DE202006021306U1

DE202006021306U1 - TAG/TlG Schweißgerät

Info

Publication number: DE202006021306U1
Application number: DE202006021306.6U
Authority: DE
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2005-11-04
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2015-08-10
Anticipated expiration: 2016-05-17
Also published as: EP1782907A3; US8598491B2; EP1782907A2; US20070102408A1

Abstract

Schweißgerät, das eine Stromquelle zum Ausführen eines Schweißprozesses umfasst, insbesondere eines GTAW (Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen) oder TIG(Wolfram-Inertgas)-Schweißprozesses, an einer Elektrode und einem Werkstück, wobei die Stromquelle eine erste Ausgangsleitung hat, die mit der Elektrode verbunden ist, und eine zweite Ausgangsleitung hat, die mit dem Werkstück verbunden ist, und einen Regler zum Erzeugen einer Wellenform an den Stromzuführungen hat, wobei die Wellenform ein Profil aufweist, das zwischen einer ersten Stromsektion und einer zweiten Stromsektion mit einer bestimmten Gesamtfrequenz wechselt, wobei jede dieser Sektionen einen Spitzenstrom in entweder der positiven oder der negativen Richtung und eine Dauer hat, wobei die Verbesserung umfasst, dass mindestens eine der Stromsektionen zwischen einem hohen Strompegel, der gleich seinem Spitzenstrom ist, und einem niedrigen Strompegel in der entgegengesetzten Richtung des Spitzenstroms mit einer Pulsierfrequenz umgeschaltet wird, die größer als die bestimmte Gesamtfrequenz ist.

Description

Die Erfindung betrifft das elektrische Lichtbogenschweißen, und betrifft insbesondere ein Schweißgerät zum Ausführen eines GTAW- oder TIG-Schweißprozesses.
AUFNAHME IN DEN VORLIEGENDEN TEXT DURCH BEZUGNAHME
Beim GTAW- oder TIG-Schweißen wird eine nicht-aufzehrbare Elektrode verwendet, wie zum Beispiel eine Wolframelektrode, wobei Strom von einer Stromquelle einen Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Werkstück erzeugt, um das Werkstück zu schmelzen und zusammenzufügen. Speziell für Metalle, wie zum Beispiel Aluminium, es ist gängige Praxis, eine Wechselstromwellenform für das TIG-Schweißen zu verwenden. Die negative Elektrodensektion der Wellenform wird dafür verwendet, das grundlegende Schweißverfahren auszuführen, und die positive Elektrodensektion der Wellenform wird zum Reinigen des Werkstücks verwendet, um das Verbindungsverfahren zu unterstützen. Repräsentative Patente zum Wechselstrom-TIG-Schweißen sind US 4,038,515 (Rieberg), US 4,861,965 (Stava) und US 5,683,602 (Stava). Diese Wechselstrom-TIG-Schweißgeräte führen oft ein symmetrisches Wechselstromschweißen aus, wie es zum Beispiel in US 5,683,602 (Stava) gezeigt ist; jedoch ist beim TIG-Schweißen von Aluminium das Wechselstromschweißen oft unsymmetrisch, wie in US 4,038,515 (Risberg) und US 4,861,065 (Stava) gezeigt. Diese drei TIG-Schweißpatente werden als Hintergrund-Technologie für die vorliegende Erfindung durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen. Als ein weiterer Hintergrund betreffen viele Patente die Verwendung des Impulsschweißens unter Verwendung von Impulsen, die einen Hintergrundstrompegel und einen Spitzenstrompegel haben. Zwei repräsentative Patente, die Stromquellen zeigen, die gepulste Wellenformen generieren, sind US 5,225,660 (Mila) und US 6,515,259 (Hsu). Diese zwei Patente werden durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen, um Stromquellen der Art zu zeigen, die gepulste Wellenformen für verschiedene Lichtbogenschweißprozesse erzeugen. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung arbeitet mit einer Stromquellensteuerungstechnik für eine wechselrichterartige Stromquelle. Diese Technik beinhaltet die Verwendung eines digitalen Wellenformgenerators zum Steuern des gepulsten Profils des Schweißgerätestroms. Ein solcher Wellenformgenerator erzeugt eine Reihe von Schaltsignalen, die in einen Impulsbreitenmodulator eingespeist werden, der gemäß dem Ausgangssignal des Wellenformgenerator betrieben wird, um das tatsächliche Profil der Impulse zu steuern, die für das elektrische Lichtbogenschweißen erzeugt werden. Diese Technologie wurde durch den Übertragungsempfänger der vorliegenden Erfindung hervorgebracht und ist in US 5,278,390 (Blankenship) beschrieben. Diese Steuerungstechnik, die einen Wellenformgenerator zum Bestimmen des Wellenformprofils einer wechselrichterartigen Stromquelle verwendet, ist auch in US 6,498,321 (Fulmer) offenbart. Das zum Stand der Technik gehörende Blankenship-Patent und das repräsentative Fulmer-Patent werden zusammen mit US 6,365,874 (Stava) durch Bezugnahme als Hintergrund bezüglich der Steuerungstechnik, bei der ein Wellenformgenerator das Profil der Ausgangsstromwellenform steuert, in den vorliegenden Text aufgenommen. Das Blankenship-Patent veranschaulicht, zusammen mit US 6,717,108 (Hau), die inzwischen allgemein übliche Technik der Verwendung einer in einem Speicher gespeicherten Zustandstabelle zur Verwendung durch den Wellenformgenerator. Eine Zustandstabelle steuert eine bestimmte Wellenform und ist in einem Speicher gespeichert. Sie wird an den Wellenformgenerator ausgegeben, um das gewünschte Stromprofil zu erzeugen. Diese Steuerungstechnik wird in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Darum wird US 6,717,103 (Hsu) ebenfalls durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen, um die Hintergrund-Technologie zur vorliegenden Erfindung weiter zu veranschaulichen. Die Gesamtheit der in diesen vielen Patenten offenbarten Technologie bildet den allgemeinen Stand der Technik, auf den sich die vorliegende Erfindung bezieht. Sie stellen den Hintergrund der Erfindung dar, so dass die ungeheure Menge an allgemein bekannter Hintergrund-Technologie nicht wiederholt zu werden braucht, um die Verbesserung zu verstehen, welche die vorliegende Erfindung darstellt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Beim Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen, mitunter als TIG-Schweißen bezeichnet, kann der Ausgangsstrom durch eine beliebige Anzahl von Konstantstromquellen bereitgestellt werden. Die meisten Metalle können mittels des GTAW- oder TIG-Schweißprozesses geschweißt werden; jedoch werden sie allgemein durch einen negativen Gleichstromlichtbogen unter einer Inertgasatmosphäre geschweißt. Beim Schweißen von Aluminium oder Magnesium mittels des TIG-Schweißprozesses ist der Strom allgemein Wechselstrom mit einer positiven Elektrodenstromsektion und einer negativen Elektrodenstromsektion. Diese zwei Sektionen werden mittels zum Stand der Technik gehörender Technologie ausbalanciert; jedoch gibt es seit einiger Zeit polaritätsveränderliche Stromquellen. Einige dieser Wechselstromquellen können nur in begrenztem Umfang einen Wechsel zwischen der Stromsektion mit positiver Polarität und der Stromsektion mit negativer Polarität vollziehen. Unter Verwendung einer Wechselrichtertechnologie mit einem Wellenformgenerator, deren Wegbereiter der Übertragungsempfänger der vorliegenden Erfindung war, können die positive Stromsektion und die negative Stromsektion der Wellenform für das TIG-Schweißen in Form, Amplitude und Dauer justiert werden. Das normale Gleichstrom-TIG-Schweißen wird mit einer legierten Wolframelektrode ausgeführt, während das Wechselstrom-TIG-Schweißen vom festen Wellenformtyp oder vom variablen Wellenformtyp mit einer reinen Wolframelektrode ausgeführt wird. Die Größe der Elektrode wird durch die Anwendung und den für den Schweißprozess benötigten Strombereich bestimmt. Falls eine Elektrode einer bestimmten Größe mit einem Strom oberhalb ihres gewünschten Betriebsbereichs geschweißt wird, so kann die Wolframelektrode zu heißt werden, und die Elektrode „spuckt” Metall in die Schweißpfütze. Dies ist nicht akzeptabel. In den meisten Fällen geschieht das Elektrodenspucken während des positiven Halbzyklus oder der positiven Sektion der Wellenform, wenn der momentane positive Strom für die gerade verwendete Elektrode zu hoch ist. Das heißt, beim Wechselstrom-TIG-Schweißen werden die Größenordnung und/oder die Dauer der verschiedenen Stromsektionen gesteuert, um den Schweißprozess auf die gewünschten Bedingungen zu justieren. Gleichstrom-TIG-Schweißprozesse sind mittels einer gepulsten Technologie verbessert worden. Gleichstrom-positives oder Gleichstrom-negatives TIG-Schweißen wird nun mittels einer gepulsten Wellenform ausgeführt, da Schweißgeräte nun in der Lage sind, aufeinanderfolgende hohe und niedrige Stromsektionen zu erzeugen. In der Tat ist das Pulsieren des positiven Stroms oder des negativen Stroms beim TIG-Schweißen recht populär geworden.
