DE212014000073U1 - Vorrichtung zum Schweissen mit einer Wechselstromwellenform - Google Patents

Abstract

Schweißvorrichtung (100, 1000), die Folgendes umfasst: einen Schweißleistungswandler (120), der einen Strom ausgibt, der eine negative Elektroden-Gleichstromwellenform ist, die mehrere Stromspitzenabschnitte und Hintergrundabschnitte aufweist, wobei ein Spitzenstrom von jedem der Stromspitzenabschnitte größer ist als ein höchster Strompegel der Hintergrundabschnitte, wobei der Schweißleistungswandler (120) die Schweißwellenform in eine Elektrode und mindestens ein Werkstück (W) einspeist, um das mindestens eine Werkstück (W) zu schweißen; einen Kurzschlussdetektionskreis, der ein Kurzschlussereignis zwischen der Elektrode und dem Werkstück (W) detektiert, und ein Wechselstromschweißmodul, das die Polarität des Stroms der negativen Elektroden-Gleichstromwellenform nach der Detektion des Kurzschlussereignisses von negativ zu positiv ändert, wobei nach dem Umschalten des Stroms zu positiv der Schweißleistungswandler (120) einen Kurzschlussaufhebungsstrom ausgibt, um das Kurzschlussereignis aufzuheben, und nachdem das Kurzschlussereignis aufgehoben wurde, das Wechselstromschweißmodul die Polarität des Stroms von positiv zu negativ wechselt, und wobei ohne die Detektion des Kurzschlussereignisses der Strom als eine negative Elektroden-Gleichstromschweißwellenform beibehalten wird.

