DE202012012987U1

DE202012012987U1 - Stromquelle für verbesserte GMAW- und GTAW-Schweißleistung

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Publication number: DE202012012987U1
Application number: DE201220012987
Authority: DE
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2014-08-26
Anticipated expiration: 2022-11-15
Also published as: US20130119034A1; US9120175B2; WO2013072742A1

Abstract

Wechselstrom-TIG-Stromquelle (160), die Folgendes umfasst: ein Stromversorgungsmodul, das Folgendes umfasst: einen ersten Stromkreis (100), der mindestens einen ersten Schalter (110A/B) umfasst, der dafür konfiguriert ist, einen Schweißstrom zu einer Elektrode (50) eines Schweißsystems zu leiten, und einen zweiten Stromkreis, der eine erste Last umfasst, die mit mindestens einem zweiten Schalter (120A/B) wirkverbunden ist, wobei der zweite Stromkreis dafür konfiguriert ist, den Schweißstrom durch die erste Last (150A/B) zu der Elektrode (50) zu leiten; ein Mittel zum Steuern des mindestens einen ersten Schalters dergestalt, dass der Schweißstrom während eines ersten Anstiegsabschnitts (310) einer Schweißwellenform (300) durch den mindestens einen ersten Schalter (110A/B) und zu der Elektrode (50) fließt, und dass während eines ersten Abstiegsabschnitts (330) der Schweißwellenform (300) kein Strom durch den mindestens einen ersten Schalter (110A/B) fließt; und ein Mittel zum Steuern des mindestens einen zweiten Schalters (120A/B) dergestalt, dass der Schweißstrom während des erstes Abstiegsabschnitts (330) der Schweißwellenform (300) durch die erste Last (150A/B) und zu der Elektrode (50) fließt, wobei der erste Abstiegsabschnitt (330) den Schweißstrom auf einen ersten zuvor festgelegten Wert ISWE bringt, und wobei der Schweißstrom zu der Elektrode (50) in einer ersten Richtung fließt, wenn er durch den ersten Stromkreis (100) und/oder den zweiten Stromkreis fließt.

Description

PRIORITÄT
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/559,357, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Bestimmte Ausführungsformen betreffen Schweißsysteme, -vorrichtungen und -prozesse. Insbesondere betreffen bestimmte Ausführungsformen Vorrichtungen zum Steuern von Schutzgas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW oder TIG) und Schutzgas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW oder MIG).
HINTERGRUND
Schweißsysteme enthalten Induktivität entweder in Form von parasitischer Induktivität beispielsweise aufgrund einer Induktivität, die in Schweißzuleitungen und anderen Komponenten vorhanden ist, oder in Form von absichtlich hinzugefügten Induktivitäten als Energiespeichervorrichtungen. Ungeachtet der Form stellt sich Induktivität Änderungen beim Strom entgegen. In herkömmlichen „Stabilzustand”-Schweißprozessen war Induktivität in einem Schweißsystem wünschenswert, da sie half, den Prozess zu stabilisieren. Jedoch erfordern viele moderne Schweißprozesse, wie zum Beispiel Wechselstrom-TIG und Hochleistungslichtbogen-MIG-Schweißen schnelle Änderungen beim Schweißstrom, aber die Induktivität in den Schweißsystemen stellt sich diesen Änderungen entgegen. Das heißt, wann immer der Strom rasch von einem hohen Pegel zu einem niedrigen Pegel übergehen muss, kann Induktivität im Stromkreis die Änderung verzögern. Beim Übergang von einem geringen Strom zu einem hohen Strom kann jede unerwünschte Induktivität überwunden werden, indem man die Spannung erhöht, um den Strom schneller voranzutreiben. Jedoch lassen sich die Übergänge von einem hohen Strom zu einem niedrigen Strom nicht in der gleichen Weise erzwingen. Selbst wenn die Stromquelle ausgeschaltet wird, läuft der Strom aufgrund der Induktivität frei durch das System und wird dementsprechend zu einem steuernden Faktor beim Wechselstrom-TIG, beim gepulsten Hochleistungslichtbogen-GMAW, beim gepulsten TIG und in anderen Systemen.
Weitere Einschränkungen und Nachteile herkömmlicher, traditioneller und vorgeschlagener Lösungsansätze werden für den Fachmann erkennbar, indem er diese Lösungsansätze mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vergleicht, die im übrigen Teil der vorliegenden Anmeldung mit Bezug auf die Zeichnungen dargelegt werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Erfindung stellt weiterentwickelte Verfahren zum Steuern von Stromquellen bereit. Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen eine gesteuerte Stromquelle mit einem externen oder internen Stromversorgungsmodul. Das Stromversorgungsmodul enthält einen ersten Stromkreis, der mindestens einen ersten Schalter hat. Der erste Stromkreis ist dafür konfiguriert, einen Schweißstrom an eine Elektrode eines Schweißsystems abzugeben. Das Stromversorgungsmodul hat außerdem einen zweiten Stromkreis, der eine Last enthält, die mit mindestens einem zweiten Schalter wirkverbunden ist. Der zweite Stromkreis ist dafür konfiguriert, den Schweißstrom an die Elektrode durch die Last hindurch abzugeben. Die Ausführungsform enthält außerdem das Steuern, zum Beispiel durch eine Steuereinheit, eine Software und/oder einen Schaltkreis, des mindestens einen ersten Schalters dergestalt, dass der Schweißstrom durch den mindestens einen ersten Schalter und zu der Elektrode während eines Anstiegsabschnitts einer Schweißwellenform fließt, und dergestalt, dass kein Strom durch den mindestens einen ersten Schalter während eines Abstiegsabschnitts der Schweißwellenform fließt. Die Ausführungsform enthält des Weiteren das Steuern des mindestens einen zweiten Schalters dergestalt, dass der Schweißstrom während des Abstiegsabschnitts der Schweißwellenform durch die Last und zu der Elektrode fließt. Der Abstiegsabschnitt bringt den Schweißstrom auf einen zuvor festgelegten Wert.
Diese und weitere Merkmale der beanspruchten Erfindung sowie Details veranschaulichter Ausführungsformen davon werden anhand der folgenden Beschreibung, der Ansprüche und der Zeichnungen besser verstanden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben dargelegten und/oder weitere Aspekte der Erfindung werden deutlicher erkennbar, indem beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung ausführlich mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen Folgendes dargestellt ist:
1 veranschaulicht einen beispielhaften Stromversorgungsstromkreis gemäß der vorliegenden Erfindung;
2A–2D sind beispielhafte Stromflussschaubilder, die den Betrieb des beispielhaften Stromversorgungsstromkreises von 1 veranschaulichen;
3A veranschaulicht eine Wechselstrom-TIG-Wellenform des Standes der Technik;
3B veranschaulicht eine beispielhafte Wechselstrom-TIG-Schweißstromwellenform gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 veranschaulicht eine beispielhafte Schweißzustandstabelle, die die Schweißstromwellenform von 3B implementieren kann;
5 veranschaulicht eine beispielhafte Hochleistungslichtbogenwellenform gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 veranschaulicht einen Schweißtröpfchentransfer in einem Hochleistungslichtbogenprozess;
7 veranschaulicht eine beispielhafte Schweißzustandstabelle, die die Hochleistungslichtbogenwellenform von 5 implementieren kann;
8A veranschaulicht eine Stromwellenform des Standes der Technik für ein gepulstes Gleichstrom-TIG-System;
8B veranschaulicht eine beispielhafte Schweißstromwellenform für ein gepulstes Gleichstrom-TIG-System gemäß der vorliegenden Erfindung; und
9 veranschaulicht eine beispielhafte Schweißzustandstabelle, die die Schweißstromwellenform von 8B implementieren kann.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden nun beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sollen das Verstehen der Erfindung unterstützen und sollen den Geltungsbereich der Erfindung in keiner Weise einschränken. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen stets gleiche Elemente.