Das Pulsieren einer Gleichstromwellenform für das TIG-Schweißen kann entweder eine niedrige Gesamtfrequenz der Impulse oder eine hohe Gesamtfrequenz haben. In vielen TIG-Schweißanwendungen wird ein Niederfrequenzpulsieren mit einem gepulsten Ausgang im Bereich von weniger als 20 Hz verwendet. Allgemein verringert ein Pulsieren bei dieser niedrigen Gesamtfrequenz die Wärmezufuhr zu der Schweißnaht. In vielen Anwendungen stellt der Nutzer die Pulsierfrequenz auf die gleiche Rate ein, mit der das Füllmetall in der Schweißpfütze abgeschieden wird. Die langen Hintergrund-Niedrigstromsektionen zwischen den Hochstromsektionen der Niederfrequenzimpulse kühlen die Pfütze ab und verringern die Wärmezufuhr zu dem Schweißprozess. Dies ist ein Nachteil der üblichen Praxis, wenn mit Niederfrequenzpulsieren für TIG- oder GTAW-Schweißen gearbeitet wird. Folglich ist Hochfrequenzpulsieren versucht worden. Die gepulsten Ausgänge für positiven Gleichstrom oder negativen Gleichstrom haben eine erhöhte Pulsierrate von 20–1.000 Hz und bevorzugt im allgemeinen Bereich von 60–500 Hz. Eine solche hohe Frequenz dient dem Bestreben, den Lichtbogen auf das Werkstück zu konzentrieren. Sie können nicht durch standardmäßige Transformator-basierte Stromquellen erhalten werden. Die Hochfrequenztechnik wurde daher mit dem Aufkommen von Wechselrichter-basierten Stromquellen möglich. Wechselrichter oder Zerhäcksler können einen TIG-Schweißprozess mit hoher Frequenz ausführen. Diese Vorrichtungen haben somit spezielle Anforderungen von bestimmten TIG-Schweißanwendungen gelöst. Auch wenn eine hohe Frequenz mittels eines Wechselrichters erzeugt werden kann, wurde immer noch Gleichstrom für das TIG-Schweißen verwendet. Des Weiteren wurde der Gleichstrom mit einer niedrigen Frequenz oder gelegentlich mit einer hohen Frequenz gepulst, wie erläutert.
In den letzten zwanzig Jahre haben Hersteller GTAW-Maschinen mit variablen Polaritäten angeboten. Dies ist eine Wechselstromwellenform für das TIG-Schweißen, wobei die positive Stromsektion der Wellenform und die negative Stromsektion der Wellenform in Dauer und/oder Amplitude verschieden sein können. Die früheren Maschinen zum Erzeugen dieses variablen Polaritätsausgangs wurden auf der Basis der SCR-Technologie gebaut, wie in US 4,036,515 (Risberg) und US 5,683,602 (Stava) gezeigt. In jüngerer Vergangenheit wurden Wechselrichter für das TIG-Schweißen verwendet, wie zum Beispiel in US 5,225,660 (Mita) und US 4,661,965 (Stava) gezeigt. Eine Wechselrichter-basierte Stromquelle erzeugt eine quadratische Stromwellenform. Bei Verwendung eines Wellenformgenerators zum Steuern des Impulsbreitenmodulators des Wechselrichters kann eine polaritätsvariable Wellenform erzeugt werden, wobei der positive Spitzenstrompegel reduziert wird, ohne die Wellenform mit negativer Polarität zu beeinflussen, die für die eigentliche Erwärmung verwendet wird. Bei einer Wechselstromquelle wird bekanntlich – ungeachtet der Art der Stromquelle – der negative Polaritätsabschnitt der Wechselstromwellenform für den Einbrand verwendet, und der positive Polaritätsabschnitt wird zum Reinigen des Werkstücks verwendet. Durch die Entwicklung einer wechselrichterartigen Stromquelle für das TIG-Schweißen, zusammen mit der Verwendung einer Wellenformsteuerung unter Einsatz eines Generators, der mit einem gewünschten Profil aus einem Nachschlagespeicher geladen ist, definiert eine gewünschte gespeicherte Zustandstabelle das ausgewählte Wellenformprofil. Diese höherentwickelte Stromquellen-Technologie erlaubt die Implementierung der vorliegenden Erfindung.
DIE ERFINDUNG
Gemäß der Erfindung wird der Strom für das TIG-Schweißen gepulst, oder er wechselt die Polarität, mit einer niedrigen Gesamtfrequenz im allgemeinen Bereich von 0,1 bis 20 Hz. Ein solches Niederfrequenzpulsieren liegt zwischen einem Hochpegel- oder Spitzenstrom und einen Niedrigpegel- oder Hintergrundstrom. Jede Spitzenstromsektion wird gemäß der Erfindung mit einer Hochfrequenzwellenform bereitgestellt, die über die niedrige Gesamtfrequenz gelegt wird. Die überlagerte Wellenform hat eine Frequenz bevorzugt im Bereich von 30–500 Hz. Dieses ergänzende Hochfrequenzpulsieren einer Stromsektion wird über den niederfrequenzgepulsten TIG-Schweißstrom gelegt, um den Lichtbogen in mindestens einer gepulsten Sektion des Stroms zu konzentrieren. Dieses überlagerte Hochfrequenzpulsieren ist in der negativsten Stromsektion der Wellenform wesentlicher. Wenn Wechselstrom-TIG-Schweißen ausgeführt wird, so erfolgt das hinzugefügte Pulsieren im negativen Halbzyklus. Wenn der Basisstrom gepulster Gleichstrom ist, so erfolgt das überlagerte Pulsieren in der stromstärksten Sektion, entweder in der positiven oder in der negativen, aber bevorzugt in der negativen.