Description

• GEBIET DER ERFINDUNG
• Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung nach Anspruch 1. Vorrichtungen und Systeme gemäß der Erfindung betreffen das Schweißen, und betreffen insbesondere Vorrichtungen und Systeme zum Schweißen und Aufheben eines Kurzschlusses.
• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Reduzierung von Schweißspritzern und die Optimierung der Wärmezufuhr in Schweißsystemen des allgemeinen Typs, der in jedem der US-Patente Nr. 6,215,100 und 7,304,269 beschrieben ist, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
• ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
• Beim elektrischen Lichtbogenschweißen ist es allgemein bekannt, dass das Schweißen in einem negativen Elektrodenzustand zu einer geringeren Gesamtwärmezufuhr während eines Schweißvorgangs führen kann. Es ist beispielsweise allgemein bekannt, dass GMAW-Schweißen mit einer Impulswellenform in einem negativen Elektrodenzustand ausgeführt werden kann. Es ist jedoch festgestellt worden, dass, wenn ein Kurzschluss in dem negativen Elektrodenzustand eintritt und unter Verwendung einer negativen Polarität aufgehoben wird, es zu Lichtbogeninstabilität oder Schweißspritzern kommen kann. Das heißt, dass zum Beispiel während bestimmter Impulsperioden, insbesondere in Anwendungen, wo die Schweißelektrode sehr nahe dem Werkstück arbeitet, schmelzflüssiges Metall das Werkstück berührt, bevor es vollständig von der vorangeschobenen Drahtelektrode abgelöst ist. Dies erzeugt einen Kurzschluss zwischen der vorangeschobenen Drahtelektrode und dem Werkstück. Es ist wünschenswert, den Kurzschluss rasch zu beseitigen oder aufzuheben, um die Konsistenz zu erhalten, die man mit ordnungsgemäßem Impulsschweißen verbindet. Jedoch kann das Aufheben eines Kurzschlusses zum Entstehen unerwünschter Schweißspritzer führen. Solche Schweißspritzer verursachen Ineffizienzen im Schweißprozess und können dazu führen, dass schmelzflüssiges Metall über das Werkstück spritzt, was möglicherweise später beispielsweise mit einem Schleifwerkzeug entfernt werden muss.
• Weitere Einschränkungen und Nachteile herkömmlicher, traditioneller und vorgeschlagener Lösungsansätze erkennt der Fachmann durch Vergleichen solcher Lösungsansätze mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die im übrigen Teil der vorliegenden Anmeldung mit Bezug auf die Zeichnungen dargelegt sind.
• BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Es ist eine Aufgabe, die im vorliegenden Text angesprochenen Beschränkungen und Nachteile zu überwinden. Dieses Problem wird mit einer Schweißvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche. Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Schweißvorrichtung, die einen Schweißleistungswandler aufweist oder benutzt, der einen Strom ausgibt, der eine negative Elektroden-Gleichstromwellenform ist, die mehrere Impulse und Hintergrundabschnitte aufweist, wobei ein Spitzenstrom von jedem der Impulse größer ist als ein höchster Strompegel der Hintergrundabschnitte. Der Schweißleistungswandler speist die Schweißwellenform in eine Elektrode und mindestens ein Werkstück ein, um das mindestens eine Werkstück zu schweißen. Des Weiteren ist ein Kurzschlussdetektionskreis enthalten, der ein Kurzschlussereignis zwischen der Elektrode und dem Werkstück detektiert, sowie ein Wechselstromschweißmodul, das die Polarität des Stroms der negativen Elektroden-Gleichstromwellenform nach der Detektion des Kurzschlussereignisses von negativ zu positiv ändert. Nachdem der Strom zu positiv gewechselt hat, gibt der Schweißleistungswandler einen Kurzschlussaufhebungsstrom aus, um das Kurzschlussereignis aufzuheben, und nachdem das Kurzschlussereignis aufgehoben wurde, ändert das Wechselstromschweißmodul die Polarität des Stroms von positiv zu negativ, und ohne die Detektion des Kurzschlussereignisses wird der Strom als eine negative Elektroden-Gleichstromschweißwellenform beibehalten.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Die oben beschriebenen und/oder weitere Aspekte der Erfindung werden anhand einer ausführlichen Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen besser verstanden, in denen Folgendes zu sehen ist:
• 1 veranschaulicht ein Blockschaubild einer beispielhaften Ausführungsform eines elektrischen Lichtbogenschweißsystems, das ein Umschaltmodul in einem Schweißstromrücklaufpfad enthält;
• 2 veranschaulicht ein Schaubild einer beispielhaften Ausführungsform eines Abschnitts des Systems von 1, der das Umschaltmodul im Schweißstromrücklaufpfad enthält;
• 3 veranschaulicht ein Schaubild einer beispielhaften Ausführungsform des Umschaltmoduls von 1 und 2;
• 4 veranschaulicht ein Flussdiagramm einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens zum Verhindern von Schweißspritzern in einem elektrischen Lichtbogenschweißprozess mittels des Systems von 1;
• 5 veranschaulicht ein Beispiel einer herkömmlichen gepulsten Ausgangsstromwellenform, die aus einem herkömmlichen elektrischen Lichtbogenschweißgerät resultiert, das nicht das Umschaltmodul der 1–3 gemäß dem Verfahren von 4 verwendet;
• 6 veranschaulicht den Prozess des Explodierens von Schweißspritzern, der mittels Hochgeschwindigkeits-Videotechnik in einen Freiflugttransferprozess mit einer Fadenverbindung entdeckt wurde;
• 7 veranschaulicht ein Beispiel einer Ausgangsstromwellenform, die aus dem elektrischen Lichtbogenschweißgerät von 1 resultiert, das das Umschaltmodul der 1–3 gemäß dem Verfahren von 4 verwendet;
• 8 veranschaulicht ein Flussdiagramm einer anderen beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens zum Verhindern von Schweißspritzern in einem elektrischen Lichtbogenschweißprozess mittels des Systems von 1;
• 9 veranschaulicht ein Beispiel einer Ausgangsstromwellenform, die aus dem elektrischen Lichtbogenschweißgerät von 1 resultiert, das das Umschaltmodul der 1–3 gemäß dem Verfahren von 8 verwendet;
• 10 veranschaulicht ein Beispiel eines weiteren Schweißsystems gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zum Ausführen von Wechselstromschweißen befähigt ist und in der Lage ist, Strom gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von negativ zu positiv umzuschalten;
• 11 veranschaulicht ein Beispiel einer Schweißwellenform, die durch das System in 10 generiert werden kann;
• 12 veranschaulicht ein Beispiel eines Kurzschlussaufhebungsabschnitts einer Wellenform gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
• 13 veranschaulicht ein Beispiel einer Spannungs- und Stromschweißwellenform gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• Es werden nun beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. Die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sollen das Verstehen der Erfindung unterstützen und sind nicht dafür gedacht, den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken. Gleiche Bezugszahlen beziehen sich stets auf gleiche Elemente.
• Während eines Lichtbogen-Schweißprozesses, wenn die Distanz zwischen der Spitze der Elektrode und dem Werkstück relativ klein ist, kann schmelzflüssiges Metall über einen Kontakttransferprozess (zum Beispiel einen Oberflächenspannungstransfer- oder STT-Prozess) oder einen Freiflugtransferprozess (zum Beispiel einen gepulsten Schweißprozess) mit einer Fadenverbindung transferiert werden. In einem Kontakttransferprozess stellt eine schmelzflüssige Metallkugel an der Spitze der Schweißelektrode einen Kontakt zu dem Werkstück (d. h. einen Kurzschluss) her und beginnt, in die Schmelzpfütze auf dem Werkstück hinein zu „netzen”, bevor die schmelzflüssige Metallkugel beginnt, sich im Wesentlichen von der Spitze der Elektrode zu trennen.
• In einem Freiflugtransferprozess löst sich die schmelzflüssige Metallkugel von der Spitze der Elektrode und „fliegt” über den Lichtbogen zu dem Werkstück. Wenn jedoch die Distanz zwischen der Spitze der Elektrode und dem Werkstück relativ kurz ist, so kann die schmelzflüssige Metallkugel, die über den Lichtbogen fliegt, einen Kontakt zu dem Werkstück (d. h. einen Kurzschluss) herstellen, während ein dünner Faden aus schmelzflüssigem Metall immer noch die schmelzflüssige Metallkugel mit der Spitze der Elektrode verbindet. In einem solchen Freiflugtransferszenario mit Fadenverbindung neigt der dünne Faden aus schmelzflüssigem Metall zum Explodieren, wodurch Schweißspritzer entstehen, wenn die schmelzflüssige Metallkugel einen Kontakt zu dem Werkstück herstellt, wie in 6 im vorliegenden Text veranschaulicht, weil es in dem Faden zu einem raschen Stromanstieg kommt. Dies kann insbesondere beim Schweißen in einem negativen Elektroden-Gleichstrom(DC Electrode Negative, DCEN)-Zustand der Fall sein. Daher widmen sich Aspekte der vorliegenden Erfindung diesem Problem durch Aufheben von Kurzschlüssen in einer positiven Polarität, wenn die Schweißwellenform eine DCEN-Wellenform ist.
• Wir wenden uns nun 1 zu. 1 veranschaulicht ein Blockschaubild eines Ausführungsbeispiels eines elektrischen Lichtbogenschweißsystems 100, das ein Umschaltmodul 110 in einem Schweißausgangsrücklaufpfad enthält und Schweißausgänge 121 und 122 bereitstellt. Das System 100 enthält einen Leistungswandler 120, der in der Lage ist, eine Eingangsleistung zu einer Schweißausgangsleistung zu konvertieren. Der Leistungswandler 120 kann zum Beispiel ein Leistungswandler vom Wechselrichtertyp oder ein Leistungswandler vom Zerhackertyp sein. Das System 100 enthält des Weiteren eine Drahtzuführvorrichtung 130, die in der Lage ist, einen Schweißelektrodendraht E zum Beispiel durch einen (nicht gezeigten) Schweißbrenner zu führen, der den Schweißelektrodendraht E mit dem Schweißausgang 121 verbindet.
• Das System 100 enthält außerdem einen Stromnebenschluss 140 (oder eine ähnliche Vorrichtung), der zwischen dem Leistungswandler 120 und dem Schweißausgang 121 wirkverbunden ist, um einen Schweißausgangsstrom zu einem Stromrückkopplungssensor 150 des Systems 100 zu leiten, um den durch den Leistungswandler 120 erzeugten Schweißausgangsstrom abzufühlen. Das System 100 enthält des Weiteren einen Spannungsrückkopplungssensor 160, der zwischen dem Schweißausgang 121 und dem Schweißausgang 122 wirkverbunden ist, um die durch den Leistungswandler 120 erzeugte Schweißausgangsspannung zu erfühlen. Als eine Alternative könnte das Umschaltmodul 110 in den abgehenden Schweißstrompfad eingebunden werden, zum Beispiel zwischen dem Leistungswandler 120 und dem Stromnebenschluss 140, oder zwischen dem Stromnebenschluss 140 und dem Schweißausgang 121.
• Das System 100 enthält außerdem eine Hochgeschwindigkeits-Steuereinheit 170, die mit dem Stromrückkopplungssensor 150 und dem Spannungsrückkopplungssensor 160 wirkverbunden ist, um erfühlten Strom und erfühlte Spannung in Form von Signalen 161 und 162 zu empfangen, die für das Schweißausgangssignal repräsentativ sind. Das System 100 enthält des Weiteren einen Wellenformgenerator 180, der mit der Hochgeschwindigkeits-Steuereinheit 170 wirkverbunden ist, um Befehlssignale 171 von der Hochgeschwindigkeits-Steuereinheit 170 zu empfangen, die dem Wellenformgenerator sagen, wie er das Schweißwellenformsignal 181 in Echtzeit anpassen soll. Der Wellenformgenerator 180 erzeugt ein Ausgangsschweißwellenformsignal 181, und der Leistungswandler 120 ist mit dem Wellenformgenerator 180 wirkverbunden, um das Ausgangsschweißwellenformsignal 181 zu empfangen. Der Leistungswandler 120 generiert ein moduliertes Schweißausgangssignal (zum Beispiel Spannung und Strom) durch Konvertieren einer Eingangsleistung zu einer Schweißausgangsleistung auf der Basis des Ausgangsschweißwellenformsignals 181.
