DE3875413T2

DE3875413T2 - Automatisches lichtbogen-schweissverfahren.

Info

Publication number: DE3875413T2
Application number: DE8888111343T
Authority: DE
Inventors: Yosihiro C O Nkk Corpora Kanjo; Yasuhiko C O Nkk Corpora Nishi; Yuji C O Nkk Corporat Sugitani
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1987-07-20
Filing date: 1988-07-14
Publication date: 1993-03-25
Anticipated expiration: 2008-07-15
Also published as: CN1011390B; EP0300369A2; KR920004265B1; JPS6422469A; KR890001678A; DE3875413D1; US4816640A; CN1031343A; EP0300369A3; JPH0450102B2; EP0300369B1; CA1302515C

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein automatisches Lichtbogen- Schweißverfahren unter Verwendung eines Schweißdrahts als Abbrandschweißelektrode insbesondere ein automatisches Lichtbogen-Schweißverfahren, das beim Schweißen zweier zu schweißender Objekte oder Schweißobjekte in der Längsrichtung einer zwischen ihnen geformten Rille die Verhinderung eines Durchbrennens auch bei einer Änderung im Abstand (oder der Weite) eines Wurzelspalts, die Aufrechterhaltung einer konstanten Höhe eines Schweißwulsts und die Stabilisierung eines Lichtbogens erlaubt.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Beim Lichtbogenschweißen zweier zu schweißender Objekte in der Längsrichtung einer zwischen ihnen geformten Rille mittels eines Schweißdrahts als Abbrandschweißelektrode erfolgt das Schweißen üblicherweise mit einem Null betragenden Abstand eines Wurzelspalts der Rille, d. h. mit in gegenseitiger Berührung gehaltenen Grund- oder Wurzelflächen. Insbesondere bei der Durchführung des automatischen Lichtbogenschweißens ist es übliche Praxis, den Abstand des Wurzelspalts genauestens so zu steuern, daß der Abstand des Wurzelspalts auf maximal 1 mm gehalten wird. Ein großer Abstand des Wurzelspalts führt zu einem unvollständigen Durchdringen und einem Durchbrennen. Tatsächlich sind jedoch Änderungen im Abstand des Wurzelspalts in Längsrichtung der Rille aufgrund der Einschränkungen in der Genauigkeit der spanabhebenden Bearbeitung unvermeidbar.
Es ist daher herkömmliche Praxis, vor dem Zusammen-Schweißen von Objekten längs einer Rille den Abstand des Wurzelspalts im voraus innerhalb zulässiger Grenzen über die Gesamtlänge der Rille hinweg zu modifizieren, und zwar durch Auffüllen von Abschnitten mit großem Abstand des Wurzelspalts durch z. B. manuelles Schweißen. Außerdem ist es nötig, die Höhe der Grund- oder Wurzelfläche zu vergrößern, damit kein Durchbrennen vorkommt.
Diese manuelle Operation des Auffüllens des Wurzelspalts vor dem auf großtechnischer Basis erfolgenden Schweißen führt jedoch insgesamt zu einer verminderten Leistungsfähigkeit der Schweißvorgänge. Wie erwähnt, ist es außerdem nötig, die Höhe der Wurzelfläche der Rille zu vergrößern. Beim Doppelschweißen von zu (ver)schweißenden Objekten (im folgenden als Schweißobjekte bezeichnet) von sowohl ihrer ersten als auch zweiten Seite her ist es daher nach dem Schweißen einer ersten, an der ersten Seite geformten Rille und vor dem Schweißen einer zweiten, an der zweiten Seite geformten Rille notwendig, die zweite Rille durch z. B. Meißeln (gouging) spanend zu bearbeiten, bis die Bodenfläche oder Sohle der zweiten Rille den in der ersten Rille geformten Schweißwulst erreicht, um eine zufriedenstellende Durch- oder Eindringung zu gewährleisten.
Unter diesen Umständen besteht ein Bedarf nach der Entwicklung eines automatischen Lichtbogen- Schweißverfahrens, das auch bei einer Änderung im Abstand eines Wurzelspalts in der Längsrichtung der Rille eine konstante Eindringtiefe gewährleistet und die Verhinderung eines Durchbrennens ohne Vergrößerung der Höhe einer Grund- oder Wurzelfläche sowie die Aufrechterhaltung einer konstanten Höhe des Schweißwulsts und die Stabilisierung eines Lichtbogens erlaubt; ein solches automatisches Lichtbogen-Schweißverfahren ist jedoch bisher noch nicht vorgeschlagen worden.

