DE3523879A1 - Kurzlichtbogen-schweissverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Schweißvorganges beim Kurzlichtbogenschweißen mit regel­ mäßig wechselnder Lichtbogen-Brennphase und Kurzschluß­ phase.

Beim Kurzlichtbogenschweißen ändert sich der Momentanver­ lauf des Schweißstromes und der Schweißspannung in den einzelnen Phasen eines Schweißzyklusses. Sobald der Licht­ bogen einen Tropfen aufgeschmolzen hat, taucht dieser ins Schmelzbad ein und der Lichtbogen verlischt. Infolge der Oberflächenspannung des Schmelzbades fließt das aufgeschmol­ zene Elektrodenmaterial ins Schmelzbad. Durch die Kurz­ schlußbildung sinkt die Schweißspannung ab, die Schweiß­ stromstärke steigt nach einer Exponentialfunktion an. Der flüssige Tropfen wird infolge der Joule′schen Erwärmung beim Stromdurchgang erhitzt. In dem sich bildenden Tropfen­ hals steigen gleichzeitig die Pinch-Kraft, die Einschnürung und die Temperatur. Das elektrodenseitige Schmelzbad wird stark in Richtung auf der Werkstück hin beschleunigt.

Der immer dünner werdende Tropfenhals erhitzt sich so stark, daß er verdampft und ein neuer Lichtbogen zündet. Die Schweiß­ spannung steigt dann auf ihren Maximalwert an, während die Schweißstromstärke nach einer Exponentialfunktion sinkt. Es bildet sich dann ein neuer Tropfen und der Zyklus wieder­ holt sich ca. 50 bis 150 mal pro Sekunde.

Der Hauptnachteil beim Kurzlichtbogenschweißen besteht in der Spritzerbildung. Spritzer sind Metalltropfen, die von dem Schweißbad oder der Elektrode weggeschleudert werden und außerhalb der Naht oder auf die bereits erstarrte Schweiß­ naht auftreffen. Diese Spritzer können die Schweißnahtgüte beeinflussen und verursachen Kosten durch Nacharbeit und bedingen in jedem Fall einen Materialverlust. Durch diese Spritzerbildung wird darüberhinaus auch das Nahtaussehen negativ beeinflußt und es bildet sich eine erhebliche Ge­ räuschentwicklung beim Schweißen.

Die Ursache dieser nachteiligen Erscheinungen beim Kurzlicht­ bogenschweißen liegen in dem hohen Schweißstrom bei gleich­ zeitig stark ansteigender Schweißspannung beim jeweiligen Zünden des Lichtbogens. Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es bereits bei elektronisch gesteuerten Schweißstromquellen, vorwiegend bei transistorisierten Stromquellen bekannt, Eingriffe in den Stromverlauf vorzunehmen, um den Stromab­ fall beim Wiederzünden zu versteilern oder aber das Wieder­ zünden grundsätzlich bei einem verringerten Strom durchzu­ führen. Bekannt ist ein Verfahren, bei dem der Beginn der Kurzschlußphase erfaßt wird und für eine einstellbare Zeit ein Hochstromimpuls ausgelöst wird, während in der übrigen Zeit lediglich ein Lichtbogenerhaltungsstrom fließt. Hierbei ist jedoch Voraussetzung, daß der Hochstromimpuls genau beim Wiederzünden endet, was jedoch nur sehr schwer zu erreichen ist. Aus diesem Grunde hat sich dieses Ver­ fahren in der Praxis nicht durchgesetzt.

Nach einem weiteren Verfahren ist es darüberhinaus bekannt, die am Ende der Kurzschlußphase wieder ansteigende Span­ nung zu erfassen, um dann die Stromabfallgeschwindigkeit zu steuern. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß ein Stromabfall erst dann eintritt, wenn die Spannung bereits einen vorgegebenen Wert erreicht hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung eines Kurzlichtbogens vorzuschlagen, mit dem nicht nur die Spritzerbildung weitestgehend beseitigt wird und eine einwandfreie Naht erhalten und die Lautstärke beim Schweißen reduziert wird, sondern bei dem auch der Ener­ gieverbrauch deutlich gesenkt wird.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit der mo­ mentane Schweißstrom und die momentane Schweißspannung er­ faßt und aus diesen beiden Werten kontinuierlich die mo­ mentane Schweißleistung errechnet. Die Steuerung erfolgt an­ hand der Schweißleistung derart, daß der Schweißstrom oder die Schweißspannung so geregelt wird, daß eine vorgegebene maximale Schweißleistung nicht überschritten wird. Die für das Kurzlichtbogenschweißen verwendete Schweißstromquelle besteht aus den üblichen Baugruppen, wie Schweißspannungs­ regler, Stromregler zur Strombegrenzung, Steilheitsbegrenzer im Stromleitpfad zur Drosselnachbildung und der Leistungs­ baugruppe. Zusätzlich hierzu ist eine Vorrichtung zur Erfassung des Momentanwertes der Schweißleistung einge­ baut, wobei die Ausgangsleistung der Schweißstromquelle mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und vorzugs­ weise durch Eingriff in die Schweißstromregelung auf den eingestellten Wert begrenzt wird.