• Das Umschaltmodul 110 ist zwischen dem Leistungswandler 120 und dem Schweißausgang 122 wirkverbunden, der während des Betriebes mit dem Schweißwerkstück W verbunden ist. Die Hochgeschwindigkeits-Steuereinheit 170 ist ebenfalls mit dem Umschaltmodul 110 wirkverbunden, um ein Umschaltbefehlssignal (oder ein Austastsignal) 172 an das Umschaltmodul 110 zu senden. Die Hochgeschwindigkeits-Steuereinheit 170 kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Logikschaltungen, einen programmierbaren Mikroprozessor und Computerspeicher enthalten.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Hochgeschwindigkeits-Steuereinheit 170 das erfühlte Spannungssignal 161, das erfühlte Stromsignal 162 oder eine Kombination von beiden verwenden, um während jeder Impulsperiode festzustellen, wann ein Kurzschluss zwischen der vorangeschobenen Elektrode E und dem Werkstück W eintritt, wann ein Kurzschluss kurz vorm Aufheben steht, und wann der Kurzschluss tatsächlich aufgehoben wurde. Solche Regimes zum Bestimmen, wann ein Kurzschluss eintritt und wann der Kurzschluss aufgehoben ist, sind dem Fachmann allgemein bekannt und werden zum Beispiel in US-7,304,269 beschrieben, das durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen wird. Die Hochgeschwindigkeits-Steuereinheit 170 kann dem Wellenformgenerator 180 befehlen, das Wellenformsignal 181 zu modifizieren, wenn der Kurzschluss eintritt und/oder wenn der Kurzschluss aufgehoben wird. Wenn zum Beispiel festgestellt wird, dass ein Kurzschluss aufgehoben wurde, so kann die Hochgeschwindigkeits-Steuereinheit 170 dem Wellenformgenerator 180 befehlen, einen Plasmaverstärkungsimpuls (siehe Impuls 750 von 7) in das Wellenformsignal 181 einzubinden, um das Eintreten eines weiteren Kurzschlusses unmittelbar nach der Aufhebung des vorangegangenen Kurzschlusses zu verhindern.
• 2 veranschaulicht ein Schaubild eines Ausführungsbeispiels eines Abschnitts des Systems 100 von 1, der das Umschaltmodul 110 im Schweißstromrücklaufpfad enthält. Der Leistungswandler 120 kann eine Wechselrichterstromquelle 123 und eine Freilaufdiode 124 enthalten. Der Schweißausgangspfad hat eine inhärente Schweißstromkreisinduktivität 210 aufgrund der verschiedenen elektrischen Komponenten innerhalb des Schweißausgangspfades. Das Umschaltmodul 110 ist so gezeigt, dass es einen elektrischen Schalter 111 (zum Beispiel einen Leistungstransistorschaltkreis) parallel zu einem Widerstandspfad 112 (zum Beispiel einem Netzwerk aus Widerständen mit hoher Nennleistung) aufweist.
• Während einer Impulsperiode der Schweißwellenform wird, wenn kein Kurzschluss vorliegt, dem elektrischen Schalter 111 befohlen, durch das Umschaltbefehlssignal 172 von der Hochgeschwindigkeits-Steuereinheit 170 geschlossen zu werden. Wenn der elektrische Schalter 111 geschlossen ist, so bildet der elektrische Schalter 111 einen sehr widerstandsarmen Pfad in dem Ausgangsschweißrücklaufpfad, wodurch Schweißstrom durch den Schalter 111 ungehindert zum Leistungswandler 120 zurückfließen kann. Der Widerstandspfad 112 ist nach wie vor in dem Schweißausgangsrücklaufpfad vorhanden, aber der größte Teil des Stroms fließt durch den widerstandsarmen Pfad, der durch den geschlossenen Schalter 111 gebildet wird. Wenn jedoch ein Kurzschluss detektiert wird, so wird dem elektrischen Schalter 111 durch das Umschaltbefehlssignal 172 von der Hochgeschwindigkeits-Steuereinheit 170 befohlen, sich zu öffnen. Wenn der elektrische Schalter 111 geöffnet ist, so kann kein Strom mehr durch den Schalter 111 fließen und muss deshalb durch den Widerstandspfad 112 fließen, wodurch der Pegel des Stroms aufgrund des durch den Widerstandspfad 112 erzeugten Widerstands reduziert wird.
• 3 veranschaulicht ein Schaubild einer beispielhaften Ausführungsform des Umschaltmoduls 110 von 1 und 2. Das Umschaltmodul 110 enthält den Transistorschaltkreis 111 und das Widerstandsnetzwerk 112, wie gezeigt. Das Umschaltmodul 110 kann eine Leiterplatte zum Montieren der verschiedenen elektrischen Komponenten des Moduls 110 enthalten, einschließlich beispielsweise des Transistorschaltkreises 111, des Widerstandsnetzwerks 112, LEDs und Statuslogikschaltungen.
• 4 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 400 zum Verhindern von Schweißspritzern und zum Aufheben eines Kurzschlusses in einem gepulsten elektrischen Lichtbogenschweißprozess unter Verwendung des Systems 100 von 1, und das gemeinhin verwendet wird, wenn der Kurzschluss in der gleichen Polarität wie das Schweißen aufgehoben wird. Schritt 410 repräsentiert einen Betrieb, wobei der Schalter 111 des Umschaltmoduls 110 ein Öffnungsschalter ist (kein Kurzschlusszustand). In Schritt 420, wenn kein Kurzschluss detektiert wird, bleibt der Schalter 111 geschlossen (kein Kurzschlusszustand). Wenn jedoch ein Kurzschluss detektiert wird, dann wird in Schritt 430 dem Schalter 111 befohlen, während des Kurzschlussintervalls (d. h. dem Zeitraum, während dem die Elektrode mit dem Werkstück kurzgeschlossen ist) eine Öffnungs- und Schließsequenz zu durchlaufen.
• Die Öffnungs- und Schließsequenz in Schritt 430 beginnt durch Öffnen des Schalters 111, wenn der Kurzschluss erstmals detektiert wird. Der Schalter 111 bleibt für einen ersten Zeitraum offen (zum Beispiel die ersten 10% des Kurzschlussintervalls). Dies verringert den Ausgangsstrom rasch, so dass der Kurzschluss nicht sofort aufgelöst wird, was eine große Menge an Schweißspritzern verursachen würde. Nach dem ersten Zeitraum wird der Schalter erneut geschlossen, und der Ausgangsstrom wird während eines zweiten Zeitraums angehoben, um zu veranlassen, dass der schmelzflüssige Kurzschluss beginnt, eine Verengung zu bilden, wenn er versucht, sich von der Elektrode zu lösen und den Kurzschluss aufzuheben. Während dieses zweiten Zeitraums wird, während der Strom ansteigt, ein dv/dt-Detektionsregime ausgeführt, um vorauszusehen, wann der Kurzschluss aufgehoben werden wird (d. h. wann die Verengung reißt). Ein solches dv/dt-Regime ist dem Fachmann allgemein bekannt. Der Schalter 111 wird dann erneut geöffnet, kurz bevor der Kurzschluss aufgehoben wird (beispielsweise während der letzten 10% des Kurzschlussintervalls), um rasch den Ausgangsstrom erneut zu senken, um übermäßige Schweißspritzerbildung zu vermeiden, wenn die Verengung tatsächlich reißt (d. h. wenn der Kurzschluss tatsächlich aufgehoben wird)
• In Schritt 440 bleibt der Schalter 111 offen, wenn der Kurzschluss (der Kurzschluss zwischen der Elektrode und dem Werkstück) immer noch vorhanden ist. Wenn hingegen der Kurzschluss aufgehoben wurde, dann wird in Schritt 450 der Schalter 111 erneut geschlossen. In dieser Weise durchläuft der Schalter 111 während eines Kurzschlusszustands eine Öffnungs- und Schließsequenz, und der durch den Schweißausgangspfad fließende Strom wird reduziert, wenn der Schalter offen ist, was zu weniger Schweißspritzern führt. Das Verfahren 400 wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Hochgeschwindigkeits-Steuereinheit 170 implementiert. Des Weiteren ist das System 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Lage, mit einer Rate von 120 kHz zu reagieren (d. h. das Umschaltmodul 110 kann mit dieser hohen Rate ein- und ausgeschaltet werden), was ausreichend Reaktionsfähigkeit auf die Detektion eines Kurzschlusses und die Detektion des Aufhebens des Kurzschlusses bedeutet, um das Verfahren 400 in einer effektiven Weise zu implementieren.
• Gemäß einer etwas einfacheren alternativen Ausführungsform wird nicht die oben mit Bezug auf 4 beschriebene Öffnungs- und Schließsequenz durchlaufen, sondern der Strom des Schweißstromkreispfades wird verringert, nachdem ein Kurzschluss zwischen der vorangeschobenen Drahtelektrode und dem Werkstück detektiert wurde, indem der Schalter 111 für mindestens einen bestimmten Zeitraum geöffnet wird, wodurch der Widerstand in dem Schweißstromkreispfad aufgehoben wird. Für die meisten Impulsperioden ist der bestimmte Zeitraum eine Dauer, die eine Aufhebung des Kurzschlusses erlaubt, ohne zuerst den Strom des Schweißstromkreispfades erhöhen zu müssen. Wenn während einer bestimmten Impulsperiode der Kurzschluss aufgehoben wird, bevor der bestimmte Zeitraum in der gewünschten Weise abgelaufen ist, so schreitet der Prozess zum nächsten Teil der Impulsperiode voran. Wenn jedoch der Kurzschluss nicht innerhalb der zuvor festgelegten Periode aufgehoben wird, dann wird sofort nach einem bestimmten Zeitraum der Schalter 111 erneut geschlossen, wodurch der Strom des Schweißstromkreispfades erneut ansteigt und den Kurzschluss aufhebt. In einer solchen alternativen Ausführungsform wird der Schalter 111 einfach für mindestens einen Teil des bestimmten Zeitraums in Reaktion auf die Detektion des Kurzschlusses geöffnet. In den meisten Impulsperioden braucht der Strom nicht erhöht zu werden, um den Kurzschluss aufzuheben.
• Des Weiteren kann als eine Option, wenn der Kurzschluss zwischen der vorangeschobenen Drahtelektrode und dem Werkstück detektiert wird, eine Geschwindigkeit der vorangeschobenen Drahtelektrode verlangsamt werden. Das Verlangsamen der Geschwindigkeit der vorangeschobenen Drahtelektrode hilft dabei, den Kurzschluss leichter aufzuheben, weil nicht so viel Material zu dem Kurzschluss hinzugefügt wird, wie anderenfalls hinzugefügt werden würde. Um die Geschwindigkeit der vorangeschobenen Drahtelektrode zu verlangsamen, kann ein Motor einer Drahtzuführvorrichtung, die die Drahtelektrode voranschiebt, abgeschaltet werden, und eine Bremse kann an den Motor angelegt werden. Die Bremse kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine mechanische Bremse oder eine elektrische Bremse sein.
• 5 veranschaulicht ein Beispiel einer herkömmlichen gepulsten DCEN-Ausgangsstromwellenform 500, die aus einem herkömmlichen gepulsten elektrischen Lichtbogenschweißgerät resultiert, das nicht das Umschaltmodul 110 der 1–3 gemäß dem Verfahren 400 von 4 oder dem oben beschriebenen einfacheren alternativen Verfahren verwendet, und wobei der Kurzschluss in der gleichen Polarität wie die Schweißwellenform aufgehoben wird. Wie aus der Wellenform 500 von 5 zu erkennen ist, kann, nachdem ein Spitzenimpuls 510 abgefeuert wurde, ein Kurzschluss eintreten, der beispielsweise am Zeitpunkt 520 beginnt und beispielsweise bis zum Zeitpunkt 530 dauert, wenn der Kurzschluss aufgehoben wird. Die Zeitpunkte 520 und 530 definieren ein Kurzschlussintervall 540. Wie in 5 zu erkennen ist, werden Spitzenimpulse 510 in regelmäßigen Intervallen während der mehreren Impulsperioden oder Zyklen des Schweißprozesses abgefeuert. Während eines bestimmten Zyklus oder einer bestimmten Impulsperiode kann ein Kurzschlusszustand eintreten oder auch nicht. Wenn in einem herkömmlichen System ein Kurzschluss eintritt, so ist der Widerstand im Schweißausgangspfad im Vergleich zur Induktivität sehr gering. Strom fließt selbst dann noch weiter, wenn die Stromquelle ausgeschaltet ist.
