füllmaterials mit einer konstanten
Rate bzw. Geschwindigkeit gestartet ((E) in der Figur), und es werden
während
der Zeitdauer, die benötigt
wird, bis die Spitze des Füllmaterials 9 den
Plasmalichtbogen 20 erreicht, der Vorgang der Messung der
Spaltgröße und der
Vorgang der Auswahl der Schweißbedingungen ausgeführt. Der
Hauptschweißvorgang
wird zu demjenigen Zeitpunkt begonnen, an dem die Spitze des Füllmaterials
den Plasmalichtbogen 20 erreicht ((F) in der Figur).
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22 zeigt
einen Aufbau zum Durchführen
dieser Art der Zuführung
des Füllmaterials.
Eine Leitungserfassungseinrichtung 221 ist mit dem Füllmaterial 9 und
einem Werkstück 2 verbunden
und ermittelt, ob zwischen dem Füllmaterial 9 und
dem Werkstück 2 ein
elektrisch leitender Zustand vorliegt oder nicht. Die Leitungserfassungseinrichtung 221 teilt
die Ergebnisse dieser Erfassung der Schweißsteuereinrichtung 14 mit. Wenn
ein Locheinbringungsvorgang endet, befiehlt die Schweißsteuereinrichtung 14 der
Plasmaenergiequelle 11, den Plasmastrom zu verringern,
und gibt gleichzeitig an die Füllmaterialzufuhreinrichtung 8 einen
Befehl zum Starten der Zufuhr des Füllmaterials ab. Im Anschluß hieran
wartet die Schweißsteuereinrichtung 14 darauf,
bis sich das von der Leitungserfassungseinrichtung 22 abgegebene
Ausgangssignal auf "leitend" ändert. Während der Zeit, die das Ausgangssignal
der Leitungserfassungseinrichtung 22 benötigt, bis
es sich in den Zustand "leitend" ändert, mißt die Spaltermittlungseinrichtung 13 die
Größe des Spalts
und informiert die Schweißsteuereinrichtung 14 über die
Schweißbedingung
des Hauptschweißvorgangs.
Wenn sich das Ausgangssignal der Leitungserfassungseinrichtung 22 auf "leitend" ändert (anders ausgedrückt, wenn
die Spitze des Füllmaterials 9 den
Plasmalichtbogen 20 erreicht), befiehlt die Schweißsteuereinrichtung 14 der
Plasmaenergiequelle 11 dann, den Plasmastrom auf einen
zum Schweißen
angemessenen Wert zu steuern, und es beginnt der Hauptschweißvorgang.
Wenn eine vorgegebene Füllmaterialzufuhrzeitdauer
im Anschluß an
den Beginn des Hauptschweißvorgangs
verstrichen ist, steuert die Schweißsteuereinrichtung 14 die
Füllmaterialzufuhreinrichtung 8 derart,
daß diese
die Zufuhr des Füllmaterials
beendet und das Füllmaterial 9 zurückzieht. Da
sich das von der Leitungserfassungseinrichtung 22 abgegebene
Ausgangssignal auf "nicht
leitend" ändert, wenn
die Spitze des Füllmaterials
aus dem Plasmalichtbogen 20 nach außen herausgeführt ist,
schaltet die Schweißsteuereinrichtung 14 im
Anschluß hieran
die Füllmaterialzufuhreinrichtung 8 nach
einer Verzögerung um
nicht mehr als diejenige Zeitdauer ab, die benötigt wird, bis sich die Spitze
des Füllmaterials 9 um
mindestens einen angemessenen Abstand von dem Plasmalichtbogen 20 entfernt
hat. Weiterhin schaltet die Schweißsteuereinrichtung 14 zu
einem Zeitpunkt, zu dem ab dem Beginn des Hauptschweißvorgangs
eine vorgegebene Hauptschweißzeitdauer
verstrichen ist, den Plasmalichtbogen 20 ab, indem sie
Befehle an die Plasmaenergiequelle 11 abgibt.
