DE202014010590U1

DE202014010590U1 - Polaritätsvariabler Impuls mit konstanter Tröpfengrösse

Info

Publication number: DE202014010590U1
Application number: DE202014010590.1U
Authority: DE
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2016-03-03
Anticipated expiration: 2024-03-14
Also published as: CN105209205A; US20140263241A1; CN105209205B; WO2014140748A3; US10040142B2; JP3203386U; WO2014140748A2

Abstract

Elektrisches Lichtbogenschweißgerät (A), das Folgendes umfasst: eine Hochgeschwindigkeitsschaltstromversorgung (10) mit einer Steuereinheit (60) zum Erzeugen von Hochfrequenzimpulsen durch einen Spalt (g) zwischen einem Werkstück (W) und einem Schweißdraht (20), der in Richtung des Werkstücks (W) vorangeschoben wird; einen Wellenformgenerator (80) zum Definieren einer Form der Hochfrequenzimpulse und einer Polarität der Hochfrequenzimpulse; dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenformgenerator (80) Leistung abfühlt und einen Abschnitt mit negativer Polarität (120) beendet, wenn ein Leistungswert einen zuvor festgelegten Wert erreicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des elektrischen Lichtbogenschweißens unter Verwendung eines Gas-Metall-Lichtbogenschweiß(GMAW)-Prozesses, und betrifft insbesondere ein GMAW-Elektrolichtbogenschweißgerät, das eine Hochfrequenzkette von Impulsen erzeugt, um eine Reihe von Schweißzyklen zu bilden, die einen Schweißprozess darstellen. Ganz besonders betrifft die Erfindung ein elektrisches Lichtbogenschweißgerät zum Verwenden des elektrischen Lichtbogenschweißgerätes gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. 8.
Aufnahme durch Bezugnahme
Die folgenden Patente enthalten Informationen bezüglich des Gegenstandes der vorliegenden Anmeldung und werden außerdem in vollem Umfang durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen: US-Seriennummer 13/293,103, eingereicht am 9. November 2011; US-Seriennummer 13/293,112, eingereicht am 9. November 2011; US-Seriennummer 13/543,545, eingereicht am 6. Juli 2012; US-Seriennummer 13/554,744, eingereicht am 20. Juli 2012; US-Seriennummer 13/625,188, eingereicht am 24. September 2012; und US-Seriennummer 13/788,486, eingereicht am 7. März 2013.
Hintergrund der Erfindung
Beim elektrischen Lichtbogenschweißen ist ein häufig verwendeter Schweißprozess das Impulsschweißen, das in erster Linie eine Volldrahtelektrode mit einem äußeren Schutzgas verwendet. Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW), wie zum Beispiel Metallinertgas(MIG)-Schweißen, verwendet beabstandete Impulse, die zuerst das Ende einer vorangeschobenen Drahtelektrode schmelzen und dann das schmelzflüssige Metall vom Ende des Drahtes durch den Lichtbogen auf das Werkstück treiben. Eine tröpfchenförmige Masse schmelzflüssigen Metalls oder ein Tröpfchen wird während jedes Impulszeitraums des Impulsschweißprozesses übertragen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Wechselstromschweißen kann negativen Strom während eines Abschnitts mit negativer Polarität in der Impulswellenform enthalten. Der Abschnitt mit negativer Polarität kann ein schmelzflüssiges Tröpfchen am Ende des Drahtes sehr rasch aufbauen und kann schwierig zu kontrollieren sein. Weil adaptive Steuerungsverfahren in der Regel ungeachtet der Polarität auf den langfristigen laufenden Durchschnitt der Wellenform achten, kann die Größe jedes einzelnen Tröpfchens von Zyklus zu Zyklus variieren. Die Impulsspitzen im Anschluss an die Bildung der Tröpfchen müssen groß genug sein, um die größtmöglichen erwarteten Tröpfchen selbst dann zu übertragen, wenn das tatsächliche Tröpfchen kleiner ist. Dieser Zustand kann zu ungleichmäßigen Tröpfchenübertragungen beispielsweise mit Schweißspritzerbildung, schlechtem Aussehen und übermäßiger Wärme führen.
In einer Ausführungsform enthält ein elektrisches Lichtbogenschweißgerät eine Hochgeschwindigkeitsschaltstromversorgung mit einer Steuereinheit zum Erzeugen von Hochfrequenzimpulsen durch einen Spalt zwischen einem Werkstück und einem Schweißdraht, der in Richtung eines Werkstücks vorangeschoben wird, einen Wellenformgenerator zum Definieren einer Form der Hochfrequenzimpulse und einer Polarität der Hochfrequenzimpulse, und wobei der Wellenformgenerator eine Rückmeldung von einem Lichtbogen durch den Spalt abfühlt und einen Abschnitt mit negativer Polarität beendet, wenn eine Funktion der Rückmeldung einen zuvor festgelegten Wert erreicht.
Weitere Ausführungsformen, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüche dargelegt. Die Beschreibungen der Erfindung beschränken weder die in den Ansprüchen verwendeten Wörter in irgend einer Weise noch den Schutzumfang der Ansprüche oder der Erfindung. Die in den Ansprüchen verwendeten Wörter haben alle ihre volle Bedeutung, die ihnen gewöhnlich beigegeben wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den begleitenden Zeichnungen, die in die Spezifikation aufgenommen sind und einen Teil von ihr bilden, sind Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht, die zusammen mit der obigen allgemeinen Beschreibung der Erfindung und der folgenden detaillierten Beschreibung dazu dienen, Ausführungsformen dieser Erfindung beispielhaft zu verdeutlichen.
1 ist eine beispielhafte Kombination aus Blockschaubild und Systemarchitektur für ein beispielhaftes Schweißgerät zum Ausführen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein beispielhaftes Schaltbild einer beispielhaften Motorsteuereinheit in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3A ist ein beispielhaftes Schaltbild eines beispielhaften polaritätsvariablen Schalters in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3B ist ein weiteres beispielhaftes Schaltbild eines weiteren beispielhaften polaritätsvariablen Schalters in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Zeichnung von beispielhaften Schweißlichtbögen, die positive und negative Polaritätseffekte zeigt;
5 ist ein beispielhaftes Stromdiagramm, das die Hochfrequenzimpulse und Komponenten mit negativer Polarität zusammen mit den beispielhaften Tröpfchenzuständen veranschaulicht;
6 ist eine beispielhafte Leistungskurve und ein Stromdiagramm, die die Hochfrequenzimpulse und Komponenten mit negativer Polarität veranschaulichen;
7 ist ein beispielhaftes Stromdiagramm, das beispielhafte Merkmale der Hochfrequenzimpulse und Komponenten mit negativer Polarität veranschaulicht, die in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
8 ist ein beispielhaftes Logikschaubild und Flussdiagramm zum Erhalten beispielhafter Hochfrequenzimpulse mit beispielhaften Merkmalen, einschließlich Komponenten mit negativer Polarität;
9 ist ein beispielhaftes Logikschaubild und Flussdiagramm zum Bestimmen des Endes einer beispielhaften Komponente mit negativer Polarität;
10 ist ein weiteres beispielhaftes Logikschaubild und Flussdiagramm zum Bestimmen des Endes einer beispielhaften Komponente mit negativer Polarität;
11 ist eine weitere beispielhafte Kombination aus Blockschaubild und Systemarchitektur für ein beispielhaftes Schweißgerät zum Ausführen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 ist ein beispielhaftes Blockschaubild, das eine beispielhafte Welle zeigt, die einen beispielhaften Arbeitspunkt enthält;
13 ist eine beispielhafte Nachschlagetabelle, die Arbeitspunkte enthält;
14 ist ein beispielhaftes Wellenformdiagramm, das einen beispielhaften Kurzschluss und eine anschließende Komponente mit negativer Polarität veranschaulicht; und
15 ist ein weiteres beispielhaftes Wellenformdiagramm, das einen weiteren beispielhaften Kurzschluss und eine weitere anschließende Komponente mit negativer Polarität veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung
Wir wenden uns nun den Zeichnungen zu, die allein dem Zweck des Veranschaulichens beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung und nicht dem Zweck ihrer Einschränkung dienen. 1 offenbart ein beispielhaftes Schweißgerät A, das im Allgemeinen eine Standardkonfiguration aufweist, die eine Hochgeschwindigkeitsschaltstromversorgung 10, wie zum Beispiel einen Wechselrichter oder Buck-Konverter, enthält, wobei ein Eingangsgleichrichter 12 und ein Ausgangstransformator 14 Stromimpulse über einen polaritätsvariablen Schalter 16 an eine Elektrode E senden. In dieser Ausführungsform regelt die Stromversorgung den Strom der Impulse. Jedoch können in anderen Ausführungsformen Spannung oder Kombinationen von Spannung und Strom so geregelt werden, dass die Hochfrequenzimpulse definiert werden. Ein beispielhafter polaritätsvariabler Schalter 16 wird unten noch ausführlicher in Verbindung mit 3A beschrieben. Die Elektrode E enthält einen Draht 20, wie zum Beispiel einen Aluminiumdraht, von einer Rolle oder Trommel 22, der durch die Zufuhrvorrichtung 30 durch die Wirkung des Motors 32 in Richtung des Werkstücks W vorangeschoben wird. Der Motor 32 wird mit einer Motorsteuereinheit 31 gesteuert. Eine beispielhafte Motorsteuereinheit ist in 2 gezeigt, wo ein Impulsbreitenmodulator 34 die Drehzahl des Motors 32 und somit die Geschwindigkeit der Zufuhrvorrichtung 30 gemäß den Anweisungen eines Rückkopplungstachometers 36 und eines Operationsverstärkers 40 zum Vergleichen eines Eingangssignals 42 von dem Tachometer 36 mit einem Befehls-Drahtzufuhrgeschwindigkeits(Wire Feed Speed, WFS)-Signal in Form eines Pegels auf Leitung 44 steuert. Andere Motorsteuereinheiten 31 können ebenfalls verwendet werden.
