DE19906039A1

DE19906039A1 - Gas-Shieldet AC ARC welding Method and Machine Making Use of Consumable Electrode

Info

Publication number: DE19906039A1
Application number: DE19906039A
Authority: DE
Inventors: Tsuneo Mita; Tsuneo Shinada; Kazushige Ichikawa; Yoshitaka Sakamoto; Koji Nomura; Seigo Nishikawa
Original assignee: Yaskawa Electric Corp; Hitachi Seiko Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd; Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1998-02-12
Filing date: 1999-02-12
Publication date: 1999-09-16
Anticipated expiration: 2019-02-13
Also published as: US6207927B1; FR2774615B1; JP3809983B2; KR19990072556A; JPH11226730A; DE19906039B4; FR2774615A1; KR100554851B1

Abstract

Eine EP-Ausgangsspannung (V¶EP¶), die während einer Periode (T¶EP¶) der EP-Polarität auszugeben ist, wird so eingestellt, daß ein Schweißstrom gleich oder niedriger als ein kritischer Strompegel wird, und eine EN-Ausgangsspannung (V¶EN¶), die während einer Periode (T¶EN¶) der EN-Polarität auszugeben ist, wird auf einen niedrigeren Pegel als die EP-Ausgangsspannung (V¶EP¶) eingestellt. Dies ermöglicht es, im wesentlichen eine Drahtschmelzrate in der Periode (T¶EN¶) der EN-Polarität und die in der Periode (T¶EP¶) der EP-Polarität miteinander abzugleichen. Selbst bei einer derartigen kurzen Lichtbogenlänge, wie sie häufige Kurzschlüsse erzeugt, kann die AC-Lichtbogenschweißung mit Gasabschirmung, die von einem verbrauchbaren Draht Verwendung findet, immer noch stabil durchgeführt werden, so daß eine hohe Drahtschmelzrate, flache Eindringtiefe, konvexe Schweißverstärkung und dergleichen, die charakteristischen Merkmale der AC-Schweißung sind, jeweils wahlweise bei einem gewünschten Pegel oder in einer gewünschten Form abhängig von der Anwendung eingestellt werden können.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG a) Bereich der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf ein AC-Lichtbogenschweißverfahren mit Gasabschirmung und eine Vorrichtung, die Schweißen mittels Zuführung einer im wesentlichen konstanten AC-Spannung zwischen die verbrauchbare Elektrode, die mit einer im wesentlichen kon stanten Rate zugeführt wird, und einem Werkstück durchführt.

b) Beschreibung des verwandten Standes der Technik

Lichtbogenschweißen mit direktem Strom (DC) wird selten durch gerade bzw. direkte Polarität alleine (im folgenden als "EN-Polarität" bezeichnet) durchgeführt, weil EN-Polari tät dazu neigt, einen großen Tropfen an einer Drahtspitze auszubilden, daß ein Lichtbogen instabil ist, daß große Spritzer versprüht werden und daß die Eindringtiefe flach ist. Ande rerseits bringt Gegenpolarität (hiernach als "EP-Polarität" bezeichnet) ein kleines Tröpfchen, einen stabilen Lichtbogen, eine tiefe Eindringtiefe. Die EP-Polarität hat einen weit ver streuten Gebrauch gefunden, weil gute Schweißergebnisse nicht nur bei Schweißen mit großem Strom verfügbar sind, bei dem eine Lichtbogenlänge groß ist, sondern auch bei so genannten Kurzschlußübertragungsschweißen, bei dem Schweißen durchgeführt wird, indem eine Lichtbogenlänge reduziert wird und die Kurzschlußschaltung häufig wiederholt wird, und mit einem geringen Strom ein Lichtbogen erzeugt wird. Ferner wird als ein gasabge schirmtes Lichtbogenschweißverfahren mit verbrauchbarer Elektrode und eine Vorrichtung, die von einem AC-Ausgang Gebrauch macht, eine Technologie in dem japanischen Patent Nr. 2,666,315 offenbart. Gemäß dieser Technologie werden der Pegel eines Stromes in einer Dauer der EP-Polarität und die Länge der Dauer der EP-Polarität, die die Abtrennkraft zur Verfügung stellen, die für die sanfte Übertragung eines Tröpfchens zweckmäßig ist, gemäß dem Material und dem Durchmesser eines Drahtes als einer verbrauchbaren Elektrode, der Zusammensetzung des Abschirmgases und dergleichen eingestellt und die Frequenz einer Ausgangsspannung und der Pegel eines Stromes werden in einer Dauer der EN-Polarität im Verhältnis zu einer Drahtzuführrate eingestellt. Dies ermöglicht es, den Bereich der optima len Schweißbedingungen zu verbreitern, so daß die Wiederherstellung des Lichtbogens im Wechsel sichergestellt ist, ohne hochfrequente Pulse mit hoher Spannung oder dergleichen zu überlagern, wodurch eine stabile Gasentladungs-AC-Lichtbogenschweißung mit einer verbrauchbaren Elektrode ermöglicht wird.