Es versteht sich, dass die folgende Beschreibung beispielhaft ist und der Erläuterung der Erfindung dienen soll. Jedoch ist die Erfindung nicht auf die beispielhafte Beschreibung beschränkt.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromsteuerkreis zum Schweißen und insbesondere einen Stromsteuerkreis, der die Leistung von Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW) und Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW) verbessert. Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen einen verbesserten Stromsteuerkreis, der rasch zwischen positiven und negativen Polaritäten umschalten kann und/oder den Strom in einem Schweißsystem ohne unnötige Komplexität reduzieren kann.
Wie in 1 veranschaulicht, enthält der Stromversorgungsstromkreis 100 Schalter 110A/B, 120A/B, 130A/B und 140A/B, Reduzierwiderstände 150A/B, eine Stromversorgung 160 und Induktionsspulen 170A/B, die zusätzliche Induktivitäten darstellen können, die dem Stromversorgungsstromkreis 100 hinzugefügt wurden. Außerdem kann der Stromversorgungsstromkreis 100 parasitische Induktivität beispielsweise aufgrund von Schweißzuleitungen usw. enthalten. Eine Schaltersteuereinheit 190 wird zum Steuern der Schalter 110A/B, 120A/B, 130A/B und 140A/B beispielsweise anhand einer Schweißtabelle oder einer sonstigen Steuerungslogik verwendet. Die Schaltersteuereinheit 190 kann jede beliebige Art einer bekannten Steuerungslogik zum Steuern des Betriebes der Schalter verwenden und kann in die Stromquelle 160 integriert sein oder mit ihr kommunizieren, um den richtigen Betrieb der Schalter sicherzustellen. Zum Beispiel kann die Schaltersteuereinheit eine zustandsbasierte Steuereinheit sein, die Zustandtabellen oder Nachschlagetabellen zum Steuern des Betriebes der Schalter verwendet, so wie es für das Aufheben von Kurzschlussereignissen, das Umschalten der Schweißpolarität, das Erzeugen von Schweißimpulsen oder für Plasmaverstärkungen usw. benötigt wird. Die Schaltersteuereinheit kann ein beliebiges System oder eine beliebige Steuereinheit sein, die in der Lage ist, die Schalter 110A/B, 120A/B, 130A/B und 140A/B rasch zu öffnen und zu schließen. Zum Beispiel kann die Steuereinheit von der Art sein, die in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung Nr. 13/534,119 offenbart ist, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen wird. Die Schalter 110A/B, 120A/B, 130A/B und 140A/B können zum Beispiel IGBT-Schalter sein.
In einigen Ausführungsformen speichern die Induktionsspulen 170A/B Energie, die zur Re-Initiierung des Lichtbogens verwendet werden kann. Wie oben angesprochen, können Schweißsysteme zusätzlich zu den Induktionsspulen 170A/B eine parasitische Induktivität enthalten, die man in der Regel in Schweißstromversorgungen antrifft. In einigen Fällen kann die parasitische Induktivität des Schweißsystems auch die Neuzündung des Lichtbogens unterstützen. Die Stromquelle 160 kann eine beliebige bekannte Art von GMAW- oder GTAW-Schweißstromquelle sein, die in der Lage ist, ein Schweiß- oder Schneidsignal auszugeben. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Stromquelle 160 eine Stromquelle, die in der Lage ist, einen Gleichstromschweißstrom auszugeben. Jedoch können auch andere Arten von Stromquellen mit dem Stromversorgungsstromkreis 100 verwendet werden. Obgleich in 1 die Schalter 110A/B, 120A/B, 130A/B und 140A/B, die Widerstände 150A/B, die Induktionsspulen 170A/B und die Schaltersteuereinheit 190 zum besseren Verständnis außerhalb der Stromquelle 160 gezeigt sind, können diese Komponenten in beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung integral mit der Stromquelle 160 ausgebildet sein. Alternativ können diese Komponenten in einem separaten Polaritätsmodul angeordnet sein, das von der Stromquelle 160 getrennt ist. In solchen Ausführungsformen kann das Polaritätsmodul (mit mindestens diesen Komponenten) mit dem Ausgang der Stromquelle 160 gekoppelt sein, um die im vorliegenden Text besprochenen Operationen zu erreichen. Somit sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in der Lage, eine Nur-Gleichstrom-Quelle 160 zu verwenden und es zu ermöglichen, dass die Stromquelle als eine Wechselstrom/Gleichstromquelle oder als eine Stromquelle von entgegengesetzter Polarität arbeitet. Dementsprechend kann der Stromkreis 100 in zahlreiche Schweißsysteme integriert werden, zum Beispiel Wechselstrom-TIG, Gleichstromimpuls-TIG, Hochleistungslichtbogen-MIG usw. Natürlich kann der Fachmann die vorliegende Erfindung auch mit anderen Arten von Stromquellen verwenden.
Wie oben angesprochen, wird der Betriebszustand der Schalter 110A/B, 120A/B, 130A/B und 140A/B durch die Schaltersteuereinheit 190 bestimmt. Genauer gesagt, werden die Schalter 110A/B, 120A/B, 130A/B und 140A/B entweder ein- oder ausgeschaltet, um mindestens einen der Betriebszustände des Stromsteuerkreises 100 zu erreichen. In einem ersten Betriebszustand werden die Schalter 110A/B und 120A/B eingeschaltet (geschlossen), und die Schalter 130A/B und 140A/B werden ausgeschaltet (geöffnet), so dass eine positive Polarität an die Elektrode 50 angelegt wird. In einem zweiten Zustand wird eine geschaltete Last in den Stromkreis eingefügt. Zum Beispiel werden die Schalter 110A/B ausgeschaltet, und die Schalter 120A/B werden eingeschaltet (oder bleiben einfach an), um Strom durch die Widerstände 150A/B zu leiten. In dem ersten und dem zweiten Zustand besteht ein Stromfluss einer bestimmten Polarität, der zum Beispiel ein positiver Stromfluss sein kann, so dass die Elektrode 50 mit Bezug auf das Werkstück 55 positiv ist. In einem dritten Zustand werden die Schalter 130A/B und 140A/B eingeschaltet, und die Schalter 110A/B und 120A/B werden ausgeschaltet, so dass eine negative (entgegengesetzte) Polarität an den Schweißlichtbogen angelegt wird. In einem vierten Zustand wird eine geschaltete Last eingefügt. Zum Beispiel werden die Schalter 130A/B ausgeschaltet, und die Schalter 140A/B werden eingeschaltet (oder bleiben einfach an), um Strom durch die Widerstände 150A/B zu leiten. Eine solche Stromkreisbauweise erlaubt es dem Stromversorgungsstromkreis 100, während des Schweißens rasch zwischen entgegengesetzten Polaritäten überzugehen und/oder den Strom von einem relativ hohen Pegel auf einen relativ niedrigen Pegel zu reduzieren, während ein Schweißlichtbogen beibehalten wird.
In beispielhaften Ausführungsformen wird die geschaltete Last, beispielsweise Reduzierwiderstände 150A/B, verwendet, um den Strom rasch zu reduzieren, beispielsweise beim Umschalten zwischen positiven und negativen Polaritätszuständen oder beim Übergang von einem Spitzenstromwert zu einem Hintergrundstromwert. Durch Ausschalten der Schalter 110A/B und Einschalten der Schalter 120A/B (oder Halten der Schalter 120A/B im Ein-Zustand) wird der Strom gezwungen, durch die Last, zum Beispiel die Reduzierwiderstände 150A/B, zu fließen. Gleichermaßen wird durch Ausschalten der Schalter 130A/B und Einschalten der Schalter 140A/B (oder Halten der Schalter 130A/B im Ein-Zustand) der Strom ebenfalls gezwungen, durch die Last, zum Beispiel die Reduzierwiderstände 150A/B, zu fließen, aber in dieser Ausführungsform in der entgegengesetzten Richtung. In beiden Fällen fallen der Strom und die Spannung ab, während der Strom durch die Last, zum Beispiel die Reduzierwiderstände 150A/B, fließt.