ABRISS DER ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines automatischen Lichtbogen-Schweißverfahrens, das auch bei einer Änderung im Abstand eines Wurzelspalts in der Längsrichtung der Rille eine konstante Eindringtiefe gewährleistet und die Verhinderung eines Durchbrennens ohne Vergrößerung der Höhe einer Grund- oder Wurzelfläche sowie die Aufrechterhaltung einer konstanten Höhe des Schweißwulsts und die Stabilisierung eines Lichtbogens erlaubt.
Mit der Erfindung wird ein automatisches Lichtbogen- Schweißverfahren geschaffen, das umfaßt:
kontinuierliches Zuführen eines Schweißdrahts als Abbrandschweißelektrode mit einer vorgeschriebenen Vorschubgeschwindigkeit praktisch lotrecht durch einen Elektrodenhalter (hindurch) in Richtung auf eine zwischen zwei zu schweißenden Objekten oder Schweißobjekten an einer ersten Seite derselben geformte erste Rille;
kontinuierliches Bewegen des Elektrodenhalters zusammen mit dem Schweißdraht in der Längsrichtung der ersten Rille;
Zuspeisen eines vorgeschriebenen Schweißstroms zum Schweißdraht zwecks Erzeugung eines Lichtbogens zwischen der Spitze des Schweißdrahts und der ersten Rille, um damit die Schweißobjekte mittels der Lichtbogenwärme längs der ersten Rille bei einer vorgeschriebenen Schweißgeschwindigkeit zu schweißen; und anschließend kontinuierliches Zuführen des Schweißdrahts mit einer vorgeschriebenen Vorschubgeschwindigkeit praktisch lotrecht durch den Elektrodenhalter in Richtung auf eine zweite Rille, die an einer der ersten Rille gegenüberliegenden zweiten Seite der Schweißobjekte geformt ist; kontinuierliches Bewegen des Elektrodenhalters zusammen mit dem Schweißdraht in der Längsrichtung der zweiten Rille; sowie Zuspeisen eines vorgeschriebenen Schweißstroms zum Schweißdraht zwecks Erzeugung eines Lichtbogens zwischen der Spitze des Schweißdrahts und der zweiten Rille, um damit die Schweißobjekte mittels der Lichtbogenwärme längs der zweiten Rille bei einer vorgeschriebenen Schweißgeschwindigkeit zu schweißen,
und das dadurch gekennzeichnet ist, daß
(A) beim Zusammenschweißen der Schweißobjekte längs der ersten Rille
(a) kontinuierlich ein Abstand eines Wurzelspalts an der Stromabseite des Elektrodenhalters in dessen Laufrichtung gemessen wird,
(b) ein Zielschweißstrom (I), bei dem eine Eindringtiefe mit einem Zielwert derselben übereinstimmt, nach folgender Formel (1) berechnet wird:
I = Io-KG . . . (1)
in welcher bedeuten:
I = Zielschweißstrom,
Io = Schweißstrom bei einem Wurzelspaltabstand gleich Null,
K = eine von der Eindringtiefe, der Art eines Schutzgases, dem Material des Schweißdrahts und dgl. abhängende Konstante und
G = Abstand des Wurzelspalts oder Wurzelspaltabstand, und der Schweißstrom so gesteuert oder geregelt wird, daß er mit dem 50 berechneten Zielschweißstrom übereinstimmt;
(c) eine Zielvorschubgeschwindigkeit (Vf) des Schweißdrahts, bei welcher eine Vorstandslänge des Schweißdrahts aus der Spitze des Elektrodenhalters mit einem Zielwert derselben übereinstimmt, nach folgender Formel (2) berechnet wird:
Vf = A·I + B·l·I² . . . (2)
in welcher bedeuten:
Vf = Zielvorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts,
I = Schweißstrom,
l = Vorstandslänge des Schweißdrahts und
A, B = Konstanten, die von der Art des Schutzgases, dem Material des Schweißdrahts und dgl. abhängen, und die Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts so gesteuert wird, daß sie mit der so berechneten Zielvorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts übereinstimmt;
(d) eine Zielschweißgeschwindigkeit (V), bei welcher eine Höhe des Schweißwulsts mit einem Zielwert derselben übereinstimmt, nach folgender Formel (3) berechnet wird:
V = Vf(Vfo/Vo + d/k·G) . . . . (3)
in welcher bedeuten:
V = Zielschweißgeschwindigkeit,
Vf = Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts,
Vfo = Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts bei einem Wurzelspaltabstand gleich Null,
Vo= Schweißgeschwindigkeit beim Wurzelspaltabstand Null,
d = Abstand (Strecke) zwischen dem untersten Punkt und dem obersten Punkt des Schweißwulsts,
k = Produkt der Multiplikation der Querschnittsfläche des Schweißdrahts mit dem Ablagerungswirkungsgrad und
G = Wurzelspaltabstand, und die Schweißgeschwindigkeit so gesteuert wird, daß sie mit der so berechneten Zielschweißgeschwindigkeit übereinstimmt; und
(B) beim Zusammenschweißen der Schweißobjekte längs der zweiten Rille
(a) kontinuierlich ein Abstand eines Wurzelspalts an der Stromabseite des Elektrodenhalters in dessen Laufrichtung gemessen wird;
(b) ein Zielschweißstrom, bei dem eine Zieltiefe (P&sub2;) der Eindringung bei einem Wurzelspaltabstand gleich Null der nachstehenden Formel (4) genügt, nach Formel (1) berechnet wird:
P&sub2; ≥ tf-P&sub1; . . . .(4)
in welcher bedeuten
P&sub2; = Zieltiefe der Eindringung (in) der zweiten Rille,
P&sub1; = Zieltiefe der Eindringung (in) der ersten Rille und
tf = Höhe der Wurzelfläche, und der Schweißstrom so gesteuert oder geregelt wird, daß er mit dem so berechneten Zielschweißstrom übereinstimmt;
(c) eine Zielschweißgeschwindigkeit (V), bei welcher eine Höhe des Schweißwulsts mit einem Zielwert derselben übereinstimmt, nach folgender Formel (5) berechnet wird:
V = Vfo(Vfo/Vo+ d/k·G) . . . (5)
in welcher bedeuten:
V = Zielschweißgeschwindigkeit,
Vfo = Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts bei einem Wurzelspaltabstand gleich Null,
Vo= Schweißgeschwindigkeit beim Wurzelspaltabstand gleich Null,
d = Abstand (Strecke) zwischen dem untersten Punkt der Eindringung und dem obersten Punkt des Schweißwulsts,
k = Produkt der Multiplikation der Querschnittsfläche des Schweißdrahts mit dem Ablagerungswirkungsgrad und
G = Wurzelspaltabstand, und die Schweißgeschwindigkeit so gesteuert wird, daß sie mit der so berechneten Zielschweißgeschwindigkeit übereinstimmt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des automatischen Lichtbogen- Schweißverfahrens gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einem Abstand des Wurzelspalts der Rille und einem Schweißstrom unter Heranziehung einer Eindring- oder Durchdringungstiefe als Parameter,
Fig. 3 eine Querschnittansicht zur Darstellung eines typischen Beispiels für Doppelrillen und
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einem Schweißstrom, einer Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts, einer Schweißspannung und einer Schweißgeschwindigkeit.