Als eine Schweißvorrichtung, die ein stabiles AC-Lichtbogenschweißen mit Gasabschirmung mit einer verbrauchbaren Elektrode ermöglicht, ist die Schweißvorrichtung, die in dem oben aufgezeigten japanischen Patent Nr. 2,666,315 offenbart ist, mit einer Drahtzuführratenein stelleinrichtung zum Ausgeben eines Einstellsignals für die Drahtzuführrate entsprechend dem Pegel eines Ausgangsstromes, einem Frequenzsignalgenerator für eine Ausgangs spannung, um das Drahtzuführrateneinstellsignal einzugeben und dann ein Ausgangsspan nungsfrequenzsignal auszugeben, das einer Frequenz einer Ausgangsspannung entspricht, einem EP-Polaritätsdauersignalgenerator, um ein EP-Polaritätsdauererregungssignal gemäß einem Einstellsignal auszugeben, das zuvor gemäß den Bedingungen, wie etwa dem Material und dem Durchmesser eines Drahtes und der Zusammensetzung des Abschirmgases einge stellt worden ist, einem EP-Polaritätsstromsignalgenerator, um ein EP-Polaritätsstromsignal gemäß dem Einstellsignal auszugeben, einem EN-Polaritätsperiodensignalgenerator, um ein EN-Polaritätsperiodenerregungssignal auf der Grundlage des EP-Polaritätsperiodenerregungs signals als einem Eingang auszugeben, einem EN-Polaritätsstromsignalgenerator, um ein EN-Polaritatsstromsignal auf der Grundlage des Drahtzuführrateneinstellsignals als einem Eingang auszugeben, wobei das Drahtzuführrateneinstellsignal dem Ausgangsstrom ent spricht, einer Ausgangsstromsteuerung, um den Pegel des EN-Polaritätsstroms und den eines EP-Polaritätsstroms auf der Grundlage des EN-Polaritätsstromsignals bzw. des EP-Polaritäts stromsignals als Eingängen zu steuern, und einer Ausgangsstromerregungsdauersteuerung versehen, um eine EN-Polaritätsstromerregungsperiode bzw. -dauer und eine EP-Polaritäts stromerregungsperiode auf der Grundlage des EN-Polaritätsdauererregungssignals bzw. der EP-Polaritätserregungsdauer als Eingängen zu steuern, wodurch ein Schweißausgang gesteuert wird.

Die oben beschriebene herkömmliche Technologie, die von einem AC-Ausgang Gebrauch macht, ist ein Schweißverfahren, bei dem ein Tröpfchen, das an einer Drahtspitze ausge bildet wird, in einer berührungsfreien Weise auf ein Grundmaterial übertragen wird, indem die magnetische Trennkraft verwendet wird, dies durch einen EP-Polaritätsstrom mit einem kritischen Strompegel oder höher erzeugt wird. Folglich wird die Stabilität eines Lichtbogens beeinträchtigt, falls die Länge des Lichtbogens verkürzt wird und ein Kurzschließen entwic kelt wird. Wenn ferner der Schweißstrompegel höher wird, das heißt, die Drahtzuführrate schneller wird, wird die Periode bzw. Dauer eines EN-Polaritätsstromes kürzer, wodurch es unmöglich gemacht wird, die charakteristischen Merkmale des Schweißens in einer EN-Polaritätsperiode zu verwenden, wie etwa eine niedrige Eindringtiefe und eine hohe Draht schmelzrate.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die oben beschriebenen Probleme des herkömmlichen Standes der Technik zu lösen oder zu verringern, und insbesondere ein AC-Lichtbogenschweißverfahren mit Gasabschirmung zur Verfügung zu stellen und eine Vorrichtung, die von einer verbrauchbaren Elektrode Gebrauch macht, die es möglich machen, einen stabilen Lichtbogenzustand selbst bei Schweißung mit kurzem Lichtbogen begleitet von häufigem Auftreten von Kurzschlüssen zu erhalten, und auch die AC-Frequenz und die Prozentsätze der EP und EP-Polaritätsperioden, wie gewünscht, im Verhältnis zu irgendeinem Schweißstrompegel einzustellen, wodurch die vollständige Verwendung der Vorteile des AC-Lichtbogenschweißens sichergestellt werden, das heißt, charakteristische Merkmale, wie etwa niedrige Eindringtiefe und hohe Drahtschmelzrate.

Bei einem Gesichtspunkt nach der vorliegenden Erfindung wird ein AC-Lichtbogenschweiß verfahren mit Gasabschirmung zur Verfügung gestellt, das von einer verbrauchbaren Elektrode Gebrauch macht, um das Schweißen durch Zuführen einer im wesentlichen konstanten AC-Spannung zwischen der verbrauchbaren Elektrode, die mit einer im wesentli chen konstanten Rate zugeführt bzw. gespeist wird, und einem Werkstück durchzuführen, das aufweist:
eine EP-Ausgangsspannung V_EP wird eingestellt, um während einer Periode bzw. Dauer T_EP der EP-Polarität ausgegeben zu werden, so daß ein Schweißstrom während der Dauer der EP-Polarität nicht größer als ein kritischer Strompegel wird; und auch
eine EN-Ausgangsspannung V_EN, die während einer Periode T_EN der EN-Polarität ausgegeben wird, wird auf einen Pegel eingestellt, der niedriger als die EP-Ausgangs spannung V_EP ist.

Bei dem obigen Verfahren kann ein Unterschied zwischen der EP-Ausgangsspannung V_EP und der EN-Ausgangsspannung V_EN erhöht werden, wie ein Schweißstrom ansteigt. Es ist auch möglich, die Prozentsätze der Periode T_EP der EP-Polarität und der Periode bzw. Dauer T_EN der EN-Polarität auf der Grundlage einer Gesamtzeit der Perioden T_EP, T_EN zu verändern.

Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird auch eine AC-Lichtbogenschweißvorrichtung mit Gasabschirmung zur Verfügung gestellt, die eine ver brauchbare Elektrode verwendet und angepaßt ist, um eine im wesentlichen konstante alternierende Spannung zwischen der verbrauchbaren Elektrode und einem Werkstück über eine Ausgangsschaltung anzulegen, wodurch ein Tröpfchen, das an einer Spitze der ver brauchbaren Elektrode ausgebildet wird, mittels Kurzschließen übertragen wird, die auf weist:
eine Drahteinspeisungs- bzw. -zuführsteuerung, um die verbrauchbare Elektrode mit einer im wesentlichen konstanten Rate zuzuführen,
eine Einstelleinrichtung für eine Periode T_EP einer EP-Polarität,
eine Einstelleinrichtung für eine Periode T_EN einer EN-Polarität,
eine Einstelleinrichtung (13) für eine EP-Ausgangsspannung V_EP, die während der Periode T_EP einer EP-Polarität ausgegeben wird,
eine Einstelleinrichtung (14) für eine EN-Ausgangsspannung V_EN, die während der Periode T_EN der EN-Polarität auszugeben ist,
eine Ausgangsspannungssteuerung, um Pegel der EP- und der EN-Ausgangsspannun gen V_EP, V_EN auf der Grundlage von Signalen zu steuern, die von den Einstelleinrichtungen für die EP- bzw. die EN-Ausgangsspannungen V_EP, V_EN ausgegeben werden, und
eine Polaritätsperiodensteuerung, um die Längen der Perioden T_EP, T_EN der EP- und EN-Polaritäten auf der Grundlage von Signalen zu steuern, die von den Einstelleinrichtungen für die Perioden T_EP, T_EN der EP- bzw. EN-Polaritäten ausgegeben werden, wodurch ein Schweißausgang gesteuert wird; und
eine Schaltung, die aus einem Minimalstromkompensator, der zum Kompensieren einer unteren Grenze eines Schweißstromes dient, und einem Reaktor ausgebildet ist, der in Reihe mit dem Minimalstromkompensator angeschlossen ist, und die parallel zu der Aus gangsschaltung angeschlossen ist.

Die obige Vorrichtung kann ferner aufweisen:
eine Einstelleinrichtung für eine mittlere Schweißspannung V_av, und
eine Einstelleinrichtung für einen Unterschied α zwischen der EP-Ausgangsspannung V_EP und der EN-Ausgangsspannung V_EN,
wodurch die Pegel der ausgegeben EP- und EN-Spannungen V_EP, V_EN gemäß den folgenden Formeln eingestellt werden können:

V_EP = V_av, und

V_EN = V_av-α.

Zusätzlich kann die obige Vorrichtung ferner aufweisen:
eine Einstelleinrichtung für eine AC-Frequenz f_AC, um eine AC-Frequenz f_AC einzustellen, und
eine Einstelleinrichtung für einen Zeitprozentsatz δ, um einen Zeitprozentsatz δ der Periode T_EP der EP-Polarität einzustellen,
wodurch die Längen der Perioden T_EP, T_EN der EP- und EN-Polaritäten gemäß den folgenden Formeln eingestellt werden können:

T_EP = δ/100.f_AC, und

T_EN = (100-δ)/100.f_AC.

Die obige Vorrichtung kann ferner eine Einstelleinrichtung aufweisen, um den Unterschied α zwischen der EP-Ausgangsspannung V_EP und der EN-Ausgangsspannung V_EN auf der Grundlage eines Drahtzuführratensignals zu erhöhen oder zu verringern, das von der Drahtzuführsteuerung ausgegeben wird.

Indem die EP-Ausgangsspannung V_EP, die während der Dauer T_EP der EP-Polarität auszu geben ist, und die EN-Ausgangsspannung V_EN, die während der Dauer bzw. Periode T_EN der EN-Polarität auszugeben ist, wie oben gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, eingestellt werden, können eine Drahtschmelzrate in der Periode (T_EN) der EN-Polarität und die in der Periode (T_EP) der EP-Polarität im wesentlichen einander gleichgesetzt werden, so daß selbst bei einer derart kurzen Lichtbogenlänge, wie sie häufig Kurzschlüsse erzeugt, eine AC-Lichtbogenschweißung mit Gasabschirmung, die von einem verbrauchbaren Draht Gebrauch macht, immer noch stabil durchgeführt werden kann. Darüber hinaus wird keine Beschränkung der AC-Frequenz und der Prozentsätze der Perioden der EN- und der EP-Polaritäten eingebracht. Dies macht es möglich, wahlweise jede hohe Drahtschmelzrate, niedrige Eindringtiefe, konvexe Schweißwiederverstärkung und dergleichen, die charakteri stische Merkmale der AC-Schweißung sind, bei einem gewünschten Pegel oder bei einer gewünschten Form abhängig von der Anwendung einzustellen. Als eine Folge können gute Schweißbetten bzw. Schweißnähte ohne Durchbrennen oder Tropfen z. B. selbst bei ein seitigem Schweißen für eine Verkleidungsübergangsverbindung zwischen extrem dünnen Platten von 1 mm oder weniger in der Dicke bei einem Überlappungsstoß ausgebildet werden, der dreimal größer als die Plattendicke ist, was zu einer bemerkenswerten Ver größerung des schweißbaren Bereiches führt.

KURZE BESCHREIBUNG DER DARSTELLUNGEN

Fig. 1 ist eine grafische Darstellung einer Drahtschmelzrate gegenüber einem Schweißstrom, wenn die EN-Polaritätsschweißung und die EP-Polaritätsschweißung jeweils mit der gleichen voreingestellten Spannung in einer stabilen Lichtbogenzone durchgeführt werden;

Fig. 2 ist eine Darstellung, die die Grundsätze der vorliegenden Erfindung zusammenfaßt;

Fig. 3 ist eine Blockdarstellung einer Schweißvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungs form der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ist eine Blockdarstellung einer Schweißvorrichtung gemäß einer zweiten Ausfüh rungsform nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ist eine Tabelle, die Schweißergebnisse für bestimmte repräsentative Arbeitsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 6 ist eine Darstellung, die Einflüsse des Prozentsatzes ö der Länge einer Periode der EP-Polarität zeigt;

Fig. 7 ist eine Darstellung, die ein Verhältnis zwischen der Drahtzuführrate und einem Unterschied α in der Ausgangsspannung zwischen der EP-Polarität und der EN-Polarität zeigt; und

Fig. 8 stellt Ergebnisse einer dargestellten einseitigen Schweißung für eine Verkleidungs übergangsverbindung dar, wie sie bei äußerst dünnen Platten eingesetzt wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN

Eine Beschreibung des Prinzips des Schweißens gemäß der vorliegenden Erfindung wird zunächst gemacht.

