GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein
automatisches Lichtbogen-Schweißverfahren unter Verwendung eines
Schweißdrahts als Abbrandschweißelektrode und
insbesondere ein automatisches Lichtbogen-Schweißverfahren, das
beim Schweißen zweier in der Längsrichtung einer
dazwischen gebildeten Rille zu schweißender Objekte die
Verhinderung oder Vermeidung eines Durchbrennens auch bei einer
Änderung im Abstand eines Wurzelspalts und die
Stabilisierung eines Lichtbogens ermöglicht.
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Die VDI-Z., Band 128, Nr. 4, Februar 1986, VDI-Verlag
Düsseldorf (DE), P. DREWS u.a., "Automatisches
Schweißverfahren ASTRA", Seiten 123 - 127, offenbart ein
automatisches Lichtbogen-Schweißverfahren, umfassend
kontinuierliches Zuführen eines Schweißdrahts als
Abbrandschweißelektrode mit einer vorgeschriebenen Vorschubgeschwindigkeit
praktisch senkrecht durch einen Elektrodenhalter in
Richtung auf eine zwischen den zu schweißenden Objekten
geformte Rille. Der Schweißdrahthalter wird zusammen mit
dem Schweißdraht kontinuierlich in der Längsrichtung
der Rille bewegt. Ein Schweißstrom (mit) einer
definierten Schweißspannung wird dem Schweißdraht zugespeist, um
zwischen der Spitze des Schweißdrahts und der Rille einen
Lichtbogen zu erzeugen und damit die
zusammenzuschweißenden Objekte mittels der Lichtbogenwärme längs der Rille
zu verschweißen. Gemäß diesem Dokument wird der Abstand
eines Wurzelspalts der Rille kontinuierlich an der
Stromabseite des Elektrodenhalters in dessen Laufrichtung
gemessen. Ferner werden abhängig vom Abstand des
tatsächlichen Wurzelspalts die Schweißparameter, wie Schweißstrom
und Ziel-Schweißgeschwindigkeit, kontinuierlich
eingestellt.
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Dieser Stand der Technik lehrt jedoch, daß die
Schweißparameter wie folgt gesteuert werden: Zunächst
werden die Wurzelspaltbreiten entsprechend Ergebnissen
nach Richter klassifiziert, welche zulässige
Schweißparametertoleranzen für verschiedene Spaltbreiten im
Dünnblech-Metallbereich bestimmen. Sodann wird eine Tabelle
aufgestellt, in welcher jede(r) Wert oder Größe der für
die so klassifizierten Wurzelspaltbreiten gültigen
Schweißparameter bestimmt ist. Danach werden die
Schweißparameter, d.h. der Schweißstrom, die Vorschubgeschwindigkeit
des Schweißdrahts, die Schweißspannung und dgl., anhand
der so aufgestellten Tabelle nach Maßgabe der
tatsächlichen Wurzelspaltbreite gewählt.
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Die US-A-4 532 404 offenbart ein automatisches
Lichtbogen-Schweißverfahren, umfassend kontinuierliches
Zuführen eines Schweißdrahts als Abbrandschweißelektrode mit
einer vorgeschriebenen Vorschubgeschwindigkeit praktisch
senkrecht durch einen Elektrodenhalter in Richtung auf
eine zwischen zwei zu schweißenden Objekten geformte
Rille. Der Elektrodenhalter wird zusammen mit dem
Schweißdraht kontinuierlich in der Längsrichtung der Rille
bewegt oder geführt. Ein Schweißstrom einer definierten
Schweißspannung wird dem Schweißdraht zugespeist, um
zwischen der Spitze des Schweißdrahts und der Rille einen
Lichtbogen zu erzeugen und damit die
zusammenzuschweißenden Objekte mittels der Lichtbogenwärme längs der Rille
zu schweißen. Gemäß diesem Dokument werden beim Schweißen
der Objekte längs der Rille ein Abstand eines Wurzelspalts
der Rille an der Stromabseite des Elektrodenhalters in
dessen Laufrichtung kontinuierlich gemessen, der so
gemessene Abstand des Wurzelspalts zur Steuerung der
Elektrodenstellung-Steuerschaltung und zum Steuern der
Laufgeschwindigkeit der Schweißelektrode sowie der Schweißdraht-
Vorschubgeschwindigkeit benutzt und ferner der genannte
Abstand des Wurzelspalts zur Steuerung oder Regelung des
Schweißstroms herangezogen.
