DE3523879A1 - Short-circuiting arc welding process - Google Patents

Short-circuiting arc welding process

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Abstract

The method of controlling the welding operation in short-circuiting arc welding with regularly alternating arc-burning phase and short-circuiting phase, with which not only is the formation of spatter eliminated to the greatest possible extent and a sound weld obtained and the noise during welding reduced but the energy consumption is also significantly reduced, is constituted in such a way that the actual welding current and the actual welding voltage are continuously detected and the instantaneous welding power is calculated. The welding current and/or the welding voltage is then reduced in a controlled manner to such an extent that the instantaneous welding power does not exceed a predetermined maximum value.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Schweißvorganges beim Kurzlichtbogenschweißen mit regel­ mäßig wechselnder Lichtbogen-Brennphase und Kurzschluß­ phase.The invention relates to a method for controlling the Welding process in short arc welding with rule moderately changing arc burning phase and short circuit 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. The momentary ver changes in short arc welding course of the welding current and the welding voltage in the individual phases of a welding cycle. As soon as the light bow melted a drop, it dips into it Melt pool and the arc extinguishes. As a result of The surface tension of the molten pool is melted zene electrode material into the weld pool. Through the short conclusion, the welding tension drops, the sweat current increases after an exponential function. The liquid drops is due to Joule's warming heated when passing electricity. In the drop forming at the same time the pinch force, the constriction, increases and the temperature. The molten pool on the electrode side accelerated strongly towards the workpiece.  

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.The thinning drop neck heats up so much that it evaporates and ignites a new arc. The sweat The voltage then rises to its maximum value while the Welding current strength after an exponential function drops. A new drop then forms and the cycle starts again gets about 50 to 150 times per second.

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.The main disadvantage with short arc welding is in of spattering. Splashes are drops of metal made by are thrown away from the weld pool or the electrode and outside the seam or on the already solidified sweat approach. These splashes can affect the weld quality influence and cause costs through rework and cause loss of material in any case. Through this Splashing will also make the seam look negatively affected and it forms a considerable Ge noise during welding.

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.The cause of these adverse phenomena in the short light Arc welding is the same in the high welding current rapidly increasing welding voltage at the respective Ignition of the arc. To avoid these disadvantages it already with electronically controlled welding current sources, mainly known for transistorized current sources, Intervene in the current flow to make the current fall to re-ignite or re-ignite basically ignite at a reduced current to lead. A method is known in which the beginning of the Short circuit phase is detected and for an adjustable time a high current pulse is triggered while in the remaining time, only an arc maintenance current flows. However, it is a prerequisite that the high current pulse  ends exactly when re-igniting, which is very difficult can be reached. For this reason, this ver driving is not enforced in practice.

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.According to a further process, it is also known the span increasing again at the end of the short circuit phase voltage, then the rate of current drop to control. The disadvantage of this method is in that a drop in power only occurs when the Voltage has already reached a predetermined value.

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.The invention has for its object a method for Propose control of a short arc, with which not only the formation of splashes is largely eliminated and get a perfect seam and the volume at Welding is reduced, but also the ener energy consumption is significantly reduced.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst.This task is characterized by the characteristics of Part of claim 1 solved.

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.According to the method according to the invention, the mo mental welding current and the current welding voltage summarizes and from these two values the mo mental welding performance calculated. The control takes place hand the welding power such that the welding current or the welding voltage is regulated so that a predetermined one maximum welding power is not exceeded. The for the short arc welding used power source consists of the usual assemblies, such as welding voltage regulator, current regulator for current limitation, slope limiter in the current path for choke simulation and power assembly. In addition to this is a device for  Detection of the instantaneous value of the welding power on builds, the output power of the welding power source compared with a predetermined setpoint and preferred by intervening in the welding current control set value is limited.

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.With such an arrangement, welding tests were carried out with CO 2 protective gas, the instantaneous value of the power when re-igniting being reduced to 60% of the original value without the other welding parameters having to be changed. Furthermore, a greatly reduced spatter formation could be observed, at the same time the volume of the welding noise decreased significantly and the seam appearance was significantly improved. With thicker wires, a stable, trouble-free short-arc process can thus be operated at lower currents, and mixed gases can be used in addition to CO₂ as a protective gas.

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.The regulation can be carried out in a suitable manner, whereby advantageously timed actuators with small Re action time can be used. It is also possible to use linear Transistor controller to use.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben, in dieser zeigen:The invention is described below with reference to the drawing described in this show:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Schweißstromquelle, die gemäß dem Verfahren einsetzbar ist und Fig. 1 is a schematic diagram of a welding current source that can be used according to the method and

Fig. 2 eine Prinzipskizze des Schweißstrom-, Schweißspannungs- und Schweißleistungsverlaufs mit und ohne Leistungsbegrenzung. Fig. 2 is a schematic diagram of the welding current, welding voltage and welding power curve with and without power limitation.