Wenn Kurzschlußübertragungsschweißen durch EP-Polarität allein durchgeführt wird, während die Drahtzuführrate WF konstant aufrechterhalten wird, können Schweißcharakteri stiken grob in Abhängigkeit von dem Pegel einer voreingestellten Ausgangsspannung V_EP in eine Unterspannungszone, wo eine Drahtzuführrate WF höher als eine Drahtschmelzrate MR_EP ist, eine stabile Lichtbogenzone, wo eine Drahtzuführrate WF und eine Drahtschmelz rate MR_EP im wesentlichen gleich zueinander sind, oder eine Überspannungszone unterteilt werden, wo eine Drahtschmelzrate MR_EP höher als eine Drahtzuführrate WF ist. Gleicher mäßen können, wenn Kurzschlußübertragungsschweißen durch EN-Polarität allein durch geführt wird, die Schweißcharakteristiken grob in Abhängigkeit von dem Pegel der vor eingestellten Ausgangsspannung V_EN in eine Unterspannungszone, wo eine Drahtzuführrate WF höher als eine Drahtschmelzrate MR_EN ist, eine stabile Lichtbogenzone, wo eine Drahtzuführrate WF und eine Drahtschmelzrate MR_EN im wesentlichen gleich zueinander sind, oder eine Überspannungszone unterteilt werden, wo eine Drahtschmelzrate MR_EN höher als eine Drahtzuführrate WF ist. Jedoch ist ein passender Spannungsbereich zum Schweißen mittels EN-Polarität allein im wesentlichen der gleiche wie ein passender Span nungsbereich zum Schweißen mittels EP alleine oder ist etwas in Richtung einer niedrigeren Spannungsseite verschoben (eine Seite, die dichter zu 0 V ist; der Pegel von jeder Spannung wird hiernach durch einen absoluten Wert angezeigt). Selbst wenn Schweißen mittels EN-Polarität durchgeführt wird, macht es die Verkürzung der Länge eines Lichtbogens durch Verringerung einer Ausgangsspannung in einen derartigen Lichtbogenspannungsbereich, um ein Kurzschlußübertragungsschweißen zu erlauben, möglich, das Auftreten von großen Tropfen bedeutend ohne irgendeine wesentliche Verringerung der Stabilität des Lichtbogens zu unterdrücken, wodurch Schweißen mit flacher bzw. geringer Eindringtiefe ermöglicht wird.

Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, wobei hiernach eine Beschreibung über ein Verhältnis zwischen der Drahtschmelzrate und dem Schweißstrom bezüglich der Durch führung sowohl von EN-Polaritätsschweißen als auch EP-Polaritätsschweißen bei der gleichen voreingestellten Spannung in einer stabilen Lichtbogenzone gemacht wird. Die Schweißtests wurden unter Verwendung von JIS YGW12 von 0,6 mm Durchmesser als einem Draht und A+20% CO₂ vorgemischtem Gas als einem Abschirmungsgas durchgeführt, während die Drahterstreckung bei 12 mm eingestellt war. Aus der grafischen Darstellung nach Fig. 1 ist es vorzuziehen, daß bei dem gleichen Schweißstrompegel die EN-Polarität größer in der Drahtschmelzrate als die EP-Polarität ist. Wenn das AC-Lichtbogenschweißen durchgeführt wird, indem die Ausgangsspannung bei dem gleichen Pegel sowohl bei der EN-Polarität als auch der EP-Polarität eingestellt ist, wird der Draht im Übermaß bei dem EN-Polaritätsschweißen geschmolzen und die Länge eines Lichtbogens verändert sich synchron zu dem AC-Zyklus, wodurch es unmöglich gemacht wird, eine stabile AC-Lichtbogen schweißung durchzuführen. Es wird auch vorgezogen, daß der Unterschied in der Draht schmelzrate zwischen der EN-Polarität und der EP-Polarität dazu neigt, mit dem Schweiß strom größer zu werden.

Das Prinzip der vorliegenden Erfindung wird als nächstes unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben, in der die Charakteristiken des AC-Schweißens durch Einzeichnen der Aus gangsspannungen V_EP, die bei der Durchführung des Kurzschlußübertragungsschweißens mittels EP-Polarität allein eingestellt sind, entlang der Abszisse, und der Ausgangsspannun gen V_EN entlang der Ordinate, die bei der Durchführung des Schweißens mittels EN-Polari tät allein eingestellt sind, zusammengefaßt sind.

Beim AC-Lichtbogenschweißen, wo EN-Polarität und EP-Polarität abwechselnd wiederholt werden, ist es nötig, die Spannung beim EP-Polaritätsschweißen bei einem passenden Pegel einzustellen, so daß die Drahtzuführrate WF und die Drahtschmelzrate MR_EP beim EP-Polaritätsschweißen miteinander abgeglichen werden können. Entsprechend wird das Schwei ßen durchgeführt, indem die Ausgangsspannung V_EP auf einem passenden Pegel während des EP-Polaritätsschweißens eingestellt wird (das heißt, die Drahtzuführrate WF der Draht schmelzrate MR_EP). Falls die Ausgangsspannung V_EN während des EN-Polaritätsschweißens zu niedrig oder zu hoch bei diesem Schweißen ist, wird die Drahtschmelzrate MR_EN wäh rend des EN-Polaritätsschweißens zu klein oder zu groß, so daß kein stabiler AC-Lichtbogen verfügbar ist. Es ist folglich nötig, die Ausgangsspannung zumindest innerhalb eines Bereiches ABCD in Fig. 2 einzustellen, wobei der Bereich ein passender Spannungsbereich ist, um Schweißen mittels EP-Polarität oder EN-Polarität alleine durchzuführen.