GENAUE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Unter dem obengenannten Gesichtspunkt wurden ausgedehnte Untersuchungen durchgeführt mit dem Zweck der Entwicklung eines automatischen Lichtbogen-Schweißverfahrens, das auch bei einer Änderung im Abstand eines Wurzelspalts in der Längsrichtung der Rille eine konstante Eindringtiefe gewährleistet und die Verhinderung eines Durchbrennens ohne Vergrößerung der Höhe einer Grund- oder Wurzelfläche sowie die Aufrechterhaltung einer konstanten Höhe des Schweißwulsts und die Stabilisierung eines Lichtbogens erlaubt. Als Ergebnis wurde folgendes gefunden:
(1) Es ist möglich, durch Berechnung einen (Soll- oder) Zielschweißstrom zu bestimmen, bei dem eine Eindringtiefe mit einem (Soll- oder) Zielwert derselben übereinstimmt, durch Messung eines Abstands eines Wurzelspalts der Rille, wenn dabei eine bestimmte Beziehung zwischen dem Schweißstrom und dem Abstand des Wurzelspalts bezüglich der Eindringtiefe aufgefunden wird.
(2) Es ist möglich, durch Berechnung eine Zielschweißgeschwindigkeit beim genannten Zielschweißstrom zu bestimmen, bei welcher die Höhe des Schweißwulsts mit einem Zielwert derselben übereinstimmt, wenn dabei eine bestimmte Beziehung zwischen dem Schweißstrom, der Schweißgeschwindigkeit, der Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts und dem Abstand des Wurzelspalts in bezug auf die Höhe des Schweißwulsts aufgefunden wird.
(3) Es ist möglich, durch Berechnung eine Zielvorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts beim genannten Zielschweißstrom zu bestimmen, bei welcher eine Vorstandslänge des Schweißdrahts aus der Spitze der Düse bzw. des Elektrodenhalters mit einem Zielwert derselben übereinstimmt, wenn eine bestimmte Beziehung zwischen dem Schweißstrom und der Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts in bezug auf die Vorstandslänge des Schweißdrahts aufgefunden wird.
Die vorliegende Erfindung wurde nun auf der Grundlage der obigen Feststellungen entwickelt. Im folgenden ist nun das automatische Lichtbogen-Schweißverfahren gemäß der Erfindung anhand der Zeichnungen im einzelnen beschreiben.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des automatischen Lichtbogen-Schweißverfahrens gemäß der Erfindung.
Gemäß Fig. 1 werden zwei zu schweißende Objekte oder Schweißobjekte 1A und 1B längs einer ersten Rille 2 und einer zweiten Rille 3, die zwischen ihnen geformt sind, geschweißt. Die erste Rille 2 ist an einer ersten Seite der Schweißobjekte 1A und 1B geformt oder ausgebildet, und die zweite Rille 3 ist auf einer zweiten, der ersten Rille 2 gegenüberliegenden Seite der Schweißobjekte geformt.
Ein Elektrodenhalter 4 läuft unter der Wirkung einer Transporteinheit 5 kontinuierlich längs der ersten Rille 2 oder der zweiten Rille 3. Eine Laufgeschwindigkeit der Transporteinheit 5, d. h. eine Schweißgeschwindigkeit, wird durch eine dritte Steuereinheit 6 so gesteuert, daß eine Höhe des Schweißwulsts mit einem noch zu beschreibenden Soll- oder Zielwert derselben übereinstimmt. Wie durch den Buchstaben A in Fig. 1 angedeutet, ist der Elektrodenhalter 4 mit hoher Drehzahl um seine Mittelachse herum drehbar.
Ein Schweißdraht 7, als verbrauchbare oder Abbrand- Schweißelektrode, ist in den Elektrodenhalter 4 gegenüber dessen Mittelachse exzentrisch eingesetzt. Der Schweißdraht 7 wird kontinuierlich durch einen Schweißdraht-Zuführer 8 im wesentlichen senkrecht durch den Elektrodenhalter 4 hindurch in Richtung auf die ersten Rille 2 oder die zweite Rille 3 zugeführt bzw. zugestellt. Die Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts 7 durch den Schweißdraht-Zuführer 8 wird durch eine zweite Steuereinheit 9 so gesteuert, daß eine Vorstandslänge des Schweißdrahts 7 über die Spitze (das untere Ende) des Elektrodenhalters 4 mit einem Zielwert derselben übereinstimmt.
Ein Schweißstrom, bei welchem eine Eindringtiefe mit einem noch zu beschreibenden Zielwert derselben übereinstimmt, wird zwischen die Schweißobjekte 1A und 1B und den Schweißdraht 7 von einer durch eine erste Steuereinheit 10 gesteuerten Schweißstromquelle 11 zugespeist, so daß dabei zwischen der Spitze des Schweißdrahts 7 und der ersten Rille 2 oder der zweiten Rille 3 ein Lichtbogen erzeugt wird und die Schweißobjekte 1A und 1B durch die Lichtbogenwärme längs der ersten Rille 2 oder der zweiten Rille 3 zusammengeschweißt werden. Die erste Rille 2 oder die zweite Rille 3 wird durch ein Schutzgas, das aus einer nicht dargestellten Düse in der Nähe der Spitze des Elektrodenhalters 4 ausgeblasen wird, gegenüber der Außenluft abgeschirmt. Es braucht eigentlich nicht erwähnt zu werden, daß die Anwendung der vorliegenden Erfindung nicht auf das oben beschriebene, als Rotationslichtbogen- Schweißverfahren bekannte Verfahren beschränkt ist.
Eine Fernsehkamera 12 nimmt kontinuierlich die erste Rille 2 oder die zweite Rille 3 an der Stromabseite der Laufrichtung des Elektrodenhalters 4 (der in Fig. 1 mit B bezeichneten Richtung) auf. Die Fernsehkamera 12 ist an der Transporteinheit 5 befestigt.