• Wenden wir uns erneut 5 zu. Während des Kurzschlussintervalls 540 tendiert der Ausgangsstrom aufgrund des fehlenden Lichtbogens zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W zum Ansteigen (der Widerstand wird sehr gering), und auch aufgrund der Tatsache, dass die Schweißstromkreisinduktivität 210 bewirkt, dass der Strom im Schweißausgangspfad weiter fließt, selbst wenn der Leistungswandler 120 auf einen Minimumpegel zurückgeführt wird. Der Strom tendiert zum Ansteigen, bis der Kurzschluss aufgehoben wird (d. h. bis sich der schmelzflüssige metallische Kurzschluss von der Elektrode E löst). Bei solchen höheren Stromstärken neigen jedoch die höheren Stromstärken dazu, das schmelzflüssige Metall explodieren zu lassen, wenn der Kurzschluss abreißt oder aufgehoben wird, was zu Schweißspritzern führt.
• 6 veranschaulicht den Prozess explodierender Schweißspritzer, der mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsvideotechnik in einem Freiflugtransferprozess mit einer Fadenverbindung beobachtet wurde. Ein hoher Spitzenimpuls (zum Beispiel 510) bewirkt, dass eine Kugel aus schmelzflüssigem Metall 610 in Richtung des Werkstücks W herausgedrückt wird, wodurch ein schmaler Faden 620 zwischen der Kugel 610 und der Elektrode E entsteht. Wenn die Kugel 610 über den Lichtbogen in Richtung des Werkstücks W fliegt, wird der Faden 620 schmaler, und letztendlich kommt es zu einem Kurzschluss zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W durch den Faden 620. Dieser Zustand tritt im Allgemeinen bei nahezu jeder Impulsperiode in einer Operation ein, wo die Schweißelektrode sehr nahe am Werkstück operiert. Insbesondere wurde entdeckt, dass bei einem Freiflugtransfer-Impulsschweißprozess der Faden 620 einen einsetzenden Kurzschluss erzeugt und eine große Menge Strom durch den schmalen Faden 620 zu fließen beginnen kann. Die zunehmende Stromstärke führt letztendlich dazu, dass der relativ dünne schmelzflüssige Faden 620 explodiert, wodurch Schweißspritzer 630 entstehen, wie in 6 gezeigt. Jedoch kann durch Integrieren des Umschaltmoduls 110 und des Verfahrens 400 (oder der einfacheren Alternative), wie oben im vorliegenden Text beschrieben, das Entstehen von Schweißspritzern 630 weitgehend reduziert werden.
• 7 veranschaulicht ein Beispiel einer gepulsten Ausgangsstromwellenform 700, die aus dem gepulsten elektrischen Lichtbogenschweißgerät 100 von 1 resultiert, das das Umschaltmodul 110 der 1–3 gemäß dem Verfahren 400 von 4 verwendet, wobei aber immer noch der Kurzschluss in der gleichen NE-Polarität wie die Wellenform 700 aufgehoben wird. Wie aus der Wellenform 700 von 7 zu erkennen ist, kann, nachdem ein Spitzenimpuls 710 abgefeuert wurde, ein Kurzschluss eintreten, der beispielsweise am Zeitpunkt 720 beginnt und beispielsweise bis zum Zeitpunkt 730 dauert, wenn der Kurzschluss aufgehoben wird. Die Zeitpunkte 720 und 730 definieren ein Kurzschlussintervall 740. Wie in 7 zu erkennen ist, werden Spitzenimpulse 710 in regelmäßigen Intervallen während der mehreren Impulsperioden oder Zyklen des Schweißprozesses abgefeuert. Während eines bestimmten Zyklus kann ein Kurzschlusszustand eintreten oder auch nicht. Wenn jedoch die Distanz zwischen der Spitze der Elektrode und dem Werkstück relativ klein ist, so kann ein Kurzschluss fast bei jedem Zyklus eintreten.
• Wenden wir uns erneut 7 zu. Während des Kurzschlussintervalls 740 wird der Schalter 111 des Umschaltmoduls 110 geöffnet, wenn der Kurzschluss erstmals eintritt, und erneut, wenn der Kurzschluss kurz vorm Aufheben steht, wodurch veranlasst wird, dass der Ausgangsstrom durch den Widerstandspfad 112 fließt, wodurch wiederum veranlasst wird, dass der Strompegel verringert wird. Beispielsweise kann das Umschaltsignal 172 ein Logiksignal sein, das von High zu Low geht, wenn ein Kurzschluss detektiert wird, wodurch der Schalter veranlasst wird, sich zu öffnen. Gleichermaßen kann, wenn der Kurzschluss aufgehoben wird, das Umschaltsignal 172 von Low zu High gehen, um den Schalter 111 wieder zu schließen. Wenn der Schalter 111 geöffnet ist, so belastet der Widerstandspfad 112 den Schweißausgangspfad, wodurch der freilaufende Strom rasch auf gewünschte Pegel fallen kann. Der Strom tendiert zum Abnehmen, bis der Kurzschluss aufgehoben ist, und bei solchen reduzierten Stromstärken tendiert das schmelzflüssige Metall, wenn der Kurzschluss abreißt oder aufgehoben wird, dazu, in einer nicht-explodierenden Weise abgekniffen zu werden, wodurch Schweißspritzer beseitigt oder zumindest in ihrer Menge reduziert werden. Des Weiteren ist in der Wellenform 700 von 7 der Plasmaverstärkungsimpuls 750, der dafür verwendet wird, einen weiteren Kurzschluss verhindern zu helfen, der unmittelbar nach dem gerade aufgehobenen Kurzschluss eintreten würde, ausgeprägter und möglicherweise effektiver.
• 8 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 800 zum Verhindern von Schweißspritzern in einem gepulsten elektrischen Lichtbogenschweißprozess unter Verwendung des Systems 100 von 1, und wobei der Kurzschluss in der gleichen Polarität aufgehoben wird. Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren 800 durch die Steuereinheit 170 ausgeführt. Die Hochgeschwindigkeits-Steuereinheit 170 verfolgt die Zeitpunkte des Eintretens der Kurzschlüsse und/oder des Aufhebens der Kurzschlüsse und stellt eine Schätzung bereit, wann das Kurzschlussintervall 940 (die Zeit zwischen dem Eintreten eines Kurzschlusses und dem Aufheben des Kurzschlusses) (siehe 9) während mindestens der nächsten Impulsperiode eintreten wird. Anhand dieser Schätzung kann eine Austastlücke 960 (siehe 9) bestimmt werden, die verwendet wird, um das Austastsignal 172 zu erzeugen.
• In Schritt 810 des Verfahrens 800 detektiert das System 100 das Eintreten von Kurzschlüssen und/oder das Aufheben jener Kurzschlüsse während der sich wiederholenden Impulsperioden der gepulsten Schweißwellenform gemäß bekannten Techniken. In Schritt 820 wird die Zeit des Eintretens der detektierten Kurzschlüsse und/oder der Aufhebungen innerhalb der Impulsperioden verfolgt (zum Beispiel durch die Hochgeschwindigkeits-Steuereinheit 170). In Schritt 830 werden die Stelle und die Dauer des Kurzschlussintervalls 940 (siehe 9) für eine nächste Impulsperiode auf der Basis der Verfolgungsergebnisse geschätzt. In Schritt 840 wird eine überlappende Austastlücke 960 für mindestens die nächste Impulsperiode auf der Basis der geschätzten Stelle des Kurzschlussintervalls für die nächste Impulsperiode bestimmt. In Schritt 850 wird ein Austastsignal (eine Art von Umschaltsignal) 172 generiert (zum Beispiel durch die Steuereinheit 170), um während der nächsten Impulsperiode in das Umschaltmodul 110 eingespeist zu werden.
• 9 veranschaulicht ein Beispiel einer gepulsten Ausgangsstromwellenform 900, die aus dem gepulsten elektrischen Lichtbogenschweißgerät 100 von 1 resultiert, das das Umschaltmodul 110 der 1–3 gemäß dem Verfahren 800 von 8 verwendet, aber in einem positiven Elektrodenzustand gezeigt ist. Es versteht sich, dass die Stromwellenform zwar in einem positiven Elektrodenzustand für die Wellenform 900 gezeigt ist, dass aber die folgende Besprechung gleichermaßen in einem negativen Elektrodenzustand Anwendung finden kann. Wie aus der Wellenform 900 von 9 zu erkennen ist, kann, nachdem ein Spitzenimpuls 910 abgefeuert wurde, ein Kurzschluss eintreten, der zum Beispiel am Zeitpunkt 920 beginnt und zum Beispiel bis zum Zeitpunkt 930 dauert, wo der Kurzschluss aufgehoben wird. Die Zeitpunkte 920 und 930 definieren ein Kurzschlussintervall 940. Wie in 9 zu erkennen ist, werden Spitzenimpulse 910 in regelmäßigen Intervallen während des Schweißprozesses abgefeuert. Während eines bestimmten Zyklus kann ein Kurzschlusszustand eintreten oder auch nicht. Jedoch können während eines Schweißprozesses, wo die Lichtbogenlänge relativ kurz ist (d. h. wo die Drahtelektrode relativ nahe am Werkstück betrieben wird), Kurzschlüsse in fast jeder Impulsperiode eintreten.
• Gemäß dem Verfahren 800 werden die Zeitpunkte des Eintretens des Kurzschlusses und/oder des Aufhebens des Kurzschlusses innerhalb der Impulsperiode von Impulsperiode zu Impulsperiode bestimmt und verfolgt. In dieser Weise kann die Steuereinheit 170 die Stelle des Kurzschlussintervalls schätzen, das wahrscheinlich in den nächsten oder bevorstehenden Impulsperioden eintreten wird. Jedoch kann am Beginn eines gepulsten Schweißprozesses, bevor verwertbare Verfolgungsinformationen verfügbar sind, die Stelle des Kurzschlussintervalls eine gespeicherte Standardstelle sein, die beispielsweise anhand experimenteller Daten oder gespeicherter Daten eines früheren Schweißprozesses ermittelt wurde. Das Austastsignal 172 kann angepasst oder modifiziert werden, um eine Austastlücke 960 innerhalb des Austastsignals 172 zu bilden, die das geschätzte Kurzschlussintervall 940 für die nächste oder die nächsten Impulsperioden zeitlich überlappt. Idealerweise beginnt die Austastlücke 960 kurz vor dem Kurzschlussintervall 940 der nächsten Impulsperiode (zum Beispiel vor dem Zeitpunkt 920) und endet kurz nach einem Kurzschlussintervall 940 der nächsten Impulsperiode (zum Beispiel nach einem Zeitpunkt 930), daher die zeitliche Überlappung. In einer Ausführungsform werden nur die Zeitpunkte des Eintretens eines Kurzschlusses verfolgt, aber nicht das Aufheben der Kurzschlüsse. In einer solchen Ausführungsform wird die Dauer der Austastlücke anhand experimenteller Erkenntnisse so eingestellt, dass sie lange genug dauert, damit der Kurzschluss aufgehoben werden kann.
• In dieser Weise braucht das tatsächliche Eintreten eines Kurzschlusses während der nächsten Impulsperiode nicht detektiert zu werden, bevor der Schalter 111 des Umschaltmoduls 110 geöffnet werden kann. Im Verlauf des gepulsten Schweißprozesses kann die Stelle des Kurzschlussintervalls driften oder sich verändern, während beispielsweise die Distanz zwischen der Drahtelektrode und dem Werkstück driftet oder sich verändert. Weil jedoch in dieser Ausführungsform die Stelle des Kurzschlussintervalls im zeitlichen Verlauf verfolgt wird, kann die Stelle des Austastsignals angepasst werden, um das Kurzschlussintervall effektiv zu verfolgen und vorauszusagen. Durch Öffnen des Schalters 111 während der Austastlücke 960 sinkt der Strom, und es wird erwartet, dass der Faden während der Austastlücke 960 entsteht und reißt.
• Experimentelle Ergebnisse haben gezeigt, dass unter Verwendung des Umschaltmoduls 110, wie im vorliegenden Text beschrieben, in einem bestimmten gepulsten Schweißszenario der Schweißausgangsstrompegel am Punkt des Aufhebens des Kurzschlusses von etwa 280 A auf etwa 40 A reduziert werden kann, was einen erheblichen Unterschied bei der Menge der entstehenden Schweißspritzer ausmacht. Im Allgemeinen hat es den Anschein, als reduziere das Verringern des Stroms auf unter 50 A signifikant Schweißspritzer. Außerdem können die Vorschubgeschwindigkeiten (zum Beispiel 60–80 Inch/Minute) und die Abscheidungsraten aufrechterhalten werden.