2A veranschaulicht den Betrieb des Stromversorgungsstromkreises 100, wenn eine positive Polarität an die Elektrode 50 angelegt wird (die Steuereinheit 190 ist zur besseren Übersichtlichkeit nicht gezeigt). Wie in 2A gezeigt, werden die Schalter 110A/B und 120A/B eingeschaltet (geschlossen), und die Schalter 130A/B und 140A/B werden ausgeschaltet (geöffnet), so dass Strom entlang der positiven Schiene zu dem ersten Schalter 110A, dann durch die Schweißelektrode 50 (ob die Elektrode 50 ein Schweißdraht in einem GMAW-System oder eine nicht-verzehrbare Elektrode in einem GMAW-System ist) und dann in das Werkstück 55 fließt. Von dem Werkstück 55 fließt der Strom dann zu dem zweiten Schalter 110B und in die negative Schiene und zurück zu der Stromquelle 160. In dieser Ausführungsform fließt der Strom, auch wenn die Schalter 120A/B geschlossen sind, aufgrund des Vorhandenseins der Widerstände 150A/B in erster Linie durch die Schalter 110A/B. In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegen die Widerstände 150A/B im Bereich von 1 bis 2 Ohm, aber die Widerstände 150A/B können in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften des Systems, zum Beispiel dem gewünschten Hintergrundstrom und/oder dem gewünschten Umschaltstrom, auch andere Werte haben. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform werden die Widerstände 150A/B so gewählt, dass der Strom durch die Widerstände im Bereich von 5 bis 90 A liegen kann. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann der Strom im Bereich von 30 zu 50 A liegen. In anderen beispielhaften Ausführungsformen können die Schalter 120A/B auch offen sein, wenn Strom durch die Schalter 110A/B fließt, oder mindestens einen Teil der Zeit, den der Strom durch die Schalter 110A/B fließt.
2B veranschaulicht den Betrieb des Stromversorgungsstromkreises 100, um eine geschaltete Last einzubringen, die rasch den Strom verringern kann, der durch den Schweißlichtbogen fließt (die Steuereinheit 190 ist zur besseren Übersichtlichkeit nicht gezeigt). Um den Strom rasch zu reduzieren, werden die Schalter 110A/B ausgeschaltet (geöffnet), und die Schalter 120A/B werden eingeschaltet (geschlossen). Wenn die Schalter 120A/B bereits geschlossen sind (wie in 2A gezeigt), so bleiben sie natürlich einfach geschlossen. Wenn die Schalter 120A/B geschlossen sind und die Schalter 110A/B offen sind, so fließt der Strom durch die Widerstände 150A/B und wird rasch reduziert. Die Verwendung der positiven und negativen Schiene ähnelt der, die oben beschrieben wurde, außer dass der Strom durch die Schalter 120A/B und die Widerstände 150A/B fließt. Der Stromversorgungsstromkreis 100 kann dafür verwendet werden, den Schweißstrom gewünschtenfalls rasch zu verringern, beispielsweise, wenn ein Kurzschluss detektiert wird, um von einem Spitzenstrom zu einem Hintergrundstrom überzugehen, um von einer Polarität zu einer anderen umzuschalten, usw. Wenn es gewünscht wird, dieselbe Polarität beizubehalten, aber den normalen Stromfluss wiederherzustellen, beispielsweise, wenn der Kurzschluss aufgehoben wird, so können die Schalter 110A/B geschlossen werden, so dass der Stromfluss so ist, wie in 2A gezeigt.
2C veranschaulicht den Betrieb des Stromversorgungssteuerkreises 100, wenn eine negative Polarität an die Elektrode 50 mit Bezug auf das Werkstück 55 angelegt wird. Wie in 2C gezeigt, werden die Schalter 130A/B und 140A/B eingeschaltet (geschlossen), und die Schalter 110A/B und 120A/B werden ausgeschaltet (geöffnet), so dass Strom entlang der positiven Schiene zu dem ersten Schalter 130A, durch das Werkstück 55 und in die Elektrode 50 und dann in den zweiten Schalter 130B und die Stromquelle 160 über die negative Schiene fließt. Betrieb und Verwendung dieses Stromkreises ähnelt dem, was in 2A gezeigt ist, außer das der Stromfluss durch den Schweißlichtbogen entgegengesetzt ist. Das heißt, obgleich das Ausgangssignal der Stromquelle 160 mit Bezug auf seine Ausgangspolarität gleich bleibt, können die Schalter in dem Stromversorgungsstromkreis 100 so betätigt werden, dass entweder eine positive oder eine negative Polarität in die Elektrode 50 eingespeist wird.
2D veranschaulicht den Betrieb des Stromversorgungsstromkreises 100, um eine geschaltete Last einzubringen, um gewünschtenfalls den Stromfluss rasch zu verringern, beispielsweise, wenn ein Kurzschluss detektiert wird, um von einem Spitzenstrom zu einem Hintergrundstrom überzugehen, um von einer Polarität zu einer anderen umzuschalten, usw. In dem in 2D veranschaulichten Zustand hat die Elektrode 50 eine Polarität, die der in 2B gezeigten Polarität entgegengesetzt ist. Um den Strom rasch zu verringern, werden die Schalter 130A/B geöffnet, und die Schalter 140A/B werden geschlossen (oder bleiben geschlossen). Somit wird der Strom aufgrund der Reduzierwiderstände 150A/B rasch verringert. Der Strom fließt entlang der positiven Schiene zu dem ersten Schalter 140A, durch den Widerstand 150B in das Werkstück 55 und dann zu der Elektrode 50, durch den Widerstand 150A und den zweiten Schalter 140B, und dann entlang der negativen Schiene zu der Stromquelle 160. Wenn es gewünscht wird, die Polarität beizubehalten, aber den normalen Stromfluss wiederherzustellen, zum Beispiel, nachdem ein Kurzschluss aufgehoben wurde, so können die Schalter 130A/B wieder geschlossen werden, so dass der gewünschte Schweißstromfluss wieder aufgenommen wird.
In einigen Ausführungsformen kann der Stromkreis 100 dafür verwendet werden, Polaritäten umzuschalten, nachdem der Schweißstrom auf einen gewünschten Pegel gesenkt wurde. Zum Beispiel kann das System von dem Zustand in 2A, wo die Elektrode 50 eine positive Polarität hat, zu dem Zustand in 2C übergehen, wo die Elektrode 50 eine negative Polarität hat. Vor dem Polaritätsübergang kann eine geschaltete Last in das Schweißsystem eingefügt werden, zum Beispiel der Zustand in 2B, um den Strom rasch zu verringern. Wenn der Strom von einer Polarität zu einer anderen übergeht (beispielsweise positiv zu negativ), so durchquert er einen 0-A-Strompegel; das heißt, dass der Lichtbogen erlischt. Aufgrund des Vorhandensein der Systeminduktivität und/oder Induktionsspulen 170A/B wird der Strom jedoch durch den Spalt zwischen der Elektrode 50 und dem Werkstück 55 am Fließen gehalten, so dass der Lichtbogen sehr rasch wieder gezündet wird. Das heißt, die Induktionsspulen 170A/B (und/oder die Systemsinduktivität) stellen einen Spannungspegel bereit, der den Lichtbogen nach einem Polaritätsübergang sehr rasch wieder zünden kann.
In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann, wenn ein Polaritätswechsel stattfindet, eine Überlappung zwischen dem Schließen und Öffnen der Schalter vorhanden sein, so dass mindestens der Satz Schalter 120A/B und 130A/B und der Satz Schalter 140A/B und 110A/B beide gleichzeitig geschlossen sind. In einigen beispielhaften Ausführungsformen hat diese Überlappung eine Dauer im Bereich von 10 bis 20 μs. Diese Überlappung kann beim Übergang von einer Polarität zur anderen helfen.