Wenn eine konstante AC-Spannung zugeführt wird, wird die Drahtschmelzrate mittels des eingestellten Pegels der Ausgangsspannung sowohl beim EP-Polaritätsschweißen als auch dem EN-Polaritätsschweißen bestimmt. Da die Drahtzuführrate WF der Drahtschmelzrate MR_EP < die Drahtschmelzrate MR_EN, wie in Fig. 1 dargestellt, ist, ergibt die Einstellung der Ausgangsspannung V_EP ≦ die Ausgangsspannung V_EN ein überschüssiges Schmelzen des Drahtes während des EN-Polaritätsschweißens. Die Lichtbogenlänge fluktuiert folglich synchron zu dem AC-Zyklus, wodurch es unmöglich gemacht wird, eine stabile AC-Licht bogenschweißung durchzuführen. Folglich ist es der dreieckige Bereich, der durch die geneigten Linien in Fig. 2 angezeigt ist, das heißt, dem Bereich, wo die Ausgangsspannung V_EP größer als die Ausgangsspannung V_EN ist, daß ein stabiler AC-Lichtbogen aufrecht erhalten werden kann. In diesem Bereich ist die Drahtzuführrate WF ≈ der Drahtschmelzra te MR_EP der Drahtschmelzrate MR_EN. Selbst wenn der Draht mit einer konstanten Rate zugeführt bzw. gespeist wird, ist es noch möglich, einen stabilen AC-Lichtbogen zu erhal ten, dessen Länge keinen großen polaritätsabhängigen Fluktuationen unterliegt. Ferner wird der AC-Frequenz oder den Prozentsätzen einer Periode einer EN-Polarität und einer Periode einer EP-Polarität keine Beschränkung auferlegt.

Vorrichtungen, die zur Verwendung in der Praxis der vorliegenden Erfindung zweckmäßig sind, werden als nächstes auf der Grundlage der Ausführungsformen, die in den Fig. 3 und 4 dargestellt sind, beschrieben.

Die Schweißvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfin dung wird zuerst unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben. Bei der Nummer 1 ist ein Primärgleichrichter benannt, der an dessen Eingangsseite an eine handelsübliche AC-Ener giequelle und an dessen Ausgangsseite an eine Eingangsseite eines primären Inverters 2 angeschlossen ist. Die Nummer 3 zeigt einen Schweißtransformator an, der an dessen Eingangsseite an einer Ausgangsseite des primären Inverters 2 und dessen Ausgangsseite an einer Eingangsseite eines zweiten bzw. Sekundärgleichrichters 4 angeschlossen ist. Der Sekundargleichrichter 4 ist an dessen Ausgangsseite an eine Eingangsseite eines Sekundärin verters 6 über eine DC-Drossel 5 angeschlossen. Der Sekundärinverter 6 ist an dessen Ausgangsseite an einen Draht 7 und ein Basismetall 8 angeschlossen. Mit der Nummer 9 ist ein Minimalstromkompensator benannt, der eine Energiezufuhr bzw. ein Netzteil mit im wesentlichen konstanten Stromcharakteristiken ist. Der Minimalstromkompensator 9 ist an dessen Anschluß an die Eingangsseite des Sekundärgleichrichters 4 und an dessen gegen überliegenden Anschluß an die Ausgangsseite des Sekundärgleichrichters 4 über eine Drossel 10 angeschlossen.

Das Bezugszeichen 11 zeigt eine PWM-Steuerung, die an deren Eingangsseite an eine Ausgangsspannungssteuerung 12 und an deren Ausgangsseite an einen Primärinverter 2 angeschlossen ist. Die Bezugszeichen 13 und 14 zeigen eine Einstelleinrichtung für eine Ausgangsspannung V_EP während des EP-Polaritätsschweißens bzw. eine Einstelleinrichtung für eine Ausgangsspannung V_EN während des EN-Polaritätsschweißens. Diese Einstellein richtungen 13, 14 sind beide an die Ausgangsspannungssteuerung 12 angeschlossen. Mit dem Bezugszeichen 15 ist eine Polaritätsperiodensteuerung benannt, die an den Sekundärinverter 6 und auch an die Ausgangsspannungssteuerung 12 angeschlossen ist. Die Bezugszeichen 16, 17 zeigen eine Einstelleinrichtung für eine Periode T_EP der EP-Polarität und eine Einstellein richtung für eine Periode T_EN der EN-Polarität an. Diese Einstelleinrichtungen 16, 17 sind beide an die Polaritätsperiodensteuerung 15 angeschlossen. Mit dem Bezugszeichen 18 ist eine Drahtzuführsteuerung benannt, die einen dargestellten Motor zum Antrieb von Rollen bzw. Walzen 19 erregt.

Als nächstes wird eine Beschreibung des Betriebs der Schweißvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung gemacht.