Mit einer derartigen Anordnung wurden Schweißversuche mit CO₂-Schutzgas unternommen, wobei der Momentanwert der Leistung beim Wiederzünden bis auf 60 % des ursprünglichen Wertes zurückgenommen werden konnte, ohne daß die anderen Schweißparameter geändert werden mußten. Des weiteren konn­ te eine stark reduzierte Spritzerbildung beobachtet werden, wobei gleichzeitig die Lautstärke des Schweißgeräusches deutlich abnahm und das Nahtaussehen wesentlich verbessert wurde. Mit dickeren Drähten kann somit bei niedrigeren Strömen ein stabiler, störungsfreier Kurzlichtbogenprozeß betrieben werden, wobei neben CO₂ als Schutzgas auch Misch­ gase verwendet werden können.

Die Regelung kann in geeigneter Weise vorgenommen werden, wobei vorteilhaft getaktete Stellglieder mit kleiner Re­ aktionszeit verwendet werden. Es ist auch möglich, lineare Transistorsteller zu verwenden.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben, in dieser zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Schweißstromquelle, die gemäß dem Verfahren einsetzbar ist und

Fig. 2 eine Prinzipskizze des Schweißstrom-, Schweißspannungs- und Schweißleistungsverlaufs mit und ohne Leistungsbegrenzung.

In Fig. 1 ist eine Schweißstromquelle dargestellt, die aus einer Eingabeeinheit 1 für die Führungsgrößen be­ steht, die auf einen Spannungsregler 2 einwirkt, dem ein Steilheitsbegrenzer 3 für den Schweißstrom und ein Strom­ regler 4 nachgeschaltet sind. Die Eingabeeinheit 1 ist über eine Leitung 16 mit dem Spannungsregler 2 und über eine Leitung 17 mit dem Stromregler 4 verbunden. Die vorstehend genannten Steuerelemente wirken auf eine Leistungsbaugruppe 5 ein, die dem Schweißprozeß 6 den erforderlichen Schweißstrom zuführt. In die zum Schweiß­ prozeß 6 führende Schweißstromleitung 7 ist eine Strom­ erfassungseinheit 8 eingeschaltet, von der über eine Lei­ tung 9 der Istschweißstrom dem Stromregler 8 zurückgemel­ det wird. Des weiteren wird von einer Leitung 10 die Ist­ schweißspannung abgegriffen und dem Spannungsregler 2 zugeführt. Bei der bisher behandelten Schweißstromquelle handelt es sich um eine bekannte Schweißstromquelle, die für das Kurzlichtbogenschweißen eingesetzt wird. In die­ se bekannte Schweißstromquelle ist ein Leistungsbegren­ zer 11 eingefügt, dem über eine Leitung 12 die Führungs­ größen sowie über Leitungen 13, 14 die momentanen Schweiß­ spannungs- und Schweißstromwerte zugeführt werden. Die­ ser Leistungsbegrenzer 11 ist seinerseits über eine Lei­ tung 15 mit dem Stromregler 4 verbunden.

In Fig. 2 ist eine Prinzipskizze des Schweißstroms, der Schweißspannung wie der Schweißleistung in den einzelnen Phasen des Schweißzyklusses dargestellt. Die in der Schweiß­ stromkurve mit den Buchstaben a bis f dargestellten Punkte geben folgenden Ablauf an.