Wie oben beschrieben, können beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dafür verwendet werden, den Schweißstrom rasch zu reduzieren, beispielsweise, wenn ein Kurzschluss detektiert wird, um von einem Spitzenstrom zu einem Hintergrundstrom überzugehen, um von einer Polarität zu einer anderen umzuschalten, usw., selbst wenn das Ausgangssignal der Stromquelle 160 konstant bleiben kann. Außerdem kann die Polarität an der Elektrode 50 geändert werden; das kann aus einer von Gründen geschehen. Der Polaritätswechsel kann an vielen verschiedenen Punkten während einer Schweißwellenform ausgeführt werden, zum Beispiel auf einem Hintergrundpegel, während eines Kurzschlussereignisses, nachdem ein Kurzschluss aufgehoben wurde, usw. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann der oben beschriebene Stromkreis dafür verwendet werden, einen Kurzschluss in einer entgegengesetzten Polarität aufzuheben. Wenn zum Beispiel ein Schweißvorgang mit einer positiven Polarität ausgeführt wird (beispielsweise 2A), so kann ein detektierter Kurzschluss in einer negativen Polarität aufgehoben werden (beispielsweise 2C und 2D).
Es werden nun beispielhafte Ausführungsformen und Verfahren zum Umschalten der Strompolarität mit Bezug auf verschiedene Anwendungen besprochen. 3A veranschaulicht eine Schweißstromwellenform des Standes der Technik in einem typischen Wechselstrom-GTAW-System (auch als Wechselstrom-TIG-System bekannt). Der Anstiegsabschnitt der Wellenform wird durch die Stromquelle gesteuert, und die Spannung der Stromquelle und die Induktivität (beispielsweise von Induktionsspulen und parasitischer Induktivität), die die Stromquelle wahrnimmt, stellen die Anstiegsrate ein. Der Strom steigt über eine gewünschte Zeitspanne auf einen gewünschten Wert I_P an, bevor der Stromversorgungsstromkreis die Polaritäten zu I_N umschaltet. Der typische Wechselstrom-TIG-Stromversorgungsstromkreis schaltet die Polaritäten mit einer zuvor festgelegten Frequenz von zum Beispiel 500 Hz um. Auch wenn höhere Umschaltfrequenzen wünschenswert sind, kann die maximale Frequenz durch die Induktivität in dem Stromversorgungsstromkreis begrenzt werden, die steuert, wie schnell der Schweißstrom ansteigt. Das liegt daran, dass es vor dem Umschalten der Polaritäten des Schweißstroms wünschenswert ist, den Schweißstrom von seinem hohen Pegel (I_P, I_N) auf einen Stromwert (I_SWP, I_SWN) zu senken, der für die Schalter, zum Beispiel IGBT-Schalter, und andere Komponenten in dem Schweißstromkreis unbedenklich ist. Zum Beispiel kann der Schweißstrom I_P, I_N von etwa 100 A effektiv bis etwa 600 A effektiv reichen, und der Umschaltstrom I_SWP, I_SWN kann im Bereich von etwa 10 A bis 100 A liegen, kann aber in einigen Stromkreisen auch bis zu 200 A betragen. In einigen Ausführungsformen kann der Schweißstrom I_P, I_N etwa 300 A effektiv betragen, und der Umschaltstrom I_SWP, I_SWN kann etwa 25 A betragen. Die Induktivität in dem Stromversorgungsstromkreis steuert, wie schnell der Schweißstrom auf den Pegel I_SWP, I_SWN abfällt. Zum Beispiel kann es in Abhängigkeit von dem Wert der Induktionsspulen 170A/B und der parasitischen Induktivität zum Beispiel 100 μs bis 400 μs dauern, bis der Strom auf einen akzeptablen Pegel fällt, zum Beispiel von etwa 300 A bis etwa 25 A. Dementsprechend muss der Schweißstrom früher übergehen, als wenn es keine Induktivität in dem System gäbe.
Wenn jedoch der Schweißstrom früher übergeht, um diese Induktivität zu berücksichtigen, so muss der Strompegel I_P, I_N höher eingestellt werden, um den gleichen durchschnittlichen Schweißstrom I_AVG zu erhalten. In dem Maße, wie die Schweißfrequenz ansteigt, zum Beispiel bis 1.000 Hz, muss der Strom I_P, I_N (und die entsprechende Spannung, die den Strom I_P, I_N ansteuert) noch höher eingestellt werden. Dadurch entstehen insofern Probleme, als nicht nur die Stromversorgung größer werden muss, um den höheren Strom verarbeiten zu können, sondern auch die Wolframelektrode spaltet sich auf, wenn der Strom zu hoch ist.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dissipieren rasch die in der Induktivität gespeicherte Energie, um schnelle Übergänge bei niedrigerem Spitzenstrom bereitzustellen. Das heißt, in den Zuständen, die in 2B und 2D gezeigt sind, dissipiert der Schweißstrom viel schneller zu dem Umschaltpunkt I_SWP, I_SWN als herkömmliche Systeme. Zum Beispiel veranschaulicht 3B eine Wechselstrom-TIG-Schweißstromwellenform 300 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 3B gezeigt, ist die Übergangszeit vom Spitzenstrom I_P, I_N zum Umschaltpunkt I_SWP bzw. I_SWN weniger. Das liegt daran, dass, wie weiter unten noch besprochen wird, der Schweißstrom durch die Widerstände 150A/B gezwungen wird, bevor die Polarität geändert wird. Dementsprechend braucht – in einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung – ein System, das zum Beispiel 400 μs gebraucht haben würde, bis der Strom auf den Übergangspunkt I_SWP, I_SWN fällt, möglicherweise zum Beispiel nur 30 bis 50 μs. Eine Übergangszeit von 400 μs wäre für Frequenzen, die bei 1.000 Hz und darüber liegen, inakzeptabel, da die Übergangszeit fast so groß wäre wie die Halbzykluszeit. Zum Beispiel beträgt die Halbzykluszeit bei 1.000 Hz 500 μs. Im Gegensatz dazu kann die vorliegende Erfindung Übergangszeiten im Bereich von 30 bis 50 μs bereitstellen. Weil diese Übergangszeit viel kürzer ist, können beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung es Systemen erlauben, bei viel höheren Frequenzen als 500 Hz, zum Beispiel bis zu 1.500 Hz, wo die Halbzykluszeit etwa 333 μs beträgt, oder noch höheren Frequenzen zu arbeiten. Außerdem kann der Spitzenstrom I_P I_N in Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung niedriger als der Spitzenstrom I_P, I_N von herkömmlichen Systemen eingestellt werden. Das heißt, weil der niedrigere Spitzenwert I_P, I_N in 3B für einen längeren Zeitraum beibehalten wird als in einem herkömmlichen System (man vergleiche I_P, I_N von 3A mit I_P, I_N von 3B), kann der gewünschte durchschnittliche Schweißstrom I_AVG mit einem geringeren Spitzenstrom I_P, I_N erreicht werden. Somit können die Spitzenströme und die entsprechenden Stromversorgungen von Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung kleiner sein als jene, die man in herkömmlichen Systemen vorfindet.
4 veranschaulicht eine Wechselstrom-TIG-Schweißzustandstabelle gemäß der vorliegenden Erfindung, die die Wechselstrom-TIG-Wellenform von 3B implementieren kann. Die Schweißzustandstabelle kann in die Steuereinheit 190 integriert werden, die zum Beispiel eine Steuereinheit sein kann, die in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung Nr. 13/534,119 offenbart ist. Dementsprechend werden nur solche Steuerungsmerkmale weiter besprochen, die für die vorliegende Erfindung relevant sind.