Wir kehren zu 1 zurück. Wenn die Aluminiumelektrode oder der Draht E in Richtung des Werkstück W vorangeschoben wird, so wird ein Lichtbogen über den Spalt g hinweg durch eine Reihe von Stromimpulsen erzeugt, die Impulsspitzen, einen Hintergrundstrom und einen Strom von negativer Polarität enthalten können.
Wenden wir uns nun der beispielhaften Stromversorgung zu. Die Wechselrichterstufe enthält einen Schaltwechselrichter 10, der mit Energie von einer dreiphasigen Spannungsquelle L1–L3 versorgt wird, der eine Frequenz von 50 oder 60 Hz gemäß der lokalen Netzfrequenz aufweist. Die Eingangs-Wechselspannung wird durch den Gleichrichter 12 gleichgerichtet, um eine Gleichstromverbindung 11 bereitzustellen, die an den Eingang von Wechselrichter 10 angeschlossen ist. Der Ausgang oder die Last des Wechselrichters 10 ist der Transformator 14, der eine Primärwicklung 15a und eine Sekundärwicklung 15b aufweist, wobei ein Mittenabgriff 17 mit dem Werkstück W verbunden ist. Die Sekundärwicklung 15b ist an den polaritätsvariablen Schalter 16 angeschlossen, um Ausgangsleitungen 24, 26 zu erzeugen, die mit der Elektrode E und dem Werkstück W verbunden sind.
Der polaritätsvariable Schalter 16 kann jede beliebige Schaltvorrichtung sein, die in der Lage ist, Polaritätssignale auf Ausgangsleitungen 24, 26 umzuschalten, wie zum Beispiel jene, die in US-Seriennummer 13/788,486 beschrieben sind, die hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang in den vorliegenden Text aufgenommen wird. Zum Beispiel zeigt 3A einen beispielhaften polaritätsvariablen Schalter 16 mit einem positivem Gleichrichterkreis 28, der Dioden D1, D2, D3 und D4 aufweist, um einen positiven Ausgangsanschluss 38 und einen negativen Ausgangsanschluss 46 zu bilden, die mit einem Ausgangsschaltnetz 48 verbunden sind. Das Ausgangsschaltnetz 48 kann zwei Transistor-artige Schalter SW1 und SW2 enthalten, gewöhnlich in Form von Bipolartransistoren mit isolierter Steuerelektrode (IGBTs), die gemäß der Logik auf den Basisleitungen 55, 56 ein- und ausgeschaltet werden können. Um hohe Spannungen zu dissipieren, wenn die Schalter SW1, SW2 sind aus, sind Snubber-Netze 57, 58 an die Schalter SW1, SW2 angeschlossen. Andere Konfigurationen von Schaltnetzen, wie zum Beispiel das Schaltnetz 48', wie in 3B gezeigt und unten besprochenen, können ebenfalls verwendet werden. Das Netzwerk 48 kann zum Pulsieren hoher Schweißströme von wesentlich über 200 Ampere verwendet werden. Ein einzelner Ausgangsinduktor 72 ist in einen positiven Impulsabschnitt 74 und einen negativen Impulsabschnitt 76 unterteilt. Auf diese Weise wird ein Wechselstrom in den Ausgangsleitungen 24, 26 erzeugt, die mit der Elektrode E und dem Werkstück W verbunden sind. Indem die Logik auf den Basissteuerleitungen 55, 56 nacheinander alterniert wird, wird ein Hochfrequenzwechselstrom an den Schweißstromkreis angelegt, der die Elektrode E und das Werkstück W enthält. Die Wechselstromfrequenz wird durch die Frequenz bestimmt, mit der die Logik auf den Basissteuerleitungen 55, 56 alterniert. Die Logik auf diesen Leitungen kann durch ein Software-Programm oder eine Subroutine erzeugt werden, die durch einen Mikroprozessor beispielsweise in einem Wellenformgenerator oder Wellenformer 80 verarbeitet wird, wie unten noch ausführlicher beschrieben wird.
3B zeigt einen weiteren beispielhaften polaritätsvariablen Schalter 16', der eine Vollwellenbrücke verwendet. Das Ausgangsschaltnetz 48' kann vier Transistor-artige Schalter SW1, SW2, SW3 und SW4 enthalten, die gemäß der Logik auf den Basisleitungen 55, 56 ein- und ausgeschaltet werden können. Wenn SW1 und SW2 ein sind, ist die Elektrode E positiv; wenn SW3 und SW4 ein sind, ist die Elektrode E negativ. Das Netzwerk 48' kann auch zum Pulsieren hoher Schweißströme von wesentlich über 200 Ampere verwendet werden. Auf diese Weise wird ein Wechselstrom in den Ausgangsleitungen 24, 26 erzeugt, die mit der Elektrode E und dem Werkstück W verbunden sind. Indem die Logik auf den Basissteuerleitungen 55, 56 nacheinander alterniert wird, wird ein Hochfrequenzwechselstrom an den Schweißstromkreis angelegt, der die Elektrode E und das Werkstück W enthält. Die Wechselstromfrequenz wird durch die Frequenz bestimmt, mit der die Logik auf den Basissteuerleitungen 55, 56 alterniert. Die Logik auf diesen Leitungen kann durch ein Software-Programm oder eine Subroutine erzeugt werden, die durch einen Mikroprozessor beispielsweise in einem Wellenformgenerator oder Wellenformer 80 verarbeitet wird, wie unten noch ausführlicher beschrieben wird.
Wir kehren zu 1 zurück. Der Lichtbogenstrom wird durch den Sensor 52 gelesen, um ein Spannungssignal auf Leitung 52a zu erzeugen, das den Lichtbogenstrom I_a darstellt. In der gleichen Weise wird die Lichtbogenspannung durch den Sensor 54 abgefühlt, um ein Spannungssignal auf Leitung 54a zu erzeugen, das die Lichtbogenspannung V_a darstellt. Gemäß der üblichen Praxis sind Verarbeitungsvorrichtungen, wie zum Beispiel jene, die als Steuereinheit 60 und Wellenformer oder Generator 80 dargestellt sind, mit der Stromversorgung 10 verbunden, um Impulse gemäß dem Rückkopplungsstrom I_a und/oder der Spannung V_a zu erzeugen. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 60 einen Impulsbreitenmodulator enthalten, der durch einen Oszillator angesteuert wird, der eine Frequenz von mehr als 100 kHz hat. Der Impulsbreitenmodulator kann einen Stromimpuls während jeder Ausgabe des Oszillators erzeugen. Die Impulsbreite bestimmt die Amplitude des Stromimpulses. Der Strompegel während des Schweißzyklus enthält viele Impulse von dem Impulsbreitenmodulator.
Wie bis hierher beschrieben, ist das beispielhafte Schweißgerät A ein Schweißgerät, bei dem eine Steuereinheit 60 und ein Wellenformer 80 die Wellenform der Stromimpulse steuern und der Wellenformer 80 und der polaritätsvariable Schalter 16 das Umschalten und die Polarität steuern, die beide zum Definieren des Schweißzyklus am Spalt g, der den Schweißlichtbogen erzeugt, beitragen. Die Steuereinheit 60 empfängt ein Befehlsignal auf Leitung 70 von dem Wellenformer 80. Die Spannung auf Leitung 70 bestimmt das Profil, die Form und/oder die Kontur der Stromimpulse des Schweißprozesses. Diese Konfiguration wurde zum Beispiel durch die Schweißgerätemarke PowerWave von der Lincoln Electric Company bekannt gemacht, und insbesondere beispielsweise durch die Modelle PowerWave S350, S500, R350, R500, Super Glaze, Super Arc und Blue Max.