• Andere Mittel und Verfahren zum Verringern des Schweißausgangsstrompegels während des Zeitraums, wo ein Kurzschluss zwischen einer Schweißelektrode und einem Werkstück vorliegt, sind ebenfalls möglich. Zum Beispiel kann in einer alternativen Ausführungsform die Steuerungstopologie einer Schweißstromquelle dafür konfiguriert sein, während der Kurzschlussdauer den Ausgangsstrom auf einen stark geregelten Pegel zu steuern. Die Stromquelle kann den Kurzschlussstrom während eines Kurzschlussintervalls auf einen niedrigeren Pegel (zum Beispiel unter 50 A) steuern, um die Schweißspritzer zu reduzieren. Zum Beispiel kann, wie in 1 gezeigt, das Umschaltmodul 110 deaktiviert oder weggelassen werden, wodurch Strom ungehindert in dem Schweißausgangsstromkreispfad fließen kann. Die Steuereinheit 170 ist dafür konfiguriert, dem Wellenformgenerator 180 zu befehlen, einen Abschnitt des Ausgangsschweißwellenformsignals 181 des Schweißprozesses während der Austastlücke zu modifizieren, um den Schweißausgangsstrom durch den Schweißausgangsstromkreispfad zu verringern. Darum reduziert die Steuereinheit 170 in dieser alternativen Ausführungsform den Strom während der Austastlücke durch den Wellenformgenerator 180 und den Leistungswandler 120, anstatt über das Umschaltmodul 110. Eine solche alternative Ausführungsform kann recht gut funktionieren, wenn die Induktivität 210 des Schweißstromkreises hinreichend niedrig ist.
• Zusammenfassend ist zu sagen, dass ein elektrisches Lichtbogenschweißgerät und ein Verfahren zum Ausführen eines Impulsschweißprozesses offenbart werden, um Schweißspritzer zu reduzieren. Das Schweißgerät erzeugt einen Strom zwischen einer vorangeschobenen Elektrode und einem Werkstück. Das Schweißgerät enthält eine Kurzschlussdetektionsfähigkeit zum Detektieren eines Kurzschlusszustands bei Eintreten eines Kurzschlusses zwischen der vorangeschobenen Elektrode und dem Werkstück. Das Schweißgerät wird gesteuert, um den Strom zwischen der vorangeschobenen Elektrode und dem Werkstück während der Kurzschlussdauer zu verringern, um Schweißspritzer aus schmelzflüssigem Metall zu verringern, wenn der Kurzschluss aufgehoben wird.
• Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Verringern von Schweißspritzern in einem gepulsten Lichtbogen-Schweißprozess. Das Verfahren enthält das Verfolgen von Zeitpunkten des Eintretens von Kurzschlussintervallen während Impulsperioden eines gepulsten Lichtbogen-Schweißprozesses unter Verwendung einer Steuereinheit eines Schweißsystems. Das Verfolgen kann auf das Detektieren des Eintretens von Kurzschlüssen während Impulsperioden des gepulsten Schweißprozesses und/oder das Detektieren des Aufhebens von Kurzschlüssen während Impulsperioden des gepulsten Schweißprozesses gestützt werden. Das Verfahren enthält des Weiteren das Schätzen einer zeitlichen Stelle eines Kurzschlussintervalls für mindestens eine nächste Impulsperiode des Impulsschweißprozesses auf der Basis des Verfolgens. Das Verfahren enthält außerdem das Bestimmen einer Austastlücke für mindestens eine nächste Impulsperiode auf der Basis des Schätzens. Das Verfahren kann des Weiteren das Generieren eines Austastsignals für mindestens eine nächste Impulsperiode auf der Basis der Austastlücke enthalten. Das Verfahren kann des Weiteren das Erhöhen eines Widerstands eines Schweißstromkreispfades des Schweißsystems während der Austastlücke in Reaktion auf das Austastsignal enthalten, um einen Schweißstrom durch den Schweißstromkreispfad während der Austastlücke zu verringern. Das Erhöhen des Widerstands kann das Öffnen eines elektrischen Schalters eines Umschaltmoduls enthalten, das in dem Schweißstromkreispfad angeordnet ist. Gemäß einer Ausführungsform ist der elektrische Schalter mit einem Widerstandspfad innerhalb des Umschaltmoduls parallel geschaltet. Das Verfahren kann das Verringern eines Schweißstroms durch einen Schweißstromkreispfad des Schweißsystems während der Austastlücke für mindestens eine nächste Impulsperiode durch Modifizieren eines Abschnitts einer Wellenform des Schweißprozesses während der Austastlücke enthalten, wobei die Wellenform durch einen Wellenformgenerator des Schweißsystems generiert wird. Gemäß einer Ausführungsform ist die Austastlücke zeitlich breiter als, und überlappt zeitlich, ein erwartetes Kurzschlussintervall von mindestens einer nächsten gepulsten Periode.
• Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein System zum Verringern von Schweißspritzern in einem gepulsten Lichtbogen-Schweißprozess. Das System enthält eine Steuereinheit, die dafür konfiguriert ist, Zeitpunkte des Eintretens von Kurzschlussintervallen während Impulsperioden eines gepulsten Lichtbogen-Schweißprozesses eines Schweißsystems zu verfolgen. Die Steuereinheit ist des Weiteren dafür konfiguriert, eine zeitliche Stelle eines Kurzschlussintervalls für mindestens eine nächste Impulsperiode des gepulsten Schweißprozesses auf der Basis des Verfolgens zu schätzen. Die Steuereinheit ist des Weiteren dafür konfiguriert, eine Austastlücke für mindestens eine nächste Impulsperiode auf der Basis des Schätzens zu bestimmen. Die Steuereinheit kann auch dafür konfiguriert sein, ein Austastsignal für mindestens eine nächste Impulsperiode auf der Basis der Austastlücke zu generieren. Gemäß einer Ausführungsform ist die Austastlücke zeitlich breiter als, und überlappt zeitlich, ein erwartetes Kurzschlussintervall von mindestens einer nächsten Impulsperiode. Das System kann des Weiteren ein Umschaltmodul enthalten, das in einem Schweißstromkreispfad des Schweißsystems angeordnet ist und mit der Steuereinheit wirkverbunden ist. Das Umschaltmodul ist dafür konfiguriert, einen Widerstand des Schweißstromkreispfades des Schweißsystems während der Austastlücke in Reaktion auf das Austastsignal zu erhöhen, um einen Schweißstrom durch den Schweißstromkreispfad während der Austastlücke zu verringern. Das Umschaltmodul enthält einen elektrischen Schalter und einen Widerstandspfad in Parallelschaltung. Die Steuereinheit kann dafür konfiguriert sein, einem Wellenformgenerator des Schweißsystems zu befehlen, einen Schweißstrom durch einen Schweißstromkreispfad des Schweißsystems während der Austastlücke für mindestens eine nächste Impulsperiode durch Modifizieren eines Abschnitts einer Wellenform des Schweißprozesses während der Austastlücke zu verringern. Die Steuereinheit kann des Weiteren dafür konfiguriert sein, das Eintreten von Kurzschlüssen während Impulsperioden des gepulsten Schweißprozesses zu detektieren und das Eintreten des Aufhebens von Kurzschlüssen während Impulsperioden des gepulsten Schweißprozesses zu detektieren.
• Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Verringern von Schweißspritzern in einem gepulsten Lichtbogen-Schweißprozess. Das Verfahren enthält das Detektieren eines Kurzschlusses während einer Impulsperiode eines gepulsten Lichtbogen-Schweißprozesses unter Verwendung einer Steuereinheit eines Schweißsystems. Das Verfahren enthält des Weiteren das Erhöhen eines Widerstands eines Schweißstromkreispfades des Schweißsystems für einen ersten Zeitraum, um einen Schweißstrom durch den Schweißstromkreispfad in Reaktion auf das Detektieren des Kurzschlusses zu verringern. Das Verfahren enthält außerdem das Verringern des Widerstands des Schweißstromkreispfades des Schweißsystems für einen zweiten Zeitraum unmittelbar nach einem ersten Zeitraum zum Erhöhen des Schweißstroms durch den Schweißstromkreispfad. Das Verfahren enthält des Weiteren das Erhöhen des Widerstands des Schweißstromkreispfades des Schweißsystems für einen dritten Zeitraum unmittelbar nach einem zweiten Zeitraum zum Verringern des Schweißstroms durch den Schweißstromkreispfad in Erwartung des Aufhebens des Kurzschlusses. Das Erhöhen des Widerstands kann das Öffnen eines elektrischen Schalters eines Umschaltmoduls enthalten, das in dem Schweißstromkreispfad angeordnet ist. Das Verringern des Widerstands kann das Schließen eines elektrischen Schalters eines Umschaltmoduls enthalten, das in dem Schweißstromkreispfad angeordnet ist. Das Verfahren kann des Weiteren Folgendes enthalten: Detektieren, dass ein Kurzschluss aufgehoben wurde, und Verringern des Widerstands des Schweißstromkreispfades des Schweißsystems in Reaktion auf das Detektieren, dass der Kurzschluss aufgehoben wurde.
• Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Verringern von Schweißspritzern in einem gepulsten Lichtbogen-Schweißprozess. Das Verfahren enthält das Detektieren eines Kurzschlusses zwischen einem Werkstück und einer vorangeschobenen Drahtelektrode während einer Impulsperiode eines gepulsten Lichtbogen-Schweißprozesses unter Verwendung einer Steuereinheit eines Schweißsystems. Das Verfahren enthält des Weiteren das Verringern eines Stroms eines Schweißstromkreispfades des Schweißsystems für mindestens einen Abschnitt eines bestimmten Zeitraums in Reaktion auf das Detektieren des Kurzschlusses, wobei, während der meisten Impulsperioden des gepulsten Lichtbogen-Schweißprozesses, der bestimmte Zeitraum von einer Dauer ist, die es erlaubt, den Kurzschluss aufzuheben, ohne zuerst den Strom des Schweißstromkreispfades erhöhen zu müssen. Das Verringern des Stroms kann das Erhöhen eines Widerstands des Schweißstromkreispfades enthalten. Das Erhöhen des Widerstands kann das Öffnen eines elektrischen Schalters eines Umschaltmoduls enthalten, das in dem Schweißstromkreispfad angeordnet ist, wobei das Umschaltmodul den elektrischen Schalter in Parallelschaltung mit einem Widerstandspfad enthält. Das Verfahren kann des Weiteren enthalten, den Strom des Schweißstromkreispfades des Schweißsystems unmittelbar nach dem bestimmten Zeitraum zu erhöhen, wenn der Kurzschluss nicht aufgehoben wurde. Das Erhöhen des Stroms kann das Verringern eines Widerstands des Schweißstromkreispfades enthalten. Das Verringern des Widerstands kann das Schließen eines elektrischen Schalters eines Umschaltmoduls enthalten, das in dem Schweißstromkreispfad angeordnet ist, wobei das Umschaltmodul den elektrischen Schalter in Parallelschaltung mit einem Widerstandspfad enthält. Das Verfahren kann des Weiteren das Verlangsamen einer Geschwindigkeit der vorangeschobenen Drahtelektrode in Reaktion auf das Detektieren des Kurzschlusses zwischen der Elektrode und dem Werkstück enthalten. Das Verlangsamen der Geschwindigkeit der vorangeschobenen Drahtelektrode kann das Ausschalten eines Motors einer Drahtzuführvorrichtung, die die Drahtelektrode voranschiebt, und das Anlegen einer Bremse an den Motor enthalten. Die Bremse kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine mechanische Bremse oder eine elektrische Bremse sein.
• Es ist anzumerken, dass zwar die obige Besprechung allgemein das Aufheben eines Kurzschlusses in der gleichen Polarität wie die Schweißwellenform betrifft, sei es eine DCEN oder eine DCEP, dass aber eine ähnliche Logik und Steuerungsmethodologie auch in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, wo die Schweißwellenform eine DCEN-Wellenform ist, aber die Kurzschlüsse in einem PE-Zustand aufgehoben werden. Dies wird unten anhand der 10–12 näher beschrieben.
• 10–12 zeigen eine weitere Vorrichtung und ein weiteres Verfahren zum Impulsschweißen zum Erreichen einer verbesserten Leistung, Schweißspritzerkontrolle und Wärmezufuhr. Genauer gesagt, verwenden die in den 10–12 gezeigten Ausführungsformen eine DCEN-Schweißwellenform, wobei die Kurzschlüsse in einem PE-Zustand aufgehoben werden, was im Folgenden ausführlicher beschrieben wird.
