DE2501928A1

DE2501928A1 - Verfahren zum zuenden des lichtbogens beim schweissen mit abschmelzenden drahtelektroden

Info

Publication number: DE2501928A1
Application number: DE19752501928
Authority: DE
Inventors: Leonhard Kaiser
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1975-01-18
Filing date: 1975-01-18
Publication date: 1976-07-22

Description

Verfahren zum Zünden des tichtbogens beim Schweißen mit abschmelzenden Drahtelektroden Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zünden des Lichtbogens beim Schweißen mit abschmelzenden Drahtelektroden, insbesondere bei Verwendung'von gut wärmeleitendem Elektrodenmaterial.
Das Zünden eines Schweißlichtbogens beim Schweißen mit abschmelzenden Drahtelektroden, z.B. nach dem MIG-/ MAG-Verfahrena erfolgt Ublicherweise durch Kontakt zündung zwischen Drahtelektrode und Werkstück. Im Augenblick der Berührung des Drahtendes mit dem Werkstück liegt im Schweißstromkreis ein Kurzschluß vor, wobei sich sehr hohe Kurzschluß- bzw. Zundströme ergeben, wie dies anhand der graphischen Darstellung gemäß Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen erläutert wird. Indem hier angeführten Beispiel liegt der Zündstrom Iz bei 1400 A und der Schweißstrom Is- bel 260 A, wenn man den Fall einer Schweißung von Aluminium nach dem MiG-Verfahren mit einem Elektrodendrahtdurchmesser von 1,6 mm betrachtet. Das Verhältnis von Schweißstrom Is zu FUndstrom Iz beträgt hier ca. 1 : 5,5. Dieses Verhältnis wird bei Verschweißung von Drähten größerer Durchmesser noch höher bzw. steigt zusätzlich weiter an, wenn sich Schmelztemperatur und Wärmeleitfähigkeit der zu verschweißenden Drähte erhöhen, wie es z.B.
bei Kupfer der Fall ist. Derartig hohe Zündströme erfordern Jedoch die Verwendung verstärkter Bauelemente für die Schweißanlagen.
Eine stärkere Dimensionierung der Schweißanlage führt zwar zu gewissen Zünderleichterungen, aber aufgrund von physikalisch bedingten Stromübergangsmechanismen zwischen der Kontaktdüse und dem durchlaufenden Elektrodenmaterial sind hier deutliche Grenzen gesetzt. So geschieht es häufig, daß beim Übergang des Zündstroms mit der hohen Stromstärke wegen zu hoher spezifischer Strombelastung des Elektrodendrahtes sich innerhalb der Kontaktdüse Schmorstellen ergeben, die den Elektrodendraht anschmelzen und zum Einschweißen in die Düsenwandung bzw. -öffnung bringen.
Auch ein Anspitzen des Endes der Drahtelektrode kann, statistisch gesehen, Zünderleichterungen ermöglichen, bietet aber keine Sicherheit für ein zeitlich exaktes Zünden, wie dies bei hochwertigen Schweißnähten bzw. bei mechanisierter Schweißung erforderlich ist. Im übrigen ist eine solche Maßnahme aufgrund von Zugänglichkeitsschwierigkeiten auch nicht immer durchführbar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren anzugeben, welches ein störungsfreies Zünden des Schweißlichtbogens gewährleistet.
Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das aus einer Kontaktdüse einer Lichtbogen-Schweißeinrichtung herausragende Ende der Drahtelektrode unmittelbar vor der von takt zündung zwischen der Drahtelektrode und einem Werkstück vorgewärmt wird. Hierbei wird es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in den meisten Fällen günstig sein, wenn das Drahtende auf eine solche Temperatur vorgewärmt wird, daß die zum blchtbogenzUnden erforderliche Stärke des Kurzschlußstroms im Schweißstromkreis etwa der Schweißstromstärke selbst entspricht.
Gemäß weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Drahtende Je nach Elektrodenmaterial auf eine Temperatur vorgewärmt, die vorzugsweise im Bereich von 50 % bis 100 % der Schmelztemperatur des Elektrodenmaterials liegt.
Das Vorerwärmen des Drahtendes kann vorzugsweise indirekt durchgeführt werden, wobei insbesondere von den folgenden einfachen Möglichkeiten Gebrauch gemacht werden kann; Vorwärmen mittels einer Autogenflamme; Vorwärmen mittels induktiver Erwärmung; Vorwärmen mittels Heißluft; Vorwärmen mittels fokussiert er elektromagnetischer Strahlung des optischen Wellenlängenbereichs.
Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann auch darin bestehen, daß das Vorwärmen direkt über einen Hochspannungsfunken mittels Vorheiz-Hilfslichtbogens erfolgt. Hierbei kann zur Erzeugung des Vorheiz#Hilfslichtbogens eine Leerlaufspannung verwendet werden, die höher ist als die üblicherweise bei Schutzgas-Schweißanlagen vorhandene Leerlaufspannung.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Vorerwärmen des Drahtendes mittels elektrischer Widerstandserwärmung erfolgen.
Vorzugsweise wird hierbei zum Vorerwärmen die gleiche Stromquelle wie zum Schweißen verwendet.
Bei Anwendung der letzteren Verfahrensausführung ist es günstig, wenn während der Vorerwärmung der durch die Drahtelektrode fließende Kurzschlußstrom mittels eines zur Drahtelektrode parallel schaltbaren ohmschen Widerstands entsprechender Dimensionierung kompensiert wird. Hierdurch ist es nämlich möglich, die von der Stromversorgung gelieferte Energie voll auszunutzen, ohne daß der Elektrodendraht einer zu hohen Strombelastung unterworfen werden würde. Man hat vielmehr durchdie letztgenannte Maßnahme eine besonders einfache Möglichkeit, das Drahtelektrodenende vor der Kontakt zündung auf die gewünschte Temperatur vorzuwärmen. Der Parallelstromweg wird vorzugsweise dann unterbrochen, wenn die erwünschte Temperatur des Drahtendes gerade erreicht ist.
Man kann Je nach verwendetem Elektrodenmaterial empirisch ermitteln, welche Zeit Jeweils benötigt wird, bis die gewünschte Vorwärmtemperatur des Drahtendes erreicht ist. Infolgedessen besteht dann noch die besonders günstige Möglichkeit, daß die Unterbrechung des Parallelstromwegs mittels eines einstellbaren Zeitgliedes automatisch erfolgt.
Die Erfindung wird im Rahmen von Aus'führungsbeispielen an Hand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei es sich wiederum um die bereits eingangs erörterte Schweißung von Aluminium: nach dem MiG-Verfahren unter Verwendung eines Elektrodendra ts mit einem Durchmesser von 1,6 mm handelt#(vg'l. Fig. 1), In Fig. 2 ist der Verlauf des Zünd- bzw. Schweißstroms 1 in Abhängigkeit von der Zeitz aufgetragen.
Fig. 3 zeigt beispielsweise eine Anordnung, mittels derer die Vorerwärmung des Endes der Drahtelektrode erfolgen kann.
Wie sich anhand der grafischen DarstelluGg gemäß Fig. 2 ergibt, wird durch Vorwärmen des aus der Kontaktdüse herausragenden Drahtendes unmittelbar vor der Lichbogenzündung auf eine Temperatur von etwa 50 % bis loo ffi der Schmelztemperatur des Drahtes eine Zündung praktisch bei der schweißs#tromstärke Is 260 A erreicht, d.h., eine Zündstromspitze wird völlig abgebaut und der Zündstrom 1z ist im wesentlichen gleich dem Schweißstrom Is. Der geschilderte Vorgang ist stets reproduzierbar, wie bereits in der Praxis nachgewiesen werden konnte. Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht den Übergang von einem sehr störungsanfälligen manuellen Betrieb zu einem einwandfrei funktionierenden, automatisierbaren Programmablauf.
Ferner hat es bei mechanisiertem Schweißbetrieb einen beim achtlichen#Einf1uß auf Güte und Kosten der geschweißtçn-Teile.
Der Mechanismus, der beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Verhinderung der Zündstromspitze führt,#wird darin gesehen, daß durch die Vorerwärmung bereits eine so hohe Energie im Drahtelektrodenende gespeichert wird, daß dann durch Überlagerung; kaum merkbarer zusätzlicher Energie aus dem Schweißstromkreis (Zeitspanne T gemåß-Fig*- 2) sofortJenes Energienivean erreichtwird, bei dem es zur Ablösung der ersten schmelzflüssigen Metallpartikel des Elektrodenmaterials und damit zur Bildung des @ichtbogens entsprechend den eingestelite#n Parametern kommt.
Hierbei dürften aber auch noch andere Effekte Einfluß nehmen, z.B. die Widerstandszunahme des Drahtendes durch die angehobene Temperatur, wahrscheinlich auch noch die Erhöhung des Kontaktwiderstands durch Oxydation der Drahtspitze, da die Vorerwärmung unter Normalatmosphäre erfolgt.
Zu den bereits geschilderten Vorteilen, die sich bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ergeben, kommt noch hinzu, daß der Verschleiß von Kontaktdüsen um das Verhältnis von ca.
