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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum MIG/MAG-Lichtbogenschweißen bei dem in einer ersten
Betriebsphase während
einer vorgegebenen ersten Zeitdauer (ts1) ein erster Lichtbogenbetriebszustand
und bei dem in einer zweiten Betriebsphase während einer vorgegebenen zweiten
Zeitdauer (tp1) ein zweiter Lichtbogenbetriebszustand aufrechterhalten
wird, wobei zur Beaufschlagung des Schweissprozesses wechselweise
zu bestimmten vorgebbaren Zeitpunkten zwischen den beiden Betriebszuständen umgeschaltet
wird.
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Beim
Lichtbogenschweißen
unterscheidet man je nach eingestellten Schweißparametern unterschiedliche
Materialübergangsformen,
sogenannte Lichtbogenbetriebszustände. Im unteren Leistungsbereich,
d.h. bei niedrigen Stromstärken
und Lichtbogenspannungen tritt als Betriebszustand der sogenannte
Kurzlichtbogen auf. In diesem Zustand bildet sich unter dem Einfluss
der Lichtbogenwärme
am Elektrodenende ein kleiner Tropfen, der wegen der Kürze des
Lichtbogens schon bald Kontakt mit dem Schmelzbad bekommt. Es entsteht
dann ein Kurzschluss, so dass der Lichtbogen erlischt. Der Tropfen wird
durch die Oberflächenspannungen
des Schmelzbads am Drahtende abgesaugt und anschließend zündet der
Lichtbogen wieder. Dieser Vorgang wiederholt sich je nach verwendetem Schutzgas
in Abständen
von ca. 20 bis 100 mal in der Sekunde. Beim Betriebszustand des
Kurzlichtbogens handelt es sich um einen relativ kalten Prozess,
d.h. es wird wenig Wärme
in den Schweißprozess
eingebracht.
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Davon
zu unterscheiden ist der Betriebszustand des Impulslichtbogens,
welcher auftritt, wenn statt des gleichförmigen Stroms ein impulsförmiger Strom
zum Schweißen
verwendet wird. Dabei wird aufgrund des sogenannten Pinch-Effekts,
d.h. unter Einwirkung der Lorenzkraft, die eine aus dem umgebenden
Magnetfeld resultierende, radial nach innen gerichtete Kraft darstellt,
das schmelzflüssige
Elektrodenende eingeschnürt
und einzelne Tropfen von diesem abgelöst, d.h. in der Impulsphase
geht jeweils ein Tropfen von der Elektrodenspitze ab. Somit kommt
es zu einem feintröpfigen,
spritzerarmen Schweißprozess,
bei dem ein vergleichsweise höherer
Wärmeeintrag
als beim Kurzlichtbogen in den Schweißprozess erfolgt.
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Aus
der Praxis ist eine Vorrichtung zum MIG/MAG-Schweißen bekannt,
wie sie der eingangs genannten Art entspricht. Die hieraus bekannte
Vorrichtung sieht vor, abwechselnd einen ersten Lichtbogenbetriebszustand
(Impulslichtbogen) und einen zweiten Lichtbogenzustand (Kurzlichtbogen)
aufrechtzuerhalten. Durch Kombination der beiden Lichtbogenbetriebszustände können die
positiven Eigenschaften beider Prozesse genutzt werden, ohne gleichzeitig
ihre Nachteile in Kauf nehmen zu müssen: während der Impulslichtbogenphase
wird für den
notwendigen Wärmeeintrag
und damit für
den Einbrand gesorgt, während
in der Kurzlichtbogenphase das Schweißbad abgekühlt wird. Dieser Prozess erlaubt
das Schweißen
von sehr dünnen
Blechen und ist besonders beim Schweißen von Aluminium oder hochlegierten
Werkstoffen bevorzugt einsetzbar. Der Wechsel zwischen den beiden
Lichtbogenbetriebszuständen
erfolgt bei der bekannten Vorrichtung jeweils nach dem Ablauf bestimmter eingestellter
Zeiten. Allerdings kommt es beim Übergang zwischen den Betriebszuständen zu
unkontrolliertem Materialübergang
und somit zu einem unbefriedigendem Schweißverhalten.
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Der
Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art hinsichtlich des Schweißverhaltens weiter
zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
dass die Stromquelle Detektormittel für den Zeitpunkt des Materialüberganges
im Lichtbogen aufweist, derart, dass die Umschaltung auf den nachfolgenden
Betriebszustand synchronisiert mit einem Zeitpunkt des Materialüberganges
im aktuellen Betriebszustand erfolgt.