Die überlagerte hohe Frequenz auf der gepulsten Wellenform, die normalerweise für das TIG-Schweißen verwendet wird, verursacht ein Schwanken des Stroms mit einer hohen Frequenz zwischen einem hohen Strompegel und einem niedrigen Strompegel. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt der niedrige Strompegel 25–80% des hohen Strompegels für eine bestimmte Sektion der Wellenform, wie zum Beispiel der Spitzenstrom oder der Hintergrundstrom für gepulstes Gleichstromschweißen oder die Stromsektionen mit positiver Polarität oder die Stromsektionen mit negativer Polarität einer Wechselstromwellenform. Bei Verwendung einer gepulsten Gleichstromwellenform mit einer niedrigen Impulswellenformfrequenz gibt es eine Hintergrundstromsektion und eine Spitzenstromsektion, die einen Impuls definieren. Auf der Spitzensektion der Gleichstromimpulswellenform wird ein Hochfrequenzpulsieren dergestalt hinzugefügt, dass sich der Spitzenstrom zwischen einem hohen Pegel und einem niedrigen Pegel verschiebt. Bevorzugt bleibt der Hintergrundstrom konstant. Der Hintergrundstrom ist nicht hoch genug, um die gewünschte Fokussierung zu erreichen, während die erfindungsgemäße Pulsation der Spitzenstromsektion der Gleichstromwellenform bewirkt, den Lichtbogen zu fokussieren. Ein fokussierter Lichtbogen ist stabiler. Das Fokussieren eines TIG-Lichtbogens ist wünschenswert, wenn ein schneller Vorschub erfolgt, wenn dünne Materialien geschweißt werden oder wenn die Fuge den Trend des Lichtbogens verstärkt, von der Fuge fort zu wandern. Das Pulsieren des Lichtbogens mit hohen Frequenzen macht einen TIG-Lichtbogen mehr wie einen Plasmaschweißlichtbogen, der stärker fokussiert ist. Zusammenfassend ausgedrückt, braucht das Pulsieren nicht während des Hintergrundabschnitts der gepulsten Gleichstromwellenform stattzufinden, sondern nur während der Spitzenstromsektion der Wellenform. Beim Wechselstromschweißen bleibt die positive Sektion die gleiche wie beim früheren Wechselstrom-TIG-Schweißen. Jedoch enthält der für den Einbrand verwendete negative Stromabschnitt überlagerte Hochfrequenzimpulse. Das heißt, sowohl in einer pulsierenden Gleichstromwellenform als auch in einer Wechselstromwellenform haben der Reinigungsabschnitt der Wellenform und der Hintergrundabschnitt der Wellenform nicht den überlagerten pulsierenden Hochfrequenzstrom zum Fokussieren des Lichtbogens während des eigentlichen Wärmeübertragungsverfahrens in dem GTAW- oder TIG-Schweißprozess.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Verbesserung in einem GTAW-Schweißgerät der Art bereitgestellt, die eine Stromquelle zum Ausführen eines TIG-Schweißprozesses mit einer Elektrode und einem Werkstück aufweist. Die Stromquelle hat eine erste Ausgangsleitung, die mit der Elektrode verbunden ist, und eine zweite Ausgangsleitung, die mit dem Werkstück verbunden ist, und einen Regler zum Erzeugen einer Wellenform an den Stromzuführungen. Die Wellenform hat ein Profil, das zwischen einer ersten Stromsektion und einer zweiten Stromsektion mit einer bestimmten Gesamtfrequenz wechselt. Die Wellenform kann eine pulsierende Gleichstromwellenform oder eine Wechselstromwellenform sein. Die ersten und zweiten Stromsektionen haben jeweils einen Spitzenstrom und eine Dauer. Wenn Gleichstromschweißen ausgeführt wird, so ist die Spitzensektion des Impulses der positive oder negative hohe Strompegel, und der Dauer ist die Breite des Impulses. Der Spitzenstrom der anderen Sektion ist der höchste Pegel des Hintergrundstroms, und die Dauer ist die Länge der Hintergrundsektion. Das heißt, jede Sektion hat einen Spitzenpegel, wobei die Spitze des Impulses größer ist als die Spitze des Hintergrundes. Wenn Wechselstromschweißen ausgeführt wird, so ist der Spitzenstrom für die positive Sektion der maximale positive Strom, und der Spitzenstrom für die negative Sektion ist der maximale negative Strom. Die Dauer für das Wechselstromschweißen ist die Breite der negativen und positiven Sektionen der Wellenform. Diese Definition der pulsierenden Gleichstromwellenform oder der Wechselstromwellenform ist Standard-Technologie. Die Verbesserung der Erfindung beinhaltet, dass mindestens eine der Stromsektionen zwischen einem hohen Strompegel, der gleich dem Spitzenstrom dieser Sektion ist, und einem niedrigen Strompegel, der in der Praxis etwa 25–80% des hohen Strompegels beträgt, gepulst wird. Diese Verschiebung zwischen hohem Strompegel und niedrigem Strompegel erfolgt mit einer Pulsierfrequenz, die wesentlich höher ist als die gegebene niedrige Gesamtfrequenz der Impulswellenform für Gleichstrom oder die Polaritätsverschiebung für Wechselstrom. Das heißt, die Erfindung beinhaltet das Modifizieren eines standardmäßigen gepulsten Gleichstrom-TIG-Schweißprozesses oder eines standardmäßigen Wechselstrom-TIG-Schweißprozesses durch Überlagern von Hochfrequenzimpulsen in mindestens einer Sektion der Wellenform. Bevorzugt ist die Sektion der Impuls einer Gleichstromimpulswellenform und die negative Polaritätssektion einer Wechselstromwellenform. Eine Hochfrequenzwellenform wird über mindestens eine Sektion der niedrigen Gesamtfrequenz des TIG-Schweißprozesses gelegt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Stromquelle ein Wechselrichter, der mit einer Frequenz von mehr als etwa 18 kHz betrieben wird, und das Wellenformprofil wird durch einen digitalen Wellenformgenerator erzeugt, der den Wechselrichter steuert. Wenn sich die Wellenform zwischen einem positiven Reinigungsabschnitt und einem negativen Einbrandabschnitt verschiebt, so sind die Amplitude und die Dauer der positiven und negativen Abschnitte der Wellenform einstellbar. Die überlagerte hohe Frequenz wird überwiegend in der negativen Sektion des Wellenformprofils verwendet, um das Lichtbogenplasma während des Erwärmungsprozesses zu konzentrieren. Die überlagerte hohe Frequenz für eine Sektion der Wellenform hat eine Frequenz im Bereich von 50 Hz bis 1.000 Hz. Die Frequenz steht zur Impulsfrequenz der Gesamt-Wellenform in Beziehung. Die Gesamt-Gleichstrompulsierfrequenz oder die Standard-Wechselstromfrequenz liegt im allgemeinen Bereich von weniger als 0,30 bis 10 Hz und sogar weniger als 20 Hz. Die Erfindung besteht im Überlagern der hohen Frequenz von 50–1000 Hz über eine niedrige Gesamtfrequenz von weniger als 20–50 Hz. Standard-TIG-Maschinen haben Wechselstromwellenformen mit 50/60 Hz erzeugt. Diese Sektionen werden mit einer höheren Frequenz in der positiven Sektion oder in der negativen Sektion oder in beiden gepulst. Wenn die Wechselstromwellenform mit weniger als 20 Hz gepulst wird, so liegt der Ausgang im Bereich von 0,3 bis 10 Hz und kann durch eine niedrigere Frequenz überlagert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Zuführen von Fülldraht in den Spalt zwischen der Elektrode und dem Werkstück bereitgestellt. In einer Ausführungsform dieses Aspekts wird die Drahtzuführvorrichtung für den Fülldraht in zeitgesteuerten Intervallen aktiviert, die mit dem Impuls in einer gepulsten Gleichstromwellenform oder den negativen Polaritätssektionen einer Wechselstromwellenform synchronisiert sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein TIG-Schweißprozess bereitgestellt, der mit einer Elektrode und einem Werkstück mit einer Stromquelle ausgeführt wird, die eine erste Ausgangsleitung hat, die mit der Elektrode verbunden ist, und eine zweite Ausgangsleitung hat, die mit dem Werkstück verbunden ist, mit einem Regler zum Erzeugen einer Wellenform an den Stromzuführungen. Die Wellenform hat ein Profil, das zwischen einer ersten Stromsektion und einer zweiten Stromsektion mit einer bestimmten Frequenz wechselt. In der gepulsten Gleichstromwellenform ist eine Sektion der Impuls, und die andere Sektion ist der Hintergrund zwischen den Impulsen. In einer Wechselstromwellenform ist eine Sektion der positive Abschnitt der Wellenform, und die andere Sektion ist der negative Abschnitt der Wellenform. Gemäß der Erfindung wird mindestens eine der Stromsektionen zwischen einem hohen Strompegel, der gleich dem Spitzenstrom dieser Sektion ist, und einem niedrigen Strompegel gepulst. Das Pulsieren wird mit einer Frequenz von mehr als der gegebenen Frequenz ausgeführt, die die Impulswellenform oder die Wechselstromwellenform des Prozesses definiert.
Die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten TIG-Schweißgerätes, das überlagerte Hochfrequenzstromimpulse in einer Sektion der Wellenform hat.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum TIG-Schweißen entweder mittels einer gepulsten Gleichstromwellenform oder einer Wechselstromwellenform, wobei der Impuls oder die negative Sektion der Wellenform mit einem Wechselstrom mit einer Frequenz überlagert wird, die wesentlich höher ist als die Pulsierfrequenz oder die Wechselstromfrequenz der Wellenform. Der überlagerte hochfrequente Strom verschiebt sich zwischen einem maximalem Pegel und einem minimalen Pegel, wobei der Minimalpegel im allgemeinen Bereich von 25–80% des maximalen Pegels liegt. In einigen Implementierungen wird der hochfrequente Strom über beide Abschnitte der Wellenform gelegt, die entweder den Hintergrundstrom oder den positiven Reinigungsabschnitt einer Wechselstromwellenform beinhaltet.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines TIG-Schweißgerätes und eines TIG-Schweißprozesses, wie oben definiert, wobei das Schweißgerät und der Prozess durch einen Wechselrichter ausgeführt werden, der durch einen Impulsbreitenmodulator unter Steuerung eines Wellenformgenerators betrieben wird, der ein Ausgangsprofil aufweist, das in den Generator aus einer Speichervorrichtung geladen wird, die Wellenformen enthält, die als Zustandstabellen gespeichert sind.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines TIG-Schweißgerätes und -Verfahrens, wie oben definiert, wobei das Schweißgerät und das Verfahren den Lichtbogen während des Einbrandabschnitts der Wellenform fokussieren.