• 10 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Schweißsystems 1000, das in Bauweise und Betrieb den Systemen 100, die im vorliegenden Text beschrieben sind, insofern ähnelt, als das System 1000 in der Lage ist, Impulsschweißen (einschließlich der im vorliegenden Text besprochenen Ausführungsformen) zum Schweißen eines Werkstücks W zu verwenden. Das System 1000 hat ähnliche Komponenten wie oben besprochen, einschließlich des Wellenformgenerators 180, des Leistungswandlers/Wechselrichters 120, des Nebenschlusses 140, des Umschaltmoduls 110, der Hochgeschwindigkeits-Steuereinheit 170, der Spannungsrückkopplung 160, der Stromrückkopplung 150 usw. Jedoch verwendet diese beispielhafte Ausführungsform auch ein Wechselstromschweißmodul 1010. Das Modul 1010 ist dafür konstruiert und konfiguriert, in der Lage zu sein, ein Wechselstromschweißsignal während des Schweißens an das Werkstück anzulegen, oder wenigstens gewünschtenfalls die Polarität des Schweißsignals zu ändern, wie zum Beispiel während Kurzschlussereignissen. In dem in 10 gezeigten System 1000 ist das Modul 1010 als eine von dem Leistungswandler/Wechselrichter 120 separate Komponente gezeigt und kann sogar ein separates Modul sein, das mit einer Stromsversorgung außerhalb eines Gehäuses des Leistungswandlers/Wechselrichters 120 gekoppelt ist. Jedoch kann das Modul 1010 in anderen beispielhaften Ausführungsformen integral mit dem Leistungswandler/Wechselrichter 120 ausgebildet sein, so dass sie innerhalb eines einzelnen Gehäuses angeordnet sind. Wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen kann der Leistungswandler/Wechselrichter 120 von einer beliebigen Art eines bekannten Stromversorgungsmoduls sein, das für Schweißanwendungen verwendet wird und in der Lage ist, ein Schweißsignal auszugeben, und kann, wie gezeigt, mindestens einen Transformator enthalten. Die Konfiguration des Wechselstromschweißmoduls 1010, wie in 10 gezeigt, soll beispielhaft sein, und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die Verwendung der gezeigten Konfiguration beschränkt, sondern es können auch andere Schaltkreise verwendet werden, um ein Wechselstromschweißsignal bereitzustellen, wie im Folgenden beschrieben. Das in 10 gezeigte Modul 1010 ähnelt in seiner Bauweise dem Wechselstromschweißstromkreis, der im US-Patent Nr. 6,215,100 beschrieben ist, das hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen wird, und insbesondere in Bezug auf 4 des hier aufgenommenen Patents beschrieben ist. Weil der Betrieb und die Bauweise dieses Stromkreises ausführlich in dem hier aufgenommenen Patent besprochen werden, wird diese Besprechung im vorliegenden Text nicht wiederholt, da sie durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen ist. Jedoch wird im Interesse der Klarheit angemerkt, dass der Wellenformgenerator oder die Steuereinheit 180, wie in 10 gezeigt, die Steuereinheit 220 verkörpern können, die in 4 des Patents 6,215,100 gezeigt ist. Des Weiteren kann, obgleich die Hochgeschwindigkeits-Steuereinheit 170 als ein von der Steuereinheit 180 separates Modul gezeigt ist, die Hochgeschwindigkeits-Steuereinheit 170 in anderen Ausführungsformen integral mit der Steuereinheit 180 ausgebildet sein. Außerdem kann, wie in 10 gezeigt, in einigen Ausführungsformen die Stromrückkopplung 150 direkt mit der Steuereinheit 180 gekoppelt sein, so dass diese Rückkopplung durch die Steuereinheit 180 für die Steuerung des Moduls 1010 verwendet werden kann, so wie es allgemein im Patent 6,215,100 beschrieben ist.
• In einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung braucht das Umschaltmodul 110 nicht in Ausführungsformen vorhanden zu sein, die ein Wechselstrommodul 1010 verwenden. Der Grund dafür ist, dass die Schalter Q1 und Q2 in einer ähnlichen Weise wie das oben beschriebene Umschaltmodul 110 verwendet werden können. Das heißt, die Schalter Q1 und/oder Q2 können in einer ähnliches Weise während eines polaritätskonstanten Abschnitts der Wellenform so gesteuert werden, dass das Umschaltmodul 110 nicht verwendet wird.
• Wie in 10 gezeigt, hat das Modul 1010 zwei Schalter Q1 und Q2, die zum Steuern des Stromflusses durch die Induktionsspule L1 verwendet werden, so dass der Stromfluss durch die Elektrode E und das Werkstück W in einer solchen Weise gesteuert werden kann, dass die Polarität des Signals während des Schweißens umgekehrt werden kann. Genauer gesagt, kann der Stromfluss durch die Schalter Q1 und Q2 so gesteuert werden, dass die Elektrode E während eines Teils der Schweißwellenform positiv ist und dann für den Rest der Wellenform auf negativ umgeschaltet wird. Wenn der Schalter Q1 geschlossen ist und der Schalter Q2 offen ist, so fließt der Strom in einer solchen Weise, dass die Elektrode E eine positive Polarität hat, und wenn der Schalter Q2 geschlossen ist und der Schalter Q1 offen ist, so hat die Elektrode E eine negative Polarität. Die Dämpfer 1011 und 1013 werden in einer ähnlichen Weise wie der oben beschriebene Widerstand 112 verwendet und können dafür verwendet werden, eine STT-artige Stromkreissteuerung zu implementieren.
• Es können noch andere Wechselstromschweißstromversorgungen und Wechselstromschweißstromkreise verwendet werden, ohne vom Wesen und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
• Wie in den 5, 7 und 9 der vorliegenden Anmeldung gezeigt, kann Impulsschweißen ausgeführt werden, wenn die gesamte Schweißform eine einzige Polarität (in der Regel positiv) hat. Das heißt, dass der Strom während des gesamten Schweißprozesses in einer einzigen Richtung fließt. Wie zuvor erläutert, kann es beim Schweißen in einer bestimmten Polarität vorteilhaft sein, einen Kurzschluss in der entgegengesetzten Polarität aufzuheben. Das gilt insbesondere dann, wenn die Schweißwellenform eine DCEN-Wellenform ist und ein Kurzschlussereignis eintritt. Es wurde entdeckt, dass es Vorteile hat, den Kurzschluss in einem positiven Elektrodenmodus aufzuheben.
• 11 zeigt eine Stromwellenform 1100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie zu sehen ist, ist die Wellenform 1100 vor allem eine DCEN-Wellenform. Die in diesem Beispiel gezeigte Wellenform ist eine beispielhafte Impulsschweißwellenform, aber es kann auch jede andere Art von DCEN-Schweißwellenform verwendet werden, einschließlich beispielsweise eines Surface Tension Transfer (STT), oder jede sonstige Wellenform, die in einem DCEN-Modus schweißen kann. Diese Wellenform ist zu beispielhaften Zwecken gezeigt.
• Die Wellenform 1100 hat einen Hintergrundstrompegel 1101 und mehreren Impulse 1110, die jeweils einen Spitzenstrompegel 1103 haben. Wie gezeigt, tritt nach den Impulsen 1110 ein Kurzschlussereignis ein 1105, in dem ein Kurzschlusszustand zwischen der Elektrode und dem Werkstück eintritt (oder kurz davor steht, einzutreten). In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schaltet die Stromversorgung (wie zum Beispiel in 10 beschrieben), wenn das Kurzschlussereignis eintritt oder detektiert wird, die Polarität von DCEN zu PE, bevor die Kurzschlussaufhebungsfunktion implementiert wird. Somit schaltet, wie gezeigt, bei dem Kurzschlussereignis die Polarität der Wellenform 1100 von NE zu PE um, so dass das Kurzschlussintervall 1123 eintritt, wenn die Wellenform im PE-Zustand ist. Sobald sie im PE-Zustand ist, kann die Stromversorgung den Kurzschluss mittels jedes beliebigen bekannten Kurzschlussaufhebungsimpulses 1120 oder jeder beliebigen bekannten Kurzschlussaufhebungsfunktion aufheben. Zum Beispiel kann eine standardmäßige Kurzschlussaufhebungsfunktion verwendet werden. Alternativ kann, wie in 11 gezeigt, ein Verstärkungsimpuls oder Plasmaverstärkungsimpuls 1121 implementiert werden, nachdem der Kurzschluss aufgehoben wurde, um nach Bedarf ein weiteres Zurückbrennen der Elektrode auszuführen. Die Verwendung eines Verstärkungsimpulses oder Plasmaverstärkungsimpulses nach dem Aufheben eines Kurzschlusses ist bekannt und braucht im vorliegenden Text nicht ausführlich beschrieben zu werden.
• Sobald der Kurzschlussaufhebungsimpuls 1120 oder die Kurzschlussaufhebungsfunktion im PE-Zustand vollendet wurde, schaltet die Stromversorgung die Polarität der Wellenform 1100 von PE zu NE, und die DCEN-Wellenform 1100 wird fortgesetzt. Zum Beispiel wird, wie gezeigt, der Hintergrundstrom 1101 erreicht und gehalten, bis der nächste Impuls 1110 ausgelöst wird. Das Umschalten der Strompolarität kann zum Beispiel durch das in 10 gezeigte System bewerkstelligt werden. Natürlich können auch andere Stromversorgungen, die in einem Wechselstrommodus schweißen können, verwendet werden, um Ausführungsformen der Erfindung zu implementieren.
• Wie zuvor erläutert, wurde entdeckt, dass mitunter, wenn ein Kurzschluss in einem NE-Zustand aufgehoben wird, dies zu übermäßigen Schweißspritzern führen kann. Dies kann durch die Strahlkräfte verursacht werden, die gegen die Elektrode drücken, wenn der Kurzschluss in NE aufgehoben wird. Es wurde bestimmt, dass das Aufheben eines Kurzschlusses in einem PE-Zustand zu einem stabileren Aufheben des Kurzschlusses sowie weniger Schweißspritzern führt.
• Aspekte der vorliegenden Erfindung können auf verschiedene Weise implementiert werden, was im Folgenden kurz beschrieben wird. Und zwar kann in einigen beispielhaften Ausführungsformen der Wechsel von negativer zu positiver Polarität bei oder nach dem Eintreten des Kurzschlusses (physischer Kontakt zwischen der Elektrode und der Pfütze) vorgenommen werden, oder er kann vorgenommen werden, bevor der eigentliche Kurzschluss eintritt. Im ersten Beispiel detektiert die Stromversorgung den Kurzschluss durch Überwachen der Spannung und/oder des Stroms. Eine solche Überwachung und Detektion ist allgemein bekannt. Wenn der Kurzschluss detektiert wird, so schaltet die Stromversorgung die Polarität des Stroms um und steuert den Strom in einen PE-Zustand, bis der Kurzschluss aufgehoben und der Schweißlichtbogen wiederhergestellt wurde. Wenn der Lichtbogen wiederhergestellt wurde, so schaltet die Stromversorgung die Polarität wieder um, um zur DCEN-Wellenform 1100 zurückzukehren. In den anderen beispielhaften Ausführungsformen kann die Stromversorgung einen Vorausschaukreis (allgemein bekannt) verwenden, der zum Beispiel dv/dt überwachen kann, und wenn bestimmt wird, dass ein Kurzschlussereignis kurz bevor steht, so kann die Stromversorgung die Polarität der Wellenform 1100 von NE zu PE wechseln, um den Kurzschluss aufzuheben. Für den Zweck der vorliegenden Anmeldung enthält die Detektion eines Kurzschlussereignisses die Detektion eines tatsächlichen Kurzschlusszustands oder die Bestimmung eines unmittelbar bevorstehenden Kurzschlussereignisses unter Verwendung eines Vorausschaukreises (oder dergleichen). Somit können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beide Formen der Detektion eines Kurzschlussereignisses dafür verwenden, das Umschalten der Polarität auszulösen.