1 : 3o herabgesetzt werden kann. Der Verschleiß von Schutzgasdüsen geht ebenfalls stark zurück, da das Zurückbrennen des Lichtbogens weitgehend unterliinden ist und es somit zu einer niedrigeren Wärmebelastung kommt.
Fig. 3 zeigt. in#.schematischer Darstellung eine Lichtbogen-Schweißeinrichtung, bei der das Ende einer Drahtelektrode 2 entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren unmittelbar vor der Kontakt zündung zwischen der Drahtelektrode 2 und einem Werkstück I vorgewärmt wird, und zwar im vorliegenden Ausfiihrungsbei spiel mittels elektrischer Widerstandserwärmung des Drahtendes selbst Mit 3 ist eine Vorratsrolle für das Elektrodenmaterial bezeichnet, von welcher der Elektrodendraht 2 abgezogen wird und anschließend mittels Drahtförderrollen 4 zu einer Kontaktse 5 hin und durch diese weiterbefördert wird. Das Drahtende steht bereits in Berührung mit der Oberfläche des Werkstücks 1. Von der in Fig. 3 schematisch dargestellten und mit 12 bezeichneten Stromversorgungseinheit der Lichtbogen-Schweißanlage führt eine elektrische Leitung 7 zu der Kontaktdüse 5, während andererseits das Werkstück 1 mit einer weiteren Stromleitung 8 in Verbindung steht. Hierbei ist die Kontaktdüse 5 mit dem Pluspol und das Werkstück 1 mit dem Minuspol verbunden.
Gemäß dem dargestellten Beispiel wird zum Vorerwärmen des Drahtendes des Elektrodendrahts 2 die gleiche Stromquelle verwendet wie zum Schweißen. Zu diesem Zweck ist innerhalb der Stromversorgungseinheit 12 ein ohmscher Widerstand#:6?:vorgesehen, welcher zur Kontaktdüse 5 bzw. zum Elektrodendraht 2 parallel geschaltet ist. Der Widerstand 6 ist also ebenfalls mit den elektrischen Leitungen 7 und 8 beiderseits verbunden. Zwischen dem einen Ende des Widerstands 6 und der elektrischen Leitung 8 befindet sich ein mittels eines Relais 9 betätigbarer Schalter lo, der gemäß der Darstellungsweise in Fig. 3 bereits geschlossen ist. Das Schließen dieses Schalters lo erfolgt nach dem Einschalten der Schweißanlage, Jedoch bevor noch der Elektrodendraht 2 mit seinem aus der Kontaktdüse 5 herausragenden Ende mit dem Werkstück 1 in Verbindung steht. Sobald der Kontakt zwischen dem Drahtelektrodenende undttdem Werkstück 1 hergestellt ist, ist der Schweißstromkreis geschlossen, wobei Jedoch durch die Drahtelektrode 2 und den Widerstand 6 parallele Ströme fließen. Der Widerstand 6 besitzt eine entsprechende elektrische Dimensionierung, so daß der durch die Drahtelektrode 2 fließende Kurzschlußstrom durch diesen Widerstand 6 kompensiert wird.
Infolgedessen kann der Drahtelektrode 2 und insbesondere deren Drahtende noch kein zum Zünden eines Lichtbogens entsprechend hoher Zündstrom zugeführt werden, vielmehr ist diese Stromzufuhr in der Weise eingestellt, daß sie zum ausreichenden Vorerwärmen des Drahtendes gerade ausreicht. Das Vorerwärmen des Drahtendes erfolgt hierbei Je nach Elektrodenmaterial auf eine Temperatur, die etwa im Bereich von 50 bis loo % der Schmelztemperatur des Elektrodenmaterials liegt. Nachdem man vorher durch Messungen ermittelt hat, welche Zeit man dazu benötigt, um das Elektrodenmaterial durch elektrische Widerstandserwärmung auf seine erforderliche Vorwärm-Temperatur zu bringen, hat man die Möglichkeit, den Parallelstromweg in dem Augenblick vorzugsweise automatisch zu unterbrechen, indem das Drahtende auf die erwünschte Temperatur gebracht ist.
Wie man aus Fig. 3 entnehmen kann, steht der Erregerstromkrels des Relais 9 mit der Einrichtung 11 in Verbindung, die beispielsweise ein einstellbares Zeitglied enthält, so daß nach Ablauf einer voreinstellbaren Zeitdauer das Relais 9 erregt werden kann, um den Schalter lo zu öffnen und damit den Parallelstromweg zu unterbrechen. Unmittelbar darauf wird es dann zur KontaktzUndung zwischen der Drahtelektrode 2 und dem Werkstück 1 kommen, wobei Jedoch, wie bereits im Vorangehenden dargelegt ist, lediglich ein Zündstrom verwendet wird, dessen Stärke im wesentlichen gleich derjenigen des Schweißstromes ist (Fig. 2).