Diese und weitere Aufgaben und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich, wenn sie zusammen mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaubild eines zum Stand der Technik gehörenden Transformator-basierten TIG-Schweißgerätes mit einem Ausgangspolaritätsschalter für positives Gleichstrom-, negatives Gleichstrom- oder Wechselstrom-TIG-Schweißen;
1A ist ein Teil-Blockschaubild, das eine geringfügige Modifizierung des Schweißgerätes von 1 zeigt, wobei positives Gleichstrom-, negatives Gleichstrom- oder Wechselstrom-MIG-Schweißen ausgeführt wird;
2 ist ein Schaltbild eines Wechselstrom-TIG-Schweißgerätes, das mit SCR-Technologie arbeitet, wie in US 5,683,602 (Stava) offenbart;
3 zeigt ein zum Stand der Technik gehörendes TIG-Schweißgerät, wobei ein Wellenformgenerator einen Wechselrichter veranlasst, entweder einen gepulsten Gleichstrom-TIG-Schweißprozess oder einen Wechselstrom-TIG-Schweißprozess auszuführen;
3A ist ein Teil-Blockschaubild, welches das in 3 gezeigte Schweißgerät veranschaulicht, das für MIG-Schweißen modifiziert wurde;
4 ist ein Stromdiagramm, das eine gepulste negative Gleichstromwellenform für das TIG-Schweißen zeigt;
5 ist ein Stromdiagramm ähnlich dem von 4, das eine Wechselstromwellenform für das TIG-Schweißen offenbart;
6 ist ein Stromdiagramm, das eine hochfrequente pulsierende Ausgangswellenform zeigt, die zum Verbessern des TIG-Schweißens vorgeschlagen wird;
7 ist ein Stromdiagramm ähnlich dem in 5 gezeigten, das eine polaritätsvariable Wellenform veranschaulicht, wobei die Amplitude und/die Dauer der positiven und negativen Stromsektionen verschieden ist;
8 ist ein Blockschaubild der Stromquelle, die zum Praktizieren der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
9 ist ein Stromdiagramm, das eine Modifizierung einer negativen Gleichstrom-Impulswellenform zeigt, die zum TIG-Schweißen und Praktizieren der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
10 ist ein Flussdiagramm eines Reglerprogramms zum Ausführen der neuartigen gepulsten Gleichstromwellenform, wie in 9 gezeigt;
11 ist ein Stromdiagramm einer gepulsten Gleichstromwellenform für das TIG-Schweißen, wobei Hochfrequenzimpulse nur über die Spitzenstromsektion der beabstandeten Impulse gelegt wird;
12 ist ein Flussdiagramm ähnlich dem in 10 gezeigten Flussdiagramm zum Auszuführen der in 11 gezeigten Gleichstromimpulswellenform;
13 ist ein Stromdiagramm, das einen Wechselstrom-TIG-Schweißprozess mit einem kurzen konstanten Reinigungszyklus und einem langen Einbrandzyklus zeigt, wobei die vorliegende Erfindung verwendet wird, um den Einbrandzyklus zu modifizieren;
14 ist ein Flussdiagramm des Reglerprogramms, das verwendet wird, um die Wechselstrom-Ausführungsform der Erfindung, wie schematisch in 13 veranschaulicht, auszuführen;
15 ist ein Blockschaubild, das schematisch eine synchronisierte Vorrichtung zum Zuführen von Fülldraht in den Spalt zwischen der Elektrode und dem Werkstück für einen TIG-Schweißprozess unter Verwendung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
16 ist ein Blockschaubild ähnlich dem von 15, wobei ein Warmfülldraht in einem Schweißgerät verwendet wird, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wir wenden uns nun den Zeichnungen zu, die nur zum Veranschaulichen der bevorzugten Ausführungsformen und nicht zum Zweck ihrer Einschränkung verwendet werden. 1 veranschaulicht ein allgemein bekanntes TIG-Schweißgerät A, das schematisch so veranschaulicht ist, dass es eine Stromversorgung 10, einen Transformator 12 und einen Gleichrichter 14 enthält, um einen Gleichstrom an Zwischenleitungen 20, 22 zu erzeugen, der an den Eingang des Polaritätsschalters 30 angelegt wird, der Ausgangsleitungen 32, 34 hat, die an die Elektrode E bzw. das Werkstück WP angeschlossen sind. Beim TIG-Schweißprozess werden Strom und Polarität in dem Spalt zwischen der Elektrode E und dem Werkstück WP durch den Ausgang des Reglers 40 bestimmt. Inertgas G von der Zufuhr 42 wird während des TIG-Schweißprozesses zum Abschirmen des schmelzflüssigen Metalls des Werkstücks WP während seines Verfestigens verwendet. Das gleiche Schweißgerät kann zum MIG-Schweißen verwendet werden, wie in 1A gezeigt. Das modifizierte Schweißgerät A' wird mit einer Rolle 50 mit Draht W versehen, der durch die Kontaktspitze 52 geführt wird, um die Verbrauchselektrode E' darzustellen. 1 und 1A sind den Stand der Technik zeigende Darstellungen eines Schweißgerätes zum TIG-Schweißen und ihrer Modifizierung zum Ausführen von MIG-Schweißen. Das allgemein bekannte TIG-Schweißgerät A, wie schematisch in 1 veranschaulicht, wird modifiziert, wie in 2 gezeigt, um Wechselstrom-TIG-Schweißen auszuführen. Das Schweißgerät 100 hat Ausgangsleitungen 12a, 12b, um Wechselstrom vom Transformator 12 zu einem Wechselstromgleichrichter 14' zu leiten, wie in US 4,036,515 und US 5,686,602 offenbart. Dieser Gleichrichter erzeugt einen Wechselstrom an der Elektrode E und dem Werkstück WP durch paarweises Steuern der SCRs S1, S2, S3 und S4 durch die Auslöseausgänge 1, 2, 3 und 4 vom Regler 104, der durch eine Hilfsstromversorgung 106 betrieben wird. Die in den 1 und 2 gezeigten TIG-Schweißgeräte sind die früheren TIG-Schweißgeräte, die in der Schweißindustrie seit über zwanzig Jahren verwendet werden, und die dafür verwendet werden können, die negativen und positiven Polaritätssektionen der Wechselstromwellenform auszubalancieren. Der Ausgang von Schweißgerät A ist entweder ein positiver Strom oder ein negativer Strom mit einem gesteuerten Gleichstrompegel. Folglich ist bei Verwendung früherer TIG-Schweißgeräte der Schweißprozess positiver Gleichstrom, negativer Gleichstrom oder Wechselstrom mit einer Symmetrie zwischen den Polaritätsabschnitten der Wechselstromwellenform. In einigen der Schweißgeräte kann der Wechselstromimpuls unsymmetrisch sein. Diese frühere Technologie wurde allgemein durch Wechselrichter für das TIG-Schweißen ersetzt, dessen Wegbereiter der Übertragungsempfänger der vorliegenden Erfindung war.