Gemäß der Erfindung steuert der Wellenformer 80 das Signal auf Leitung 70, um die in dem Schweißprozess verwendeten Hochfrequenzimpulse zu formen. Eine Steuerungslogik 90, wie in 8 gezeigt und unten noch ausführlicher beschrieben, initiiert wiederholt Logik, Software oder eine Routine, um sich wiederholende Schweißzyklen zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen kann der Wellenformer 80 die Steuerungslogik 90 und jede andere Logik enthalten, die die gewünschte Wellenform erzeugt. Wie oben beschrieben, steuert der Wellenformer 80 – um den Hochfrequenzwechselstrom zu erzeugen, der in den Schweißstromkreis an der Elektrode E und dem Werkstück W eingespeist wird – die Logik auf den Steuerleitungen 55, 56, um Ströme mit wechselnder Polarität zu erzeugen. Des Weiteren können, wie oben erwähnt, in verschiedenen Ausführungsformen die Hochfrequenzimpulse durch Strom, Spannung oder Kombinationen von Spannung und Strom, einschließlich nicht-linear Kombinationen, geregelt werden.
Das Wechseln der Polarität von Abschnitten der Impulse zwischen positiv und negativ kann eine bessere Kontrolle der Wärme erlauben, die während des Schweißens erzeugt wird. Die Lichtbögen, die durch Ströme von positiver und negativer Polarität erzeugt werden, weisen eine Reihe von Unterschieden während des Schweißens auf, weil das Verhalten und die Eigenschaften von Katode und Anode nicht die gleichen sind. Insbesondere sind während des Schweißens die an der Katode erzeugte Wärme und die an der Anode erzeugte Wärme deutlich verschieden. Wenn die Polarität des Stroms umgekehrt (zum Beispiel von positiv zu negativ oder von negativ zu positiv umgeschaltet) wird, so werden Anode und Katode vertauscht, was bewirkt, dass die Erwärmungseigenschaften dieser Regionen umgekehrt werden.
4 ist eine Zeichnung von beispielhaften Schweißlichtbögen, die einige der Unterschiede zwischen beispielhaften Lichtbögen während Abschnitten der Schweißwellenform mit positiver und negativer Polarität oder Impulswelle hervorhebt. Im Allgemeinen führt Schweißen zwar immer Wärme zu dem Werkstück W, doch Abschnitte des Schweißzyklus mit negativer Polarität bringen weniger Wärme zu der Pfütze des Werkstücks W als Abschnitte mit positiver Polarität. Während eines Abschnitts mit positiver Polarität breitet sich ein Lichtbogen 111 über eine Pfütze 112 aus, wodurch ein breiter Bereich aufgeheizt wird. Auf der Seite der positiven Elektrode E konzentriert sich der Lichtbogen 111 am unteren Ende des Tröpfchens 113. Der Strom fließt durch das Tröpfchen 113, und seine zugehörige magnetische Abschnürkraft wirkt auf das flüssige Tröpfchen 113, wodurch es letztendlich von der Elektrode E zu dem Werkstück W gezogen wird. Jedoch konzentriert sich während eines Abschnitts mit negativer Polarität ein Lichtbogen 115 in der Mitte einer Pfütze 116, wodurch sich die Ränder abkühlen können und der Verfestigungsprozess einsetzt. Auf der Seite der negativen Elektrode E bedeckt der Lichtbogen 115 viel mehr vom Ende der Elektrode E, wodurch ein großes schmelzflüssiges Metalltröpfchen 117 erhitzt wird. Auf diese Weise fließt nicht viel des Stroms durch das Tröpfchen 117, und seine zugehörige Abschnürkraft wirkt nicht auf das flüssige Tröpfchen 117, so dass es am Ende der Elektrode E hängt, wo es größer wird. Dieses große flüssige Tröpfchen 117 wird mit der nächsten Impulsspitze von positiver Polarität zu dem Werkstück W übertragen.
Eine negative Polarität erhöht die Abbrandrate der Elektrode E, da sich Wärme in der Elektrode E aufbaut, wodurch sich auch die Schweißpfütze abkühlen kann. Wenn also der Strom eine positive Polarität hat, so wird der größte Teil der Wärme in die Schweißpfütze des Werkstücks W dissipiert oder absorbiert. Wenn der Strom eine negative Polarität hat, so wird mehr Wärme in die Elektrode E dissipiert oder absorbiert, wobei viel weniger Wärme in die Schweißpfütze des Werkstücks W dissipiert wird.
5 zeigt eine beispielhafte Impulswelle (Pulse Wave, PW) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Genauer gesagt, zeigt 5 eine vereinfachte Schweißwellenform oder Impulswelle PW mit einer Komponente mit negativer Polarität 120 zusammen mit Zeichnungen der verschiedenen Stufen der Bildung und Abscheidung eines Tröpfchens von der Elektrode E auf das Werkstück W, die mit römischen Ziffern I–VI bezeichnet sind. 5 zeigt einen vollständigen Schweißzyklus einer Impulswelle PW, wobei der Wellenformzyklus einen Spitzenimpulsabschnitt 122, einen Abschnitt mit negativer Polarität 120 und einen Hintergrundabschnitt 124 hat. In der gezeigten Ausführungsform ist der Spitzenimpulsabschnitt 122 der Abschnitt der Wellenformzyklus mit dem maximalen Strompegel für den Zyklus der Impulswelle PW und repräsentiert in der Regel den Tröpfchenübertragungsabschnitt der Impulswelle PW. Bei typischen Impulsschweißwellenformen können ein Spitzenabschnitt 122 und ein Hintergrundabschnitt 124 so kombiniert werden, dass eine Wellenform nur zwischen Spitzenimpulsabschnitten 122 und Hintergrundabschnitten 124 alterniert. In solchen Ausführungsformen wird der Hintergrundabschnitt 124 verwendet, um das Schmelzen der Elektrode E zu beginnen, um ein schmelzflüssiges Tröpfchen zu bilden, bevor der Spitzenabschnitt 122 einsetzt. In diesen Ausführungsformen beginnt das Ende der Elektrode E ein relativ kleines Tröpfchen zu bilden. Eine kleine Menge eines anfänglichen Schmelzens kann in einigen Schweißanwendungen von Nachteil sein. Des Weiteren ist ein Anstieg des Stroms im Ende der Elektrode E (um das Schmelzen zu verstärken) vor dem Spitzenimpulsabschnitt 122 aufgrund der zusätzlichen Energie und Wärme, die letztendlich während dieses Prozesses in das Werkstück W gelangt, nicht unbedingt wünschenswert. Darum arbeiten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Stromimpulswellen PW, die einen Abschnitt mit negativer Polarität 120 zum Beispiel zwischen dem Spitzenimpulsabschnitt 122 und dem Hintergrundabschnitt 124 haben. Der Einfachheit halber verwenden die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen eine Stromregelung, einschließlich zum Definieren des Abschnitts mit negativer Polarität 120, des Spitzenimpulsabschnitts 122 und des Hintergrundabschnitts 124. In anderen Ausführungsformen kann der Impuls PW auch mit Spannung oder Kombinationen aus Spannung und Strom geregelt werden, um die Abschnitte der Impulswelle PW zu definieren, einschließlich beispielsweise den Abschnitt mit negativer Polarität 120, den Spitzenimpulsabschnitt 122 und den Hintergrundabschnitt 124.
Wie in 5 gezeigt, enthält eine beispielhafte Impulswelle PW einen Abschnitt mit negativer Polarität 120 nach dem Spitzenimpulsabschnitt 122. Wie bei I gezeigt, hat der Lichtbogen A, weil der Stromfluss in der entgegengesetzten (negativen) Richtung erfolgt, eine andere Form oder ein anderes Profil als während der anderen (positiven) Polarität. Genauer gesagt, und wie oben in Bezug auf 4 erwähnt, erzeugt der Strom mit einer negativen Polarität einen Lichtbogen, der mehr von der Elektrode E einhüllt, anstatt aus dem Ende der Elektrode E heraus fokussiert zu werden. Indem man den Lichtbogen A bis zur Elektrode E verlängert, wird eine größere Oberfläche der Elektrode E erwärmt, und somit gelangt mehr Wärme in die Elektrode E, ohne den Strom zu erhöhen. Aufgrund dessen wird das Schmelzen des Endes der Elektrode E verstärkt, und ein viel größeres schmelzflüssiges Tröpfchen D wird am Ende der Elektrode E erzeugt, wie bei II gezeigt. Des Weiteren wird dieses größere Tröpfchen D erzeugt: 1) ohne einen Anstieg des Energieverbrauchs durch die Schweißstromversorgung; und 2) mit weniger Wärmeübertragung in das Werkstück W. Wie bei III und IV gezeigt, wird im Anschluss an den Abschnitt mit negativer Polarität 120 der Hintergrundabschnitt 124 implementiert, gefolgt von dem Spitzenimpulsabschnitt 122. Der Effekt des vollständigen Impulsspitzenabschnitts 122, der praktisch das Tröpfchen D zu dem Werkstück W überträgt, ist in römischen Ziffern IV bis VI gezeigt, woraufhin der Abschnitt mit negativer Polarität 120 wiederholt wird. Die römischen Ziffern IV und V zeigen die Abschnürkraft, die auf die Elektrode E während der Übertragung des Tröpfchens D auf das Werkstück W wirkt. Ausführungsformen, die eine Impulswelle PW mit einem Abschnitt mit negativer Polarität 120 verwenden, sind in der Lage, die Menge an Energie zu verringern, die zum Übertragen eines Tröpfchens D benötigt wird, die Menge an aufzehrbarem Draht zu vergrößern, die pro Impulszyklus von der Elektrode E übertragen wird, und/oder die Wärmemenge zu verringern, die zu dem Werkstück W übertragen wird.