Die Ausgangsspannungen V_EP, V_EN werden zuvor mittels der Einstelleinrichtungen 13 bzw. 14 eingestellt. Gleichermaßen werden Perioden T_EP, T_EN im voraus durch die Einstellein richtungen 16 bzw. 17 eingestellt. Ferner wird ein Schweißstrom auch zuvor eingestellt, indem eine Drahtzuführrate eingestellt wird. Wenn das Schweißen begonnen wird, gibt die Polaritätsperiodensteuerung 15 Signale zu der Ausgangsspannungssteuerung 12 und dem Sekundärinverter 6 aus, wann immer die Perioden abgelaufen sind, die durch die Einstellein richtungen 16, 17 eingestellt werden. In der Periode T_EP wählt die Ausgangsspannungs- Steuerung 12 die Spannung aus, die an der Einstelleinrichtung 13 eingestellt ist, und in der Periode T_EN wählt die Ausgangsspannungssteuerung 12 die Spannung aus, die an der Einstelleinrichtung 14 eingestellt ist. Die Ausgangsspannungssteuerung 12 gibt zu der PWM-Steuerung 11 ein Steuersignal aus, das dem Pegel der so ausgewählten Spannung entspricht. Die PWM-Steuerung 11 steuert den Primärinverter 2 in einer derartigen Weise, daß eine Spannung, die zwischen dem Draht 7 und dem Basismaterial 8 anzulegen ist, zu der Aus gangsspannung V_EP oder der Ausgangsspannung V_EN gleich wird. Andererseits wechselt der Sekundärinverter 6 in der Polarität mittels eines Signals von der Ausgangsspannungs steuerung 12 über. Der Minimalstromkompensator 9 dient dazu, um einen Schweißstrom davon abzuhalten, auf einen vorbestimmten Pegel oder darüber abzufallen. Ferner erzeugt die Drossel 10 eine Spitzenspannung bei Alternierung und vermeidet eine Lichtbogenunter brechung, um eine sanfte Wiederherstellung des Lichtbogens bei der Alternierung bzw. Umkehr selbst dann sicherzustellen, wenn die Bedingungen bei der Umkehrung bzw. Alternierung wegen der Voreinstellung von relativ niedrigen Spannungen und wiederholter bzw. häufiger irregulärer Wiederholung von Kurzschließen und Lichtbogen nicht konstant werden.

Eigentümlicherweise macht es die Einstellung der Ausgangsspannung V_EN durch die Einstell einrichtung 14 auf einen Pegel um 1 bis 2 V niedriger als die Ausgangsspannung V_EP, die an der Einstelleinrichtung 13 eingestellt ist, möglich, Fluktuationen der Länge eines Licht bogens während des Schweißens zu verringern, wobei die Fluktuationen aufgrund von Änderungen der Polarität stattfinden.

Die Schweißvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung wird als nächstes unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben, in der Bestandteile des Aufbaus, die identisch zu entsprechenden Bestandteilen in Fig. 3 sind oder die gleichen Funktionen wie die entsprechenden Bestandteile in Fig. 3 haben, durch gleiche Bezugsziffern identifiziert. Eine Beschreibung von derartigen Bestandteilen wird folglich hierin vermieden. In Fig. 4 zeigt die Nummer 22 eine Einstelleinrichtung für eine AC-Frequenz f_AC (= 1/(T_EP + T_EN) an und die Einstelleinrichtung 22 ist an eine Berechnungseinrichtung 16a für eine Periode T_EP und auch an eine Berechnungseinrichtung 17a für eine Periode bzw. Dauer T_EN angeschlossen. Mit der Nummer 23 ist eine Einstelleinrichtung für einen EP-Periodenzeit prozentsatz δ (= 100 T_EP/(T_EP + T_EN) benannt und die Einstelleinrichtung 23 ist an die Berechnungseinrichtung 16a und auch an die Berechnungseinrichtung 17a angeschlossen. Die Nummer 30 zeigt eine Einstelleinrichtung für eine mittlere Schweißspannung V_av an, die an die Einstelleinrichtung 13, eine Einstelleinrichtung 31 und die Drahtzuführratensteuerung 18 angeschlossen ist. Eigentümlicherweise gibt die Einstelleinrichtung 31 zu der Einstellein richtung 14 einen Befehlswert der Spannung ein, der durch Subtraktion von α, das durch die Einstelleinrichtung 31 eingestellt worden ist, von einer mittleren Schweißspannung V_av erhalten worden ist, die durch die Einstelleinrichtung 30 eingestellt worden ist.

Der Betrieb der Schweißvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform nach der vorlie genden Erfindung wird hiernach beschrieben. Durch die Einstelleinrichtungen 22, 23, 30 werden im voraus eine AC-Frequenz f_AC, ein Zeitprozentsatz δ und eine mittlere Schweiß spannung V_av eingestellt. Ferner wird zuvor ein Schweißstrom durch Einstellen einer Drahtzuführrate eingestellt. Wenn das Schweißen begonnen wird, gibt die Polaritätsperioden steuerung 15 Signale zu der Ausgangsspannungssteuerung 12 und dem Sekundärinverter 6 aus, wann immer die Perioden T_EP, T_EN, die gemäß den unten beschriebenen Formeln durch die Rechnungseinrichtungen 16a bzw. 17a berechnet werden, abgelaufen sind.

T_EP = δ/100.f_AC, und

T_EN = (100-δ)/100.f_AC.

Die Ausgangsspannungssteuerung 12 wählt die mittlere Spannung V_av, die durch die Einstell einrichtung 30 eingestellt worden ist, als V_EP in der Periode T_EP aus oder wählt eine Spannung aus, die durch Abziehen von α, eingestellt durch die Einstelleinrichtung 31, von der mittleren Schweißspannung V_av, eingestellt durch die Einstelleinrichtung 30, als V_EN in der Periode T_EN erhalten worden ist; und er gibt zu der PWM-Steuerung 11 ein Steuersignal aus, das dem so ausgewählten Spannungspegel entspricht.

Verglichen mit der ersten Ausführungsform erfordert die zweite Ausführungsform, daß wenigen Parameter eingestellt werden und folglich ist sie bei der Einstellung der Schweißbe dingungen einfacher. Übrigens können die Einstelleinrichtungen 30, 31 unmittelbar an die Ausgangsspannungssteuerung 12 ohne die Anordnung der Einstelleinrichtungen 13, 14 angeschlossen werden.

Ferner können die mittlere Schweißspannung V_av und die Differenz α als Funktionen des Schweißstromes oder der Drahtzuführrate bestimmt werden und, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 4 gezeigt, können automatisch auf der Grundlage eines Signals von der Drahtzuführratensteuerung 18 eingestellt werden. Es ist zu bemerken, daß die Funktionen, die unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben worden sind, nicht erforderlich sind, um alle zusammen benutzt zu werden, können aber wahlweise, wie gebraucht, benutzt werden.

