DE3731180C2 - Verfahren und vorrichtung zum spritzerfreien zuenden des schweisslichtbogens beim teil- oder vollmechanischen schweissen mit abschmelzender elektrode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum spritzerfreien Zünden des Schweißlichtbogens beim mechanischen oder automatischen Schweißen mit abschmelzender Elektrode, die zum Zünden mit geringer Geschwindigkeit vorwärtsbewegt und auf das Werkstück aufgesetzt wird.

Während der Zündphase ist besonders beim teil- oder vollmechanischen Metallschutzgas-Schweißen derzeit eine starke Spritzerbildung unvermeidlich. Dies mindert die hohe Qualität der Schweißverbindung und erfordert eine Nachbearbeitung der Werkstückoberfläche in der Umgebung des Nahtanfangs.

Die Ursache der Spritzerentstehung ist eine Folge von überschüssigem Zusatzwerkstoff und von unkontrolliertem Schweißstromanstieg beim Start. Die Drahtelektrode wird zum Zünden mit geringer Geschwindigkeit vorgeschoben (Einschleichgeschwindigkeit); zwischen der Elektrode und dem Werkstück liegt die Leerlaufspannung der Energiequelle an. Zum Zeitpunkt der Kontaktierung kommt es zum spontanen Abfallen der Spannung und zu einem schnellen, durch die Bauart der Energiequelle bestimmten Stromanstieg. Die Drahtelektrode wird durch Widerstandserwärmung erhitzt; Bereiche der Elektrode erreichen den schmelzflüssigen Zustand mit vermehrtem Leistungsumsatz und platzen explosionsartig weg, wodurch Spritzer unterschiedlicher Größe einschließlich ganzer Drahtstücke in die Umgebung geschleudert werden. In dem entstandenen Freiraum kann sich ein Lichtbogen ausbreiten, sofern dessen Länge und weitere Randbedingungen, die nicht zuletzt von der treibenden Energiequelle gesetzt werden, dies zulassen.

In der Vergangenheit ist verschiedentlich versucht worden, die Spritzerbildung während der Zündphase eines Metallschutzgas-Schweißprozessen zu reduzieren. Mittels Hochspannungszündgeräten, wie sie unter anderem vom WIG-Verfahren ohne abschmelzende Elektrode bekannt sind, konnte eine Verbesserung der Zündsicherheit, nicht jedoch der Spritzerfreiheit erreicht werden. Dagegen muß beim Einsatz von Hochspannungszündgeräten mit Problemen der Personengefährdung, mit Zerstörung elektronischer Steuerschaltungen der Schweißanlage sowie mit Fehlfunktionen elektronischer Peripheriegeräte gerechnet werden.

Eine ältere Entwicklung stellt das Zünden mittels magnetisierbarer Eisenfeilspäne dar, die vor dem Schweißen auf die Elektrode aufgebracht werden und stachelartig abstehen. Bei Annäherung an das Werkstück bilden diese Späne eine Kontaktbrücke und ermöglichen ein leichtes Zünden des Lichtbogens. Wegen des schwierigen Anbringens der Späne auf die Elektrodenspitze und der keineswegs sichergestellten Spritzerfreiheit konnte sich dieses Verfahren nicht durchsetzen.

Eine weitere Entwicklung ist in der DE-OS 34 06 251 beschrieben. Aus dieser Schrift ist eine Bogenschweißeinrichtung vom Typ mit verbrauchbarer Elektrode bekannt. Dabei wird zu Beginn des Bogenbrennens eine vorgebbare Startstromzeitdauer zum Liefern eines von der Schweißstrom-Einstelleinheit eingestellten Schweißstromes zugrundegelegt, wobei sich aus einer Anzahl von voreingestellten Startströmen ein Wert auswählen läßt: Beispielsweise wird ein von einem Signal eines Drahtdurchmesserwählers abhängiger Startstrom gewählt. Es ist also bei dieser bekannten Vorrichtung bzw. bei dem damit realisierten Verfahren zwingend erforderlich, vor dem Start des Brennens des Lichtbogens u. a. den Drahtdurchmesser des Elektrodendrahtes anzugeben. Aufgrund des Drahtdurchmessers und unter Zugrundelegung einer bestimmten Drahtvorschubgeschwindigkeit wird dann ein vorgegebener Schweißstrom eingestellt. Beim Beginn des Brennens des Bogens wählt ein Startstromwähler - gemäß dem Drahtdurchmesser und dem Schweißstromwert - einen der Startströme, die jeweils durch eine Startstrom- Einstelleinheit auf den auf die jeweiligen Schweißbedingungen approximativ besten Wert eingestellt wurden. Folglich ist es nach dem aus der DE-OS 34 06 251 bekannten Verfahren zum Zünden erforderlich, Daten hinsichtlich des Schweißdrahtes bzw. der Drahtelektrode vorzugeben.