Ein Bildprozessor 13 mißt kontinuierlich einen Abstand eines Wurzelspalts der ersten Rille 2 oder der zweiten Rille 3 in Abhängigkeit von einem Aufnahmesignal von der Fernsehkamera 12. Die Daten des durch den Bildprozessor 13 gemessenen Wurzelspaltabstands werden einem noch näher zu beschreibenden Rechner eingespeist.
Der Rechner 14 beliefert die erste Steuereinheit 10, die zweite Steuereinheit 9 und die dritte Steuereinheit 6 auf noch zu beschreibende Weise mit jeweiligen Rechenergebnissen. Die folgenden Formeln (1) bis (3) zur Verwendung, wenn die Schweißobjekte 1A und 1B längs der ersten Rille 2 zusammengeschweißt werden, sind im voraus in den Rechner 14 eingegeben (worden):
I = Io-KG . . . .(1)
Die obige Formel (1) dient zur Berechnung eines Zielschweißstroms (I), mit welchem bzw. bei dem eine Eindringtiefe mit einem Zielwert derselben übereinstimmt. In Formel (1) bedeuten:
I = Zielschweißstrom,
Io = Schweißstrom bei einem Wurzelspaltabstand gleich Null,
K = eine von der Eindringtiefe, der Art des Schutzgases, dem Material des Schweißdrahts und dgl. abhängende Konstante und
G = Abstand des Wurzelspalts bzw. Wurzelspaltabstand.
Der Rechner 14 beliefert die erste Steuereinheit 10 mit dem Ergebnis der Berechnung des Zielschweißstroms. Die obigen Faktoren Io und K werden von einer Eingabeeinheit 15 aus im voraus in den Rechner 14 eingegeben.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einem Wurzelspaltabstand der Rille und einem Schweißstrom unter Heranziehung einer Eindringtiefe als Parameter. Insbesondere veranschaulicht die graphische Darstellung von Fig. 2 deutlich, daß eine bestimmte Beziehung zwischen dem tatsächlichen, gemessenen Abstand des Wurzelspalts und dem tatsächlichen Schweißstrom bei Anwendung auf das Erreichen der jeweiligen Eindringtiefe von 1 mm, 2 mm und 3 mm besteht, und die graphische Darstellung belegt somit, daß die obige Formel (1) gültig ist.
Vf = A·I + B·l·I² . . . .(2)
Die obige Formel (2) dient zur Berechnung einer Zielvorschubgeschwindigkeit Vf des Schweißdrahts, bei welcher eine Vorstandslänge des Schweißdrahts aus der Spitze des Elektrodenhalters 4 mit einem Zielwert derselben übereinstimmt. In Formel (2) bedeuten:
Vf - Zielvorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts,
I - Schweißstrom,
l - Vorstandslänge des Schweißdrahts und
A, B = Konstanten, die von der Art des Schutzgases, dem Material des Schweißdrahts und dgl. abhängen.
Der Rechner 14 beliefert die zweite Steuereinheit 9 mit dem Ergebnis der Berechnung der Zielvorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts. Die Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts wird so gesteuert, daß die Vorstandslänge des Schweißdrahts mit dem Zielwert derselben übereinstimmt, um eine Stabilisierung des Lichtbogens zu gewährleisten.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einem Schweißstrom, einer Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts, einer Schweißspannung und einer Schweißgeschwindigkeit. In Fig. 4 zeigt die für die Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts stehende Linie (Kurve) deutlich, daß eine bestimmte Beziehung zwischen dem angelegten tatsächlichen oder Ist-Schweißstrom und der tatsächlichen oder Ist-Vorschubgeschwindigkeit bezüglich des Schweißdrahts besteht, und diese graphische Darstellung belegt daher, daß Formel (2) gültig ist.
V = Vf(Vfo/Vo + d/k·G) . . . . . (3)
Die obige Formel (3) dient zur Berechnung einer Zielschweißgeschwindigkeit (V), bei welcher die Höhe des Schweißwulsts mit einem Zielwert derselben übereinstimmt. In Formel (3) bedeuten:
V = Zielschweißgeschwindigkeit,
Vf = Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts,
Vfo = Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts bei einem Wurzelspaltabstand gleich Null,
V&sub0; = Schweißgeschwindigkeit beim Wurzelspaltabstand gleich Null,
d = Abstand oder Strecke zwischen dem untersten Punkt der Eindringung und dem obersten Punkt des Schweißwulsts,
k = Produkt aus der Multiplikation der Querschnittsfläche des Schweißdrahts mit der Ablagerungsleistung bzw. dem Ablagerungswirkungsgrad und
G = Abstand des Wurzelspalts bzw. Wurzelspaltabstand.
Der Rechner 14 beliefert die dritte Steuereinheit 6 mit dem Ergebnis der Berechnung der Zielschweißgeschwindigkeit. Die obigen Faktoren Vfo, Vo, d und k werden dem Rechner 14 über die Eingabeeinheit 15 im voraus eingegeben.
In Fig. 4 zeigt die für die Schweißgeschwindigkeit stehende Linie (Kurve) deutlich, daß eine bestimmte Beziehung zwischen dem angelegten Ist-Schweißstrom und der angewandten Ist-Schweißgeschwindigkeit besteht; hierdurch wird belegt, daß Formel (3) gültig ist.
Zusätzlich sind die nachstehenden Formeln (4) und (5) zur Anwendung dann, wenn die Schweißobjekte 1A und 1B längs der zweiten Rille 3 zusammengeschweißt werden, im voraus in den Rechner 14 eingegeben (worden):
P&sub2; ≥ tf-P&sub1; . . . . . (4)
darin bedeuten:
P&sub2; = Zieltiefe der Eindringung (in) der zweiten Rille,
P&sub1;= Zieltiefe der Eindringung (in) der ersten Rille, und
tf = Höhe der Grund- oder Wurzelfläche.