Bei Zustand 1 (410) wird die Schweißstromwellenform auf einen Wert I_P (Anstiegsabschnitt 310 von Wellenform 300 in 3B) angehoben. Wie oben besprochen, wirkt die Induktivität (die hinzugefügten Induktionsspulen und parasitische Induktivitäten) in dem Schweißsystem zwar dem Anstieg 310 des Schweißstroms entgegen, doch die Anstiegsrate kann immer noch auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, indem man die Ausgangsspannung der Schweißstromquelle 160 erhöht. Jedoch wird, im Gegensatz zu einem herkömmlichen System, der Strom auf einen niedrigeren Spitzenwert angehoben, wo er für die Dauer einer Arbeitszykluszeit T_P gehalten wird (Spitzenstromabschnitt 320 von Wellenform 300). Während des Zustands 1 (410) befinden sich die Schalter 110A/B bis 140A/B in dem in 2A veranschaulichten Zustand. Das heißt, die Schalter 110A/B sind geschlossen, und die Schalter 130A/B und 140A/B sind offen. Die Schalter 120A/B können jederzeit vor dem Ende des Arbeitszyklus TP geschlossen werden. Natürlich können die Schalter 120A/B auch geschlossen werden, wenn die Schalter 110A/B geschlossen werden. Nachdem der Strom I_P für die Dauer einer Zeit gleich der Arbeitszykluszeit T_P gehalten wurde (415), geht die Zustandstabelle zum Zustand 2 über (420), wo die Schalter 110A/B geöffnet werden, während die Schalter 120A/B geschlossen bleiben. Während des Zustands 2 (420) befinden sich die Schalter 110A/B bis 140A/B in dem in 2B veranschaulichten Zustand. Das heißt, der Schweißstrom fließt durch die Schalter 120A/B und die Widerstände 150A/B. Indem er durch die geschaltete Last, zum Beispiel die Widerstände 150A/B, fließt, steigt der Schweißstrom rasch an (Abstiegsabschnitt 330 von Wellenform 300). Wenn der Schweißstrom auf einen Wert gleich oder weniger als I_SWP absinkt (425), geht die Schweißzustandstabelle zu Zustand 3 über (430), wo die Polarität an der Elektrode 50 umgeschaltet wird.
Bei Zustand 3 (430) sind die Schalter 130A/B geschlossen, und die Schalter 120A/B sind geöffnet. In einigen beispielhaften Ausführungsformen überlappen sich die Schalter 120A/B und die Schalter 130A/B während des Polaritätswechsels. In einigen Ausführungsformen kann die Überlappungsdauer beispielsweise zwischen 10 und 20 μs betragen. In einigen Ausführungsformen gibt es keine Überlappung. Während des Polaritätsübergangs erlischt der Lichtbogen, weil der Strom durch null geht. Weil die gespeicherte Energie in den Induktionsspulen 170A/B dafür ausgelegt ist, den Stromfluss aufrecht zu erhalten, steigt die Lichtbogenspaltspannung zwischen der Elektrode 50 und dem Werkstück 55 an, um den Lichtbogen wiederherzustellen. Sobald die Polarität umgeschaltet wurde (Abschnitt 340 von Wellenform 300), geht die Schweißzustandstabelle zum Zustand 4 über (440), wo der Schweißstrom auf einen Wert I_N ansteigt (Abschnitt 350 von Wellenform 300). Wie zuvor, kann die Anstiegsrate auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, indem man die Ausgangsspannung der Stromquelle 160 erhöht. Sobald der Strom den Wert I_N erreicht, wird er für die Dauer einer Arbeitszykluszeit T_N (Abschnitt 360 von Wellenform 300) gehalten.
Während des Zustands 4 (440) befinden sich die Schalter 110A/B bis 140A/B in dem in 2C veranschaulichten Zustand. Das heißt, die Schalter 130A/B sind geschlossen, und die Schalter 110A/B und 120A/B sind offen. Die Schalter 140A/B können jederzeit vor dem Ende des Arbeitszyklus T_N geschlossen werden. Natürlich können die Schalter 140A/B geschlossen werden, wenn die Schalter 130A/B geschlossen sind. Nachdem der Strom I_N für die Dauer einer Zeit gleich der Arbeitszykluszeit T_N gehalten wurde (445), geht die Zustandstabelle zum Zustand 5 über (450), wo die Schalter 130A/B geöffnet sind, während die Schalter 140A/B geschlossen bleiben. Während des Zustands 5 (450) befinden sich die Schalter 110A/B bis 140A/B in dem in 2D veranschaulichten Zustand. Das heißt, der Schweißstrom fließt durch die Schalter 140A/B und die Widerstände 150A/B, wie in 2D gezeigt. Indem er durch die Widerstände 150A/B fließt, sinkt der Schweißstrom rasch ab (Abschnitt 370 von Wellenform 300). Wenn der Schweißstrom auf einen Wert gleich oder weniger als I_SWN (455) sinkt, so geht die Schweißzustandstabelle zu Zustand 6 über (460), wo die Polarität an der Elektrode 50 umgeschaltet wird.
Bei Zustand 6 (460) sind die Schalter 110A/B geschlossen, und die Schalter 140A/B sind geöffnet. Wie oben besprochen, können sich die Schalterpositionen in einigen Ausführungsformen während des Polaritätswechsels beispielsweise zwischen 10 und 20 μs überlappen. In einigen Ausführungsformen gibt es keine Überlappung. Wie zuvor, wahrt die gespeicherte Energie in den Induktionsspulen 170A/B den Stromfluss und erhöht die Lichtbogenspaltspannung, um den Lichtbogen wiederherzustellen. Sobald die Polarität umgeschaltet wurde, kehrt die Schweißzustandstabelle zu Zustand 1 zurück (410), wo die Wellenformzyklus von neuem beginnt. Natürlich kennt der Fachmann noch andere Stromkreise und Verfahren, mit denen der Lichtbogen wiederhergestellt werden kann.
In den obigen beispielhaften Ausführungsformen kann das Schweißsystem durch rasches Dissipieren des Stroms vor einem Polaritätswechsel mit viel höheren Schweißfrequenzen als 500 Hz arbeiten, zum Beispiel bis zu 1.500 Hz oder höher.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch in anderen Schweißanwendungen als Wechselstrom-TIG verwendet werden. Zum Beispiel kann der Stromversorgungsstromkreis 100 in einem Hochleistungslichtbogen-MIG-System verwendet werden. Der Hochleistungslichtbogen ist von einem hohen Spitzenstrom und einem schnellen Abfall auf einen geringen Hintergrundstrom abhängig, d. h. eine schnelle Änderung des Schweißstroms mit großem Delta. Der Hochleistungslichtbogenprozess wird in US-Patent Nr. 7,304,269 beschrieben, das hiermit in seiner Gesamtheit als Hintergrundmaterial in den vorliegenden Text aufgenommen wird. Dementsprechend wird der Hochleistungslichtbogenprozess im vorliegenden Text nicht ausführlich besprochen, außer wenn es erforderlich ist, um beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. 5 veranschaulicht eine beispielhafte Hochleistungslichtbogenwellenform 500 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Wellenform ist gekennzeichnet durch einen Anstieg 510 eines Hintergrundstroms I_B auf einen Spitzenstrom I_P, wo der Spitzenstrom I_P gehalten wird (Abschnitt 520). Während dieser Zeit, wie in 6 gezeigt, wird die verzehrbare Elektrode durch den Schweißstrom und den Lichtbogen 601 erwärmt, um ein Tröpfchen 605 am Ende der verzehrbaren Elektrode 650 zu bilden. Des Weiteren zwingt die Kraft des Lichtbogens die Schweißpfütze 660 während dieser Zeit von der Elektrode 650 fort.
Nachdem der Spitzenstrom I_P für die Dauer einer Zeit T gehalten wurde (siehe Abschnitt 520 in 5), wird der Schweißstrom rasch auf den Hintergrundstrom I_B zurückgeführt (siehe Abstiegsabschnitt 530 von Wellenform 500). Nachdem die Lichtbogenkraft des Spitzenstroms I_P aufgehoben wurde, weil der Schweißstrom auf den Hintergrundstrompegel I_B abgesunken ist, springt die Schweißpfütze zurück (siehe 610 in 6). Wenn der Schweißstrom den Hintergrundstrom I_B erreicht, oder kurz danach (Abschnitt 540 von Wellenform 500), kann die Schweißpfütze genügend zurückspringen, um das Tröpfchen von der Elektrode zu „fangen”, und transferiert das Tröpfchen zu der Schweißpfütze (siehe 620 in 6). Während der Zeit, wo die Elektrode mit der Schweißpfütze kurzgeschlossen ist, initiiert die Schweißstromquelle eine Kurzschlussreaktionswellenform 550, die den Kurzschluss aufhebt. Beispielhafte Kurzschlussroutinen, die in die vorliegende Erfindung aufgenommen werden können, sind in US-Patent Nr. 7,304,269 besprochen und werden nicht näher besprochen. Sobald der Kurzschluss aufgehoben wurde, wird der Schweißstrom auf den Hintergrundwert I_B zurückgeführt (siehe Abschnitt 560), und der Wellenformzyklus beginnt von neuem.