Schließlich ist noch ein Verfahren bzw. eine Einrichtung zum Zünden des Lichtbogens bei teil- oder vollmechanisiertem Schweißverfahren mit abschmelzender Elektrode aus der DE-OS 31 51 077 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung bzw. bei diesem bekannten Verfahren wird die zu schmelzende Drahtelektrode mit einer niedrigen Geschwindigkeit, auf das Werkstück zubewegt. Die Leerlaufspannung der Schweißenergiequelle, d. h. die zwischen Drahtelektrode und Werkstück anliegende Spannung, bricht im Moment der Werkstückkontaktierung zusammen; es erfolgt ein Anstieg des Stromes im Schweißstromkreis. Dieses Ansteigen des Stromes wird als Signal zum Umschalten des Drahtvorschubmotors genutzt, so daß die bislang langsam in Richtung des Werkstücks bewegte Drahtelektrode eine Reversierbewegung durchführt, sich also vom Werkstück wegbewegt. Diese Reversierbewegung erfolgt solange, bis in Abhängigkeit von der Schweißspannung das Umschalten des Vorschubmotors auf eine vorbestimmte, vorwärtsgerichtete Drahtvorschubgeschwindigkeit erfolgt.

Aber auch dieses Verfahren erlaubt kein spritzerfreies Zünden des Schweißlichtbogens, da sich während der Berührphase ein, je nach Energiequellentyp, steiler und unkontrollierter Stromanstieg im Schweißstromkreis einstellt, der unvermeidlich zum explosionsartigen Fortschleudern von geschmolzenem Elektrodenwerkstoff führt. Ist ferner nach diesem aus der DE-OS 31 51 077 bekannten Verfahren der Schweißlichtbogen einmal gezündet, so besteht weiterhin die Gefahr, daß dieser bei zu langsamer Förderung der Schweißelektrode in Richtung Werkzeug wieder erlischt und erneut gezündet werden muß. Schließlich besteht auch die Gefahr, daß die zu schmelzende Schweißelektrode zu schnell in Richtung des Werkstücks gefördert wird, wodurch - wie beim anfänglichen Zünden des Schweißlichtbogens - ein erneuter Kontakt mit dem Werkstück auftritt. Auch in diesem Falle kann der Schweißlichtbogen erlöschen und der Zündvorgang muß sich erneut wiederholen, wobei abermals die Gefahr eines explosionsartigen Wegplatzens von Drahtelektrodenteilen auftritt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum spritzerfreien Zünden des Schweißlichtbogens beim mechanischen oder automatischen Schweißen anzugeben, bei dem Mehrfachzündungen aufgrund einer unzureichenden Lichtbogenentwicklung vermieden werden und ein einwandfreier Lichtbogenaufbau - unabhängig von spezifischen Daten des Elektrodenmaterials - gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtbogenzündung mittels einer beliebig steuerbaren, geregelten Schweißenergiequelle kontrolliert erfolgt, wobei die mit wachsender Lichtbogenlänge und konstantem Strom ansteigende Prozeßspannung bei Überschreiten einer vorgebbaren Schwelle einen über die Schweißenergiequelle eingeleiteten, definierten Stromimpuls erzeugt, der die Ablösung eines durch Materialaufschmelzung am Elektrodenende gebildeten Tropfens bewirkt, und daß der Lichtbogenstrom nach der eigentlichen Lichtbogenzündung nach einem bestimmten Programm, und der von einem konventionellen Drahtfördergerät bewirkten Erhöhung der Elektrodenvorschubgeschwindigkeit angepaßt, zur Steigerung der Abschmelzleistung erhöht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht so vorteilhafterweise eine kontrollierte Lichtbogenzündung mittels einer beliebig steuerbaren, geregelten Schweißenergiequelle; dadurch wird zum Zeitpunkt des Zündens des Lichtbogens eine bestimmte Energiesituation vorgegeben. Ferner ist die Lichtbogenzündung im erfindungsgemäßen Verfahren von Parametern der Schweißelektrode, beispielsweise der Schweißelektrodendicke, unabhängig, weil die mit wachsender Lichtbogenlänge und konstantem Strom ansteigende Prozeßspannung bei Überschreiten einer vorgebbaren Schwelle einen über die Schweißenergiequelle eingeleiteten, definierten Stromimpuls erzeugt, der schließlich die Ablösung eines durch Materialaufschmelzung am Elektrodenende gebildeten Tropfens bewirkt. Ferner erstreckt sich das erfindungsgemäße Verfahrens auch auf die Phase nach dem anfänglichen Zünden des Schweißlichtbogens, zumindest bis hin zur einwandfreien Förderung der Elektrode unter Aufrechterhaltung eines stabilen Lichtbogens: Der Lichtbogenstrom wird nach einem bestimmten Programm der Erhöhung der Elektrodenvorschubgeschwindigkeit angepaßt, so daß kein falscher Elektrodenabstand entstehen kann, der zum Erlöschen des Lichtbogens und somit zu weiteren Zündvorgängen führen würde.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für Schweißanlagen, die mit oder ohne Schlauchführung zwischen Vorschubgerät und Schweißbrenner ausgerüstet sind. Insbesondere wurde das erfindungsgemäße Verfahren im Hinblick auf praxisübliche Elektrodenvorschubgeräte mit wenig dynamischen Antrieben ausgelegt, die ein präzises Rangieren der Elektrode an der Kontaktspitze des Schweißbrenners nicht zulassen.