Der Rechner 14 berechnet nach obiger Formel (1) einen Zielschweißstrom, bei dem eine Soll- oder Zieltiefe (P&sub2;) der Eindringung der obigen Formel (4) genügt, wenn der Wurzelspaltabstand gleich Null ist. Der Wurzelspaltabstand wird zu Null vorausgesetzt, weil beim Schweißen (längs) der zweiten Rille 3 der Wurzelspalt bereits durch das Schweißen (längs) der ersten Rille 2 ausgefüllt worden ist und in diesem Fall keine Gefahr für ein Durchbrennen besteht. Der Rechner 14 beliefert die erste Steuereinheit 10 mit dem Ergebnis der Berechnung des Zielschweißstroms. Die obigen Faktoren P&sub1;, P&sub2; und tf werden dem Rechner 14 über die Eingabeeinheit 15 im voraus eingegeben.
V = Vfo(Vfo/Vo + d/k·G) . . . (5)
Formel (5) dient zur Berechnung einer Zielschweißgeschwindigkeit (V), bei welcher die Höhe des Schweißwulsts mit einem Zielwert derselben übereinstimmt. In Formel (5) bedeuten:
V = Zielschweißgeschwindigkeit,
Vfo = Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts bei einem Wurzelspaltabstand gleich Null,
Vo = Schweißgeschwindigkeit beim Wurzelspaltabstand gleich Null,
d = Abstand zwischen dem untersten Eindringpunkt und dem obersten Punkt des Schweißwulsts,
k = Produkt der Multiplikation der Querschnittsfläche des Schweißdrahts mit dem Ablagerungswirkungsgrad und
G = Wurzelspaltabstand.
Der Rechner 14 beliefert die dritte Steuereinheit 6 mit dem Ergebnis der Berechnung der Zielschweißgeschwindigkeit. Beim Schweißen längs der zweiten Rille 3 ist es nicht nötig, die Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts zu steuern, weil der nach obiger Formel (1) berechnete Zielschweißstrom konstant ist.
Die Schweißspannung sollte vorzugsweise so gesteuert bzw. geregelt werden, daß der Lichtbogen weiter stabilisiert wird. Zu diesem Zweck wird die nachstehende Formel (6) im voraus in den Rechner 14 eingegeben:
Et = E&sub1; + Ea + Er . . . . . (6)
Die obige Formel (6) dient zum Berechnen einer Zielschweißspannung (Et), bei welcher eine Länge des Lichtbogens mit einem Zielwert derselben übereinstimmt. In Formel (6) bedeuten:
Et = Zielschweißspannung,
E&sub1; = Spannungsabfall aufgrund der Vorstandslänge des Schweißdrahts,
Ea = Lichtbogenspannung und
Er = Spannungsabfall aufgrund des Widerstands gleich der Summe aus dem Widerstand zwischen einem Ausgangsende der Schweißstromquelle und dem Elektrodenhalter sowie dem Widerstand zwischen dem anderen Ausgangsende der Schweißstromquelle und den Schweißobjekten.
Die obigen Termina oder Faktoren E&sub1;, Ea und Er lassen sich jeweils durch folgende Formeln (7) bis (9) ausdrücken:
E&sub1; = a·l·I-b·Vf/I . . . (7)
Ea = Eo(I) + χ· la . . . . . . (8)
Er = R·I . . . . . . . . (9)
darin bedeuten:
l = Vorstandslänge des Schweißdrahts,
I = Schweißstrom,
Vf = Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts,
a, b = Konstanten, die von der Art des Schutzgases, dem Material des Schweißdrahts und dgl. abhängen,
Eo(I) = Spannungsabfall gleich der Summe aus dem Spannungsabfall des Minuspols und dem Spannungsabfall des Pluspols,
χ = Potentialgradient der Lichtbogensäule,
la = Lichtbogenlänge und
R = Widerstand gleich der Summe aus dem Widerstand zwischen einem Ausgangsende der Schweißstromquelle und dem Elektrodenhalter sowie dem Widerstand zwischen dem anderen Ende der Schweißstromquelle und den Schweißobjekten.
Der Rechner 14 beschickt die erste Steuereinheit 10 mit dem Ergebnis der Berechnung der Zielschweißspannung.
In Fig. 4 zeigt die für die Schweißspannung stehende Linie (Kurve) deutlich, daß eine bestimmte Beziehung zwischen dem angelegten Ist-Schweißstrom und der angelegten Ist- Schweißspannung besteht; hierdurch wird belegt, daß Formel (6) gültig ist.
Im folgenden ist der Fall beschrieben, in welchem die Schweißobjekte 1A und 1B nach dem erfindungsgemäßen Verfahren längs der ersten Rille 2 geschweißt werden.
Der Elektrodenhalter 4 bewegt sich unter der Wirkung der Transporteinheit 5 bei gleichzeitiger Drehung mit hoher Drehzahl um seine Mittelachse herum längs der ersten Rille 2. Dem in den Elektrodenhalter 4 eingesetzten Schweißdraht 7 wird ein Schweißstrom von der Schweißstromquelle 11 her zugespeist, welche durch die erste Steuereinheit 10 gesteuert wird, so daß ein Lichtbogen zwischen der Spitze des Schweißdrahts 7 und der ersten Rille 2 entsteht und die Schweißobjekte 1A und 1B mittels der Lichtbogenwärme längs der ersten Rille 2 zusammengeschweißt werden.
Die erste Rille 2 wird durch die Fernsehkamera 12 an der Stromabseite der Laufrichtung des Elektrodenhalters 4 aufgenommen. Ein Aufnahmesignal von der Fernsehkamera 12 wird dem Bildprozessor 13 eingegeben. Der Bildprozessor 13 mißt kontinuierlich den Abstand (G) des Wurzelspalts der ersten Rille 2 in Abhängigkeit vom Aufnahmesignal. Die Daten des so gemessenen Wurzelspaltabstands werden dem Rechner 14 eingegeben. Der Rechner 14 berechnet einen Zielschweißstrom (I), bei dem eine Eindringtiefe mit einem Zielwert derselben übereinstimmt, nach der vorher in den Rechner 14 eingegebenen, oben angegebenen Formel (1). Der Rechner 14 beliefert die erste Steuereinheit 10 mit dem Ergebnis der Berechnung des Zielschweißstroms. Die erste Steuereinheit 10 steuert oder regelt die Schweißstromquelle 11 in der Weise, daß ein Schweißstrom, welcher mit dem oben beschriebenen, berechneten Zielschweißstrom übereinstimmt, dem Schweißdraht 7 zugespeist wird, so daß die Eindringtiefe (in) der ersten Rille 2 stets mit deren Zielwert übereinstimmt, und zwar unabhängig von einer etwaigen Änderung des Abstands (G) des Wurzelspalts.