Beim Hochleistungslichtbogenschweißen bestimmt die Rate, mit der der Schweißstrom von seinem Spitzenwert I_P auf seinen Hintergrundwert I_B sinkt, die Geschwindigkeit, mit der die Schweißpfütze zurückspringt, um das Tröpfchen zu fangen. Je schneller die Schweißpfütze zurückspringt, desto besser funktioniert das Hochleistungslichtbogenschweißen. Weil, wie oben besprochen, Induktivitäten in dem Schweißsystem beeinflussen, wie schnell der Schweißstrom fallen kann, können beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung den Hochleistungslichtbogenschweißprozess verbessern.
7 veranschaulicht eine Hochleistungslichtbogen-MIG-Schweißzustandstabelle gemäß der vorliegenden Erfindung, die die Hochleistungslichtbogenwellenform von 5 implementieren kann. Die Schweißzustandstabelle kann in die Steuereinheit 190 integriert werden, die zum Beispiel die Steuereinheit sein kann, die in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung Nr. 13/534,119 offenbart ist. Dementsprechend werden im Weiteren nur Steuerungsmerkmale besprochen, die für die vorliegende Erfindung relevant sind.
Bei Zustand 1 (710) wird die Schweißstromwellenform auf einen Wert I_P angehoben (Anstiegsabschnitt 510 von Wellenform 500). Wie oben besprochen, stellt sich zwar die Induktivität (die hinzugefügten Induktionsspulen und parasitische Induktivitäten) in dem Schweißsystem dem Anstieg des Schweißstroms entgegen, doch kann die Anstiegsrate immer noch auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, indem man die Ausgangsspannung der Schweißstromquelle erhöht. Der Spitzenstrom I_P wird dann für die Dauer einer Zeit T gehalten (Abschnitt 520 von Wellenform 500). Während des Zustands 1 (710) können sich die Schalter 110A/B bis 140A/B in dem in 2A (oder 2C, wenn die Wellenform die entgegengesetzte Polarität hat) veranschaulichten Zustand befinden. Im Interesse der Kürze wird eine positive Wellenform besprochen. Jedoch kann der Fachmann diese Lehren ohne Weiteres auch auf eine negative Wellenform anwenden. Bei Zustand 1 (710) sind die Schalter 110A/B geschlossen, und die Schalter 130A/B und 140A/B sind offen. Die Schalter 120A/B können jederzeit vor dem Ende des Zeitraums T geschlossen werden. Natürlich können die Schalter 120A/B geschlossen werden, wenn die Schalter 110A/B geschlossen sind. Wie oben besprochen, zwingt die Kraft des Lichtbogens während der Zeit, die der Strom I_P gehalten wird (Abschnitt 520), die Schweißpfütze von der Elektrode fort, während das Tröpfchen gebildet wird (620).
Nachdem der Strom IP für die Dauer einer Zeit = T gehalten wurde (715), geht die Zustandstabelle zum Zustand 2 über (720), wo die Schalter 110A/B geöffnet sind, während die Schalter 120A/B geschlossen bleiben. Während des Zustands 2 (720) befinden sich die Schalter 110A/B bis 140A/B in dem in 2B veranschaulichten Zustand, das heißt, der Schweißstrom fließt durch die Schalter 120A/B und die Widerstände 150A/B. Indem er durch die Widerstände 150A/B fließt, sinkt der Schweißstrom rasch ab (Abstiegsabschnitt 530 von Wellenform 500). Zu diesem Zeitpunkt springt die Schweißpfütze zurück, wie oben besprochen (610). Wenn der Schweißstrom auf einen Wert gleich dem gewünschten Hintergrundstrom 1_B sinkt (725) (Abschnitt 540 von Wellenform 500), so geht die Schweißzustandstabelle zu Zustand 3 über (730), wo die Schalter 110A/B erneut geschlossen werden. In Zustand 3 (730) regelt die Stromquelle den gewünschten Hintergrundstrom 1_B. Wenn das Schweißsystem entweder bei Zustand 2 oder Zustand 3 detektiert, dass die Elektrode mit der Schweißpfütze kurzgeschlossen wird (750 bzw. 755), so geht die Schweißzustandstabelle zum Zustand 4 über (740), wo die Stromquelle eine Kurzschlussreaktionswellenform 550 initiiert, um den Kurzschluss aufzuheben. Sobald der Kurzschluss aufgehoben wurde (745), geht die Schweißzustandstabelle zu Zustand 3 über (oder zurück) (730), wo die Stromquelle den Hintergrundstrom 1_B regelt (Abschnitt 560). Am Ende des Wellenformzyklus geht die Schweißzustandstabelle zu Zustand 1 über (710), und der Hochleistungslichtbogenschweißwellenformzyklus beginnt erneut. In einigen Ausführungsformen sind die Widerstände 150A/B so bemessen, dass ein anderer Sollpunktstrom, zum Beispiel 45 A, als der gewünschte (normale) Hintergrundstrom I_B erreicht wird (725), wenn der Schweißstrom bei Zustand 2 sinkt. In einigen Ausführungsformen kann dieser Sollpunktstrom für die gesamte Hintergrundzeit gehalten werden. In anderen Ausführungsformen kann der Sollpunktstrom für die Dauer eines zuvor festgelegten Zeitraums in Erwartung eines Kurzschlusses gehalten werden, und wenn keiner detektiert wird, so geht die Schweißzustandstabelle zu Zustand 3 über, wo der normale Hintergrundstrom I_B geregelt wird. Falls ein Kurzschluss detektiert wird, wenn der Schweißstrom auf dem Sollpunktstrom ist, so geht die Schweißzustandstabelle natürlich zu Zustand 4 über. In einigen Ausführungsformen enthält ein Teil der Kurzschlussroutine in Zustand 4 ein Zurückhalten beim Schließen der Schalter 110A/B.
In den obigen beispielhaften Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung durch Ausführen eines schnelleren Übergangs vom Spitzenstrom I_P zum Hintergrundstrom I_B (oder einem anderen Sollpunktstrom) als in einem herkömmlichen Hochleistungslichtbogensystem einen effizienteren Hochleistungslichtbogenprozess bereit. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung in dem Hochleistungslichtbogensystem auf der Grundlage der Werte der Widerstände 150A/B eine Abstiegsrate ausführen, die 30–50 μs anstatt der 100–400 μs eines herkömmlichen Systems beträgt.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch in gepulsten Gleichstrom-TIG-Prozessen verwendet werden. 8A veranschaulicht eine Schweißstromwellenform des Standes der Technik in einem typischen gepulsten Gleichstrom-TIG-System. Wie oben besprochen, wird die Anstiegsrate der Wellenform durch die Stromquelle und die Spannung der Stromquelle gesteuert. Der Strom steigt über eine gewünschte Zeitspanne auf einen gewünschten Wert I_P, bevor der Strom auf den Hintergrundstrom I_B sinkt. Die typische gepulste Gleichstrom-TIG-Wellenform pulsiert zwischen dem Spitzenstrom I_P und dem Hintergrundstrom I_B. Somit bestimmt die Abstiegsrate für einen bestimmten Spitzenstrom I_P die obere Grenze der Schweißstromfrequenz, oder auf einen wie niedrigen Wert der Hintergrundstrom I_B bei hohen Frequenzen geregelt werden kann. In vielen Anwendungen sind höher Umschaltfrequenzen wünschenswert, da dies den Lichtbogenfokus verbessert. Jedoch können, wie oben besprochen, die Abstiegsrate (und die maximale Frequenz) durch die Induktivität in dem Stromversorgungsstromkreis begrenzt sein.