In 3 ist ein Wechselrichter-basiertes TIG-Schweißgerät 110 veranschaulicht, wobei die Versorgung 112 in den Gleichrichter 114 eingespeist wird, der Ausgangsleitungen 114a, 114b hat, die ein Gleichstromsignal in den Eingang des Wechselrichters oder Zerhäckslers 120 einspeisen, der Ausgangsleitungen 122, 124 hat, die über die Elektrode E und das Werkstück WP mit einem Nebenschluss 126 verbunden sind, der den momentanen oder Echtzeitstrom während des TIG-Schweißprozesses misst. Die Wellenform an den Ausgangsleitungen 122, 124 wird durch den Regler 130 bestimmt, der normalerweise eine digitale Vorrichtung ist, wie zum Beispiel ein DSP oder Mikroprozessor mit bestimmten Komponenten, die in analoger Form in 3 veranschaulicht sind. Das momentane Stromsignal auf Leitung 126a wird in einen Eingang eines Fehlerverstärkers 132 eingespeist, der einen weiteren Eingang von dem Wellenformgenerator oder Wellendesigner 134 empfängt, wobei der Ausgang 134a in den zweiten Eingang des Verstärkers 132 eingespeist wird. Das Signal auf Leitung 134a ist ein Signal vom Generator 134, das ein positiver Gleichstrom, ein negativer Gleichstrom, ein positiver Impuls, ein negativer Impuls oder ein Wechselstrom sein kann. Auf das Wellenformprofilsignal in der Leitung 134a folgt das Steuersignal am Ausgang 132a des Fehlerverstärkers 132. Dieses Steuersignal wird in den Eingang eines digitalen Impulsbreitenmodulators, normalerweise vom Phasenschiebertyp, eingespeist, um Stromsignale auf Leitung 136a zu erzeugen. Das Signal auf Leitung 136a bestimmt den Strom zu jedem Zeitpunkt auf den Ausgangsleitungen 122, 124 des Wechselrichters oder Zerhäcksler 120. Mittels der zum Stand der Technik gehörenden Wechselrichter-basierten Technologie, die schematisch in 3 dargestellt ist, kann die Wellenform an der Elektrode E und dem Werkstück WP eine Vielzahl verschiedener Wellenformprofile haben, die durch gespeicherte Zustandstabellen bestimmt werden, die gemäß dem jeweils auszuführenden TIG-Schweißprozess in den Generator 134 geladen werden. Das gleiche Schweißgerät kann zum MIG-Schweißen verwendet werden, wie in 3A gezeigt, wobei das modifizierte Schweißgerät 110' eine Versorgung 140 mit Schweißdraht W enthält, um die Elektrode E' zu bilden, wenn der Draht in Vorbereitung auf das Schmelzen und Aufzehren in einem MIG-Schweißprozess durch die Kontaktspitze 142 hindurch bewegt wird. Inertgas G wird gemäß der standardmäßigen Schweißtechnologie von der Versorgung 144 zugeführt.
Mittels ausgewählter Schweißgeräte, wie sie bis hierher beschrieben wurden, können verschiedene Ausgangswellenformen an die Elektrode und das Werkstück angelegt werden, um einen Lichtbogenschweißprozess auszuführen; dieser Prozess ist in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein TIG-Schweißprozess, der inzwischen allgemein als GTAW-Schweißen bekannt ist. Mehrere repräsentative, zum Stand der Technik gehörende Wellenformen, die für das TIG-Schweißen verwendet werden, sind in den Stromdiagrammen der 4–7 veranschaulicht.
TIG-Schweißen wurde in der Vergangenheit überwiegend mit einem konstanten negativen Strom ausgeführt, wobei die Elektrode mit Bezug auf das Werkstück negativ ist. Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung einer Impulswellenform für das TIG-Schweißen. Die gepulste Wellenform kann eine einzelne Polarität haben, wie zum Beispiel in 4 gezeigt. Das Stromdiagramm 150 ist eine gepulste Wellenform, die durch das Wellenformsignal auf Leitung 134a gesteuert wird. In dieser gepulsten Wellenform werden die negativen Impulse 152 durch Hintergrundstromsektionen 154 getrennt. Eine Wellenform ist als die Kombination aus einem Impuls 152 und einem Hintergrund 154 definiert. Bei der Definierung dieser Wellenform fließt der Spitzenstrom von Impuls 152 in der negativen Richtung, während der Spitzenstrom in der Hintergrundsektion 154 in der positiven Richtung fließt. Folglich hat die Wellenform, die die Sektionen 152, 154 enthält, eine erste Sektion mit einem negativen Spitzenstrom und eine weitere Sektion mit Spitzenstrom in der positiven Richtung, selbst wenn beide Spitzenströme negativ sind. Um die gleiche Art von Wellenform zu erhalten, um einen positiv gepulsten TIG-Schweißprozess auszuführen, wird das Diagramm 150 lediglich nach oben in den positiven Strombereich des Diagramms hinein verschoben. In diesem Fall sind die Impulse Sektionen 154, und der Hintergrund ist Sektion 152. Der Spitzenstrom der gepulsten Sektion 154 fließt dann in der positiven Richtung, wie zuvor, und der Spitzenstrom von Sektion 152 fließt in der negativen Richtung. Das heißt, in 4 ist eine gepulste TIG-Wellenform zeigt, die eine einzelne Polarität hat: entweder negativ, wie veranschaulicht, oder positiv, falls nach oben verschoben. Die Wellenform hat eine niedrige Frequenz f₁, die niedriger als etwa 20 Hz ist. TIG-Schweißen wird oft mittels einer Wechselstromwellenform ausgeführt, wie durch das Stromdiagramm 160 in 5 dargestellt. Dieses Diagramm enthält positive Sektionen 162, die durch negative Sektionen 164 getrennt sind. Die Wellenform ist die Kombination aus Sektion 162 und Sektion 164, wobei der Spitzenstrom von Sektion 162 in der positiven Richtung fließt und der Spitzenstrom von Sektion 164 in der negativen Richtung fließt. Im der zum Stand der Technik gehörenden Wellenform von Diagramm 160 ist die Amplitude a der positiven Sektion 162 allgemein gleich der Amplitude b der negativen Sektion 164. Die Dauer t₁ und t₂ der zwei entgegengesetzten Polaritätssektionen einer einzelnen Wellenform ist im Wesentlichen die gleiche. Somit ist die Wellenform von Diagramm 160 im Wesentlichen die gleiche wie die Wellenform von Diagramm 150, außer dass sie auf die Mitte zwischen positiv und negativ geschoben wurde. Die zwei Wellenformen der Diagramme 150, 160 sind gängige Wellenformen, die seit vielen Jahren beim TIG-Schweißen verwendet werden. Es wurde herausgefunden, dass die Verwendung einer niedrigen Pulsierfrequenz allgemein die Wärmezufuhr zu der Schweißnaht senkt. Die Niederstromsektion 154 zwischen den Hochstromsektionen 152 kühlt allgemein die Pfütze. Darum wurde angenommen, dass die in den 4 und 5 gezeigten Wellenformen durch Erhöhen der Pulsierfrequenz verbessert werden könnten, wie in 6 veranschaulicht. Das Stromdiagramm 170 zeigt eine Wellenform, die positive Stromsektionen 172 und negative Sektionen 174 umfasst, die mit einer Gesamtfrequenz von mehr als 20 Hz gepulst werden. Diese Wellenform wurde für Aluminium verwendet und beträgt etwa 50 bis 60 Hz mit herkömmlicher Technologie oder etwa 150 Hz bei Verwendung eines Wechselrichters oder Zerhäckslers. Diese hohe Frequenz wurde sowohl für Einzelpolaritätspulsieren, wie in 4 gezeigt, als auch für Wechselstrompulsieren, wie in 5 gezeigt, ausprobiert. In beiden Fällen war das Ergebnis unzufriedenstellend, weil die Zeit auf den verschiedenen Spitzenpegeln nicht ausreichte, um den Schweißprozess oder den Fokus des Lichtbogens selbst zu stabilisieren. Diese höhere Gesamtfrequenz fügt aufgrund zu vieler positiver Zyklen zu viel Reinigung hinzu, was dazu führt, dass der Lichtbogen mehr Oxid sucht und instabil wird. Folglich hat das bloße Erhöhen der Frequenz f₁ auf die Frequenz f₂, wie in 6 veranschaulicht, nicht das Lichtbogenplasma stabilisiert, wie es bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist. Ein weiterer