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Die
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine periodische Umschaltung
zwischen den beiden Lichtbogenbetriebszuständen erfolgt, welche orientiert
ist an dem tatsächlichen
Materialübergang im
Lichtbogen. Erfindungsgemäß wird detektiert,
zu welchem Zeitpunkt der Materialübergang jeweils erfolgt, so
dass davon ausgehend synchronisiert mit dem ermittelten Zeitpunkt
des Materialübergangs
der Übergang
vom aktuellen in den nachfolgenden Betriebszustand des Lichtbogens
erfolgt. Durch eine solche synchronisierte Umschaltung wird erreicht, dass
ein kontrollierter Materialübergang
erhalten bleibt, so dass sich das Schweißverhalten verbessert. Der
synchronisierte Übergang
vom Kurzlichtbogen zum Impulslichtbogen erfolgt immer unmittelbar nach
dem Materialübergang
im Kurzschluss während der
Kurzlichtbogenphase. Der Übergang
wird also von dem Detektormittel durch das Auflösen des Kurzschlusses detektiert.
Demgegenüber
erfolgt der synchronisierte Wechsel vom Impulslichtbogen zum Kurzlichtbogen
immer nach einem vorherigen Materialübergang im Stromimpuls derart,
dass nach dem Ende des Stromimpulses der Wechsel zurück zum Kurzlichtbogen
erfolgt.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass im Anschluss an den Zeitpunkt des
Materialüberganges
im aktuellen Betriebszustand vor dem Übergang in den nachfolgenden
Betriebszustand eine voreinstellbare Totzeit (ts2, tp2) verbleibt.
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Eine
solche Totzeit kann sowohl beim Übergang
vom Kurzlichtbogen zum Impulslichtbogen als auch beim Übergang
vom Impulslichtbogen zum Kurzlichtbogen vorgesehen sein, um einen
definierten Übergang
zwischen den Lichtbogenbetriebszuständen zu schaffen. Dabei können die
Totzeiten innerhalb eines Bereichs von einigen Millisekunden gewählt werden
und je nach Übergangsrichtung
(vom Kurzlichtbogen zum Impulslichtbogen bzw. vom Impulslichtbogen
zum Kurzlichtbogen) unterschiedlich dimensioniert sein.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass die vorgegebene erste Zeitdauer
(ts1) des ersten Lichtbogenbetriebszustands bzw. die vorgegebene
zweite Zeitdauer (tp1) des zweiten Lichtbogenbetriebszustands jeweils
zwischen 20 und 500 ms betragen. Durch die entsprechende Auswahl
der Zeiten für
den ersten bzw. zweiten Lichtbogenbetriebszustand lässt sich eine
günstige
Anpassung an die Schweißaufgabe hinsichtlich
des Energieeintrags erreichen.
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Insbesondere
ist vorgesehen, dass das Verhältnis
aus der vorgegebenen ersten Zeitdauer (ts1) des ersten Lichtbogenbetriebszustands
und der vorgegebenen zweiten Zeitdauer (tp1) des zweiten Lichtbogenbetriebszustands
in Form einer Kennlinie in Abhängigkeit
von der Drahtvorschubgeschwindigkeit vorgebbar, insbesondere vorprogrammierbar,
ist. Dadurch, dass das Verhältnis
der beiden Zeiten (Kurzlichtbogenzeit, Impulslichtbogenzeit) über den Parameter
der Drahtgeschwindigkeit frei verändert bzw. programmiert werden
kann, bedeutet dies, dass bei kleinen Drahtfördergeschwindigkeiten des Schweißdrahts
der Schweißprozess
eine längere Kurzlichtbogenphase
und eine kürzere
Impulslichtbogenphase aufweist. Erhöht man demgegenüber die Drahtgeschwindigkeit,
so verändert
sich automatisch das Verhältnis
von Kurzlichtbogenzeit zu Impulslichtbogenzeit derart, dass die
Impulslichtbogenphase länger
als die Kurzlichtbogenphase wird und entsprechend mehr Energie eingetragen
wird. Im Extremfall kann nur entweder die Kurzlichtbogenphase oder
nur die Impulslichtbogenphase genutzt werden, wenn eine der beiden
genannten Zeiten zu 0 wird.
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Die
Kennlinie ist frei programmierbar und kann für verschiedene Kombinationen
aus Material, Drahtdurchmesser und Gasart abgespeichert bzw. aufgerufen
werden.
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Die
gilt auch für
die voreinstellbaren Totzeiten.
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Dadurch,
dass nach einer weiteren bevorzugten Ausführungform sämtliche Schweißparameter
in einem geeigneten Steuermittel digital in einem Mikroprozessor
programmierbar, abspeicherbar und durch die Auswahl von Material,
Drahtdurchmesser und Gasart vom Schweißer auf einfache Art abrufbar sind,
lässt sich
eine Verbesserung der Handhabbarkeit des Schweißgerätes erreichen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Diagrammen näher erläutert.