In anderen Ausführungsformen kann die Sequenz der verschiedenen Abschnitte der Impulswelle PW anders sein. Zum Beispiel kann der Hintergrundabschnitt 124 dem Abschnitt mit negativer Polarität 120 vorausgehen. Des Weiteren ist anzumerken, dass in einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Abschnitt mit negativer Polarität 120 nicht unbedingt unmittelbar auf den Spitzenimpulsabschnitt 122 folgen muss oder unmittelbar dem Hintergrundabschnitt 124 vorausgehen muss; vielmehr kann ein intermittierender Stromabschnitt zwischen diese Abschnitte eingesetzt werden. In diesen Ausführungsformen kann dieser Zwischenstromabschnitt auf der Höhe des Strompegels des Hintergrundabschnitts 124 liegen und kann eine relativ kurze Dauer haben. In anderen Ausführungsformen kann der Strompegel an diesem Zwischenabschnitt niedriger sein als der Hintergrundabschnitt 124, um ein besseres Umschalten der Polarität des Stroms zu erlauben. Der Zwischenabschnitt könnte von jeder beliebigen Dauer sein, die nicht die Erzeugung und Übertragung des Tröpfchens D auf das Werkstück W behindert.
5 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wo der Strom während des Abschnitts mit negativer Polarität 120 die gleiche Größenordnung wie der Hintergrundabschnitt 124, aber eine entgegengesetzte Polarität hat. Jedoch kann der Strom während des Abschnitts mit negativer Polarität 120 in anderen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch eine andere Größenordnung haben als der Hintergrundabschnitt 124.
Des Weiteren ist die in 5 gezeigte beispielhafte Impulswelle PW mit Abschnitten mit negativer Polarität 120 von gleicher Dauer T gezeigt. Der Abschnitt mit negativer Polarität 120 kann das Tröpfchen D am Ende der Elektrode E sehr rasch aufzubauen. Ungleichmäßige Zeitspannen T könnten zu ungleichmäßigen Größen der Tröpfchen D führen, weil mehr oder weniger Zeit es erlauben würde, mehr oder weniger Energie durch die Elektrode E zu absorbieren, was sich direkt auf die Größe des ausgebildeten Tröpfchens D sowie auf die Fähigkeit der Impulsspitze 122, dieses Tröpfchen D zu übertragen, auswirkt. Mehr Energie, die durch die Elektrode E während eines Abschnitts mit negativer Polarität 120 absorbiert wird, würde zu einem größeren Tröpfchen D führen.
Obgleich nicht in 5 gezeigt, können Schwankungen der Lichtbogenlänge oder Spannung auch die Menge an Energie beeinflussen, die durch die Elektrode E während eines Abschnitts mit negativer Polarität 120 absorbiert wird. Selbst wenn die Größenordnung des Stroms und die Dauer T während des Abschnitts mit negativer Polarität 120 beibehalten werden, können Schwankungen der Spannung zu Variationen der Größe des Tröpfchens D führen. Genauer gesagt, führt eine Vergrößerung der Lichtbogenlänge oder des Spalts g zu einer Erhöhung der Spannung, um den Strom durch den Lichtbogen beizubehalten. Wie eine Verlängerung der Dauer T führt eine Erhöhung der Spannung während des Abschnitts mit negativer Polarität 120 dazu, dass mehr Energie durch die Elektrode E absorbiert wird und das Tröpfchen D größer wird. Die Spitzenimpulsabschnitte 122, die auf die Bildung der Tröpfchen D folgen, müssen groß genug sein, um die größtmöglichen erwarteten Tröpfchen D selbst dann zu übertragen, wenn das tatsächliche Tröpfchen kleiner ist. Ungleichmäßige Größen von Tröpfchen D führen zu ungleichmäßigen Tröpfchenübertragungen, weil der Spitzenimpulsabschnitt 122 nicht zum Übertragen von Tröpfchen mit verschiedenen Größen optimiert ist. Adaptive Steuerungsverfahren sind nicht geeignet, diese Bedingungen auszugleichen, weil sie in der Regel auf den langfristigen laufenden Durchschnitt der Wellenform achten und die Größe jedes einzelnen Tröpfchens von Zyklus zu Zyklus variieren kann.
Es wurde festgestellt, dass sich die Größe eines Tröpfchens D direkt proportional zu der Energie verhält, die durch die Elektrode E während des Abschnitts mit negativer Polarität 120 absorbiert wird. Auf der Basis einer Rückmeldung von dem Lichtbogen am Spalt g (oder aus der Umgebung des Lichtbogens am Spalt g) kann die Menge der während des Abschnitts mit negativer Polarität 120 absorbierten Energie durch Berechnen des Integrals der Leistung während des Abschnitts mit negativer Polarität 120 folgendermaßen bestimmt werden: ∫[Leistung während des Abschnitts 120] = ∫[(Strom während des Abschnitts 120)·(Spannung während des Abschnitts 120)]
In Bezug auf das Schweißgerät von 1 stehen dem Wellenformer 80 – zum Beispiel für eine Rückmeldung bezüglich des Lichtbogens am Spalt g – die Messungen I_a und V_a (über die Signale 52a, 54a) zur Verfügung: ∫[Leistung während des Abschnitts 120] = ∫[I_a·V_a während des Abschnitts 120]
Das Berechnen des Integrals der Leistung während des Abschnitts mit negativer Polarität 120 erlaubt es dem Schweißgerät – zum Beispiel über den Wellenformer 80 – zuverlässig die Größe des Tröpfchens D zu steuern, das während des Abschnitts mit negativer Polarität 120 der Impulswelle PW gebildet wird, einschließlich während Schwankungen der Lichtbogenlänge oder der Spannung. Genauer gesagt, kann der Abschnitt mit negativer Polarität 120 von 5 mit der Dauer T durch ein Steuerungssystem ersetzt werden, das den Abschnitt mit negativer Polarität beendet, wenn die gewünschte Energie durch die Elektrode E absorbiert wurde, was anhand des Integrals der Leistung während des Abschnitts mit negativer Polarität bestimmt wird.
6 zeigt eine Strom-geregelte Ausführungsform und eine beispielhafte Leistungskurve zusammen mit einem zugehörigen beispielhaften Stromdiagramm der Impulswelle PW'. Wie oben erwähnt, können in anderen Ausführungsformen auch die Spannung oder Kombinationen von Spannung und Strom geregelt werden, um eine Impulswelle zu definieren. Die Leistungskurve enthält einen Abschnitt mit geringerer Spannung und einen Abschnitt mit höherer Spannung, die zum Beispiel durch Schwankungen der Lichtbogenlänge oder des Spalts g verursacht werden können, wie in 6 gezeigt. Die Abschnitte mit negativer Leistung 130, 132 haben jeweils verschiedene Größenordnungen 140, 142. Genauer gesagt, steht der Abschnitt mit negativer Leistung 130 in Verbindung mit einer relativ niedrigeren Spannung und hat eine geringere Leistungsgrößenordnung 140. Im Gegensatz dazu steht der Abschnitt mit negativer Leistung 132 in Verbindung mit einer relativ höheren Spannung und hat eine größere Leistungsgrößenordnung 142. Weil die Leistung eine größere Größenordnung während des Abschnitts mit höherer Spannung hat, würde sich ein Tröpfchen D an der Elektrode E schneller bilden, indem Energie während des Abschnitts mit höherer Spannung schneller absorbiert wird.
Durch das Integrieren der Leistung während des Abschnitts mit negativer Polarität der Wellenform kann die Energieabsorption der Elektrode E und des Tröpfchens D bestimmt und gesteuert werden. Um sicherzustellen, dass die Tröpfchen D selbst während Schwankungen der Spannung auf einer gewünschten Größe oder einem „Sollwert” gehalten werden, können die Abschnitte mit negativer Polarität gestoppt werden, wenn ein gewünschter Energiepegel oder Joulepegel, zum Beispiel gemäß einer Messung durch integrieren der Leistung, erreicht wurde. Zum Beispiel werden Abschnitte mit negativer Polarität, die mit höheren Spannungen (zum Beispiel 132) in Verbindung, früher beendet als Abschnitte mit negativer Polarität, die mit niedrigeren Spannungen (zum Beispiel 130) in Verbindung stehen. Unter Bezug auf 6: X = Leistung in Watt (I_a·V_a);

∫X: = Gesamtenergie in Watt·Sekunden oder Joule; und
Y: = gewünschte Energie in Joule, die mit der gewünschten Größe des Tröpfchens D korreliert.