Nachfolgend wird der chronologische Ablauf des Zündprozesses mit elektronisch gesteuerter Drahtvorschubbewegung und elektronisch angepaßtem Energiequellenverhalten für einen Sprühlichtbogenprozeß erläutert.

Durch Betätigen des Startschalters werden der Schutzgasstrom und der Drahtvorschub eingeschaltet; dessen Geschwindigkeit ist zunächst niedrig (Einschleichen). Bei Kontaktierung der Drahtelektrode mit dem Werkstück bricht die Leerlaufspannung der Schweißenergiequelle zusammen; die in Stromregelung betriebene Energiequelle speist einen wählbaren, niedrigen Konstantstrom in den Elektroden- Werkstück-Kurzschluß ein, ohne den Elektrodenwerkstoff auf seiner gesamten freien Länge wesentlich zu erwärmen. Der Drahtvorschubantrieb kann während der Konstantstrom- Phase wahlweise gestoppt oder auf niedriger Geschwindigkeit gehalten werden. Der konstante Startstrom führt zu einer Lichtbogenbildung mit geringer Leistung, die jedoch dazu ausreicht, Elektrodenwerkstoff aufzuschmelzen und gegebenenfalls trotz einer (unkontrollierten) Vorschubbewegung die Lichtbogenlänge zu vergrößern.

Mit wachsender Lichtbogenlänge steigt bei konstantem Strom die Prozeßspannung. Erreicht diese eine gewisse, einstellbare Schwelle, wird vom Steuergerät über die Energiequelle ein definierter Stromimpuls eingeleitet, der die Ablösung des mehr oder weniger großen Tropfens, der sich am Elektrodenende durch die Werkstoffaufschmelzung zwangsläufig bildet, bewirkt. Dadurch werden Spritzer und Kurzschlüsse verhindert, die ansonsten bei unkontrolliertem Tropfenübergang auftreten.

Nach der Tropfenablösung durch den Stromimpuls werden die Drahtvorschubgeschwindigkeit und der (geregelte) Schweißstrom kontinuierlich und aufeinander abgestimmt erhöht. Durch die Anpassung der Stromanstiegsgeschwindigkeit an die im allgemeinen mäßige Beschleunigung des Drahtvorschubmotors üblicher Drahtfördergeräte kann die Lichtbogenlänge konstant gehalten werden, weil Abschmelzleistung und Drahtgeschwindigkeit gleichmäßig zunehmen.