Der Rechner 14 berechnet eine Zielvorschubgeschwindigkeit (Vf) des Schweißdrahts, bei welcher eine Vorstandslänge des Schweißdrahts aus der Spitze des Elektrodenhalters 4 bei dem auf oben beschriebene Weise berechneten Zielschweißstrom mit einem Zielwert derselben übereinstimmt, nach der angegebenen, im voraus in den Rechner 14 eingegebenen Formel (2). Der Rechner 14 liefert das Ergebnis der Berechnung der Zielvorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts zur zweiten Steuereinheit 9. Die zweite Steuereinheit 9 steuert den Schweißdraht-Zuführer 8 in der Weise, daß der Schweißdraht 7 kontinuierlich zur ersten Rille 2 mit einer Schweißdraht- Vorschubgeschwindigkeit zugeführt wird, welche mit der auf oben beschriebene Weise berechneten Schweißdraht- Zielvorschubgeschwindigkeit übereinstimmt, so daß die Vorstandslänge des Schweißdrahts unabhängig von einer etwaigen Änderung im Schweißstrom stets mit ihrem Zielwert übereinstimmt, um damit eine Stabilisierung des Lichtbogens zu gewährleisten.
Der Rechner 14 berechnet eine Zielschweißgeschwindigkeit (V), bei welcher die Höhe des Schweißwulsts 16 bei dem auf angegebene Weise berechneten Zielschweißstrom mit einem Zielwert derselben übereinstimmt, nach der oben genannten, im voraus in den Rechner 14 eingegebenen Formel (3). Der Rechner 14 beliefert die dritte Steuereinheit 6 mit dem Ergebnis der Berechnung der Zielschweißgeschwindigkeit. Die dritte Steuereinheit 6 steuert die Transporteinheit 5 so, daß die Schweißobjekte 1A und 1B längs der ersten Rille 2 mit einer Schweißgeschwindigkeit zusammengeschweißt werden, welche mit der auf oben beschriebene Weise berechneten Zielschweißgeschwindigkeit übereinstimmt, so daß die Höhe des Schweißwulsts 16 unabhängig von einer etwaigen Änderung im Abstand (G) des Wurzelspalts stets mit ihrem Zielwert übereinstimmt.
Im folgenden ist der Fall beschrieben, in welchem die Schweißobjekte 1A und 1B nach dem erfindungsgemäßen Verfahren längs der zweiten Rille 3 miteinander verschweißt werden.
Der Elektrodenhalter 4 bewegt sich unter der Wirkung der Transporteinheit 5 kontinuierlich längs der zweiten Rille 3, während er sich dabei mit hoher Drehzahl um seine Mittelachse herum dreht. Dem in den Elektrodenhalter 4 eingesetzten Schweißdraht 7 wird ein Schweißstrom von der Schweißstromquelle 11 her zugespeist, die durch die erste Steuereinheit 11 gesteuert wird, so daß ein Lichtbogen zwischen der Spitze des Schweißdrahts 7 und der zweiten Rille 3 erzeugt wird und die Schweißobjekte 1A und 1B mittels der Lichtbogenwärme längs der zweiten Rille 3 zusammengeschweißt oder miteinander verschweißt werden.
Die zweite Rille 3 wird durch die Fernsehkamera 12 an der Stromabseite der Laufrichtung des Elektrodenhalters 4 aufgenommen. Ein Aufnahmesignal von der Fernsehkamera 12 wird dem Bildprozessor 13 eingespeist. Der Bildprozessor 13 mißt kontinuierlich den Abstand (G) des Wurzelspalts der zweiten Rille 3 nach Maßgabe des Aufnahmesignals. Die Daten des so gemessenen Wurzelspaltabstands werden in den Rechner 14 eingegeben. Der Rechnen 14 berechnet nach der oben genannten, vorher in den Rechner 14 eingegebenen Formel (1) einen Zielschweißstrom (I), bei dem eine Zieltiefe der Eindringung (P&sub2;) der angegebenen, im voraus in den Rechner 14 eingegebenen Formel (4) genügt, wenn der Wurzelspaltabstand gleich Null ist. Der Rechner beliefert die erste Steuereinheit 10 mit dem Ergebnis der Berechnung des Zielschweißstroms. Die erste Steuereinheit 10 steuert die Schweißstromquelle 11 so, daß dem Schweißdraht 7 ein Schweißstrom zugespeist wird, der mit dem auf oben beschriebene Weise berechneten Zielschweißstrom übereinstimmt, so daß der an bzw. in der zweiten Rille 3 geformte Schweißwulst zumindest den Boden bzw. die Unterseite des an der ersten Rille 2 geformten Schweißwulsts erreicht.
Der Rechner 14 berechnet nach der oben angegebenen, im voraus in den Rechner 14 eingegebenen Formel (5) eine Zielschweißgeschwindigkeit (V), bei welcher eine Höhe des Schweißwulsts 16 bei dem auf beschriebene Weise berechneten Zielschweißstrom mit einem Zielwert derselben übereinstimmt. Der Rechner 14 liefert das Ergebnis der Berechnung des Zielschweißstroms zur dritten Steuereinheit 6. Die dritte Steuereinheit 6 steuert die Transporteinheit 5 so, daß die Schweißobjekte 1A und 1B längs der zweiten Rille 3 mit einer Schweißgeschwindigkeit zusammengeschweißt werden, die mit der auf beschriebene Weise berechneten Zielschweißgeschwindigkeit übereinstimmt, so daß die Höhe des Schweißwulsts 16 unabhängig von einer etwaigen Änderung im Abstand (G) des Wurzelspalts stets mit ihrem Zielwert übereinstimmt.
Im folgenden ist das automatische Lichtbogen- Schweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung anhand eines Beispiels beschrieben.