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Dabei
zeigen
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1 den
zeitlichen Verlauf des Schweißstromes
Is bei einem sich aus zwei Lichtbogenbetriebszuständen zusammensetzenden
Schweißprozess;
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2 einen
zeitlichen Ausschnitt aus der Darstellung nach 1;
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3 ein
Beispiel für
eine Kennliniendarstellung im Zusammenhang mit der Erfindung.
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1 zeigt
den zeitlichen Verlauf des Schweißstroms Is in einem Schweißprozess,
der sich aus zwei Lichtbogenbetriebszuständen zusammensetzt. Hierbei
handelt es sich um einen ersten Lichtbogenbetriebszustand, welcher
dem Kurzlichtbogenzustand entspricht und während einer vorgegebenen ersten
Zeitdauer ts1 aufrechterhalten wird. Zu erkennen ist jeweils der
Anstieg des Schweißstromes
während
der Tropfenbildungsphase. Nachdem der Tropfen Kontakt mit dem Schmelzbad
bekommt, entsteht ein Kurzschluss und somit ein steiler Stromabfall
verbunden mit dem Materialübergang.
Anschließend zündet der
Lichtbogen wieder und der Prozess wiederholt sich periodisch.
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Der
in 1 dargestellte zweite Lichtbogenbetriebszustand
ist derjenige des Impulslichtbogens, bei dem zunächst ein steiler Stromanstieg
in Folge des impulsförmigen
Stroms erfolgt, bis sich unter Einwirkung des Pinch-Effekts in der
Impulsphase ein Tropfen von der Elektrodenspitze ablöst und es
dabei zum Materialübergang
kommt. Die Dauer der zweiten Betriebsphase ist in 1 mit
tp1 dargestellt. Beide beschriebenen Lichtbogenbetriebszustände wechseln
sich periodisch ab.
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2 zeigt
einen Ausschnitt aus dem Diagramm nach 1 zum Zeitpunkt
des Übergangs zwischen
dem Kurzlichtbogenbetriebszustand und dem Impulslichtbogenzustand
bzw. beim Übergang vom
Impulslichtbogenzustand zum Kurzlichtbogenzustand.
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Der Übergang
vom Kurzlichtbogenzustand zum Impulslichtbogenzustand wird dadurch
initiiert, dass das Auflösen
der Kurzschlussphase beim Kurzlichtbogen detektiert wird und nach
Ablauf einer von außen
vorgebbaren Totzeit ts2 der Wechsel zum Impulslichtbogenzustand
erfolgt. Der Wechsel vom Impulslichtbogenzustand zum Kurzlichtbogenzustand zurück erfolgt
nach Detektierung eines vorherigen Materialübergangs im Stromimpuls, wobei
nach dem Ende des Stromimpulses eine einstellbare Totzeit tp2 gestartet
wird, nach deren Ablauf der Wechsel zurück zum Kurzlichtbogen erfolgt.
Gemäß der Erfindung
erfolgt also die Umschaltung auf den nachfolgenden Betriebszustand
immer synchronisiert mit Zeitpunkt des Materialübergangs im aktuellen Betriebszustand, und
zwar unabhängig
davon, ob der aktuelle Betriebszustand der Kurzlichtbogenzustand
oder der Impulslichtbogenzustand ist. Die jeweiligen Totzeiten ts2
zwischen Kurzlichtbogenzustand und Impulslichtbogenzustand bzw.
tp2 zwischen Impulslichtbogenzustand und Kurzlichtbogenzustand sind
dabei frei programmierbar ebenso wie das Verhältnis der Kurzlichtbogenzeit
ts1 zur Impulslichtbogenzeit tp2.
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3 zeigt
die Abhängigkeit
des Verhältnisses
der beiden Lichtbogenzustandszeiten ts1 für den Kurzlichtbogen und tp1
für den
Impulslichtbogen in Abhängigkeit
von dem Parameter Drahtvorschubgeschwindigkeit. Die in 3 dargestellte
Kennlinie kann dabei beliebig programmiert werden und an die entsprechende
Schweißaufgabe
angepasst sein. Je nach Vorgabe der Kennlinie lässt sich bei einer Veränderung
der Drahtvorschubgeschwindigkeit somit automatisch das Verhältnis aus
Impulslichtbogenzustandslänge
tp1 und Kurzlichtbogenzustandslänge ts1
verändern,
so dass bei kleinen Drahtvorschubgeschwindigkeiten eine längere Kurzlichtbogenphase und
eine kürze
Impulslichtbogenphase stattfindet, während bei höherer Drahtvorschubgeschwindigkeit eine
längere
Impulslichtbogenphase und eine kürzere
Kurzlichtbogenphase stattfindet. Je nach Kombination aus Material,
Drahtdurchmesser und Gasart ergibt sich eine andere Kennlinie.