Um die Totzeit, die zu Beginn der Draht-Beschleunigungsphase bei Verwendung einer Schlauchführung zwischen Antrieb und Brenner auftritt, zu kompensieren, ist es zweckmäßig, den Stromanstieg gegenüber der Drahtvorschub- Beschleunigung um eine wählbare Zeitspanne zu verzögern.

Der erfindungsgemäße Zündprozeß beim Impulslichtbogenschweißen (Puls-Arc-Verfahren) unterscheidet sich bis zur Stromanstiegsphase nicht von dem des Sprühlichtbogenzündens. Hier bieten sich verschiedene Möglichkeiten an, den mittleren Strom parallel zum Hochlauf des Drahtvorschubs anzuheben, nämlich
durch stetiges, synchrones Anheben des Startstromes auf stationäre Grund- und Pulsströme bei stationären Zeitparametern oder
durch stetiges Anheben des Startstromes auf den stationären Grundstrom, synchron mit einer stetigen, von null ausgehenden Impulsverbreiterung auf den stationären Wert bei stationärer oder verschiedener Impulshöhe oder
durch Einschalten einer Impulsfolge mit stationären Parametern und stetig auf den stationären Wert steigender Impulsfrequenz.

Diese Maßnahmen können sowohl einzeln als auch ein Unterkombinationen als auch in der Gesamtkombination dieser drei Maßnahmen durchgeführt werden.

Alle Parameter sind mittels Potentiometer einstellbar. Auch beim Zünden des Impulslichtbogens ist eine Anpassung des Anstiegs des Strommittelwertes an die Drahtvorschubbeschleunigung erforderlich.

Die Schweißvorschubbewegung setzt mit dem Stromanstieg ein. In der Startstrom- und Stromanstiegsphase arbeitet die Schweißenergiequelle aus Prozeßstabilitätsgründen in Stromregelung und geht mit Erreichen der Prozeß- Sollspannung selbsttätig in Spannungsregelung über (variable L-Kennlinie).

Die Erfindung beinhaltet auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche aus einer geregelten Schweißenergiequelle mit Strom- und Spannungsregler, einem Drahtfördergerät, einem Schweißbrenner, in dessen Umgebungsbereich sich das Werkstück befindet, und einer Steuerung besteht, wobei die Steuerung folgende Parameter berücksichtigt: Totzeit, Geschwindigkeit des Drahtgeschwindigkeitsanstiegs, Stromanstiegsgeschwindigkeit, Puls-Arc-Parameter, Prozeßsollspannung, Ist-Wert-Spannung, Startstromhöhe, Drahteinschleichgeschwindigkeit, sowie Startsignal.

Das Wesen vorliegender Erfindung wird durch die beiliegenden Fig. 1 bis 3 weiterhin erläutert, die bevorzugte Ausführungsformen darstellen.

Es zeigt

Fig. 1 den steuerungstechnischen Aufbau der Schweißprozeßzündeinrichtung.

Fig. 2 den Zündvorgang bei einem Sprühlichtbogenprozeß in grafischer Darstellung über der Zeit.

Fig. 3 den Anstieg des mittleren Schweißstroms bei Puls-Arc-Technik über der Zeit dargestellt.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 die Steuerung bezeichnet, in die folgendes eingeht:
Totzeit-Ausgleich 2, Draht-Hochlaufgeschwindigkeit 3, Strom-Anstiegsgeschwindigkeit 4, Puls-Arc-Parameter 5, Prozeß-Sollspannung 6, Ist-Wert-Schweißspannung 7, Startstrom 8, Draht-Einschleichgeschwindigkeit 9 und Startsignal 10. Die geregelte Schweißenergiequelle (I-Regler; U-Regler) trägt das Bezugszeichen 11. Der Elektrodenvorschub trägt das Bezugszeichen 12. Der Schweißbrenner trägt das Bezugszeichen 13. Das Werkstück trägt das Bezugszeichen 14.

Der Ablauf des Zündvorgangs gemäß vorliegender Erfindung wird von der in Fig. 1 dargestellten Steuerung, die auf die Strom- und Spannungsregler der Energiequelle sowie auf das Elektroden-Vorschubgerät wirkt, gesteuert.

Dazu gehen folgende Signale bzw. Größen in die Steuerung ein:

Das Startsignal, das entweder von Hand gegeben oder von einer automatischen Anlage ausgelöst werden kann und den Ablauf des Zündprozesses initiiert.