BEISPIEL

Zwei 10 mm dicke Platten aus nichtrostendem Stahl (Sorte SUS 304) werden als die Schweißobjekte 1A und 1B vorbereitet, wobei zwischen diesen Platten eine erste Rille 2 und eine zweite Rille 3 einer in Fig. 3 gezeigten Form ausgebildet werden. Sodann werden die Schweißobjekte 1A und 1B längs der ersten Rille 2 und der zweiten Rille 3 mittels einer automatischen Lichtbogen-Schweißmaschine gemäß Fig. 1 miteinander verschweißt. Als Schweißdraht wird ein Flußmittelkern-Draht eines Durchmessers von 1,6 mm, als Schutzgas gasförmiges CO&sub2; verwendet.
Zunächst werden zum Schweißen der Schweißobjekte 1A und 1B längs der ersten Rille 2 die folgenden Daten im voraus in den Rechner 14 eingegeben.
Für die Berechnung des Zielschweißstroms (I):
P&sub1; = 2 mm,
Io = 360 A und
K = 37.
Darin bedeuten:
P&sub1; = Zieleindringtiefe (in) der ersten Rille,
Io = Schweißstrom bei einem Wurzelspaltabstand gleich Null und
K = eine Konstante, die von der Eindringtiefe, der Art des Schutzgases, dem Material des Schweißdrahts und dgl. abhängt.
Für die Berechnung der Zielvorschubgeschwindigkeit (Vf) des Schweißdrahts:
l = 15 mm,
A = 0,2 und
B = 4,59·10 5.
Darin bedeuten:
l = Vorstandslänge des Schweißdrahts und
A, B = Konstanten, die von der Art des Schutzgases, dem Material des Schweißdrahts und dgl. abhängen.
Für die Berechnung der Zielschweißgeschwindigkeit (V):
Vfo = 161 mm/s,
Vo = 8,3 mm/s,
d = 6,5 mm und
k = 1 mm².
Darin bedeuten
Vfo = Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts bei einem Wurzelspaltabstand gleich Null,
Vo = Schweißgeschwindigkeit bei einem Wurzelspaltabstand gleich Null,
d = Abstand (oder Strecke) zwischen dem untersten Eindringpunkt und dem obersten Punkt des Schweißwulsts und
k = Produkt der Multiplikation der Querschnittsfläche des Schweißdrahts mit dem Ablagerungswirkungsgrad.
Sodann werden für das Schweißen der Schweißobjekte 1A und 1B längs der zweiten Rille 3 die folgenden Daten im voraus in den Rechner 14 eingegeben:
P&sub2; = 2 mm,
P&sub1; = 2 mm,
tf = 3 mm,
Vfo = 161 mm/s,
Vo = 8,3 mm/s,
d = 6,5 mm und
k = 1 mm².
Darin bedeuten:
P&sub2; = Zieltiefe der Eindringung (in) der zweiten Rille,
P&sub1; = Zieltiefe der Eindringung (in) der ersten Rille,
tf = Höhe der Wurzelfläche,
Vfo = Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts bei einem Wurzelspaltabstand gleich Null,
Vo = Schweißgeschwindigkeit bei einem Wurzelspaltabstand gleich Null,
d = Abstand zwischen dem untersten Eindringpunkt und dem obersten Punkt des Schweißwulsts und
k = Produkt der Multiplikation der Querschnittsfläche des Schweißdrahts mit dem Ablagerungswirkungsgrad.
An den auf diese Weise länge der ersten Rille 2 und der zweiten Rille 3 miteinander verschweißten Schweißobjekten 1A und 1B wurde die Höhe des Schweißwulsts 16 untersucht. Das Ergebnis zeigte, daß die Höhe des Schweißwulsts 16 unabhängig von Änderungen im Abstand (G) des Wurzelspalts konstant war. Die Eindringtiefe in der ersten Rille 2 und in der zweiten Rille 3 stimmte mit deren jeweiligen Zielwerten überein, so daß damit ein zufriedenstellender, fehlerfreier Schweißwulst erzielt wurde.
Gemäß der vorstehend beschriebenen vorliegenden Erfindung wird unabhängig von etwaigen Änderungen im Wurzelspaltabstand eine konstante Eindringtiefe erzielt, so daß ein Durchbrennen ohne Vergrößerung der Höhe der Wurzelfläche verhindert, eine konstante Höhe des Schweißwulsts aufrechterhalten und der Lichtbogen stabilisiert werden können; hierdurch werden hervorragende industrielle Nutzeffekte zur Verfügung gestellt.