Versuch, den TIG-Schweißprozess zu verbessern, war die Einführung eines Polaritätswechselkonzepts, das nur mittels einer Wechselrichter-basierten Stromquelle in einer gesteuerten Weise realisierbar ist, deren Wegbereiter Lincoln Electric aus Cleveland, Ohio, ist. Eine polaritätsvariable TIG-Schweißwellenform ist in 7 als Stromdiagramm 180 veranschaulicht und hat eine positive Stromsektion 182 und eine negative Stromsektion 164. Die Spitzenströme dieser zwei Sektionen fließen in entgegengesetzten Polaritätsrichtungen. Ein Wechselrichter mit einem Wellenformgenerator wird dafür verwendet, die Wellenform 180 von 7 zu erzeugen, indem mehrere Stromsektionen 190 mit einer Frequenz von mehr als 18 kHz erzeugt werden. Die Amplitude a', b' und die Dauer t₁ und t₂ beider Stromsektionen können über große Bereiche modifiziert werden. Diese polaritätsvariable Wellenform, die mittels Wechselrichtertechnologie erhalten werden kann, die durch einen Wellenformgenerator gesteuert wird, erlaubt die Justierung des positiven Reinigungszyklus und des negativen Einbrandzyklus einer TIG-Schweißoperation. Jedoch wird die Frequenz der durch die Sektionen 132, 164 gebildeten Wellenform verringert, indem man die Dauer der negativen Polaritätssektion 184 verlängert. Das heißt, der Justierbarkeit, die mit zum Stand der Technik gehörenden Stromquellen erreichbar ist, fehlt es immer noch an Kontrolle über den Lichtbogen, insbesondere während des Einbrandzyklus. Die vorliegende Erfindung überwindet diese Schwierigkeit und erlaubt es, die höherentwickelte Technologie der Wechselrichter-artigen TIG-Schweißgeräte mit Wellenformgeneratoren in einer Weise zu verwenden, die den Lichtbogen während des Wärmeprozesses steuert, wenn ein Wechselstrom-TIG-Schweißen ausgeführt wird. Um den TIG-Schweißprozess der vorliegenden Erfindung auszuführen, wird ein Wechselrichter-basiertes Schweißgerät, das durch einen Wellenformgenerator gesteuert wird, verwendet. Eine schematische Darstellung eines solchen Schweißgerätes ist in 6 veranschaulicht, wo ein Schweißgerät 200 eine Stromversorgung 202 enthält, um ein Wechselstromsignal in den Eingang des Gleichrichters 204 einzuspeisen. Der Ausgang des Gleichrichters ist ein Gleichstromsignal, das in den Boost- oder Buck-Wandler 206 eingespeist wird, um den Leistungsfaktor auf der Eingangsseite des Schweißgerätes 200 zu korrigieren. Das Gleichstromsignal am Ausgang des Wandlers 206 ist ein zweites Gleichstromsignal an den Anschlussleitungen 206a, 206b. Dieses zweite Gleichstromsignal ist der Eingang des Wechselrichters oder Zerhäcksler 210. Die gewünschte Wellenform zum Ausführen eines TIG-Schweißens an der Elektrode E und dem Werkstück WP wird durch den Wechselrichter 210 an den Zwischenleitungen 212, 214 erzeugt, die zum Eingang des Polaritätsschalters 220 führen. Die Ausgangsleitungen 222, 224 vom Schweißgerät 200 speisen das Wellenformprofil mit der ausgewählten Polarität in die Schweißoperation ein. Der momentane Strom wird durch den Nebenschluss 226 abgefühlt, um ein Spannungssignal in der Leitung 226a am Eingang des digitalen Fehlerverstärkers 230, der einen Ausgang 230a hat, zu erzeugen. Das Signal an diesem Ausgang wird durch den Wellenformgenerator 240 gesteuert. Digitale Daten des speziellen Wellenformprofils für die TIG-Schweißoperation werden in einer Speichereinheit 242 gespeichert, die eine große Anzahl von Zustandstabellen enthält, die durch das Programm oder die Subroutine 244 ausgewählt werden. Das heißt, der Ausgang 240a des Wellenformgenerators 240 enthält das gewünschte Profilsignal für eine bestimmte Wellenform und ist mit dem zweiten Eingang des Fehlerverstärkers 230 verbunden. Gleichzeitig erzeugt der Generator 240 ein Signal auf der Leitung 240b zum Steuern der Polarität des Schalters 220. Die Wellenform oder die Profilform und Polarität zu jedem Zeitpunkt wird durch den Wellenformgenerator 240 gemäß den digitalen Daten gesteuert, die von der Speichereinheit 242 erhalten und durch die Subroutine 244 ausgewählt werden. Das digitale Signal auf Leitung 230a steuert den Impulsbreitenmodulator 250 zum Erzeugen eines Hochfrequenzprofilsignals auf Ausgangsleitung 250a. Die Steuerung des Schweißgerätes 200 enthält verschiedene Elemente, die digital durch ausgewählte Programme gemäß standardmäßiger Steuerungstechnologie für Wechselrichter-basierte Stromquellen ausgeführt. Das Schweißgerät 200 wird durch bekannte Programmtechniken gesteuert, um die gewünschten einzigartigen Wellenformen an der Elektrode E und dem Werkstück WP zu erzeugen.
Die Praktizierung der vorliegenden Erfindung zum Pulsieren entweder eines positiven Gleichstroms oder eines negativen Gleichstroms ist durch die Wellenform des in 9 gezeigten Stromdiagramms 300 veranschaulicht. Diese Wellenform ist als Pulsieren eines negativen Gleichstroms veranschaulicht, was die bevorzugte Polarität für einen gepulsten TIG-Schweißprozess ist. Vor dem Beschreiben der neuartigen Modifizierung einer gepulsten TIG-Wellenform, wie durch das Diagramm 300 dargestellt, wird das Gesamt-Niederfrequenzpulsieren des Standes der Technik erläutert. Danach wird die Modifizierung der standardmäßigen gepulsten TIG-Schweißwellenform gemäß der Erfindung beschrieben. Die Wellenform des Diagramms 300 enthält Stromsektionen 302, 304 mit Spitzenströmen 302a bzw. 304a. Der Spitzenstrom 302a des negativen Impulses 302 fließt in der negativen Richtung. Der Spitzenstrom 304a des Hintergrundabschnitts 304 fließt in der positiven Richtung. Die Sektionen 302, 304 haben die gleiche Dauer und ähneln den Sektionen, die in der zum Stand der Technik gehörenden Wellenform von 4 gezeigt sind. Diese niederfrequenzgepulste TIG-Schweißwellenform wird durch den Wellenformgenerator 240 mittels allgemein bekannter, zum Stand der Technik gehörender Programme erzeugt. Die vorliegende Erfindung modifiziert den standardmäßigen Niederfrequenzaspekt der im Diagramm 300 gezeigten Wellenform ausgehend von der zum Stand der Technik gehörenden Version in 4 mittels des in 9 gezeigten Konzepts, wobei ein Hochfrequenzpulsieren über die Pegel 302a und 304a gelegt wird. Die überlagerten Hochfrequenzimpulse sind als Impulse 400 in Sektion 302 mit einem niedrigen Strompegel 302b gezeigt, der allgemein 25% des hohen Strompegels 302a beträgt. In der Praxis beträgt die Beziehung etwa 60–70%. In einer gleichen Weise haben die Hochfrequenzimpulse 402 in Sektion 304 einen niedrigen Strompegel 304b, der 25–60% des hohen Pegels 304b von Sektion 304 beträgt. Das heißt, die Erfindung überlagert Hochfrequenzimpulse in einer oder beiden der Stromsektionen 302, 304 der standardmäßigen TIG-Schweißwellenform. Die Frequenz der Impulse 400, 402 ist wesentlich höher als die niedrige Frequenz der einzelnen Impulse des Prozesses. Die einzelnen Impulse haben eine Frequenz von weniger als 20 Hz, wobei die überlagerten Hochfrequenzimpulse eine Frequenz haben, die wesentlich höher ist als diese niedrige Frequenz, und bevorzugt im Bereich von 60–500 Hz liegt. Die Frequenz f₃ beträgt sogar etwa 1.000 Hz. Das heißt, die vorliegende Erfindung besteht im Überlagern von Hochfrequenzimpulsen auf die niederfrequenzgepulste Wellenform des TIG-Schweißgerätes, wie schematisch in 9 veranschaulicht. Dies wird durch jedes geeignete Programm bewerkstelligt, wovon eines schematisch als Programm 500 in 10 veranschaulicht ist.
