DE3707800A1 - Verfahren zum schweissen oder schneiden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen oder Schneiden mit einem mit elektrischem Bogen arbeitenden Brenner, vorzugsweise Plasmabrenner, welcher in einem Abstand über die Oberfläche eines Werkstücks bewegt wird, wobei sich zwischen dem Brenner und der Oberfläche des Werkstückes eine vom Abstand des Brenners abhängige Bogenspannung einstellt.

Das an sich bekannte Schweißen oder Schneiden dient im wesentlichen zum Fügen oder Trennen von metallischen Werkstoffen unter Anwendung von Wärme. Beim elektrischen Licht- oder Plasmabogen wird die hohe Temperatur des Licht- oder Plasmabogens zum Schmelzen des Werkstoffs ausgenutzt. Der Licht- oder Plasmabogen ist Bestandteil eines Schweiß- bzw. Schneidstromkreises. Er kann wegen der aus Gründen der Unfallsicherheit relativ niedrig gewählten Leerlaufspannung für die Stromquellen nicht selbständig zünden und benötigt daher eine Zündhilfe. Man unterscheidet hierbei das Zünden durch Berühren der Elektrode mit dem Werkstück oder das Hochspannungs-, Hochfrequenz- oder Hochspannungsimpulszünden. Nach dem Zünden des Licht- oder Plasmabogens steht zwischen der Elektrode und dem Werkstück eine meßbare Bogenspannung an, die abhängig von der Stromquelle und den an der Stromquelle eingestellten Werten in einem Bereich von 10 V bis 200 Volt liegt. Erreicht der Licht- oder Plasmabogen das Ende eines zu schweißenden oder zu schneidenden Werkstücks und tritt über die Endkante des Werkstückes heraus, dann findet eine räumliche Ablenkung des Licht- oder Plasmabogens gegenüber der Elektrodenachse statt. Der Licht- oder Plasmabogen brennt nicht mehr in der durch die Elektrode angezeigten Richtung, sondern quer dazu. Bei dieser räumlichen Ablenkung verlängert sich der Licht- oder Plasmabogen, bis die maximale Speisespannung der Stromquelle erreicht wird; dann reißt der elektrische Bogen ab. Bei diesem Vorgang kann eine Erhöhung der Bogenleistung bis zum vierfachen der normalen Arbeitsleistung des elektrischen Bogens stattfinden. Dies kann zu einer Zerstörung der Düsen und der Brenner führen, insbesondere wenn als Stromquelle eine schnell reagierende thyristorgeregelte oder Transistorkonstantstromquelle verwendet wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung hierfür anzugeben, die es ermöglichen, die Zerstörung von Düse und/oder Brenner durch die räumliche Ablenkung und Verlängerung des elektrischen Bogens zu verhindern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die bei einer Verlängerung des elektrischen Bogens, insbesondere am Ende des Bearbeitungs- insbesondere Schneidvorgangs entstehende erhöhte Bogenspannung mit einem Sollwert verglichen wird und das hieraus gebildete Steuersignal einem Schaltglied eingespeist wird, das in Abhängigkeit davon die Energiezufuhr des Bogens abschaltet.

Um den Sollwert in einfacher Art und Weise an die wechselnden Arbeitsparameter anzupassen, so daß immer nur eine relative Erhöhung der sich am Ende des Schweißens oder Schneidens einstellenden erhöhten Bogenspannung gegenüber der durch die Einstellung der Stromquelle vorgegebenen Arbeitsspannung des Bogens erfaßt wird, wird als Sollwert die während des Schweißens oder Schneidens sich einstellende Bogenspannung abgespeichert.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht vorzugsweise aus einer thyristorgeregelten oder Transistorkonstantstromquelle und einem Brenner, vorzugsweise Plasmaschneidbrenner, in deren Stromkreis zwischen Elektrode und Stromquelle ein Komperator geschaltet ist, dessen Eingang über eine Meßleitung mit der Elektrode und dessen anderer Eingang mit einem parallel zur Meßleitung geschalteten Speicherglied verbunden ist. Als Speicherglied kann ein Integrator oder eine Sample- und Hold-Schaltung dienen. Vor dem Speicherglied ist ein erstes Tor angeordnet, welches mit einem Steuerglied, insbesondere einem Steuerschalter verbunden ist und dessen Schaltzustand über die von dem Steuerglied erzeugten Signale derart veränderbar ist, daß der Stromkreis zwischen Elektrode und Stromquelle geöffnet oder gesperrt ist. Zwischen dem Steuerglied und dem Tor ist ein erstes Zeitglied angeordnet, welches die Weiterleitung der Signale zum Tor einstellbar verzögert. Durch diese Maßnahme wird vorteilhaft erreicht, daß die beim Einschalten der Stromquelle sich einstellende hohe Leerlaufspannung unterdrückt wird und nicht in dem Speicherglied abgespeichert wird. Erst nachdem der elektrische Bogen einen vorgegebenen Arbeitsabstand erreicht hat, öffnet das erste Tor.