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. 1, a welding current source is shown, which is from an input unit 1 for the command variables, which acts on a voltage regulator 2 , which is followed by a steepness limiter 3 for the welding current and a current regulator 4 . The input unit 1 is connected to the voltage regulator 2 via a line 16 and to the current regulator 4 via a line 17 . The aforementioned control elements act on a power module 5 , which supplies the welding process 6 with the required welding current. In the welding process line 7 leading to the welding process 6 , a current detection unit 8 is switched on, from which the actual welding current to the current regulator 8 is detected via a line 9 . Furthermore, the actual welding voltage is tapped from a line 10 and fed to the voltage regulator 2 . The welding current source dealt with so far is a known welding current source which is used for short-arc welding. In the se known welding current source, a power limiter 11 is inserted, to which the guide variables are fed via a line 12 and the instantaneous welding voltage and welding current values are fed via lines 13 , 14 . The water power limiter 11 is in turn connected via a line 15 to the current regulator 4 .

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.In FIG. 2 is a schematic diagram of the welding current, the welding voltage as the welding power in each phase of the welding cycle is illustrated. The points shown in the welding current curve with the letters a to f indicate the following sequence.

  • a) Der Lichtbogen schmilzt einen Tropfen auf. a) The arc melts a drop.  
  • b) Der Tropfen taucht ins Schmelzbad und der Lichtbogen verlischt.b) The drop dips into the weld pool and the arc goes out.
  • c) Der Tropfen fließt ins Schmelzbad.c) The drop flows into the melt pool.
  • d) Der flüssige Tropfen wird beim Stromdurchgang er­ hitzt.d) The liquid drop becomes when the current passes is heating.
  • e) Der Tropfenhals erhitzt sich so stark, daß er ver­ dampft und ein neuer Lichtbogen zündet.e) The drop neck heats up so much that it ver steams and a new arc ignites.
  • f) Die Spannung steigt auf ihren Maximalwert an, die Stromstärke sinkt. Es bildet sich ein neuer Tropfen.f) The voltage rises to its maximum value, the Current drops. A new drop is formed.

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.So with a conventional welding power source the welding current is constant at the beginning and then increases NEN maximum value and falls after an exponential function (f) back to its initial value, whereupon the cycle then repeats itself. The under the Stromver voltage shown initially has a relatively high Starting point and then drops to a minimum value, then slowly rises again and reaches its maximum worth (e) as soon as a new arc ignites. The voltage then slowly falls back to the initial value, whereupon the process is repeated. If you look at the on the associated performance below curve, shows that the performance will decrease slightly at the beginning, and then to steadily increase to a maximum value and then slowly again after exceeding the maximum value fall back to the initial value.

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.The hatched areas shown in FIG. 2, namely in the current, voltage and power curve, are omitted when the welding process is controlled according to the invention, in which the power is limited to a maximum value. The welding current is reduced to a lower value at the moment in which a predetermined and adjustable value is exceeded in the power curve. As a result, the peak power is removed, which, as shown by the hatched areas in the current and voltage curve, results in a reduction in the current while at the same time reducing the welding voltage. This measure significantly reduces the formation of spatter and improves the seam appearance. In addition, the volume during welding is greatly reduced, as is the energy consumption. Compared to the known methods of intervention in the welding current or the welding voltage, the method proposed by the invention has the advantage that no complicated measurements are necessary for the detection of the ignition of a new arc and the detection of the short-circuit phase, but only electrical ones Quantities such as the current welding voltage and the current welding current are recorded and the product of both is used as a control variable. This method can be carried out by means of a slightly modified conventional welding power source, with only a power limiter needing to be used.

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.1. A method for controlling the welding process in short arc welding with regularly changing arc-burning phase and short-circuit phase, characterized in that the actual welding current and the actual welding voltage is continuously detected and the instantaneous welding power is calculated and that the welding current and / or the welding voltage then be reduced so far that the instantaneous welding power does not exceed a predetermined maximum value. 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.2. The method according to claim 1, characterized in that the standardized output voltage and the actual value voltage of the current detection a product image ner are fed and the actual size thus obtained Welding power a control arrangement that controls the off output power of the welding current source on a given limited value. 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.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the instantaneous value of the power on re-ignition limited to 60% of its original value. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schweißstromquelle getaktete Stell­ glieder oder lineare Transistorsteller aufweist.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized ge indicates that the welding current source is pulsed position has links or linear transistor actuators.
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