Ähnlich den oben besprochenen Wechselstrom-TIG- und Hochleistungslichtbogen-MIG-Ausführungsformen dissipieren beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung rasch die in der Induktivität gespeicherte Energie, um eine schnelle Abstiegsrate von dem Spitzenstrom I_P zum Hintergrundstrom I_B auszuführen, wie in 8B gezeigt (siehe Abstiegsabschnitt 830 der Wellenform 800). 9 veranschaulicht eine Wechselstrom-TIG-Schweißzustandstabelle gemäß der vorliegenden Erfindung, die die gepulste Gleichstrom-TIG-Wellenform 800 von 8B implementieren kann. Ähnlich den oben besprochenen Systemen kann die Schweißzustandstabelle in die Steuereinheit 190 integriert werden, die zum Beispiel die Steuereinheit sein kann, die in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung Nr. 13/534,119 offenbart ist. Dementsprechend werden im Weiteren nur die Steuerungsmerkmale besprochen, die für die vorliegende Erfindung relevant sind.
Bei Zustand 1 (910) wird die Schweißstromwellenform 800 angehoben (Abschnitt 810) und für die Dauer eines Zeitraums T_P auf einen Wert I_P geregelt (Abschnitt 820). Während des Zustands 1 (910) können sich die Schalter 110A/B bis 140A/B in dem in 2A (oder 2C, wenn die Wellenform von entgegengesetzter Polarität ist) veranschaulichten Zustand befinden. Auch hier wird im Interesse der Kürze eine positive Wellenform besprochen. Jedoch kann der Fachmann die Lehren ohne Weiteres auch auf eine negative Wellenform anwenden. Während des Zustands 1 (910) befinden sich die Schalter 110A/B bis 140A/B in dem in 2A veranschaulichten Zustand. Das heißt, die Schalter 110A/B sind geschlossen, und die Schalter 130A/B und 140A/B sind offen. Auch hier können, wie zuvor, die Schalter 120A/B jederzeit vor dem Ende des Zeitraums T_P geschlossen werden. Natürlich können die Schalter 120A/B auch geschlossen werden, wenn die Schalter 110A/B geschlossen sind. Nachdem der Strom I_P für die Dauer einer Zeit gleich der Zeit T_P gehalten wurde (715), geht die Zustandstabelle zum Zustand 2 über (920), wo die Schalter 110A/B geöffnet sind, während die Schalter 120A/B geschlossen bleiben. Während des Zustands 2 (920) befinden sich die Schalter 110A/B bis 140A/B in dem in 2B veranschaulichten Zustand. Das heißt, der Schweißstrom fließt durch die Schalter 120A/B und die Widerstände 150A/B. Indem er durch die Widerstände 150A/B fließt, sinkt der Schweißstrom rasch ab (Abschnitt 830 von Wellenform 800) und geht auf den Hintergrundstromwert I_B (Abschnitt 840). Außerdem bestimmen die Widerstände 150A/B auch den Wert des Hintergrundstroms 1B. Das heißt, die Widerstände 150A/B werden so gewählt, dass der Hintergrundstrom auf den gewünschten Wert I_B geht (Widerstand von (150A + 150B) = (Stromquellenspannung)/(gewünschter I_B). Die Wellenform 800 bleibt auf dem Hintergrundstrom I_B (840), bis die Zeit gleich T_B ist (925). Dann wiederholt sich der Zyklus der Wellenform 800, indem der zu Zustand 1 zurück (910).
In den oben dargelegten beispielhaften Ausführungsformen des gepulsten Gleichstrom-TIG-Systems wird der nutzbare Frequenzbereich am höheren Ende erweitert und kann höher als ein Wechselstromsystem sein, weil kein Nulldurchgang stattfindet, zum Beispiel bis zu 5.000 Hz oder höher, und der Lichtbogen kann stärker fokussiert sein.
In den oben dargelegten Ausführungsformen ist die Last (beispielsweise die Widerstände 150A/B) so veranschaulicht, dass sie mit einem Schalter in Reihe geschaltet sind, der dann geschlossen wird, um den Strom durch den Widerstand zu zwingen. Jedoch ist diese Konfiguration nicht einschränkend, und es können auch andere Konfigurationen verwendet werden. Zum Beispiel kann die Last mit einem Schalter parallel geschaltet werden, der dann geöffnet wird, um den Strom durch den Widerstand zu zwingen. Außerdem kann die Anzahl der Schalter, Induktivitäten und Lasten (beispielsweise der Widerstände) variiert werden, ohne vom Geist oder Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen. In einigen beispielhaften Ausführungsformen wird ein (nicht gezeigter) Stromkreisschutz verwendet, der verhindert, dass die Schalter 110, 120, 130 und 140 (oder andere Komponenten) durch Überspannungs- und/oder Überstromereignisse beschädigt werden.
Dem Fachmann ist klar, dass verschiedene Modifizierungen und Veränderungen an dem Stromquellensteuerkreis zum Schweißen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden, ohne vom Geist oder Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen. Darum ist es beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung alle Modifizierungen und Veränderungen dieser Erfindung umfasst, sofern sie in den Geltungsbereich der beiliegenden Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen.
Bezugszeichenliste

50: Elektrode
55: Werkstück
100: Stromkreis
110A/B: Schalter
120A/B: Schalter
130A/B: Schalter
140A/B: Schalter
150A/B: Widerstände
160: Zufuhr
170A/B: Induktionsspulen
190A/B: Steuereinheit
300: Wellenform
310: Abschnitt
320: Abschnitt
330: Wellenform
350: Abschnitt
370: Abschnitt
410: Schritt
420: Schritt
430: Schritt
440: Schritt
450: Schritt
460: Schritt
500: Wellenform
510: Abschnitt
520: Abschnitt
530: Wellenform
540: Abschnitt
550: Wellenform
560: Abschnitt
601: Lichtbogen
620: Pfütze
650: Elektrode
660: Pfütze
710: Schritt
720: Schritt
730: Schritt
740: Schritt
745: aufgehoben
750: Pfütze
755: Pfütze
800: Wellenform
810: Abschnitt
820: Abschnitt
830: Abschnitt
840: Abschnitt
910: Schritt
920: Schritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7304269 [0042, 0043]

Claims

Wechselstrom-TIG-Stromquelle (160), die Folgendes umfasst: ein Stromversorgungsmodul, das Folgendes umfasst: einen ersten Stromkreis (100), der mindestens einen ersten Schalter (110A/B) umfasst, der dafür konfiguriert ist, einen Schweißstrom zu einer Elektrode (50) eines Schweißsystems zu leiten, und einen zweiten Stromkreis, der eine erste Last umfasst, die mit mindestens einem zweiten Schalter (120A/B) wirkverbunden ist, wobei der zweite Stromkreis dafür konfiguriert ist, den Schweißstrom durch die erste Last (150A/B) zu der Elektrode (50) zu leiten; ein Mittel zum Steuern des mindestens einen ersten Schalters dergestalt, dass der Schweißstrom während eines ersten Anstiegsabschnitts (310) einer Schweißwellenform (300) durch den mindestens einen ersten Schalter (110A/B) und zu der Elektrode (50) fließt, und dass während eines ersten Abstiegsabschnitts (330) der Schweißwellenform (300) kein Strom durch den mindestens einen ersten Schalter (110A/B) fließt; und ein Mittel zum Steuern des mindestens einen zweiten Schalters (120A/B) dergestalt, dass der Schweißstrom während des erstes Abstiegsabschnitts (330) der Schweißwellenform (300) durch die erste Last (150A/B) und zu der Elektrode (50) fließt, wobei der erste Abstiegsabschnitt (330) den Schweißstrom auf einen ersten zuvor festgelegten Wert I_SWE bringt, und wobei der Schweißstrom zu der Elektrode (50) in einer ersten Richtung fließt, wenn er durch den ersten Stromkreis (100) und/oder den zweiten Stromkreis fließt.