Das erste Zeitglied ist unter Zwischenschaltung eines zweiten Zeitgliedes mit einem zweiten Tor verbunden, welches in der Meßleitung angeordnet ist. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, daß nach Ablauf des zweiten Zeitgliedes das zweite Tor geöffnet und damit die Meßleitung freigegeben wird. Da die Verzögerungszeit des zweiten Zeitglieds wesentlich größer ist als die Verzögerungszeit des ersten Zeitglieds, wird eine vorzeitige Abschaltung der Stromquelle vermieden, die durch die langsame Signalbildung innerhalb des Speichergliedes sonst einsetzen würde. Mittels des zwischen dem ersten Tor und der Elektrode angeordneten Filters werden vorteilhaft die bei einer Hochspannungszündung verbleibenden Hochspannungsteile ausgeschaltet und die Spannung vorgeglättet. Der Ausgang des Komperators ist unter Zwischenschaltung eines Schaltgliedes, insbesondere eines Relais, mit der Stromquelle verbunden und schaltet diese am Ende des Schweiß- oder Schneidvorganges bei einer Erhöhung der Bogenspannung ab. Mit dem zwischen Speicherglied und Komperator angeordneten Einsteller, der vorzugsweise als Potentiometer ausgebildet ist, kann vorteilhaft die Abschaltschwelle eingestellt werden. So kann beispielsweise an dem Einsteller die Abschaltung der Stromquelle bei einer Erhöhung der Bogenspannung auf 110 bis 150% relativ zu der im Speicherglied gespeicherten Bogenspannung eingestellt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

In der Zeichnung ist als Werkzeug ein Plasmabrenner 10 vorgesehen, der eine Elektrode 11 aufweist, die über Leitung 12 mit dem ersten Ausgang 13 einer Stromquelle 14, vorzugsweise einer Plasmastromquelle, verbunden ist. Ein zweiter Ausgang 15 der Stromquelle 14 ist über Leitung 17 an das als Anode geschaltete Werkstück 16 gelegt. Die Stromquelle 14 ist schematisch dargestellt und weist u. a einen über Anschlüsse 38, 39 an einem Versorgungsnetz angeschlossenen Transformator 40 mit nachgeschaltetem Leistungsteil 18 (vorzugsweise Thyristorbrücke B 6) auf, wobei die Thyristoren der Brücke über nicht dargestellte Baugruppen ansteuerbar sind und damit die Leistung der Stromquelle regelbar ist. An den Stromkreis 12, 17 ist ein Komperator 19 angeschlossen, dessen einer Eingang 20 über eine Meßleitung 21 mit der Elektrode 11 und dessen anderer Eingang 22 mit einem parallel zur Meßleitung 21 geschalteten Speicherglied 23 verbunden ist. Zwischen dem Speicherglied 23 und dem Komperator 19 ist in der Leitung 24 ein Einsteller 25, vorzugsweise ein Potentiometer angeordnet. In der Meßleitung 21 ist hinter der Stromeintrittsklemme 26, über die die Leitung 24 mit der Meßleitung 21 verbunden ist, ein vorzugsweise als Analogschalter ausgebildetes zweites Tor 27 angeordnet. Zwischen dem zweiten Tor 27 und dem Komperator 19 ist ein Begrenzungswiderstand 28 in der Meßleitung 21 vorgesehen. Zwischen der Stromeintrittsklemme 26 und der Elektrode 11 ist in der Leitung 12 vor der Stromeintrittsklemme 26 ein vorzugsweise ebenfalls als Analogschalter ausgebildetes erstes Tor 29 und zwischen diesem ersten Tor 29 und der Elektode 11 ein Filter 30 geschaltet. Das erste Tor steht über eine Steuerleitung 37 unter Zwischenschaltung eines Zeitgliedes 31 mit einem Steuerglied 32, vorzugsweise einem Steuerschalter, in Verbindung. Das erste Zeitglied 31 ist mit einem zweiten Zeitglied 33 verbunden, das über die Steuerleitung 34 an das zweite Tor 27 angeschlossen ist.