Schweißen wurde unter Verwendung der vorliegenden Erfindung durchgeführt. Repräsentati ve Beispiele der Ergebnisse des Schweißens sind in Fig. 5 tabelliert. Wie es aus der Tabelle deutlich wird, wurden gute Ergebnisse des Schweißens bei sämtlichen Beispielen erhalten, obwohl der Drahtdurchmesser, die Zusammensetzung des Abschirmungsgases, die Draht zuführrate, die AC-Frequenz f_AC und der Prozentsatz δ der EP-Polaritätsperiode weithin verändert wurden.

Wirkungen des Prozentsatzes δ der Länge einer Periode der EP-Polarität werden unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben. Als ein Beispiel wurde eine Schweißung einer Rippe bzw. Naht auf eine Platte auf einem zinkbeschichteten bzw. galvanisierten Stahl von 0,7 mm Dicke mittels Metallaktivgasschweißung durchgeführt. Die Schweißvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung wurde verwendet. Als ein Draht wurde ein JIS YGW12-Draht mit 0,6 mm im Durchmesser verwendet. Die Drahtzuführrate wurde mit einer konstanten Geschwindigkeit von 6,7 m/Minute gesteuert. Ein vorgemischtes Gas von Ar+20% CO₂ wurde als Abschirmungsgas zugeführt. Ferner wurde die EP-Span nung V_EP bei 17,5 V, die EN-Spannung V_EN bei 16,5 V, die AC-Frequenz f_AC bei 3,3 Hz und der Prozentsatz δ der EP-Polaritätsperiode bei 50% oder 17% eingestellt. Bei jeder Schweißgeschwindigkeit führte die Auswahl des kleineren δ zu einer kleineren Bettbreite und Betteindringtiefenbreite und führte zu der Ausbildung eines konvexen Bettes bzw. Schweiß naht mit flacherer Eindringtiefe. Ferner wurde selbst ein AC-Schweißen bei δ = 50% die oben beschriebene Tendenz kennzeichnender als die in dem Fall des herkömmlichen DC-EP-Polaritätsschweißens, das mittels durchgezogener Kurven in der Darstellung gezeigt ist.

Ferner wird ein Verhältnis zwischen einer Drahtzuführrate und einem Unterschied bzw. einer Differenz α (= V_EP-V_EN) in der Ausgangsspannung zwischen der EP-Polarität und der EN-Polarität unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben. Als ein Draht wurde ein YGW12-Draht mit 0,6 mm Durchmesser verwendet. Vorgemischtes Gas aus Ar+20% CO₂ wurde als Abschirmgas zugeführt. Ferner wurden die AC-Frequenz f_AC und der Prozentsatz δ der EP-Polaritätsperiode auf konstant 3,3 Hz und 50% eingestellt. In der Darstellung zeigen Kreise mit kleinen schwarzen Bereichen ein besseres Lichtbogenverhalten. Die Werte der äußeren Spannung V_EP und von α werden weit verändert. Es ist ermittelt worden, daß unabhängig von der Ausgangsspannung V_EP es der Bereich von α < 0 ist, der saubere Schweißergebnisse zur Verfügung stellt. Es ist ermittelt worden, daß die obere Grenze von α mit der Drahtzuführrate ansteigt.

Unter Verwendung von zinkbeschichtetem Stahl bzw. von mit Zink galvanisiertem Stahl von 0,7 mm Dicke wurde eine einseitige Verkleidungsübergangsschweißung für eine einschnittige Verbindung bei einer Spaltbreite von 2 mm durchgeführt. Die äußere Erscheinung und der Querschnitt von jedem Bett bzw. Schweißnaht, die als ein Ergebnis des Schweißens ausge bildet wurden, sind in Fig. 8 gezeigt. (a) zeigt Schweißergebnisse gemäß der vorliegenden Erfindung, während (b) die Ergebnisse von der herkömmlichen CD-EP-Polaritätsschweißung zeigt. Wie es aus den Figuren einfach zu verstehen ist, ergab das einseitige Verkleidungs übergangsschweißen, das unter Verwendung der Schweißvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde (AC-Frequenz f_AC: 3,3 Hz, Prozentsatz δ der EP-Polaritäts periode: 50%), für einen Überlappungsstoß die Ausbildung von einem guten Verkleidungs übergangsbett bzw. -schweißnaht ohne große Eindringtiefe zu der Rückseite. Das Bett bzw. die Schweißnaht stellt derartige Konfigurationen dar, daß absolut keine Bedenken auf tauchen, die gegen ein Durchbrennen benötigt werden. Andererseits scheiterte das herkömm liche Schweißen dabei, irgendein gutes Verkleidungsübergangsbett bzw. -schweißnaht zu bilden, weil Durchbrennen stattfindet, wenn die Plattendicke äußerst klein war und die Spaltbreite ungefähr dreimal so groß wie die Plattendicke war.

Es ist insbesondere beschrieben, daß sich, da ein Basismetall kurz nach dem Beginn der Schweißung kalt ist (an der Position, die in der Figur durch "a" angezeigt ist), Schmelze von einem Draht auf der unteren Platte abgeschieden wird und sich graduell infolge von Ober flächenspannung bzw. -zugspannungen aufschichtet. Wenn die Schmelze eine obere Platte erreicht, werden die obere Platte und die untere Platte verbunden bzw. überbrückt, so daß eine gute Verkleidungsübergangsschweißnaht bzw. -bett ausgebildet ist. Wenn die Tempera tur des Grundmetalls ansteigt, wenn die Schweißung voranschreitet, spritzt die Schmelzpfüt ze in einer horizontalen Richtung heraus und liegt flach. Keine Brücke wird zwischen der oberen Platte und der unteren Platte (die in der Figur mittels "b" angezeigte Position) ausgebildet. Wenn der Schweißzustand bei "a" fortgesetzt wird, wird eine überschüssig große Menge von Hitze in der unteren Platte absorbiert. Die untere Platte wird folglich dazu veranlaßt, vollständig zu schmelzen, so daß ein Durchbrennen der unteren Platte stattfindet (an der Stellung, die in der Figur durch "c" angezeigt ist).