Wie in 6 gezeigt, erreicht der tatsächliche Energiepegel ∫X den gewünschten Energiepegel Y nach verschiedenen Zeitspannen der Abschnitte mit negativer Polarität 160, 162 aufgrund der Unterschiede bei der Spannung während diesen Abschnitten. Wenn ∫X den gewünschten Energiepegel Y erreicht, so wird der Abschnitt mit negativer Polarität der Impulswelle PW bei 150 nach einer Dauer 160 während des Abschnitts mit niedrigerer Spannung und bei 152 nach einer Dauer 162 für den Abschnitt mit höherer Spannung gestoppt. Somit haben die Tröpfchen D, die an der Elektrode E während der Abschnitte mit geringerer und mit höherer Spannung entstanden sind, die gleiche Größe. Auf diese Weise wird der Abschnitt mit negativer Polarität der Impulswelle PW' gestoppt, wenn das Tröpfchen D die gewünschte Größe erreicht hat, und zwar unabhängig von Spannungs-(und Strom)-Schwankungen.
In anderen Ausführungsformen kann auch eine Spannungsberechnung verwendet werden, um zu bestimmen, wann das Tröpfchen D die gewünschte Größe erreicht hat. Zum Beispiel kann das Integral der Spannung verwendet werden, wenn der Strom bekannt ist.
In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Dauer des Abschnitts mit negativer Polarität im Bereich von zum Beispiel 100 Mikrosekunden bis 20 Millisekunden liegen. In anderen beispielhaften Ausführungsformen hat der Abschnitt mit negativer Polarität eine Dauer, die im Bereich von zum Beispiel 0,3% bis 50% des Schweißzyklus liegt.
Das in 7 gezeigte Stromdiagramm der Impulswelle PW' ist eine beispielhafte Ausführungsform, die erreicht wird, indem man den Wellenformer 80 den Schweißzyklus mit Stromregelung steuern lässt. Die spezielle Form der Impulswelle PW' wird durch Wellenformmerkmale der Steuerungslogik 90, wie in 8 gezeigt, definiert. Diese Merkmale enthalten Abschnitte mit positiver und negativer Polarität der Wellenform, die durch Verwendung des polaritätsvariablen Schalters 16 über die Steuerleitungen 55, 56 (oben besprochen) erreicht werden. Ähnliche Impulswellen werden in anderen Ausführungsformen mit Spannungs- oder einer Kombination aus Strom- und Spannungsregelung erreicht.
Beispielhafte Impulse 110 der in 7 gezeigten Ausführungsform werden durch den Wellenformer 80 bei einer Frequenz im Bereich von 20–400 Hz erzeugt. Zum Beispiel kann diese Frequenz in dem Versuch ausgewählt werden, die Impulsrate mit der Tröpfchenrate des schmelzflüssigen Aluminiums zu optimieren. Die Impulsrate trägt zur Wärme der Schweißnaht und zur Wärme in der Schweißpfütze bei. Diese zwei Aspekte können koordiniert werden. Jeder Impuls hat einen Anstiegsabschnitt 110a mit einer gesteuerten Steigung, einen Spitzenstrom (I_PEAK) 110b, der für alle gezeigten Impulse der gleiche ist, einen Spitzenzeitabschnitt 110c, der die Zeit darstellt, die sich der Strompegel auf einer Spitze befindet, einen Absenkabschnitt 110d, einen Abschnitt mit negativem Strom (I_NEG) für eine Negativabschnittszeit 110h, und einen Hintergrundstrom (I_BACK)-Abschnitt 110e, der, wenn er nicht durch einen Impuls oder eine Negativstromkomponente unterbrochen wird, konstant ist. Die Anstiegszeit 110a ist in der Spitzenzeit 110g enthalten. Obgleich der Spitzenstrom 110b, die Spitzenzeit 110g und der Zeitraum 110f die gleichen bleiben, wird die Zeitdauer, die der Impuls auf dem Spitzenstrom (I_PEAK) 110b ist, durch die Steigung des Anstiegsabschnitts 110a bestimmt. Obgleich in 7 nicht gezeigt, kann die Form der Komponenten mit negativer Polarität auch verschiedene Steigungen und Gefälle enthalten, die dem Absinken auf den negativen Strom (I_NEG) und dem Anstieg vom negativen Strom zugeordnet sind. Des Weiteren kann ein Abschnitt mit negativer Polarität an einem beliebigen Punkt in der Impulswelle PW' eingefügt werden. Wie oben besprochen, kann die Dauer des negativen Abschnitts 110h variieren, um Leistungsschwankungen auszugleichen. 7 zeigt verschiedene Negativabschnittszeiten 110h, 110h', um die Veränderlichkeit von Negativabschnittszeiten in der Impulswelle PW' darzustellen.
Wie in 8 gezeigt, ist eine beispielhafte Steuerungslogik 90 vorhanden, um die beispielhafte Impulswelle PW' von 7 zu erzeugen. Die Steuerungslogik 90 kann zum Beispiel als Logik, Software oder eine Subroutine verkörpert sein und kann eine Datentabelle verwenden, um ihren Betrieb zu definieren. Zum Beispiel können, wie unten in Verbindung mit 13 noch ausführlicher beschrieben wird, Arbeitspunkte für verschiedene spezifizierte Drahtzufuhrgeschwindigkeiten (Wire Feed Speeds, WFS) festgelegt werden, die zum Beispiel Merkmale der Impulswelle PW' definieren, die für diese Drahtzufuhrgeschwindigkeit WFS optimiert sind. Es können auch verschiedene andere Merkmale als Grundlage jedes speziellen Arbeitspunktes verwendet werden. Die Logik kann in einem Software-Programm verkörpert sein, wie zum Beispiel Lincoln Electrics„Weld Development”-Logikprogramm, das ein zustandsbasierter Logikbaum speziell für das Schweißen ist. Wie andere zustandsbasierte Programme kann sich die Logik in einem Zustand befinden, in dem eine Funktion abläuft, beispielsweise ein Ausgangsstrom von 300 A, bis eine Zustandsüberprüfung wahr wird (zum Beispiel der Spitzen-Timer ≥ 2 Millisekunden), und dann verzweigt sich die Logik zum nächsten Zustand (der in der Zustandsüberprüfung definiert ist). Diese Zustandsänderungen können sehr schnell eintreten, wobei relativ komplexe Logik miteinander verkettet wird, ohne dass man die Routine hardwareseitig programmieren oder eine PC-Platine auswechseln muss.
In 8 wird die beispielhafte Logik 90 durch die Schritte 124, 126, 128, 129 und 130 definiert. Der Impuls hat einen Anstiegsstrom mit einer Steigung, die bei Zeit tR1 endet, wie durch Schritt 124 gezeigt. Dann wird der Spitzenstromabschnitt P1 bis zur Zeit tP1 implementiert, wie bei Schritt 126 gezeigt. Danach findet ein exponentielles Abklingen mit einer Geschwindigkeit 1 bis zur Zeit tS1 statt, wie durch Schritt 128 gezeigt. Dann wird der negative Strom N1 implementiert, bis ∫X den gewünschten Energiepegel Y erreicht, wie bei Schritt 129 gezeigt, wobei X die Leistung in Watt (I_a·V_a) während des negativen Stroms N1 ist und Y die gewünschte Energie in Joule ist, die mit einer gewünschten Größe des Tröpfchens D korreliert. Die Zeit, wo ∫X > Y, ist tN1, d. h. wenn der negative Strom N1 endet. Die Zeit tN1 kann von Zyklus zu Zyklus variieren, da die Zeit, die es dauert, um die gewünschte negative Energie (Y) zu erreichen, variiert, wie oben besprochen, beispielsweise aufgrund von Spannungsschwankungen. Der Hintergrundstrom B1 wird bis zur Zeit tB1 beibehalten, wie durch Block oder Schritt 130 angedeutet. Zum Beispiel ist tB1 = t_PERIOD – tR1 – tP1 – tS1 – tN1, d. h. die Zeit, die übrig bleibt, nachdem die anderen Impulsparameter implementiert wurden. Wie oben erwähnt, wird der Hintergrundstrom während der gesamten in 7 gezeigten Schweißprozessausführungsform konstant gehalten. Obgleich die Blöcke 124, 126, 128, 129 und 130 in einer speziellen Reihenfolge gezeigt sind, um das in 7 gezeigte Impulsprofil oder die in 7 gezeigte Impulswelle PW' darzustellen, sind die durch diese Blöcke dargestellten Merkmale nicht auf diese Sequenz oder Konfiguration beschränkt. Es können noch viele andere Kombinationen dieser Merkmale verwendet werden, um verschiedene Profile der Impulswelle PW und von Schweißzyklen zu bilden. Zum Beispiel können die Blöcke 129 und 130 umgekehrt werden, so dass die durch die Logik 90 erzeugte Impulswelle PW den Hintergrundstrom B1 vor dem negativen Strom N1 verwendet. Des Weiteren können auch andere Anstiegs- oder Absenkmerkmale in die Impulswelle PW integriert werden, zum Beispiel mit dem negativen Strom N1.