Die anhand der Zeichnung vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Die Stromquelle 14 wird über das Steuerglied 32 und Schließen des Kontaktes 42 eingeschaltet, so daß über Verbindungsleitungen 12, 17 zwischen der Elektrode 11 und dem Werkstück 16 die Leerlaufspannung anliegt. Mit dem Betätigen des Steuergliedes 32 (Schließen des Schalters) wird auch das Zeitglied 31 aktiviert, das nach einer bestimmten vorgebbaren Verzögerungszeit t ₁ das beim Einschalten der Stromquelle 14 geschlossene erste Tor 29 öffnet. Die Zeitdauer nach der das erste Tor 29 öffnet, ist dabei so bemessen, daß der Plasmabrenner 10 mit der Elektrode 11 auf den Arbeitsabstand H eingestellt werden kann und sich ein elektrischer Plasmabogen zwischen der Elektrode 11 und dem Werkstück 16 ausgebildet hat.. Die gegenüber der Spannung des elektrischen Bogens wesentlich höhere Leerlaufspannung wird somit unterdrückt und nicht in dem Speicherglied 23 als Sollwert abgespeichert. Nachdem sich der Plasmabogen zwischen Elektrode 11 und Werkstück 16 ausgebildet hat, öffnet sich das erste Tor 29 und die durch den Filter 30 vorgeglättete und in Bezug auf Hochspannungsanteile aufbereitete Bogenspannung wird in dem Speicherglied 23 während des Schweiß- oder Schneidvorganges abgespeichert. Da es bei einem als Integrator ausgebildeten Speicherglied 23 nur zu einer sehr langsamen Signalausbildung kommt, ist das erste Zeitglied 31 unter Zwischenschaltung eines zweiten Zeitgliedes 32 mit einem zweiten Tor 27 verbunden, das die Meßleitung 21 während der Signalbildung innerhalb des Speichergliedes 23 sperrt. Nachdem die als Sollwert während des Schweißens oder Schneidens anstehende Bogenspannung in dem Speicherglied 23 gespeichert ist, öffnet nach der Verzögerungszeit t ₂ das zweite Tor 27 und gibt die Meßleitung 21 frei. An den Eingängen 22, 20 des Komperators 19 liegt während des Schweiß- oder Schneidprozesses theoretisch die gleiche Bogenspannung an. Da jedoch der Integrator 23 auf Änderungen wesentlich langsamer reagiert als die Meßleitung 21, könnten geringfügige Höhenabweichungen zu einem Abschalten des Leistungsteils 18 führen. Um dies zu vermeiden, ist in der Leitung 24 der Einsteller 25 angeordnet, mittels dem eine prozentuale Erhöhung der Bogenspannung eingestellt werden kann, bei der der Komperator ein Schaltsignal erzeugt. Der Ausgang 35 des Komperators 19 ist mit einem Schaltglied 36, vorzugsweise einem Relais verbunden, dessen Schaltkontakt 41 im Primärkreis 43 des Transformators 40 liegt und die Stromquelle bei einer prozentualen Erhöhung der Bogenspannung zwischen 110 und 150% zu der im Speicherglied abgespeicherten Bogenspannung abschaltet.