• a) Der Lichtbogen schmilzt einen Tropfen auf.
• b) Der Tropfen taucht ins Schmelzbad und der Lichtbogen verlischt.
• c) Der Tropfen fließt ins Schmelzbad.
• d) Der flüssige Tropfen wird beim Stromdurchgang er­ hitzt.
• e) Der Tropfenhals erhitzt sich so stark, daß er ver­ dampft und ein neuer Lichtbogen zündet.
• f) Die Spannung steigt auf ihren Maximalwert an, die Stromstärke sinkt. Es bildet sich ein neuer Tropfen.

Bei einer konventionellen Schweißstromquelle ist somit der Schweißstrom anfangs konstant und steigt dann auf sei­ nen maximalen Wert an und fällt nach einer Exponential­ funktion (f) bis auf seinen Anfangswert zurück, worauf sich der Zyklus dann wiederholt. Die unter dem Stromver­ lauf dargestellte Spannung hat zunächst einen relativ hohen Ausgangspunkt und fällt dann auf einen Minimalwert ab, steigt dann langsam wieder an und erreicht ihren Maximal­ wert (e), sobald ein neuer Lichtbogen zündet. Die Spannung fällt dann langsam wieder auf den Ausgangswert ab, worauf sich der Vorgang wiederholt. Betrachtet man die auf der darunter liegenden Kurve zugehörige Leistung, so zeigt sich, daß die Leistung anfänglich etwas abnimmt, um dann stetig bis auf einen Maximalwert anzusteigen, um dann langsam wieder nach Überschreiten des Maximalwertes auf den Ausgangswert zurückzufallen.

Die in der Fig. 2, und zwar in der Strom-, Spannungs- und Leistungskurve eingezeichneten schraffierten Bereiche fallen weg, wenn eine Regelung des Schweißvorganges ge­ mäß der Erfindung vorgenommen wird, bei der die Leistung auf einen Maximalwert begrenzt ist. Die Herabregelung des Schweißstromes auf einen niedrigeren Wert erfolgt in dem Moment, in dem in der Leistungskurve ein vorgegebener und einstellbarer Wert überschritten wird. Hierdurch wird die Leistungsspitze weggenommen, was, wie die schraf­ fierten Bereiche in der Strom- und Spannungskurve auswei­ sen, eine Reduzierung des Stromes bei gleichzeitiger Re­ duzierung der Schweißspannung zur Folge hat. Durch diese Maßnahme wird die Spritzerbildung wesentlich herabgesetzt und das Nahtaussehen verbessert. Darüberhinaus ist auch die Lautstärke beim Schweißen stark reduziert, wie auch der Energieverbrauch verringert wird. Gegenüber den bekann­ ten Verfahren des Eingriffes in den Schweißstrom bzw. die Schweißspannung hat das erfindungsgemäß vorgeschlagene Ver­ fahren den Vorteil, daß hier keine komplizierten Messun­ gen für die Erfassung des Zündens eines neuen Lichtbogens sowie der Erfassung der Kurzschlußphase erforderlich sind, sondern hier werden lediglich elektrische Größen wie die momentane Schweißspannung und der momentane Schweißstrom erfaßt und das Produkt aus beiden als Regelgröße einge­ setzt. Dieses Verfahren kann mittels einer leicht modifi­ zierten, herkömmlichen Schweißstromquelle durchgeführt wer­ den, wobei lediglich ein Leistungsbegrenzer eingesetzt zu werden braucht.

Claims (4)

1. Verfahren zur Steuerung des Schweißvorganges beim Kurzlichtbogenschweißen mit regelmäßig wechselnder Licht­ bogen-Brennphase und Kurzschlußphase, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ist-Schweißstrom und die Ist-Schweißspannung kontinuierlich erfaßt und die momentane Schweißleistung errechnet wird und daß der Schweißstrom und/oder die Schweißspannung dann soweit herabgeregelt werden, daß die momentane Schweißleistung einen vorgegebenen maxima­ len Wert nicht überschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Leistungsberechnung die normierte Ausgangsspannung und die Istwert-Spannung der Stromerfassung einem Produktbild­ ner zugeführt werden und die so gewonnene Ist-Größe der Schweißleistung eine Regelanordnung steuert, die die Aus­ gangsleistung der Schweißstromquelle auf einen vorgegebe­ nen Wert begrenzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der momentane Wert der Leistung bei einem Wiederzünden bis auf 60 % seines ursprünglichen Wertes beschränkt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schweißstromquelle getaktete Stell­ glieder oder lineare Transistorsteller aufweist.