Wie oben besprochen, können verschiedene Berechnungen verwendet werden, um zu bestimmen, wann der Abschnitt mit negativer Polarität zu einem negativen Energiepegel (Y) geführt hat, der mit einer gewünschten Größe des Tröpfchens D verknüpft ist. Zum Beispiel kann auch das Integral der Spannung verwendet werden, wenn der Strom bekannt ist. 9 veranschaulicht eine beispielhafte Logik 300, die eine Subroutine von Block 129 sein kann, wie sie zum Beispiel in 8 gezeigt ist, um auf der Basis einer Integralrechnung zu bestimmen, wann der Abschnitt mit negativer Polarität oder der Strom N1 zu beenden ist. Bei Schritt 302 beginnt der Abschnitt mit negativer Polarität. Wie durch Schritt 304 gezeigt, berechnet die Logik 300 während des negativen Stroms N1 das Integral eines gemessenen Parameters X, der die Energie anzeigt, die zur Größe des Tröpfchens D beiträgt. Zum Beispiel kann, wie oben besprochen, X die Leistung (wie speziell unten in Verbindung mit 10 noch ausführlicher besprochen wird) oder die Spannung während eines bekannten Stroms sein. Bei Schritt 306 vergleicht die Logik 300 das Integral von X(∫X) mit einem zuvor festgelegten gewünschten Energiewert Y, der einer Energiemenge entspricht, die mit einer gewünschten Größe des Tröpfchens D verknüpft ist. Wenn ∫X noch nicht Y erreicht hat, so setzt die Logik 300 die Berechnung von ∫X in Schritt 304 fort und vergleicht ∫X in Schritt 306 weiter in einer Schleife mit Y, bis ∫XY erreicht. Wenn ∫XY erreicht, d. h. wenn der gewünschte Energiepegel, der der gewünschten Größe des Tröpfchens D zugeordnet ist, erreicht wurde, so beendet die Logik 300 die negative Polarität oder den negativen Strom N1.
In einer Ausführungsform, wie oben besprochen, ist X die Leistung in Watt (I_a·V_a) während des negativen Stroms N1. 10 veranschaulicht eine beispielhafte Logik 400, die eine Subroutine von Block 129 sein kann, wie zum Beispiel in 8 gezeigt, um auf der Basis eines Integrals der Leistungsberechnung zu bestimmen, wann der Abschnitt mit negativer Polarität oder der Strom N1 zu beenden ist. Bei Schritt 402 beginnt der Abschnitt mit negativer Polarität. Bei Schritt 404 misst die Logik 400 während des negativen Stroms N1 die Spannung (V_a) zum Beispiel über die in 1 gezeigte Signalleitung 54a. Bei Schritt 406 misst die Logik 400 den Strom (I_a) zum Beispiel über die in 1 gezeigte Signalleitung 52a. Bei Schritt 408 berechnet die Logik 400 die Leistung X durch Multiplizieren des Stroms und der Spannung (I_a·V_a). Wie durch Schritt 410 gezeigt, berechnet die Logik 400 das Integral der Leistung X. Bei Schritt 412 vergleicht die Logik 400 das Integral der Leistung X(∫X) mit einem zuvor festgelegten gewünschten Energiewert Y, der einer Energiemenge entspricht, die mit einer gewünschten Größe des Tröpfchens D verknüpft ist. Wenn ∫X noch nicht Y erreicht hat, so setzt die Logik 400 das Messen der Spannung V_a, das Messen des Stroms I_a, das Berechnen der Leistung X und das Berechnen von ∫X in den Schritten 404 bis 410 sowie das Vergleichen von ∫X mit Y in Schritt 412 in einer Schleife fort, bis ∫XY erreicht. Wenn ∫XY erreicht, d. h. wenn der gewünschte Energiepegel, der der gewünschten Größe des Tröpfchens D zugeordnet ist, erreicht wurde, so beendet die Logik 400 die negative Polarität oder den negativen Strom N1.
Eine weitere Modifikation der Erfindung ist in 11 veranschaulicht, wo eine „synergistische” Steuerungsaktion durch den Wellenformer 210 implementiert wird. Die durch diese Ausführungsform erzeugten Impulse können die gleichen sein wie jene, die in 7 gezeigt sind, können aber auch andere Wellenformen oder Zyklen enthalten. Wie oben erwähnt, enthalten die Impulse eines Zyklus einen negativen Strom, der endet, wenn ein gewünschter Energiepegel erreicht wurde. Die zuvor beschrieben Schaltungen zum Erhalten dieser Wellenform ist schematisch als Block 212 dargestellt, wobei 212 eine Nachschlagetabelle mit einem Arbeitspunkt enthalten kann, der verschiedene WFS-Parameter enthält (wie zum Beispiel in 13 gezeigt und unten noch ausführlicher beschrieben). Wie in 11 gezeigt, hat ein Schweißgerät A die in Verbindung mit 1 beschriebenen Komponenten und enthält eine Drahtzufuhrvorrichtung 30, so dass ein Draht E dem Schweißvorgang gemäß dem Pegel des WFS-Signals auf Leitung 44 zugeführt wird. 11 enthält die beispielhafte Motorsteuereinheit 31, wie in 2 gezeigt, kann aber auch jede andere geeignete Motorsteuereinheit verwenden. Zusätzlich zu der in Bezug auf 1 oben beschriebenen Steuerung steuert der Wellenformer 210 das Signal auf Leitung 44 so, dass verschiedenen Drahtzufuhrgeschwindigkeiten verschiedene Pegel zugeordnet sein können. Folglich ergänzt die in 11 gezeigte Modifikation die zuvor beschriebene Ausführungsform durch Ausgeben eines Spannungspegels auf Leitung 44, der den durch das Schweißgerät A verarbeiteten Energiepegel verfolgt und die WFS entsprechend koordiniert. Auf diese Weise gibt es einen synergistischen Effekt zwischen der Schweißenergie und der Drahtzufuhrgeschwindigkeit WFS der Elektrode E.
Zum Beispiel sind weitere Ausführungsformen, die mit den in der vorliegenden Erfindung verwendeten Konzepten arbeiten, in den 12 und 13 veranschaulicht. In dieser Ausführungsform können verschiedene Parameter, einschließlich beispielsweise Drahtzufuhrgeschwindigkeit (WFS), Spitzenstrom, Spitzenzeit, negativer Strom, negative Energie und Hintergrundstrom, von einem Arbeitspunkt zum nächsten variieren. In dieser Ausführungsform wird, wie in 12 gezeigt, ein synergistischer Wellenformer 250 verwendet, um einen Arbeitspunkt 254 aus der Nachschlagetabelle 252 gemäß dem Wert des durch Leitung 250a dargestellten Eingangssignals zu verarbeiten. 12 zeigt eine Teilmenge beispielhafter Arbeitspunkte und ihre zugeordneten beispielhaften Parameter, die nicht den Parameterwerten entsprechen müssen, die in den angesprochenen Figuren gezeigt sind. Der durch den Pegel des Signals auf Leitung 250a dargestellte Arbeitspunkt wird gemäß der Nachschlagetabelle 252 ausgegeben. Die Impulsmerkmale und die Drahtzufuhrgeschwindigkeit WFS für einen ausgewählten Arbeitspunkt werden verwendet, um die Form des Impulses durch die Steuereinheit 256 und die Drahtzufuhrgeschwindigkeit durch die Steuereinheit 258 zu steuern. Zum Beispiel können die in 7 gezeigten Impulsformen durch den Wellenformer oder die Steuereinheit 256 durch ein Signal auf Leitung 210a implementiert werden. Mit dem Stromquellensignal 210a wird ein WFS-Signal auf Leitung 44 gemäß Anweisung durch die Steuereinheit 258 koordiniert. Der Wellenformer 250 erzeugt eine Wellenform und eine Drahtzufuhrgeschwindigkeit, die durch den Arbeitspunkt von Nachschlagetabelle 252 bestimmt werden. Der Arbeitspunkt 254 für das Schweißgerät wird in den Wellenformer 250 durch die Eingangsleitung 250a eingegeben, und die Ausgangsleitungen 250b, 250c liefern Signale an die Stromquellensteuereinheit 256b bzw. die Drahtzufuhrvorrichtung der Steuereinheit 258.
Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform ein Arbeitspunkt 254 ein Ausgangssignal auf Leitung 210a aus der Nachschlagetabelle 252 für Impulse generieren, die eine Form haben, die durch Impulse 110 in 7 angedeutet ist. Gleichzeitig erzeugt das Ausgangssignal auf Leitung 44 aus der Nachschlagetabelle 252 ein WFS-Signal, das den Impulsen 110 entspricht. Die Impulse 110 und die Drahtzufuhrgeschwindigkeit WFS werden zusammen gesteuert. Gemäß dieser Ausführungsform kann der Arbeitspunkt aus Tabelle 252 während jedes Schweißzyklus geändert werden, um zum Beispiel verschiedene Schweißanwendungen und Betriebsbedingungen zu berücksichtigen. In anderen Ausführungsformen können die Arbeitspunktparameter andere Schweißtechniken implementieren, wie zum Beispiel ein Umschalten zwischen Hochenergieabschnitten HP und Niedrigenergieabschnitten LP, wie in US-Seriennummer 13/788,486 beschrieben. Obgleich die Nachschlagetabelle von 13 Stromwerte enthält, können andere Ausführungsformen Nachschlagetabellen mit anderen Parametern enthalten, wie zum Beispiel Spannungswerte für Ausführungsformen, die eine Spannungs- oder eine Kombination aus Strom- und Spannungsregelung verwenden.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen können auch auf verschiedene andere Schweißtechniken werden, wie zum Beispiel Kurzschlussdetektion und -aufhebung. In gepulsten Schweißprozessen löst sich das schmelzflüssige Tröpfchen D von der Spitze der Elektrode E und „fliegt” über den Lichtbogen zum Werkstück W. Wenn jedoch die Distanz zwischen der Spitze der Elektrode E und dem Werkstück W relativ kurz ist, so kann das über den Lichtbogen fliegende Tröpfchen D das Werkstücks W berühren (d. h. kurzschließen), während ein dünner Faden aus schmelzflüssigem Metall immer noch das Tröpfchen D mit der Spitze der Elektrode E verbindet. In einem solchen Fadenverbindungs-Freiflug-Szenario neigt der dünne Faden aus schmelzflüssigem Metall zum Explodieren, wodurch Schweißspritzer entstehen, wenn das Tröpfchen D einen Kontakt zu dem Werkstück W herstellt, weil der durch den Faden fließende Strom rasch ansteigt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Steuereinheit 60 und/oder der Wellenformer 80 das abgefühlte Spannungssignal 52a, das abgefühlte Stromsignal 54a oder eine Kombination der beiden verwenden, um während jedes Impulszeitraums zu bestimmen, wann ein Kurzschluss zwischen der vorangeschobenen Elektrode E und dem Werkstück W eintritt, wann ein Kurzschluss kurz davor steht, aufgehoben zu werden, und/oder wann der Kurzschluss tatsächlich aufgehoben wurde. Solche Regimes zum Bestimmen, wann ein Kurzschluss eintritt und wann der Kurzschluss aufgehoben wurde, sind dem Fachmann vertraut und werden zum Beispiel in US-Patent Nr. 7,304,269 und US-Seriennummer 13/293,112 beschrieben, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen werden. Die Steuereinheit 60 und/oder der Wellenformer 80 können das Wellenformsignal modifizieren, wenn der Kurzschluss eintritt und/oder wann der Kurzschluss aufgehoben wurde. Wenn zum Beispiel festgestellt wird, dass ein Kurzschluss aufgehoben wurde, so können die Steuereinheit 60 und/oder der Wellenformer 80 einen Plasmaverstärkungsimpuls in das Wellenformsignal einbinden, um zu verhindern, dass unmittelbar nach dem Aufheben des vorherigen Kurzschlusses ein weiterer Kurzschluss eintritt.
14 und 15 zeigen beispielhaften Wellenformdiagramme der Impulse, die die Einbindung der oben beschriebenen Ausführungsformen mit Kurzschlüssen zeigen. Wie in 14 gezeigt, tritt eine beispielhafte Wellenform 500 mit einem beispielhaften Kurzschluss während oder unmittelbar nach dem exponentiellen Abklingen des Abschnitt 510 ein, aber vor dem Einsetzen eines Abschnitts mit negativer Polarität 520. In dieser Ausführungsform wird der Kurzschluss aufgehoben, bevor der Abschnitt mit negativer Polarität 520 initiiert wird. Nach dem Aufheben des Kurzschlusses beginnt der Abschnitt mit negativer Polarität 520. Gemäß den in den obigen Ausführungsformen beschriebenen Techniken wird eine Integralberechnung (zum Beispiel ∫X) verwendet, um zu bestimmen, wann der Abschnitt mit negativer Polarität 520 zu der gewünschten Energie (zum Beispiel Y) in Verbindung mit einer gewünschten Größe des Tröpfchens D geführt hat. Sobald der gewünschte Energiepegel erreicht wurde, endet der Abschnitt mit negativer Polarität 520 bei 530. Nach dem Ende bei 530 kann die beispielhafte Wellenform zum Beispiel zur nächsten Impulsspitze (wie in 14 gezeigt) oder zu einem Hintergrundstrom fortfahren.
In einer weiteren Ausführungsform, wie in 15 gezeigt, tritt eine beispielhafte Wellenform 600 mit einem beispielhaften Kurzschluss nach dem exponentiellen Abklingabschnitt 610 und beim Einsetzen oder während eines Abschnitts mit negativer Polarität 620 ein. In dieser Ausführungsform wird der Kurzschluss während des Abschnitts mit negativer Polarität 620 aufgehoben. Nach dem Aufheben des Kurzschlusses wird der Abschnitt mit negativer Polarität 520 fortgesetzt. Wenn eine Integralberechnung (zum Beispiel ∫X) vor dem Kurzschluss begann, so kann die Berechnung bei 625 von neuem beginnen. Gemäß den in den obigen Ausführungsformen beschriebenen Techniken wird die neu gestartete Integralberechnung verwendet, um zu bestimmen, wann der Abschnitt mit negativer Polarität 620 zu der gewünschten Energie (zum Beispiel Y) in Verbindung mit einer gewünschten Größe des Tröpfchens D geführt hat. Sobald der gewünschte Energiepegel erreicht wurde, endet der Abschnitt mit negativer Polarität 620 bei 630. Nach dem Ende bei 630 kann die beispielhafte Wellenform zum Beispiel zur nächsten Impulsspitze (wie in 15 gezeigt) oder zu einem Hintergrundstrom fortfahren.
Obgleich die vorliegende Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht wurde, und obgleich die Ausführungsformen in einiger Ausführlichkeit beschrieben wurden, ist es nicht die Absicht des Anmelders, den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche auf diese Details zu beschränken oder in irgend einer Form einzugrenzen. Dem Fachmann fallen sofort weitere Vorteile und Modifikationen ein. Darum ist die Erfindung in ihren weiter gefassten Aspekten weder auf die konkreten Details, repräsentativen Vorrichtungen und Verfahren noch auf die gezeigten und beschriebenen veranschaulichenden Beispiele beschränkt. Dementsprechend kann von solchen Details abgewichen werden, ohne vom Wesen oder Schutzumfang des allgemeinen erfindungsgemäßen Konzepts des Anmelders abzuweichen.
Bezugszeichenliste

10: Stromversorgung
11: Gleichstromverbindung
12: Eingangsgleichrichter
14: Ausgangstransformator
15a: Primärwicklung
15b: Sekundärwicklung
16: Polaritätsschalter
16': polaritätsvariabler Schalter
17: Mittenabgriff
20: Draht
22: Rolle/Trommel
24: Ausgangsleitung
26: Ausgangsleitung
28: positiver Gleichrichterkreis
30: Zufuhrvorrichtung
31: Motorsteuereinheit
32: Motor
34: Impulsbreitenmodulator
36: Rückmeldungstachometer
38: positiver Ausgangsanschluss
40: Operationsverstärker
44: Leitung
46: negativer Ausgangsanschluss
48: Ausgangsschaltnetz
48': Schaltnetz
52: Sensor
52a: Leitung
54: Sensor
54a: Leitung
55: Basisleitung
56: Basisleitung
57: Snubber-Netzwerk
58: Snubber-Netzwerk
60: Steuereinheit
70: Leitung
72: Ausgangsinduktor
74: positiver Impulsabschnitt
76: negativer Impulsabschnitt
80: Wellenformer
90: Steuerungslogik
110: Impulse
110a: Anstiegsabschnitt
110b: Spitzenstrom
110c: Spitzenzeitabschnitt
110d: Absenkabschnitt
110h: Negativabschnittszeit
110h': Negativabschnittszeit
110e: Hintergrundstromabschnitt
110f: Zeitraum
110g: Spitzenzeit
111: Lichtbogen
112: Pfütze
113: Tröpfchen
115: Lichtbogen
116: Pfütze
117: schmelzflüssiges Metalltröpfchen
120: Komponente mit negativer Polarität
122: Spitzenimpulsabschnitt
124: Hintergrundabschnitt/Schritt
126: Schritt
128: Schritt
129: Schritt/Block
130: Abschnitt mit negativer Leistung/Schritt
132: Abschnitt mit negativer Leistung
140: Größenordnung
142: Größenordnung
150: Schritt
152: Schritt
160: Abschnitt mit negativer Polarität
162: Abschnitt mit negativer Polarität
210: Wellenformer
210a: Leitung
212: Block
250: Wellenformer
250a: Leitung
250b: Leitung
250c: Leitung
252: Nachschlagetabelle
254: Arbeitspunkt
256: Steuereinheit
258: Steuereinheit
300: Logik
302: Schritt
304: Schritt
306: Schritt
400: Logik
402: Schritt
404: Schritt
406: Schritt
408: Schritt
410: Schritt
412: Schritt
500: Wellenform
510: Abklingabschnitt
520: Abschnitt mit negativer Polarität
530: Schritt
600: Wellenform
610: Abklingabschnitt
620: Abschnitt mit negativer Polarität
625: Schritt
630: Schritt
A: Schweißgerät
D: schmelzflüssiges Tröpfchen
D1: Diode
D2: Diode
D3: Diode
D4: Diode
E: Elektrode
g: Spalt
I_a: Lichtbogenstrom
L1–L3: Spannungsquelle
N1: negativer Strom
P1: Spitzenstromabschnitt
PW: Impulswelle
PW: Impulswelle
SW1: Schalter
SW2: Schalter
SW3: Schalter
SW4: Schalter
T: Dauer
tB: Zeit
tN1: Zeit
tP1: Zeit
tR1: Zeit
tS1: Zeit
V_a: Lichtbogenspannung
W: Werkstück
WFS: Drahtzufuhrgeschwindigkeit
X: tatsächlicher Energiepegel
Y: gewünschter Energiepegel

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 [0059]

Claims

Elektrisches Lichtbogenschweißgerät (A), das Folgendes umfasst: eine Hochgeschwindigkeitsschaltstromversorgung (10) mit einer Steuereinheit (60) zum Erzeugen von Hochfrequenzimpulsen durch einen Spalt (g) zwischen einem Werkstück (W) und einem Schweißdraht (20), der in Richtung des Werkstücks (W) vorangeschoben wird; einen Wellenformgenerator (80) zum Definieren einer Form der Hochfrequenzimpulse und einer Polarität der Hochfrequenzimpulse; dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenformgenerator (80) Leistung abfühlt und einen Abschnitt mit negativer Polarität (120) beendet, wenn ein Leistungswert einen zuvor festgelegten Wert erreicht.
