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Verfahren zur Prozeßsteuerung beim Lichtbogenschweißen mit
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abschmelzender Elektrode Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Prozeßsteuerung beim Lichtbogenschmelzschweißen mit absohmelzender
Blektrode zur Durchführung des automatischen Schweißens mit endlosem Zusatzwerkstoff.
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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Es ist bekannt,
das Lichtbogenschmelzschweißen mit endlosem Zusatzwerkstoff durchzuführen, indem
dieser als Draht, Band, Fülldraht oder in ähnlicher Gestalt kontinuierlich der Werkstückschmelzzone
zugeführt und unter Einwirkung des Lichtbogens abgeschmolzen wird, wobei als Schutz
der Werkstückschmelzzonen des Lichtbogens und des Zusatzwerkstoffes aktive und innere
Gase, Pulver, Flußmittel und andere Hilfsstoffe zugesetzt werden.
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Diese Verfahren werden in Abhängi-"gkeit von der technologischen Aufgabe
mit Stromquellen, die im Bereich der Schweißparameter über eine fast horizontal
verlaufende statische Kennlinie verfügen, unter Anwendung der als # Is-Regelung
bekannten Methode der Beeinflussung des Abschmelzverhaltens und zeitlich konstanten
Elektrodenvcrschub oder mit Stromquellen, die im Bereich der Schweißparameter eine
stark fallende statische Belastungskennlinie aufweisen, unter Anwendung der als
A U@-Regelung bekannten Methode der Beeinflussung des Abschmelzverhaltens mit lichtbogenspannungsabhängigem
Elektrodenvorschub durchgeführt (BRD OS 2614494).
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Nachteilig bei der hinwendung der Is-Regelung ist der durch die flache
Stromquellencharakteristik bedingte große Schwankungsbereich des Schweißstromes,
der Bedingt durch den mit dem Quadrat der Stromstärke anwachsende@ Lichtbogendruck
zu unkontrollierten Badschwankungen unterschiedlicher Amplitude führt und zusammen
mit der abschmelzbewegung an der Zlektrodenspitze und der stochastischen Auslenkung
der Lichtbogensäule infolge laufender Katoden- bzw. Anodenfallgebiete zu einem resultierenden
NabtbildungsprozP£.ß führt, der gekennzeichnet ist durch einen stochastisch ablaufenden
Werkstoffübergang, durch unterschiedliche Bogenbrenn- und Kurzschlußphasen bzw.
bei kurzschlußfreiem Werkstoffiibergang
durch erheblich unterschiedliche
Tropfengrößen.
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Das Ergebnis ist eine in ihrem Aufbau unregelmäßige Schweißnaht bei
einer in vielen Fällen zu großen Wahrscheinlichkeit der verminderten Schweißnahtqualität
bei automatischeji Verfahren.
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Nachteilig, bei dem alsiX Us-Regelung bekannten Verfahren ist, daß
durch die zur Sicherung eines stabilen Prozesses erforderliche zeitliche Mittelwertbildung
des die Elektrodenvorschubgeschwindigkeit bestimmenden Schweißspannungswerten über
einen stochastisch ablaufenden Prozeß sowie durch die Trägheit verwendeter Vors@hubsysteme
eine Zuordnung des Meßsignals zum Auf- und Abschmelzprozeß insbesondere zum momentanen
Abstand zwischen Elektrodenspitze und Werkstückschmelzzone nicht gegeben ist, DieeX
U-Regelung kommt deshalb zweckmäßigerweise nur dort um Einsatz, wo große Lichtbogenlängen
und hohe Stromstärken vorliegen.
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bur Vermeidung der Nachteile der genannten Verfahren mit kontinuierlichem
Vorschub wurde nach WP B 23 k/199709 ein Verfahren zur Prozeßregelung beim Lichtbogenschweißen
mit pulsierendem Elektrodenvorschub angegeben, wobei bei vorgegebener Frequenz der
Vorschubbewegung eine Regelung des mittleren Schweißstromes durch eine Verstärkereinheit
erfolgt, die entsprechend dem Vergleich zwischen einem eingestellten Sollwert und
dem zeitlichen Mittelwert des Schweißstromes die mittlere Elektrodenvorschubgeschwindigkeit
bestimmt. Nachteilig ist hierbei die aus der erforderlichen Mittelwertbildung resultierende
Trägheit der Regelung, die eine ausreichend schnelle Beeinflussung des Snergieumsatzes
und der damit im Zusammenhang stehenden Abschmelzvorgänge ausschließt. Nachteilig
ist weiterhin die notwendige Isingrenzung der vorgeschlagenen Lösung auf Verfahren
mit flacher Stromquellencharakteristik.
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Ziel der Erfindung Es ist Ziel der Erfindung beim Lichtbogenschmelzschweißen
mit abschmelzender Elektrode eine hohe Naht qualität, wie Gleichmäßigkeit des Einbrandes
und der Nahtgeometrie sowie Feinschuppigkeit der Nahtoberfläche zu erreichen.
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Das Wesen der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
durch eine geeignet e Beeinflussung der Zufuhrbewegung des Elektrodenwerkstoffes
die Lichtbogengeometrie, die elektrischen Lichtbogenparameter, den Energieumsatz
im Bogenbereich sowie die Werkstoffab- und -aufschmelzung zuverlässig zu steuern.