Stromquelle nach Anspruch 1, wobei das Stromversorgungsmodul des Weiteren Folgendes umfasst: einen dritten Stromkreis, der mindestens einen dritten Schalter umfasst, der dafür konfiguriert ist, den Schweißstrom zu der Elektrode des Schweißsystems zu leiten, und einen vierten Stromkreis, der eine zweite Last umfasst, die mit mindestens einem vierten Schalter wirkverbunden ist, wobei der vierte Stromkreis dafür konfiguriert ist, den Schweißstrom durch die zweite Last zu der Elektrode zu leiten; ein Mittel zum Steuern des mindestens einen dritten Schalters dergestalt, dass der Schweißstrom während eines zweiten Anstiegsabschnitts einer Schweißwellenform durch den mindestens einen dritten Schalter und zu der Elektrode fließt und dass während eines zweiten Abstiegsabschnitts der Schweißwellenform kein Strom durch den mindestens einen dritten Schalter fließt; und ein Mittel zum Steuern des mindestens einen vierten Schalters dergestalt, dass der Schweißstrom während des zweiten Abstiegsabschnitts der Schweißwellenform durch die zweite Last und zu der Elektrode fließt, wobei der zweite Abstiegsabschnitt den Schweißstrom auf einen zweiten zuvor festgelegten Wert bringt, und wobei der Schweißstrom in einer zweiten Richtung zu der Elektrode fließt, wenn er durch den dritten Stromkreis und/oder den vierten Stromkreis fließt.
Stromquelle nach Anspruch 2, die des Weiteren Folgendes umfasst: ein Mittel zum Steuern des mindestens einen ersten Schalters dergestalt, dass ein erster Spitzenstrom nach dem ersten Anstiegsabschnitt für die Dauer eines ersten Spitzenzeitraums beibehalten wird, bevor der mindestens eine zweite Schalter so gesteuert wird, dass der erste Abstiegsabschnitt der Schweißwellenform initiiert wird.
Stromquelle nach Anspruch 2 oder 3, die des Weiteren Folgendes umfasst: ein Mittel zum Steuern des mindestens einen dritten Schalters dergestalt, dass ein zweiter Spitzenstrom nach dem zweiten Anstiegsabschnitt für die Dauer eines zweiten Spitzenzeitraums beibehalten wird, bevor der mindestens eine vierte Schalter so gesteuert wird, dass der zweite Abstiegsabschnitt der Schweißwellenform initiiert wird.
Stromquelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, die des Weiteren Folgendes umfasst: ein Mittel zum Steuern des zweiten Schalters und des dritten Schalters dergestalt, dass beide Schalter für die Dauer einer ersten Überlappungszeit geschlossen werden, wenn der Schweißstrom den ersten zuvor festgelegten Wert erreicht, wobei die erste Überlappungszeit bevorzugt 10 bis 20 μs beträgt.
Stromquelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, die des Weiteren Folgendes umfasst: ein Mittel zum Steuern des ersten Schalters und des vierten Schalters dergestalt, dass beide Schalter für die Dauer einer zweiten Überlappungszeit geschlossen werden, wenn der Schweißstrom den zweiten zuvor festgelegten Wert erreicht, wobei die zweite Überlappungszeit bevorzugt 10 bis 20 μs beträgt.
Hochleistungslichtbogenstromquelle, die Folgendes umfasst: ein Stromversorgungsmodul, das Folgendes umfasst: einen ersten Stromkreis, der mindestens einen ersten Schalter umfasst, der dafür konfiguriert ist, einen Schweißstrom zu einer Elektrode eines Schweißsystems zu leiten, und einen zweiten Stromkreis, der eine Last umfasst, die mit mindestens einem zweiten Schalter wirkverbunden ist, wobei der zweite Stromkreis dafür konfiguriert ist, den Schweißstrom durch die Last zu der Elektrode zu leiten; ein Mittel zum Steuern des mindestens einen ersten Schalters dergestalt, dass der Schweißstrom während eines Anstiegsabschnitts einer Hochleistungslichtbogenschweißwellenform durch den mindestens einen ersten Schalter und zu der Elektrode fließt und während eines Abstiegsabschnitts der Hochleistungslichtbogenschweißwellenform kein Strom durch den mindestens einen ersten Schalter fließt; und ein Mittel zum Steuern des mindestens einen zweiten Schalters dergestalt, dass der Schweißstrom während des Abstiegsabschnitts der Hochleistungslichtbogenschweißwellenform durch die Last und zu der Elektrode fließt, wobei der Abstiegsabschnitt den Schweißstrom auf einen zuvor festgelegten Wert bringt.
Stromquelle nach Anspruch 7, die des Weiteren Folgendes umfasst: ein Mittel zum Steuern des mindestens einen ersten Schalters dergestalt, dass ein Spitzenstrom nach dem Anstiegsabschnitt für die Dauer eines Spitzenzeitraums beibehalten wird, bevor der mindestens eine zweite Schalter so gesteuert wird, dass der Abstiegsabschnitt der Hochleistungslichtbogenschweißwellenform initiiert wird.
Stromquelle nach Anspruch 7 oder 8, die des Weiteren Folgendes umfasst: ein Mittel zum Steuern des mindestens einen ersten Schalters dergestalt, dass der Schweißstrom auf dem zuvor festgelegten Wert gehalten wird, nachdem der Abstiegsabschnitt vollendet wurde.
Stromquelle nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei eine Kurzschlussroutine zum Aufheben eines Kurzschlusses initiiert wird, wenn der Kurzschluss während des Abstiegsabschnitts detektiert wird oder wenn der Schweißstrom den zuvor festgelegten Wert erreicht hat.
Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein Wert der Last so gewählt wird, dass eine Dauer des ersten und/oder des zweiten Abstiegsabschnitts in einem Bereich von 30 bis 50 μs liegt.
Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Schweißsystem dafür konfiguriert ist, die Schweißwellenform bzw. die Hochleistungslichtbogenschweißwellenform mit einer Frequenz von bis zu 1.500 Hz bereitzustellen.
Gepulste Gleichstromquelle, die Folgendes umfasst: ein Stromversorgungsmodul, das Folgendes umfasst: einen ersten Stromkreis, der mindestens einen ersten Schalter umfasst, der dafür konfiguriert ist, einen Schweißstrom zu einer Elektrode eines Schweißsystems zu leiten, und einen zweiten Stromkreis, der eine Last umfasst, die mit mindestens einem zweiten Schalter wirkverbunden ist, wobei der zweite Stromkreis dafür konfiguriert ist, den Schweißstrom durch die Last zu der Elektrode zu leiten; ein Mittel zum Steuern des mindestens einen ersten Schalters dergestalt, dass der Schweißstrom während eines Anstiegsabschnitts einer Gleichstromimpulsschweißwellenform durch den mindestens einen ersten Schalter und zu der Elektrode fließt und während eines Abstiegsabschnitts der Gleichstromimpulsschweißwellenform kein Strom durch den mindestens einen ersten Schalter fließt; und ein Mittel zum Steuern des mindestens einen zweiten Schalters dergestalt, dass der Schweißstrom während des Abstiegsabschnitts der Gleichstromimpulsschweißwellenform durch die Last und zu der Elektrode fließt, wobei der Abstiegsabschnitt den Schweißstrom auf einen zuvor festgelegten Wert bringt.
Stromquelle nach Anspruch 13, die des Weiteren Folgendes umfasst: ein Mittel zum Steuern des mindestens einen ersten Schalters dergestalt, dass ein Spitzenstrom nach dem Anstiegsabschnitt für die Dauer eines Spitzenzeitraums beibehalten wird, bevor der mindestens eine zweite Schalters so gesteuert wird, dass der Abstiegsabschnitt der Gleichstromimpulsschweißwellenform initiiert wird.
Stromquelle nach Anspruch 13 oder 19, wobei ein Wert der Last so gewählt wird, dass eine Dauer des Abstiegsabschnitts in einem Bereich von 30 bis 50 μs liegt, wobei der Schweißstrom auf der Grundlage des Wertes der Last auf einen zuvor festgelegten Hintergrundstrom geht, nachdem der Abstiegsabschnitt vollendet ist, und wobei das Schweißsystem dafür konfiguriert ist, die Gleichstromimpulsschweißwellenform mit einer Frequenz von bis zu 5.000 Hz bereitzustellen.