Die oben beschriebene Vorrichtung und das Verfahren sind besonders vorteilhaft bei einer Plasmaanlage mit einer thyristorgeregelten Plasmastromquelle mit einem Schneidbrenner einsetzbar. Am Ende des Schneidvorganges brennt der Plasmabogen weiter, bis die maximale Speisespannung der Plasmaanlage erreicht wird, dann reißt der Lichtbogen ab. Wenn beispielsweise mit einer Einstellung von 300 Ampere/100 Volt gearbeitet wird, erhöht sich ohne die beschriebene Vorrichtung die Bogenleistung am Ende des Schneidvorganges durch die räumliche Ablenkung und damit Verlängerung des Plasmabogens von 30 kW bis auf ca. 90 kW (300 Ampere/300Volt). Abhängig von der Einstellung am Einsteller 25 wird mit der Vorrichtung nach der Erfindung bei einem Anstieg der Bogenleistung auf 33 kW die Stromquelle 14 abgeschaltet und damit eine Zerstörung des Brenners, insbesondere der Plasmabrennerdüse vermieden.

Die vorliegende Erfindung bewirkt vorteilhaft, daß ein Anstieg der Bogenspannung und damit der Bogenleistung am Ende des Schneidvorganges vermieden wird. Dieser Anstieg wird auch dann vermieden, wenn sich der Plasmabogen plötzlich verlängert, z. B. wenn aufgrund einer Störung das Werkstück plötzlich absackt oder bei einem Ausfall der Brennersteuerung der Brenner durch die vorgesehene Sicherung plötzlich nach oben angehoben wird.

Die Erfindung ist neben dem beschriebenen Plasmabrenner mit übertragenem Plasmabogen auch bei Plasmabrennern mit nicht übertragenem Plasmabogen einsetzbar. In diesem Fall ist der Komperator nicht parallel zu Elektrode und Werkstück sondern parallel zu Elektrode und Plasmabrennerdüse geschaltet. Auch ist die Erfindung bei Lichtbogenbrennern, insbesondere WIG-Brennern, einsetzbar.

Auch bei Konstantspannungsquellen kann die Erfindung Verwendung finden, wobei dann nicht die Spannung, sondern der Bogenstrom erfaßt und mit einem Sollwert verglichen wird.

Claims (11)

1. Verfahren zum Schweißen oder Schneiden mit einem mit elektrischen Bogen arbeitenden Brenner, welcher mit vorgegebenen Abstand über die Oberfläche eines Werkstücks bewegt wird, wobei sich zwischen dem Brenner und der Oberfläche des Werkstücks eine vom Abstand des Brenners abhängige Bogenspannung einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die bei einer Verlängerung des elektrischen Bogens, insbesondere am Ende des Schneidvorgangs entstehende erhöhte Bogenspannung mit einem Sollwert verglichen wird und das hieraus gebildete Steuersignal einem Schaltglied (36) eingespeist wird, das in Abhängigkeit davon die Energiezufuhr des Bogens abschaltet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sollwert die während des Schweißens oder Schneidens sich einstellende Bogenspannung abgespeichert wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Plasmastromquelle und einem Schneidbrenner, dadurch gekennzeichnet, daß an den Stromkreis (12, 17) ein Komperator (19) geschaltet ist, dessen einer Eingang (20) über eine Meßleitung mit der Elektrode (11) und dessen anderer Eingang (22) mit einem parallel zur Meßleitung (21) geschalteten Speicherglied (23) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Speicherglied (23) als Integrator ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, daß das Speicherglied (23) als Sample- and Hold- Schaltung ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Speicherglied (23) ein erstes Tor (29) angeordnet ist, welches mit einem Steuerglied (32) verbunden ist und dessen Schaltzustand über die von dem Steuerglied erzeugten Signale derart veränderbar ist, daß der Stromkreis (12, 17) zwischen Elektrode (11) und Stromquelle (14) geöffnet oder gesperrt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Steuerglied (32) und dem Tor (29) ein erstes Zeitglied (31) angeordnet ist, welches die Weiterleitung der Signale zum Tor einstellbar verzögert.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Zeitglied (31) unter Zwischenschaltung eines zweiten Zeitgliedes (32) mit einem zweiten Tor (27) verbunden ist, welches in der Meßleitung (21) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Tor (29) und der Elektrode (11) ein Filter angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Komperators (19) mit einem Schaltglied (36), vorzugsweise einem Relais, verbunden ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Speicherglied (23) und dem Komperator (19) ein Einsteller (25), vorzugsweise ein Potentiometer, angeordnet ist.