Das in 10 veranschaulichte Programm 500 ist repräsentativ für ein Programm zum Bilden der Wellenform von Diagramm 300. Wenn der Schweißprozess gestartet wird, wie durch Block 502 angedeutet, so werden die Hochfrequenzimpulse 400 durch eine Routine von Programm 500 implementiert, die mit der Regelung des hohen Spitzenstroms 392a beginnt, wie es in Schritt 504 geschieht. Der Impuls 400 wird auf dem Spitzenpegel 302a erzeugt, bis die Zeit t abgelaufen ist. Dieses Ereignis setzt den Impulsbreitenzeitgeber zurück und inkrementiert den Zähler oder Impulsakkumulator. Zeitgeber und Zähler sind nicht Teil des Programms. Nach Ablauf der Impulszeit t regelt der Wellenformgenerator den Strom auf den Hintergrundstrompegel 302b, wie durch Schritt 508 angedeutet. Wenn dieser Niedrigpegelstrom für den Impuls 400 eine Zeit t existiert hat, so geht ein Signal in der Leitung 510 dazu über, den nächsten Impuls 400 zu generieren. Dies wird fortgesetzt, bis ein Signal durch Schritt 504 in der Leitung 506b erzeugt wird. Dies zeigt an, dass der Wellenformgenerator die Anzahl der Impulse 400 erzeugt hat, die in dem Abwärtszähler eingestellt wurden, so dass sich der Wellenformgenerator zur positiven Stromsektion 304 verschiebt, wie durch Block 520 angedeutet. Der Zähler wird auf 1 gesetzt. Ein Impuls 402 auf Pegel 304a wird erzeugt, bis die Zeit t abgelaufen ist. Dies geschieht, wie durch Linie 320a angedeutet, um den Block oder Schritt 530 zu betätigen, um den Niedrigpegelstrom 304b der Impulse 402 zu generieren. Nachdem der Wellenformgenerator für die Dauer der Zeit t einen niedrigen Pegel aufrechterhalten hat, re-implementiert Leitung 532 den Impuls 402, bis es ein Signal in der Leitung 520b gibt, das die eingestellte Anzahl von Impulsen 402 und damit das Ende der Sektion 304 anzeigt. Linie 520b beginnt dann die nächste Impulssektion 302 durch Rücksetzen des Zählers auf 1. Der nächste Impuls wird gemäß der vorherigen Erläuterung verarbeitet. Die Linien 510, 532 setzen den Impulszeitgeber zurück, um wieder eine Zeit t für den nächsten Abschnitt eines Hochfrequenzimpulses zu implementieren, der durch den Wellenformgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird. Die Erfindung beinhaltet die Erzeugung der Wellenform, die als Stromdiagramm 300 in 9 gezeigt ist. Es können verschiedene Programme zum Implementieren dieser Art von Wellenform mittels einer Wechselrichter-basierten Stromquelle und eines Wellenformgenerators, wie im vorliegenden Text beschrieben, und wie in den Patenten beschrieben, die durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wurden, verwendet werden.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die in 9 gezeigte negative gepulste Gleichstromwellenform zu der in dem Stromdiagramm 550 von 11 gezeigten Wellenform modifiziert. In der Wellenform dieses Diagramms hat die positiv gerichtete Stromsektion 552 der Wellenform keine überlagerten Hochfrequenzimpulse. Impulse werden nur über die Sektion 554 gelegt, welche die negativ gerichtete Sektion der Wellenform, die einen Zyklus umfasst, der Sektion 552 und Sektion 554 kombiniert. Der positiv gerichtete Spitzenstrom 552a von Sektion 552 ist während der Dauer 552b der Sektion 552 konstant. Die Erfindung beinhaltet die Modifizierung des negativ gerichteten Impulses oder der negativ gerichteten Sektion 554 mit einem Spitzenwert 554a mit überlagerten Impulsen 560. Die Impulse 560 haben jeweils einen niedrigeren Pegel 560a, der 25–80% des hohen Pegels 554a beträgt. Jeder Impuls 560 hat eine Zeit t, die im Wesentlichen die gleiche wie die Impulse in der in 9 veranschaulichten Ausführungsform der Erfindung ist. Diese Zeit wird durch die Frequenz der Impulse bestimmt, die zwischen 60–1.000 Hz variiert. Verschiedene Programme können die Ausführungsform der Erfindung, wie in 11 veranschaulicht, ausführen. Jedoch ist ein repräsentatives Computerprogramm 570 in 12 veranschaulicht, wobei das Programm bei Block 572 gestartet wird, wodurch die Zahl des Abwärtszählers für Impulse 560 eingestellt und der Zeitgeber auf die Zeit t zurückgesetzt wird. Beim Start der Wellenform durch den Wellenformgenerator wird die Sektion 554 zuerst durch einen Schritt implementiert, der als Block 574 gezeigt ist, dessen Ausgänge 574a, 574b den Ausgängen von Block 504 in 10 ähneln. Block 574 regelt den Strom von Sektion 554 auf den hohen Pegel 554a, bis Zeit t abgelaufen ist. Dann wird der Zeitgeber zurückgesetzt, und der Abwärtszähler wird um den Ausgang auf Leitung 574a erhöht, wodurch eine Regelung des Hintergrundstromabschnitts 560a eines Impulses 560 veranlasst wird. Der Hintergrund- oder Niedrigpegelabschnitt 560a wird für die Dauer der Zeit t aufrechterhalten. Nach Ablauf der Zeit wird der Zeitgeber zurückgesetzt, und Leitung 576 geht in den Hochpegelstrom 554a von Impuls 560 über. Dieses Verfahren setzt sich fort, bis der Zähler ausgezählt hat, was ein Ende der Stromsektion 554 anzeigt. Dies wird durch ein Signal auf Leitung 574b bestätigt, das den Block 580 aktiviert, um den negativen Strom von Sektion 552 zu regeln. Der konstante negative Strompegel 552a ist ein Spitzenstrompegel in der positiven Richtung. Spitzenstrom 552a fließt in der positiven Richtung, und Spitzenstrom 554a fließt in der negativen Richtung. Wenn die Sektion 554 die gegebene Impulszählung erreicht hat, so verschiebt sich das Signal in der Leitung 574b in die Niederstromsektion 552, die geregelt wird, bis die Zykluszeit abgelaufen ist, woraufhin ein Signal in der Leitung 582 den Zeitgeber und den Zähler zurücksetzt und sich in die Hochfrequenzsektion 554 zurück verschiebt. Das Programm 570 veranlasst den Wellenformgenerator von Schweißgerät 200, die in 11 gezeigte Wellenform auszuführen.
Die bevorzugte Implementierung der vorliegenden Erfindung ist eine gepulste negative Gleichstromwellenform, wie in 11 gezeigt; jedoch ist die Erfindung gleichermaßen auf eine Wechselstrom-TIG-Schweißwellenform anwendbar, wie in 7 gezeigt. Ein Wechselstrom-TIG-Schweißen mittels der vorliegenden Erfindung ist in 13 veranschaulicht, wobei das Stromdiagramm 600 eine Wechselstromwellenform ist, die eine positive Stromsektion 602 mit einem hohen Strompegel 602a und eine negative Stromsektion 604 mit Impulsen 610 aufweist, die einen hohen Strompegel 610a und einen niedrigen Strompegel 610b haben, wobei der niedrige Strompegel 25–60% des hohen Strompegels beträgt. Der Pegel 610b ist in dieser Ausführungsform als etwa 25% von Pegel 610a gezeigt. In dieser Wechselstromimplementierung der vorliegenden Erfindung werden die Hochfrequenzimpulse 610 nur auf die negative Stromsektion der Wechselstromwellenform gelegt, die einen Zyklus beider Sektionen 602 und 604 enthält. Die positive Sektion 602 wird zum Reinigen verwendet, und die negative Sektion 604 wird für den Einbrand verwendet – eine Funktion, die eine Steuerung des Lichtbogens erfordert. Die Dauer m des Reinigungsimpulses ist wesentlich kürzer als die Dauer n des Einbrandabschnitts der Wellenform. Computerprogramme zum Implementieren der in 13 gezeigten Ausführungsform der Erfindung können eine Vielzahl verschiedener Formen annehmen. Ein repräsentatives Programm ist in 14 veranschaulicht, wobei die Wellenform gestartet wird, wie durch Block 622 dargestellt. Die Impulse 610 werden dann durch einen Wechsel vom hohen Strom 610a zum niedrigeren Strom 610b geregelt. Um diese Hochfrequenzerzeugung von Impulsen zu bewerkstelligen, hat der Regelungsschritt 630 einen Ausgang 630a, der anzeigt, dass die Hochstromsektion 610 beendet werden soll, aber die Anzahl der Impulse ist nicht ausreichend, um die gesamte negative Sektion der Wellenform zu beenden. Ein Signal in der Leitung 630a aktiviert den Regulierungsschritt 632 zum Steuern des Niedrigpegelstroms 610b, bis Zeit t abgelaufen ist. Dann re-initiiert ein Signal in Leitung 634 den Schritt 630. Dieser Prozess setzt sich fort, bis die Anzahl von Impulsen 610, die in dem (nicht gezeigten) Abwärtszähler eingestellt wurde, erreicht wurde. Wenn die Anzahl von Zählwerten erreicht wurde, so verschiebt ein digitales Signal in der Leitung 630b die Wellenform in die positive Sektion 602, wie durch Schritt 640 angedeutet. Schritt 640 hält den Pegel 602a konstant, bis die eingestellte Zeit für den positiven Zyklus abgelaufen ist. Die Polarität wird dann geändert, wie durch ein Signal auf Leitung 612 angedeutet, um den Zähler auf 1 und den Zeitgeber zurückzusetzen, so dass die gepulste negative Sektion verarbeitet wird, indem Hochfrequenzimpulse 610 erzeugt werden. Das Überlagern von Impulsen 610 auf ausgewählte Sektionen einer gepulsten TIG-Wellenform ist ein neuartiger Aspekt der vorliegenden Erfindung, und die jeweiligen Abschnitte – ob wechselstrom- oder gleichstromgepulst – sind eine Frage des Betrages an Kontrolle über die Wärme und den Lichtbogen, die für den TIG-Schweißprozess gewünscht wird.