Claims

Patetansprüche

3 Verfahren zum Zünden des Lichtbogens beim Schweißen mit abschmelzenden Drahtelektroden, insbesondere bei Verwendung von gut wärmeleitendem Elektrodenmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß das aus einer Kontaktdüse (5) einer Lichtbogen-Schwei ßeinric ht ung herausragende Ende der Drahtelektrode (2) unmittelbar vor der Kontaktzundung zwischen der Drahtelektrode und einem Werkstück (1) vorgewärmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtende auf eine solche Temperatur vorgewärmt wird, daß die zum Lichtbogenzünden erforderliche Stärke des Kurzschluß-Stromes im Schweißstromkreis etwa der Schweißstromstärke selbst entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtende je nach Elektrodenmaterial auf eine Temperatur vorgewärmt wird, die vorzugsweise im Bereich von 5o bis loo % der Schmelztemperatur des Elektrodenmaterials liegt.
4. Verfahren-nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorerwärmen mittels einer Autogenflamme erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorerwärmen mittels induktiver Erwärmung erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorerwärmen mittels Heißluft erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorerwärmen mittels fokussiert er elektromagnetischer Strahlung des optischen Wellenlängenbereichs erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorerwärmen direkt über einen Hochspannungsfunken mittels Vorheiz-Hilfslichtbogens erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch Erzeugung des Vorheiz-Hilfslichtbogens eine Leerlaufspannung verwendet wird, die höher ist als die üblicherweise bei Schutzgas-Schweißanlagen vorhandene Leerlaufspannung.
lo. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorerwärmen mittels elektrischer Widerstandserwärmung des Drahtendes selbst erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vorerwärmen die gleiche Stromquelle wie zum Schweißen verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß während der Vorerwärmung der durch die Drahtelektrode (2) fließende Kurzschlußstrom mittels eines zur Drahtelektrode parallel schaltbaren Ohmschen Widerstands (6) entsprechender Dimensionierung kompensiert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelstromweg unterbrochen wird, sobald die erwünschte Temperatur des Drahtendes erreicht ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechung des Parallelstromwegs mittels eines einstellbaren Zeitgliedes automatisch erfolgt.

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