Elektrisches Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 1 oder 13 bis 15, wobei der Wellenformgenerator (80) Logik umfasst zum: Definieren einer Komponente mit negativer Polarität während eines Abschnitts mit negativer Polarität der Hochfrequenzimpulse; Integrieren der abgefühlten Leistung während des Abschnitts mit negativer Polarität zum Bestimmen eines integrierten Leistungswertes während des Abschnitts mit negativer Polarität; Vergleichen des integrierten Leistungswertes mit einem zuvor festgelegten Wert; und Beenden des Abschnitts mit negativer Polarität, wenn der integrierte Parameterwert den zuvor festgelegten Wert erreicht.
Elektrisches Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 2, wobei der Wellenformgenerator (80) des Weiteren Logik umfasst zum: Messen einer Spannung am Spalt (g); Messen eines Strom durch den Spalt (g); und Berechnen der Leistung unter Verwendung der gemessenen Spannung und des gemessenen Stroms.
Elektrisches Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 2 oder 3, wobei der integrierte Leistungswert eine am Spalt (g) während des Abschnitts mit negativer Polarität erzeugte Gesamtenergie ist.
Elektrisches Lichtbogenschweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 13 bis 15, wobei der integrierte Parameterwert mit einer Energie verknüpft ist, die im Schweißdraht während des Abschnitts mit negativer Polarität erzeugt wurde.
Elektrisches Lichtbogenschweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 13 bis 15, wobei der vorgegebene Wert mit einer gewünschten Drahttröpfchengröße verknüpft ist.
Elektrisches Lichtbogenschweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 13 bis 15, wobei eine erste Dauer eines ersten Abschnitts mit negativer Polarität eines ersten Impulszyklus von einer zweiten Dauer eines zweiten Abschnitts mit negativer Polarität eines zweiten Impulszyklus verschieden ist; und/oder der des Weiteren einen polaritätsvariablen Schalter (16) umfasst, der auf den Wellenformgenerator (80) anspricht, um die Polarität der Hochfrequenzimpulse zu steuern; und/oder der des Weiteren eine Drahtzufuhrvorrichtung (30) umfasst, um den Schweißdraht (20) zuzuführen, der in Richtung eines Werkstücks (W) vorangeschoben wird, wobei die Drahtzufuhrvorrichtung (30) auf den Wellenformgenerator (80) anspricht, um eine Drahtzufuhrgeschwindigkeit mit den Hochfrequenzimpulsen zu koordinieren.
Elektrischen Lichtbogenschweißgerät (A), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 13 bis 15, zum elektrischen Lichtbogenschweißen, ausgestaltet zum: Erzeugen von Hochfrequenzimpulsen durch einen Spalt (g) zwischen einem Werkstück (W) und einem Schweißdraht (20), der in Richtung eines Werkstücks vorangeschoben wird, wobei die Hochfrequenzimpulse einen Komponente mit negativer Polarität während eines Abschnitts mit negativer Polarität (120) enthalten; ferner ausgestaltet zum: Polarität während eines Abschnitts mit negativer Polarität (120) enthalten; ferner ausgestaltet zum: Integrieren (304, 410) eines Parameters während des Abschnitts mit negativer Polarität (120) zum Bestimmen eines integrierten Parameterwertes während des Abschnitts mit negativer Polarität (120); Vergleichen (306, 412) des integrierten Parameterwertes mit einem zuvor festgelegten Wert; und Beenden (308, 414) des Abschnitts mit negativer Polarität (120), wenn der integrierte Parameterwert den zuvor festgelegten Wert erreicht.
Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 8, wobei der Parameter eine Leistung am Spalt (g) ist.
Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 9, wobei der integrierte Parameterwert eine am Spalt (g) während des Abschnitts mit negativer Polarität (120) erzeugte Gesamtenergie ist; und/oder des Weiteren ausgestaltet zum: Messen (404) einer Spannung am Spalt (g), Messen (406) eines Stroms durch den Spalt (g), und Berechnen (408) der Leistung unter Verwendung der gemessenen Spannung und des gemessenen Stroms.
Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 8, wobei der Parameter eine Spannung am Spalt (g) ist.
Lichtbogenschweißgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der integrierte Parameterwert mit einer Energie verknüpft ist, die in dem Schweißdraht (20) während des Abschnitts mit negativer Polarität (120) erzeugt wird; und/oder wobei der zuvor festgelegte Wert mit einer gewünschten Drahttröpfchengröße verknüpft ist; und/oder wobei eine erste Dauer eines ersten Abschnitts mit negativer Polarität (120) eines ersten Impulszyklus von einer zweiten Dauer eines zweiten Abschnitts mit negativer Polarität (120) eines zweiten Impulszyklus verschieden ist; und/oder wobei das Erzeugen von Hochfrequenzimpulsen das Umschalten einer Polarität von Abschnitten der Hochfrequenzimpulse unter Verwendung eines polaritätsvariablen Schalters (16) umfasst; und/oder des Weiteren ausgestaltet zum: Voranschieben des Schweißdrahtes (20) in Richtung des Werkstücks (W) unter Verwendung einer Drahtzufuhrvorrichtung (30) mit einer Drahtzufuhrgeschwindigkeit; und Koordinieren der Drahtzufuhrgeschwindigkeit mit den Hochfrequenzimpulsen.
Elektrisches Lichtbogenschweißgerät (A), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das Folgendes umfasst: ein Mittel zum Erzeugen von Hochfrequenzimpulsen durch einen Spalt (g) zwischen einem Werkstück (W) und einem Schweißdraht (20), der in Richtung eines Werkstücks (W) vorangeschoben wird, wobei die Hochfrequenzimpulse einen Abschnitt mit negativer Polarität (120) enthalten; ein Mittel zum Integrieren eines Parameters während des Abschnitts mit negativer Polarität (120) zum Bestimmen eines integrierten Parameterwertes während des Abschnitts mit negativer Polarität (120); ein Mittel zum Vergleichen des integrierten Parameterwertes mit einem zuvor festgelegten Wert; und ein Mittel zum Beenden des Abschnitts mit negativer Polarität (120), wenn der integrierte Parameterwert den zuvor festgelegten Wert erreicht.
Elektrisches Lichtbogenschweißgerät (A), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das Folgendes umfasst: eine Hochgeschwindigkeitsschaltstromversorgung (10) mit einer Steuereinheit (60) zum Erzeugen von Hochfrequenzimpulsen durch einen Spalt (g) zwischen einem Werkstück (W) und einem Schweißdraht (20), der in Richtung des Werkstücks (W) vorangeschoben wird; einen Wellenformgenerator (80) zum Definieren einer Form der Hochfrequenzimpulse und einer Polarität der Hochfrequenzimpulse; und wobei der Wellenformgenerator (80) eine Rückmeldung von einem Lichtbogen (A) durch den Spalt (g) abfühlt und einen Abschnitt mit negativer Polarität (120) beendet, wenn eine Funktion der Rückmeldung einen zuvor festgelegten Wert erreicht.
Elektrisches Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 14, wobei die Rückmeldung von dem Lichtbogen (A) dafür verwendet wird, eine Leistung zu bestimmen, und wobei die Funktion der Rückmeldung ein Integral der Leistung ist; und/oder wobei die Rückmeldung von dem Lichtbogen dafür verwendet wird, eine Leistung zu bestimmen, und wobei die Funktion der Rückmeldung ein Joule-Pegel oder ein Energiepegel ist; und/oder wobei die Komponente mit negativer Polarität ein Strom ist, wobei die Komponente mit negativer Polarität eine Spannung ist, oder wobei die Komponente mit negativer Polarität eine Kombination eines Strom und einer Spannung ist.