Beim GTAW-Schweißen, allgemein als TIG-Schweißen bekannt, ist es oft notwendig, einen Fülldraht zu verwenden, der in die Lichtbogensektion zwischen Elektrode E und Werkstück WP geführt wird. Durch die Zugabe von Füllmetall ändert sich nichts an der Erfindung, wie sie bis hierher beschrieben wurde. Jedoch wird in einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Fülldraht-Antriebsmechanismus, wie in den 15 und 16 veranschaulicht, zu dem neuartigen TIG-Schweißgerät hinzugefügt. In 15 enthält das TIG-Schweißgerät 700 zum Ausführen der Erfindung eine Stromquelle 702 mit Ausgangsleitungen 704, 706 zum Zuführen einer neuartigen Wellenform, wie bis hierher beschrieben, zu der Elektrode E und dem Werkstück WP. Die Wellenform wird durch den Generator 240 unter Verwendung der beschriebenen Programme gesteuert. Gemäß diesem zusätzlichen Merkmal der Erfindung wird Fülldraht F automatisch von der Rolle 710 her mittels Antriebsrollen 712, 714, die durch den Motor 720 über die Welle 722 gemäß einem Signal vom Mikroprozessor 730 gedreht werden, in den Spalt zwischen der Elektrode und dem Werkstück geleitet. Die Wellenform WF wird durch die Leitung 732 an den Mikroprozessor 730 übermittelt, die den Betrieb des Motors 720 mit der Wellenform WF koordiniert. Das heißt, der Fülldraht F wird während der Ausgabe des negativen Einbrandabschnitts der TIG-Wellenform in Richtung des Lichtbogens zugeführt. Folglich wird der Draht F während des Abschnitts 302 in 9, des Abschnitts 554 von 11 und 604 von 13 in den Lichtbogen geleitet. Die Synchronisation des Fülldrahtes mit dem negativen Abschnitt der Wellenform für das TIG-Schweißen ist ein Merkmal, das der Erfindung hinzugefügt wurde. In einigen Fällen soll der Fülldraht F „warm” sein. Dies ist schematisch in 16 veranschaulicht, wo der gleiche Mechanismus zum Zuführen von Draht F in den Lichtbogen während des TIG-Schweißprozesses verwendet wird. In dieser weiteren Modifizierung der vorliegenden Erfindung leitet die Stromquelle 740 ihren Ausgang durch den Draht F, indem die Ausgangsleitungen 742, 744 mit der Kontaktspitze 726 und Werkstück WP in Reihe geschaltet werden. Die Stromquelle erwärmt den Fülldraht F. Sie wird auch so gesteuert, dass die Wellenform auf den Leitungen 742 und 744 mit mindestens einem Teil der Wellenform von der Stromquelle 702 synchronisiert wird. Es können noch andere Modifikationen zum Praktizieren der Erfindung verwendet werden. Diese Erfindung beinhaltet das Überlagern von Hochfrequenzstromimpulsen in mindestens der negativen Sektion einer gepulsten Gleichstrom- oder Wechselstromwellenform. Diese Erfindung wird in erster Linie für ein TIG-Schweißgerät verwendete.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Claims

Schweißgerät, das eine Stromquelle zum Ausführen eines Schweißprozesses umfasst, insbesondere eines GTAW (Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen) oder TIG(Wolfram-Inertgas)-Schweißprozesses, an einer Elektrode und einem Werkstück, wobei die Stromquelle eine erste Ausgangsleitung hat, die mit der Elektrode verbunden ist, und eine zweite Ausgangsleitung hat, die mit dem Werkstück verbunden ist, und einen Regler zum Erzeugen einer Wellenform an den Stromzuführungen hat, wobei die Wellenform ein Profil aufweist, das zwischen einer ersten Stromsektion und einer zweiten Stromsektion mit einer bestimmten Gesamtfrequenz wechselt, wobei jede dieser Sektionen einen Spitzenstrom in entweder der positiven oder der negativen Richtung und eine Dauer hat, wobei die Verbesserung umfasst, dass mindestens eine der Stromsektionen zwischen einem hohen Strompegel, der gleich seinem Spitzenstrom ist, und einem niedrigen Strompegel in der entgegengesetzten Richtung des Spitzenstroms mit einer Pulsierfrequenz umgeschaltet wird, die größer als die bestimmte Gesamtfrequenz ist.
Schweißgerät nach Anspruch 1, wobei die Stromquelle eine wechselrichterbetriebene Stromquelle ist.
Schweißgerät nach Anspruch 2, wobei die Stromquelle ein Wechselrichter ist, der mit einer Frequenz von mehr als etwa 18 kHz betrieben wird, und das Wellenformprofil durch einen digitalen Wellenformgenerator erzeugt wird, der den Wechselrichter steuert.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Regler ein Wellenformgenerator zum Erzeugen einer Wellenform mit einem ausgewählten Profil an den Stromzuführungen ist.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Sektion elektrodenpositiv ist und die zweite Sektion elektrodennegativ ist.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei nur die zweite Sektion zwischen einem hohen Strompegel und einem niedrigen Strompegel gepulst wird.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei beide der Stromsektionen zwischen einem hohen Strompegel und einem niedrigen Strompegel gepulst werden.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Pulsierfrequenz der ersten und zweiten Sektionen verschieden ist.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Pulsierfrequenz der ersten und zweiten Sektionen im Wesentlichen die gleiche ist.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Gesamtfrequenz niedriger als 20 Hz ist.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Pulsierfrequenz im Bereich von 50 Hz bis 1000 Hz liegt.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Gesamtfrequenz niedriger als 2 Hz ist.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Spitzenströme der Stromsektionen verschieden sind.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die zweite Sektion elektrodennegativ ist und der Spitzenstrom der zweiten Sektion größer ist als der Spitzenstrom der ersten Sektion.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Dauer der Stromsektionen verschieden ist.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die zweite Sektion elektrodennegativ ist und die Dauer der zweiten Sektion größer ist als die Dauer der ersten Sektion.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 16, das eine Vorrichtung zum Zuführen von Fülldraht in den Spalt zwischen der Elektrode und dem Werkstück enthält.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 17, das einen Regler für die Vorrichtung enthält, um den Fülldraht in zeitgesteuerten Intervallen in den Spalt zu führen.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Intervalle mit einer der Stromsektionen synchronisiert sind.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die eine Stromsektion eine negative Elektrodensektion des Profils ist.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 20, das eine zweite Stromquelle enthält, um einen Strom zwischen dem Fülldraht und dem Werkstück zu leiten.
Schweißgerät nach Anspruch 21, wobei die zweite Stromquelle eine Ausgangswellenform hat, die mit der Wellenform an den Stromzuführungen synchronisiert wird.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei der niedrige Strom im Bereich von 25–80% des hohen Strompegels liegt.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei der Schweißprozess ein MIG-Prozess ist.