Claims

1. Automatisches Lichtbogen-Schweißverfahren, umfassend: kontinuierliches Zuführen eines Schweißdrahts als Abbrand-Schweißelektrode mit einer vorgeschriebenen Vorschubgeschwindigkeit praktisch lotrecht durch einen Elektrodenhalter (hindurch) in Richtung auf eine zwischen zwei zu schweißenden Objekten oder Schweißobjekten an einer ersten Seite derselben geformte erste Rille; kontinuierliches Bewegen des Elektrodenhalters zusammen mit dem Schweißdraht in der Längsrichtung der ersten Rille; Zuspeisen eines vorgeschriebenen Schweißstroms zum Schweißdraht zwecks Erzeugung eines Lichtbogens zwischen der Spitze des Schweißdrahts und der ersten Rille, um damit die Schweißobjekte mittels der Lichtbogenwärme längs der ersten Rille bei einer vorgeschriebenen Schweißgeschwindigkeit zu schweißen; und anschließend kontinuierliches Zuführen des Schweißdrahts mit einer vorgeschriebenen Vorschubgeschwindigkeit praktisch lotrecht durch den Elektrodenhalter in Richtung auf eine zweite Rille, die an einer der ersten Rille gegenüberliegenden zweiten Seite der Schweißobjekte geformt ist; kontinuierliches Bewegen des Elektrodenhalters zusammen mit dem Schweißdraht in der Längsrichtung der zweiten Rille; sowie Zuspeisen eines vorgeschriebenen Schweißstroms zum Schweißdraht zwecks Erzeugung eines Lichtbogens zwischen der Spitze des Schweißdrahts und der zweiten Rille, um damit die Schweißobjekte mittels der Lichtbogenwärme längs der zweiten Rille bei einer vorgeschriebenen Schweißgeschwindigkeit zu schweißen, dadurch gekennzeichnet, daß

(A) beim zusammenschweißen der Schweißobjekte längs der ersten Rille

(a) kontinuierlich ein Abstand eines Wurzelspalts an der Stromabseite des Elektrodenhalters in dessen Laufrichtung gemessen wird,

(b) ein Zielschweißstrom (I), bei dem eine Eindringtiefe mit einem Zielwert derselben übereinstimmt, nach folgender Formel (1) berechnet wird:

I = Io-KG . . . . . . (1)

in welcher bedeuten:

I = Zielschweißstrom,

Io = Schweißstrom bei einem Wurzelspaltabstand gleich Null,

K = eine von der Eindringtiefe, der Art eines Schutzgases, dem Material des Schweißdrahts und dgl. abhängende Konstante und

G = Abstand des Wurzelspalts oder Wurzelspaltabstand,

und der Schweißstrom so gesteuert oder geregelt wird, daß er mit dem so berechneten Zielschweißstrom übereinstimmt;

(c) eine Zielvorschubgeschwindigkeit (Vf) des Schweißdrahts, bei welcher eine Vorstandslänge des Schweißdrahts aus der Spitze des Elektrodenhalters mit einem Zielwert derselben übereinstimmt, nach folgender Formel (2) berechnet wird:

Vf = A·I + B·l·I² . . . . . (2)

in welcher bedeuten:

Vf = Zielvorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts,

I = Schweißstrom,

l = Vorstandslänge des Schweißdrahts und

A, B = Konstanten, die von der Art des Schutzgases, dem Material des Schweißdrahts und dgl. abhängen, und die Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts so gesteuert wird, daß sie mit der so berechneten Zielvorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts übereinstimmt;

(d) eine Zielschweißgeschwindigkeit (V), bei welcher eine Höhe des Schweißwulsts mit einem Zielwert derselben übereinstimmt, nach folgender Formel (3) berechnet wird:

V = Vf(Vfo/Vo + d·G) . . . (3)

in welcher bedeuten:

V = Zielschweißgeschwindigkeit,

Vf = Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts,

Vfo = Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts bei einem Wurzelspaltabstand gleich Null,

Vo = Schweißgeschwindigkeit beim Wurzelspaltabstand gleich Null

d = Abstand (Strecke) zwischen dem untersten Punkt der Eindringung und dem obersten Punkt des Schweißwulsts

k = Produkt der Multiplikation der Querschnittsfläche des Schweißdrahts mit dem Ablagerungswirkungsgrad und

G = Wurzelspaltabstand, und die Schweißgeschwindigkeit so gesteuert wird, daß sie mit der so berechneten Zielschweißgeschwindigkeit übereinstimmt; und

(B) beim Zusammenschweißen der Schweißobjekte längs der zweiten Rille

(a) kontinuierlich ein Abstand eines Wurzelspalts an der Stromabseite des Elektrodenhalters in dessen Laufrichtung gemessen wird;

(b) ein Zielschweißstrom, bei dem eine Zieltiefe (P&sub2;) der Eindringung bei einem Wurzelspaltabstand gleich Null der nachstehenden Formel (4) genügt, nach Formel (1) berechnet wird:

P&sub2; ≥ tf- P&sub1; . . . . . (4)

in welcher bedeuten:

P&sub2; = Zieltiefe der Eindringung (in) der zweiten Rille,

P&sub1; = Zieltiefe der Eindringung (in) der ersten Rille und

tf = Höhe der Wurzelfläche, und der Schweißstrom so gesteuert oder geregelt wird, daß der mit dem so berechneten Zielschweißstrom übereinstimmt;

(c) eine Zielschweißgeschwindigkeit (V), bei welcher eine Höhe des Schweißwulsts mit einem Zielwert derselben übereinstimmt, nach folgender Formel (5) berechnet wird:

V = Vfo(Vfo/Vo + d/k·G) . . . .(5)

in welcher bedeuten:

V = Zielschweißgeschwindigkeit,

Vo = Schweißgeschwindigkeit beim Wurzelspaltabstand gleich Null,

d = Abstand (Strecke) zwischen dem untersten Punkt der Eindringung und dem obersten Punkt des Schweißwulsts,

G = Wurzelspaltabstand, und die Schweißgeschwindigkeit so gesteuert wird, daß sie mit der so berechneten Zielschweißgeschwindigkeit übereinstimmt.