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Vorstehend
sind die bevorzugten Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung erläutert
worden, wobei es sich jedoch erübrigt,
festzustellen, daß die
vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist
und auch in verschiedenen anderen Ausführungsformen ausgeführt werden
kann. Als Beispiel können
auch andere Steuermuster als diejenigen Steuermuster für die Steuerung
des Lichtbogenstroms, der Gasströmungen
und der Zufuhr des Füllmaterials,
die als Beispiele in den 5, 6 und 19 gezeigt sind,
eingesetzt werden. Ferner können
in Abhängigkeit
von der Spaltgröße nicht
nur die Füllmaterialzufuhrmenge,
sondern auch andere Schweißbedingungen
(z.B. der Lichtbogenstrom, die Lichtbogenspannung, die Plasmagasströmung, die
Plasmagasart, die Schutzgasströmung,
die Schutzgasart, der Abstand (standoff), und dergl.) optimal gesteuert
werden. Ein Beispiel hierfür
wird nachstehend erläutert.
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Wie
in 23 dargestellt ist, umfassen die Locheinbringungs-
und Spalterfassungsschritte die vier Intervalle a, b, c und d wobei
der Hauptlichtbogenstrom in dem Intervall b auf einen besonders
hohen Wert gesteuert wird und die Einbringung des Lochs hauptsächlich während dieses
Intervalls b ausgeführt
wird. Ferner wird die Spalterfassung (einschließlich der Auswahl der Schweißbedingungen)
hauptsächlich
von dem Intervall c einschließlich
bis zu dem Intervall d im Anschluß an den Abschluß der Einbringung
des Lochs durchgeführt.
Der Hauptschweißvorgang
wird im wesentlichen ab dem Intervall d gestartet, und es wird der
Hauptlichtbogenstrom auf einen Wert gesteuert, der für das Schweißen in diesem
Intervall d und dem nachfolgenden Intervall e geeignet ist. Ferner
wird die Zuführung
des Füllmaterials
im Intervall e im Anschluß an
die Auswahl der Schweißbedingungen
durchgeführt.
Der Wert des Lichtbogenstroms in den Intervallen d und e sowie die Füllmaterialförderrate
in dem Intervall e werden auf optimale Werte gesteuert, die an die
Spaltgröße angepaßt sind.
In dem abschließenden
Intervall f wird die Zuführung
des Füllmaterials
beendet und der Lichtbogenstrom auf einen relativ niedrigen Wert
gesteuert. Weiterhin wird im Intervall feine Nachheizung bzw. Nacherwärmung ausgeführt, um hierdurch
die Oberfläche
einer glättenden
Endbearbeitung zu unterziehen, indem das mit dem Füllmaterial
gefüllte
Schmelzbad und das umgebende Stahlblech zur guten Formübereinstimmung
gebracht werden.
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Tabelle
2 zeigt spezielle Beispiele für
die Schweißbedingungen,
die an die Spaltgrößen angepaßt und für jedes
Intervall gemäß 23 dargestellt
sind. Bei den nachfolgenden Beispielen ist ein Fall betrachtet,
bei dem ein galvanisiertes oberes Stahlblech mit einer Dicke von
0,8 mm mit einem unteren Stahlblech aus SPHC Stahl mit einer Dicke
von 1,8 mm verschweißt
wird.
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Bei
den in dieser Tabelle 2 dargestellten Beispielen werden mit zunehmender
Größe des Spalts
die Füllmaterialzufuhrrate
erhöht,
die Füllmaterialzufuhrmenge
vergrößert und
die Plasmalichtbogenenergie angehoben, indem der Wert des Lichtbogenstroms
in den Intervallen d und e erhöht
wird. Bei den in Tab. 2 gezeigten Beispielen sind ferner die nachstehend
angegebenen Bedingungen nicht von der Größe des Spalts abhängig und
können
beispielsweise wie folgt festgelegt werden. Das Plasmagas besteht
hierbei aus Argon mit einem Zusatz von 7% Wasserstoff und einer
Strömungsrate
von 2 Litern/min, während
das Schutzgas aus Argon plus 7% Wasserstoff besteht und die Strömungsrate
gleich 6 Liter/min ist, während
der Abstand (Standoff) gleich 6,5 mm ist.
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