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Erfindungsgemäß vjird die Aufgabe wie folgt gelost: Die Zufuhrbewegung
der absciimelzenden Elektrode setzt sich aus einer zyklischen Folge von Vorschub
und otillstandsphasen eusarmnen, wobei das Verhältnis von Bewegungs- und Stillstandszeit
möglichst klein ist. Bedingt durch die zyklische Bewegung des Elektrodenwerkstoffes
kommt es zu einer Beschleunigung und abbremsung des flüssigen Werkstofftropfens
an der Elektrodenspitze bzw. zu dessen eintauchen in das Schmelzbad. Daraus resultiert
eine Synchronität zwischen Vorschubbewegung und Werkstoffübergang, vorausgesetzt,
daß die Vorschubfrequenz in einem für diese Erscheinung geeignetem Frequenzbereich
liegt. Die Tropfenablbsung erfolgt dabei unmittelbar vor der Stillstandsphase, so
daß während dieser reproduzierbare Verhältnisse an der blektroden spitze vorliegen.
Über die Periodendauer einer Vorschubbewegung wird der Mittelwert oder das Zeitintegral
der Schweißspannung gebildet und mit einem fUr den Prozeß geforderten
Sollwert
verglichen. Die Istwertbildung erfolgt durch Mittlung der über den Verlauf einer
Periode anfallenden Momentanwerte oder als Integration über den Verlauf einer Bevwegungsperiode,
wobei in zweiten Fall zur reproduzierbaren Wiederholung des Meßvorganges ein Nullsetzen
des Integrators vor Beginn des neuen Meßvorganges erfolgt. Ausgehend von dem Soll-Ist-Wertvergleich
erfolgt durch eine geeignete logische Verarbeitungseinheit , die aus einem digitalen
oder analogen Rechner besteht, die festlegung bzw. Berechnung der Amplitude der
nächstfolgenden Bewegungsphase, und zwar derart, daß nach jedem Bewegungszyklus
die Regelabweichung möglichst klein ist und somit annähernd gleiche geometrische
Verhältnisse sowie vergleichbare elektrische und energetische Zustände im Bogenraum
vorliegen und somit gleichartige, mit großer liäherung zyklische Auf- und Abschmelzvorgänge
ablauf en. Bei Verfahren mit kurzschlußbehaftetem Werkstoffübergang kann die Wahl
des Meßzeitraumes neben der Synchronisation mit der Vorschubbewegung aufgrund der
Synchronität mit dem Werkstoffübergang bei großer ShnlicEseit der Folgezyklen auch
durch Nutzung der Spannungsflanken bei der Kurzschlußbildung erfolgen.
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Der als Maß für die geometrischen, elektrischen und energetischen
Verhältnisse nach Ablauf eines Meßvorganges vorliegende Meßwert kann zur Steuerung
weiterer Ab- bzw. Aufschmelzvorgänge in der gleichen Werkstückschmelzzone verwendet
werden.
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Durch die beschriebene Zuordnung der Vorschubbewegung zum zeitlichen
Verlauf der Lichtbogenspannung ist dieses Verfahren in erster Linie für das Liohtbogenschweißen
mit fallender atromquellen-Charakteristik geeignet, wobei durch die extrem schnelle
Meßwertverarbeitung eine Zinschränkung auf Prozesse mit hohen Schweißspannungen
und -strömen entfällt.
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Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung wird das Blockschaltbild
der Funkionseinheiten zur Prozeßsteucrung bei MIG-Schweißen gezeigt.
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Durch ein Drahtvorschubsystem 5 wird der Elektrodendraht 1 diskontinuierlich
vorgeschoben, wobei ein periodischer Wechsel zwischen Bewegungs- und Stillstandsphasen
vorliegt. Dieses Drahtvorschubsystem 5 besteht aus einem elektromagnetischen Schwingungssystem
mit einer selbsthemmenden Mitnehmeranordnull, die e die Schwingungsbewegung in 1itr
einer Bewegungsrichtung auf den Elektrodendraht 1 überträgt. Die Frequenz der Vor
schubbewegung wird entsprechend den technologischen Gegebenheiten über eine Frequeglsvorwahl
4 eingestellte Lbie Stromzufuhr zum Elektrodendraht 1 erfolgt über eine Strom-Kontaktdüse
6 durch eine Stromquelle 2 mit fallender Belastungscharakteristik. Durch eine Verarbeitungseinheit
10 wird die Spannung zwischen der Stromkontaktdüse 6 und dem Werkstück 9 erfaßt.
Zwischen der Spitze des aus der Ga.sdüse 3 kommenden Elektrodendrahtes 1 und dem
Werkstück 9 brennt ein Lichtbogen 8 unter Argonatmosphäre 7. In der Pause zwischen
zwei Bewegungsphasen, die der Verarbeitungseinheit 10 durch das Drahtvorschubsystem
5 signalisiert wird, erfolgt innerhalb der Verarbeitungseinheit 10 die Ermittelung
des Spannungsmittelwertes während dieser Zeit.
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Dieser wird mit einerüber die Sollwertvorgabe 11 vorgegebenen Spannung
vorzeichenbehaftet verglichen. Ausgehend von diesem Soll-Ist-Wertvergleich erfolgt
innerhalb der Verarbeitungseinheit 10 durch einen analogen Festwertrechner auf der
Basis von Operationsverstärkern die Berechnung der amplitude der nächsten Vorschubbewegung,
die dem Drahtvorschubsystem 5 signalisiert wird. Der Berechnuii=gsalgorithmus
ist
dabei so festgelegt, daß die Differenz zwischen Soll-und Istwert gegen Otendiert.
Bei der nächsten Vorschubbewegung werden der flüssige Werkstofftropfen von der i;'lek
trodenspitze abgestoßen und somit die Voraussetzungen für den nächsten Meßzyklus
geschaffen.