• Wie oben erläutert, kann die Kurzschlussaufhebung im PE-Zustand auf jede beliebige Weise erfolgen, solange der Kurzschluss aufgehoben wird, bevor die Wellenform 1100 zum NE-Zustand zurückkehrt. 12 ist eine beispielhafte Darstellung eines Kurzschlussaufhebungsereignisses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, tritt das Kurzschlussdetektionsereignis am Punkt 1105 ein (sei es ein tatsächlicher Kurzschluss oder das Voraussehen eines Kurzschlusses, der kurz vorm Eintreten steht). Nach dem Kurzschlussdetektionsereignis steuert die Stromversorgung (zum Beispiel in 10) den Strom von einem NE-Zustand in einen PE-Zustand, wie gezeigt. In dem gezeigten Beispiel wird der Strom auf einen ersten Strompegel 1123 gesteuert, um einen Lichtbogen herzustellen, der ausreicht, um den Schweißlichtbogen zu entzünden und mit dem Aufheben des Kurzschlusses zu beginnen, zum Beispiel das Abschnüren der Elektrode zu beginnen. Nach dem ersten Strompegel 1123 wird der Strom auf einen zweiten Strompegel 1125 gesteuert, während der Kurzschluss aufgehoben wird, wobei der zweite Strompegel 1125 niedriger ist als der erste Strompegel 1123. In dieser Ausführungsform hilft der niedrigere zweite Strompegel beim Verhindern des Entstehens von zu vielen Schweißspritzern, weil der Kurzschluss bei Punkt 1107 aufgehoben wird. In einigen beispielhaften Ausführungsformen, nachdem der Kurzschluss aufgehoben wurde 1107, kann die Wellenform zurück auf einen NE-Zustand gesteuert werden. Jedoch wird in der gezeigten Ausführungsform ein Verstärkungsimpuls 1121 verwendet, um die Elektrode zurückzubrennen und eine Lichtbogenstabilisierung sicherzustellen, bevor zum NE-Zustand zurückgekehrt wird, wo die Stromspitze für den Verstärkungsimpuls 1121 höher ist als der erste oder der zweiten Strompegel. In einigen beispielhaften Ausführungsformen wird der Strom nach dem Verstärkungsimpuls 1121 zu NE zurückgeführt. Jedoch wird, wie in 12 gezeigt, in anderen beispielhaften Ausführungsformen eine Lichtbogenstabilisierungsperiode 1127 implementiert, in der der Strom über eine Dauer PE bleibt, während sich der Lichtbogen und die Schweißpfütze stabilisieren, bevor der Strom in den NE-Zustand zurückgeführt wird. In einigen beispielhaften Ausführungsformen liegt die Lichtbogenstabilisierungsperiode im Bereich von 0,5 bis 5 ms. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann der Bereich bei Bedarf länger sein. Des Weiteren ist in einigen beispielhaften Ausführungsformen der Strompegel der Lichtbogenstabilisierungsperiode der gleiche wie der Strompegel des Hintergrundabschnitts 1101 der NE-Wellenform 1100. Wenn zum Beispiel der Hintergrundpegel 1101 –40 A ist, so ist der Strompegel für die Periode 1127 +40 A. In anderen beispielhaften Ausführungsformen liegt der Strompegel für den Lichtbogenstabilisierungsperiode 1127 im Bereich von 85 bis 120% des Hintergrundstrompegels 1101. In solchen Ausführungsformen kann die Stabilisierungsperiode 1127 auch dafür verwendet werden, die Steuerung der Wärmezufuhr in die Schweißnaht während des Schweißens zu unterstützen. Das heißt, der Strompegel kann so justiert werden, dass sichergestellt ist, dass eine ausreichende und/oder stabile Wärmezufuhr in die Schweißnaht erfolgt. Durch Variieren dieses Strompegels kann die Stromversorgung die PE-Stabilisierungsperiode 1127 zum Steuern eines Aspekts der Wärmezufuhr in die Schweißnaht verwenden. Zusätzlich kann die Dauer der Periode 1127 durch die Stromversorgung (zum Beispiel in 10) so justiert werden, dass die Wärmezufuhr nach Wunsch gesteuert wird. Wenn es zum Beispiel gewünscht wäre, die Wärmezufuhr in die Schweißnaht zu erhöhen, so kann die Stromversorgung den Strompegel und/oder die Dauer der Periode 1127 erhöhen, um die Wärmezufuhr in die Schweißnaht zu erhöhen. Des Weiteren ist in anderen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Strompegel für die Periode 1127 kleiner als der des Hintergrundpegels 1101 und liegt im Bereich von 75 bis 95% des Hintergrundpegels. (Wenn zum Beispiel der Hintergrundpegel –50 A beträgt, so würde der Bereich +37,5 bis +47,5 A betragen). In solchen Ausführungsformen wird die Wärmezufuhr der Periode 1127 in dem Maße minimal gehalten, wie es gewünscht wird, um eine geringe Wärmezufuhr aufrecht zu erhalten.
• Wie zuvor erläutert, sind beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht auf die Verwendung der oben besprochenen Stromwellenformen oder Schweißprozesse beschränkt, und es können auch andere Schweißprozesse verwendet werden. Zum Beispiel kann, wie in 13 gezeigt, eine Konstantspannungwellenform verwendet werden, bei der der größte Teil der Wellenform in der negativen Polarität liegt, während die Kurzschlussaufhebung in der positiven Polarität stattfindet. Wie gezeigt, hat die Spannungswellenform 1300 eine Spitzenspannung 1303 und eine Hintergrundspannung 1301, die in der negativen Polarität liegen; aber wenn ein Kurzschlussdetektionsereignis detektiert wird, so werden die Spannung und der Strom zu einer positiven Polarität für einen Kurzschlussaufhebungsabschnitt 1305 (Spannung) und 1315 (Strom) geändert. In der beispielhaften gezeigten Ausführungsform wird ein Plasmaverstärkungsabschnitt (1309 und 1319) implementiert, nachdem der Kurzschluss aufgehoben wurde. Natürlich braucht in anderen beispielhaften Ausführungsformen die Plasmaverstärkung nicht verwendet zu werden, oder es können anderen Nach-Kurzschlussaufhebungsfunktionen verwendet werden. Der Übergang von negativem zu positivem Strom kann wie oben beschrieben implementiert werden.
• Wie oben beschrieben, können verschiedene Verfahren zum Detektieren oder Bestimmen des Kurzschlussereignisses verwendet werden, einschließlich bekannter Verfahren zum Detektieren oder Vorhersagen von Kurzschlussereignissen. Zum Beispiel können einige beispielhafte Ausführungsformen eine detektierte Lichtbogenleistung und/oder Lichtbogenspannung verwenden, um zu bestimmen, wenn ein Kurzschlussereignis kurz davor steht einzutreten oder bereits eingetreten ist. In beispielhaften Ausführungsformen kann ein Schwellenwert für Spannung und/oder Leistung so eingestellt werden, dass, wenn die detektierte Spannung oder Leistung die Spannungs- und/oder Leistungsschwelle übersteigt, die Änderung der Polarität initiiert wird. Zum Beispiel werden in einigen Ausführungsformen die Schwellenspannungs- und/oder -leistungspegel auf der Basis einer gewünschten Lichtbogenlänge ausgewählt. Dies stellt sicher, dass die Polarität umschaltet, wenn die Lichtbogenlänge vor dem Umschalten bei oder nahe einer gewünschten Lichtbogenlänge liegt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen liegt die gewünschte Lichtbogenlänge im Bereich von 0,2 bis 0,5 mm. Dieses Verfahren der Steuerung kann in einigen Ausführungsformen wünschenswert sein, da bei Verwendung einer negativen Polarität die Lichtbogenkraft stärker gegen das Verbrauchsmaterial drückt als gegen die Pfütze, so dass die Lichtbogenlänge schnell zunimmt. Durch Detektieren und Verwenden der momentanen Leistung und/oder Spannung und deren Vergleichen mit einem Schwellenwert, der einer Umschaltlichtbogenlänge entspricht, kann die Polarität an einem gewünschten Punkt umgeschaltet werden. Die Schwellenleistungs- und/oder -spannungswerte können auf der Basis verschiedener Eingangsparameter, die mit dem Schweißprozess und -betrieb in Zusammenhang stehen, eingestellt werden, einschließlich Benutzereingabeinformationen, und die Stromversorgung/Steuereinheit kann unter Verwendung einer Nachschlagetabelle oder dergleichen die gewünschten polaritätsumschaltenden Leistungs- und/oder Spannungswerte einstellen.
• In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann die Stromversorgung auch einen Schaltkreis zum Detektieren oder Bestimmen des Verhältnisses dj/dt (Änderung der ausgegebenen Joules im zeitlichen Verlauf) für die Schweißwellenform verwenden, und wenn die detektierte Änderungsrate eine zuvor festgelegte Schwelle erreicht, so schaltet die Stromversorgung von der negativen zur positiven Polarität um. Wenn zum Beispiel eine negative Impulsschweißwellenform verwendet wird, so wird eine große schmelzflüssige Kugel am Ende der Elektrode während jedes Impulses gebildet. Der dj/dt-Detektionskreis (der ähnlich einem di/dt- oder dv/dt-Kreis aufgebaut sein kann und bekannte Schaltkreiskonfigurationen verwenden kann), kann in der Steuereinheit 170 und/oder in dem Generator 180 vorhanden sein und kann dafür verwendet werden, die Größe der schmelzflüssigem Kugel oder die Nähe zu einem Kurzschlussereignis vorherzusagen, und wenn das detektierte dj/dt-Verhältnis eine zuvor festgelegte Schwelle oder einen zuvor festgelegten Wert erreicht, so wird der Strom von negativer zu positiver Polarität umgeschaltet. In beispielhaften Ausführungsformen wird die zuvor festgelegte dj/dt-Schwelle oder der zuvor festgelegte dj/dt-Wert in der Steuereinheit 170 auf der Basis eingegebener Informationen im Zusammenhang mit dem Schweißvorgang bestimmt und ist vorhanden, bevor der Schweißvorgang beginnt, und das tatsächliche dj/dt-Verhältnis wird mit dieser Schwelle verglichen, um zu bestimmen, wenn der Strom von negativer zu positiver Polarität umgeschaltet werden sollte. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das dj/dt-Verhältnis mit der relativen Größe der schmelzflüssigen Kugel am Ende der Elektrode verknüpft sein, so dass, wenn die dj/dt-Schwelle erreicht ist, die schmelzflüssige Kugel bereit für den Transfer von der Elektrode zur Pfütze ist, aber die Kugel noch keinen Kontakt mit der Pfütze hergestellt hat. Das heißt, vor dem Kugeltransfer schaltet die Polarität des Stroms von negativ zu positiv um, bleibt aber auf einem niedrigen Strompegel, so dass sich das Tröpfchen in Richtung der Pfütze bewegen kann und die Pfütze mit einer relativ geringen Lichtbogenkraft berühren kann. Sobald die schmelzflüssige Kugel die Pfütze berührt, initiiert die Steuereinheit eine Kurzschlussaufhebungsfunktion in der positiven Polarität, und sobald die Kurzschlussaufhebungsfunktion vollendet ist, schaltet die Polarität zurück zu negativ. Durch Verwenden eines niedrigen Strompegels nach dem Umschalten zu einer positiven Polarität kann der Kugeltransfer in einer positiven Polarität mit einer geringen Lichtbogenkraft stattfinden, um einen stabilen und kontrollierten Tröpfchentransfer zu erreichen. In einigen beispielhaften Ausführungsformen liegt der niedrige Strompegel nach dem Umschalten zu positiv im Bereich von 5 bis 100 A, und dieser Strompegel wird beibehalten, bis das Tröpfchen Kontakt zur Pfütze hat; in diesem Moment wird eine Kurzschlussaufhebungsfunktion implementiert. In anderen beispielhaften Ausführungsformen liegt der Strom im Bereich von 5 bis 40 A.
• Obgleich der beanspruchte Gegenstand der vorliegenden Anmeldung anhand konkreter Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dem Fachmann klar, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden und Äquivalente substituiert werden können, ohne vom Schutzumfang des beanspruchten Gegenstandes abzuweichen. Außerdem können viele Modifizierungen vorgenommen werden, um eine konkrete Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren des beanspruchten Gegenstandes anzupassen, ohne von seinem Schutzumfang abzuweichen. Es ist darum beabsichtigt, dass der beanspruchte Gegenstand nicht auf die konkret offenbarte Ausführungsform zu beschränken ist, sondern dass der beanspruchte Gegenstand alle Ausführungsformen enthält, die in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen.
• Bezugszeichenliste