Ein Sollwert für die Draht-Einschleichgeschwindigkeit, also der Geschwindigkeit, mit der sich die Elektrode nach dem Startsignal dem Werkstück nähert und die sie während der Startphase bis zum Hochlaufvorgang beibehält.

Ein Sollwert für den Strom, den die Energiequelle während der Startphase bis zum Hochlaufvorgang in den Prozeß einspeist.

Der Istwert der Prozeß-Spannung, anhand dessen die Lichtbogenbildung kontrolliert und gegebenenfalls stabilisiert wird und so der Hochlaufvorgang im geeigneten Moment ausgelöst wird.

Die Prozeß-Sollspannung, auf die die Energiequelle nach dem Hochlaufvorgang regelt.

Die Parameter des Puls-Arc-Prozesses, also die Zeit- und Amplituden-Größen, die von der Energiequelle nach der Startphase hochgefahren und im stationären Prozeß eingehalten werden.

Die Strom-Anstiegsgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, mit der der (bei Puls-Arc mittlere) Schweißstrom nach der Startphase von der Energiequelle kontrolliert und auf den Drahtvorschub abgestimmt angehoben wird. Die Drahthochlaufgeschwindigkeit, die entweder die antriebstechnisch maximal mögliche oder eine geringere sein kann.

Ein Wert für den Totzeit-Ausgleich, der, wenn nötig, den Stromanstieg gegenüber dem Signal für den Draht- Hochlauf verzögert, um eine Totzeit, die durch die Schlauchführung der Elektrode zwischen Antrieb und Schweißbrenner entstehen kann, zu kompensieren.

Claims (6)

1. Verfahren zum spritzerfreien Zünden des Schweißlichtbogens beim mechanischen oder automatischen Schweißen mit abschmelzender Elektrode, die zum Zünden mit geringer Geschwindigkeit vorwärtsbewegt und auf das Werkstück aufgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenzündung mittels einer beliebig steuerbaren, geregelten Schweißenergiequelle kontrolliert erfolgt, wobei die mit wachsender Lichtbogenlänge und konstantem Strom ansteigende Prozeßspannung bei Überschreiten einer vorgebbaren Schwelle einen über die Schweißenergiequelle eingeleiteten, definierten Stromimpuls erzeugt, der die Ablösung eines durch Materialaufschmelzung am Elektrodenende gebildeten Tropfens bewirkt, und daß der Lichtbogenstrom nach der eigentlichen Lichtbogenzündung nach einem bestimmten Programm, und der von einem konventionellen Drahtfördergerät bewirkten Erhöhung der Elektrodenvorschubgeschwindigkeit angepaßt, zur Steigerung der Abschmelzleistung erhöht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Puls-Arc-Prozessen die Steigerung der Abschmelzleistung durch stetiges, synchrones Anheben des Startstromes auf stationäre Grund- und Pulsströme bei stationären Zeitparametern erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Puls-Arc-Prozessen die Steigerung der Abschmelzleistung durch stetiges Anheben des Startstromes auf den stationären Grundstrom, synchron mit einer stetigen, von Null ausgehenden Impulsverbreiterung auf den stationären Wert bei stationärer oder variabler Impulshöhe erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Puls-Arc-Prozessen die Steigerung der Abschmelzleistung durch Einschalten einer Impulsfolge mit stationären Parametern und stetig auf den stationären Wert steigender Impulsfrequenz erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißenergiequelle selbsttätig nach Erreichen der Prozeßsollspannung in Spannungsregelung übergeht.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bestehend aus einer geregelten Schweißenergiequelle (I-Regler, U-Regler), einem Drahtfördergerät, einem Schweißbrenner, in dessen Umgebungsbereich sich das Werkstück befindet, und einer Steuerung, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (1) folgende Parameter berücksichtigt: Totzeit (2), Geschwindigkeit des Drahtgeschwindigkeitsanstiegs (3), Strom- Anstiegsgeschwindigkeit (4), Puls-Arc-Parameter (5), Prozeß-Sollspannung (6), Ist-Wert-Spannung (7), Startstromhöhe (8), Draht-Einschleichgeschwindigkeit (9) und Startsignal (10).