Claims

1. Gasabgeschirmtes AC-Lichtbogenschweißverfahren mit verbrauchbarer Elektrode, das Gebrauch macht von einer verbrauchbaren Elektrode zur Durchführung der Schweißung mittels Zufuhr einer im wesentlichen konstanten AC-Spannung zwischen der verbrauchbaren Elektrode, die mit einer im wesentlichen konstanten Rate zugeführt wird, und einem Werk stück, das aufweist:
eine EP-Ausgangsspannung (V_EP), die während einer Periode bzw. Dauer (T_EP) der EP-Polarität ausgegeben wird, so daß ein Schweißstrom während der Dauer der EP-Polarität nicht größer als ein kritischer Strompegel wird wird eingestellt; und auch
eine EN-Ausgangsspannung (V_EN), die während einer Periode (T_EN) der EN-Polarität ausgegeben wird, wird auf einen Pegel eingestellt, der niedriger als die EP-Ausgangs spannung (V_EP) ist.

2. Verfahren gemäß dem Anspruch 1, wobei eine Differenz zwischen der EP-Ausgangs spannung (V_EP) und der EN-Ausgangsspannung (V_EN) ansteigt, wenn ein Schweißstrom ansteigt.

3. Verfahren gemäß dem Anspruch 1, wobei die Prozentsätze der Periode bzw. Dauer (T_EP) der EP-Polarität und die Periode (T_EN) der EN-Polarität auf der Grundlage einer Gesamtzeit der Perioden bzw. Dauern (T_EP, T_EN) verändert werden.

4. Gasabgeschirmte AC-Lichtbogenschweißvorrichtung mit verbrauchbarer Elektrode, die Gebrauch von einer verbrauchbaren Elektrode (7) macht und angepaßt ist, um eine im wesentlichen konstante Wechselspannung zwischen der verbrauchbaren Elektrode (7) und einem Werkstück über eine Ausgangsschaltung (1-6) anzulegen, wodurch ein Tröpfchen, das an einer Spitze der verbrauchbaren Elektrode ausgebildet wird, mittels Kurzschluß über tragen wird, die aufweist:
eine Drahtzuführsteuerung (18), um die verbrauchbare Elektrode (7) mit einer im wesentlichen konstanten Rate zuzuführen,
eine Einstelleinrichtung (16) für eine Periode bzw. Dauer (T_EP) einer EP-Polarität,
eine Einstelleinrichtung (17) für eine Periode bzw. Dauer (T_EN) einer EN-Polarität,
eine Einstelleinrichtung (13) für eine EP-Ausgangsspannung (V_EP), die während der Periode (T_EP) einer EP-Polarität ausgegeben wird,
eine Einstelleinrichtung (14) für eine EN-Ausgangsspannung (V_EN), die während der Periode (T_EN) der EN-Polarität auszugeben ist,
eine Ausgangsspannungssteuerung (12), um die Pegel der EP- und der EN-Aus gangsspannungen (V_EP, V_EN) auf der Grundlage von Signalen zu steuern, die von den Einstelleinrichtungen (13, 14) für die EP- bzw. die EN-Ausgangsspannungen (V_EP, V_EN) ausgegeben werden, und
eine Polaritätsperioden- bzw. -dauersteuerung (15), um die Längen der Perioden bzw. Dauern (T_EP, T_EN) der EP- und EN-Polaritäten auf der Grundlage von Signalen zu steuern, die von den Einstelleinrichtungen (16, 17) für die Perioden (T_EP, T_EN) der EP- bzw. EN-Polaritäten ausgegeben werden, wodurch ein Schweißausgang gesteuert wird; und
eine Schaltung, die aus einem Minimalstromkompensator (9), der zum Kompensieren einer unteren Grenze eines Schweißstromes dient, und einer Drossel (10) ausgebildet ist, der in Reihe mit dem Minimalstromkompensator (9) angeschlossen ist und die parallel mit bzw. zu der Ausgangsschaltung (1-6) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 4, die ferner aufweist:
eine Einstelleinrichtung (30) für einen mittlere Schweißspannung (V_av), und
eine Einstelleinrichtung (31) für eine Differenz (α) zwischen der EP-Ausgangs spannung (V_EP) und der EN-Ausgangsspannung (V_EN),
wodurch die Pegel der ausgegeben EP- und EN-Spannungen (V_EP, V_EN) gemäß den folgenden Formeln eingestellt werden können:
V_EP = V_av, und
V_EN = V_av-α.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, die ferner aufweist:
eine Einstelleinrichtung (22) für eine AC-Frequenz f_AC, um eine AC-Frequenz (f_AC) einzustellen, und
eine Einstelleinrichtung (23) für einen Zeitprozentsatz δ, um einen Zeitprozentsatz δ der Periode bzw. Dauer (T_EP) der EP-Polarität einzustellen,
wodurch die Längen der Perioden bzw. Dauern (T_EP, T_EN) der EP- und EN-Polaritä ten gemäß den folgenden Formeln eingestellt werden können:
T_EP = δ/100.f_AC, und
T_EN = (100-δ)/100.f_AC.

7. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 5, die ferner eine Einstelleinrichtung (31) zum Erhöhen oder Verringern der Differenz (α) zwischen der EP-Ausgangsspannung (V_EP) und der EN-Ausgangsspannung (V_EN) auf der Grundlage eines Drahtzuführratensignals, das von der Drahtzuführsteuerung (18) ausgegeben wird.