100

Schweißsystem

110

Umschaltmodul

111

elektrischer Schalter

112

Widerstandspfad

120

Leistungswandler

121

Schweißausgangssignal

122

Schweißausgangssignal

123

Stromquelle

124

Diode

130

Drahtzufuhrvorrichtung

140

Stromnebenschluss

150

Stromrückmeldungssensor

160

Spannungsrückmeldungssensor

161

Signal

162

Signal

170

Hochgeschwindigkeits-Steuereinheit

171

Signal

172

Signal

180

Wellenformgenerator

181

Signal

210

Schweißstromkreis-Induktivität

220

Steuereinheit

400

Verfahren

410

Schritt

420

Schritt

430

Schritt

440

Schritt

450

Schritt

500

Ausgangsstromwellenform

510

Spitzenimpuls

520

Zeit

530

Zeit

540

Intervall

610

Kugel aus schmelzflüssigem Metall

620

Faden

630

Schweißspritzer

700

Wellenform

710

Spitzenimpuls

720

Zeit

730

Zeit

740

Intervall

750

Impuls

800

Verfahren

810

Schritt

820

Schritt

830

Schritt

840

Schritt

850

Schritt

900

Wellenform

910

Spitzenform

920

Zeit

930

Zeit

940

Intervall

960

Austastlücke

1000

System

1010

Modul

1011

Dämpfer

1013

Dämpfer

1100

Stromwellenform

1101

Hintergrundstrompegel

1103

Spitzenstrompegel

1105

Kurzschlussereignis

1107

Aufhebung/Punkt

1110

Impuls

1120

Aufhebungsimpuls

1121

Plasmaverstärkungsimpuls

1123

erster Strompegel

1125

zweiter Strompegel

1127

Lichtbogenstabilisierungsperiode

1300

Spannungswellenform

1301

Hintergrund

1303

Spitze

1305

Kurzschlussaufhebungsabschnitt

1309

Plasmaverstärkungsabschnitt

1315

Kurzschlussaufhebungsabschnitt

1319

Plasmaverstärkungsabschnitt

Q1

Schalter

Q2

Schalter

E

Draht

L1

Induktor

W

Werkstück

• 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 6215100 [0002, 0055]
• US 7304269 [0002, 0027]

Claims (7)

1. Schweißvorrichtung (100, 1000), die Folgendes umfasst: einen Schweißleistungswandler (120), der einen Strom ausgibt, der eine negative Elektroden-Gleichstromwellenform ist, die mehrere Stromspitzenabschnitte und Hintergrundabschnitte aufweist, wobei ein Spitzenstrom von jedem der Stromspitzenabschnitte größer ist als ein höchster Strompegel der Hintergrundabschnitte, wobei der Schweißleistungswandler (120) die Schweißwellenform in eine Elektrode und mindestens ein Werkstück (W) einspeist, um das mindestens eine Werkstück (W) zu schweißen; einen Kurzschlussdetektionskreis, der ein Kurzschlussereignis zwischen der Elektrode und dem Werkstück (W) detektiert, und ein Wechselstromschweißmodul, das die Polarität des Stroms der negativen Elektroden-Gleichstromwellenform nach der Detektion des Kurzschlussereignisses von negativ zu positiv ändert, wobei nach dem Umschalten des Stroms zu positiv der Schweißleistungswandler (120) einen Kurzschlussaufhebungsstrom ausgibt, um das Kurzschlussereignis aufzuheben, und nachdem das Kurzschlussereignis aufgehoben wurde, das Wechselstromschweißmodul die Polarität des Stroms von positiv zu negativ wechselt, und wobei ohne die Detektion des Kurzschlussereignisses der Strom als eine negative Elektroden-Gleichstromschweißwellenform beibehalten wird.
2. Schweißvorrichtung (100, 1000) nach Anspruch 1, wobei die Schweißwellenform eine Impuls-Schweißwellenform ist und alle Stromspitzenabschnitte Spitzen der Impulse sind.
3. Schweißvorrichtung (100, 1000) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kurzschlussdetektionsereignis stattfindet, bevor ein Kurzschlusszustand zwischen der Elektrode und dem mindestens einen Werkstück (W) entsteht.
4. Schweißvorrichtung (100, 1000) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Kurzschlussdetektionsereignis stattfindet, nachdem ein Kurzschlusszustand zwischen der Elektrode und dem mindestens einen Werkstück (W) entstanden ist.
5. Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei, nachdem der Kurzschluss in der positiven Polarität aufgehoben wurde, der Schweißausgangssignalwandler einen Stromverstärkungsimpuls ausgibt, bevor die Polarität von positiv zu negativ geändert wird, und/oder wobei, nachdem der Kurzschluss in der positiven Polarität aufgehoben wurde und bevor die Polarität von positiv zu negativ geändert wird, der Schweißleistungswandler (120) einen Lichtbogenstabilisierungsstrom ausgibt, wobei der Lichtbogenstabilisierungsstrom über eine Periode im Bereich von 0,5 bis 5 ms aufrecht erhalten wird.
6. Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Größenordnung eines Lichtbogenstabilisierungsstroms die gleiche ist wie die höchste Stromgrößenordnung der Hintergrundabschnitte, aber bei einer positiven Polarität, und/oder wobei eine Größenordnung des Lichtbogenstabilisierungsstroms im Bereich von 85 bis 120% der höchsten Stromgrößenordnung der Hintergrundabschnitte liegt, aber bei einer positiven Polarität.
7. Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Kurzschlussdetektionskreis ein detektiertes dj/dt-Verhältnis und einen Vergleich zwischen dem detektierten dj/dt-Verhältnis und einer zuvor festgelegten dj/dt-Schwelle verwendet, um das Kurzschlussereignis zu detektieren, und/oder wobei das detektierte Kurzschlussereignis stattfindet, bevor ein Kurzschlusszustand zwischen der Elektrode und dem mindestens einen Werkstück (W) existiert, und das Wechselstromschweißmodul zur positiven Polarität umschaltet, bevor der Kurzschlusszustand existiert, und der Schweißleistungswandler (120) nach dem Umschalten zu der positiven Polarität einen niedrigen Strompegel ausgibt, um einen Kontakt zwischen der Elektrode und dem mindestens einen Werkstück (W) zu initiieren, und der Schweißleistungswandler (120) nach dem Kontakt den Kurzschlussaufhebungsstrom ausgibt.

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