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Dieses Dokument lehrt jedoch, daß die
Schweißparameter wie folgt gesteuert werden: Die Elektrodenstellung,
die Laufgeschwindigkeit der Elektrode und die
Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts und dgl. werden in
Echtzeit gesteuert, um ein konstantes
Wärmeabstrahlprofil in der Nähe des Wurzelspaltbereichs, das durch
den Sensor gesammelt bzw. gemessen wird,
aufrechtzuerhalten, auch wenn sich die tatsächliche oder
Ist-Wurzelspaltbreite ändert, und zwar unter Berücksichtigung der
Erscheinung, daß sich ein Wärmeabstrahlprofil in der
Nähe des Wurzelspaltbereichs entsprechend Änderungen
der Ist-Wurzelspaltbreiten,
Wärmeableitverhinderungselementen und Wärmesumpfelementen ändert.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Beim Lichtbogenschweißen zweier zu verschweißender
Objekte oder Schweißobjekte in der Längsrichtung einer
dazwischen geformten Rille mittels eines Schweißdrahts
als Abbrandschweißelektrode erfolgt das Schweißen
üblicherweise mit einem Abstand eines Wurzelspalts der Rille
gleich Null, d.h. mit in Berührung miteinander stehenden
Wurzelflächen. Insbesondere bei der Durchführung des
automatischen Lichtbogenschweißens ist es übliche Praxis, den
Abstand des Wurzelspalts streng so zu steuern, daß der
Wurzelspaltabstand auf höchstens 1 mm gehalten wird bzw.
bleibt. Ein größerer Abstand des Wurzelspalts führt zu
einer unvollständigen Durch- oder Eindringung und zu
einem Durchbrennen. Tatsächlich sind jedoch aufgrund
der Genauigkeitsgrenzen bei der maschinellen
Bearbeitung Abweichungen im Wurzelspaltabstand in der
Längsrichtung der Rille unvermeidbar.
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Es ist daher übliche Praxis, vor dem Schweißen von
Schweißobjekten längs einer Rille den Wurzelspaltabstand
im voraus innerhalb zulässiger Grenzen über die
Gesamtlänge der Rille hinweg zu modifizieren, und zwar
beispielsweise durch Auffüllen von Abschnitten eines großen
Wurzelspaltabstands durch manuelles Schweißen. Zudem ist
es (dabei) notwendig, eine Höhe der Wurzelfläche zu
vergrößern, um ein Durchbrennen zu vermeiden.
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Eine solche manuelle Operation zum Auffüllen des
Wurzelspalts vor dem Voll- oder Fertigschweißen führt
jedoch zu einem (einer) verringerten Wirkungsgrad oder
Wirtschaftlichkeit der Schweißarbeiten insgesamt. Wie
oben beschrieben, ist es weiterhin nötig, die Höhe der
Wurzelfläche der Rille zu vergrößern. Beim Doppel- oder
Zweiseitenschweißen der Schweißobjekte sowohl von ihrer
ersten als auch ihrer zweiten Seite her ist es
demzufolge nach dem Schweißen einer ersten, an der ersten Seite
geformten Rille und vor dem Schweißen einer zweiten, an
der zweiten Seite geformten Rille erforderlich, die
zweite Rille z.B. durch Meißeln (gouging) abzuspanen, bis die
Bodenfläche der zweiten Rille den in der ersten Rille
geformten Schweißwulst erreicht, um eine zufriedenstellende
Eindringung sicherzustellen.
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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 Eindring-
oder Durchdringungstiefe gewährleistet und die
Verhinderung eines Durchbrennens ohne Vergrößerung einer Höhe
der Wurzelfläche sowie die Stabilisierung eines
Lichtbogens ermöglicht; ein solches automatisches Lichtbogen-
Schweißverfahren ist bisher jedoch noch nicht
vorgeschlagen worden.
ABRISS DER ERFINDUNG
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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 Eindring- oder
Durchdringungstiefe gewährleistet und die Verhinderung eines
Durchbrennens ohne Vergrößerung einer Höhe der
Wurzelfläche sowie die Stabilisierung eines Lichtbogens
ermöglicht.
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Gemäß einem der Merkmale der vorliegenden Erfindung
wird mit dieser ein automatisches
Lichtbogen-Schweißverfahren, wie es im Anspruch 1 beansprucht ist, geschaffen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 ein Blockdiagramm eines ersten
Ausführungsbeispiels des automatischen
Lichtbogen-Schweißverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung,
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Fig. 2 ein Blockdiagramm zur Darstellung eines zweiten
und eines dritten Ausführungsbeispiels des
automatischen Lichtbogen-Schweißverfahrens gemäß
der vorliegenden Erfindung,
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Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung
zwischen einem Abstand des Wurzelspalts der Rille
und einem Schweißstrom unter Heranziehung einer
Eindringtiefe als Parameter,
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Fig. 4 eine Schnittansicht zur Darstellung eines
typischen Beispiels der Rille und
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Fig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehung
zwischen einem Schweißstrom, einer
Vorschubgeschwindingkeit des Schweißdrahts, einer
Schweißspannung und einer Schweißgeschwindigkeit.
GENAUE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Unter dem obengenannten Gesichtspunkt wurden
ausgedehnte Untersuchungen angestellt mit dem Ziel der
Entwicklung eines automatischen
Lichtbogen-Schweißverfahrens, das auch bei einer Änderung im Abstand eines
Wurzelspalts in der Längsrichtung der Rille eine konstante
Eindring- oder Durchdringungstiefe gewährleistet und die
Verhinderung eines Durchbrennens ohne Vergrößerung einer
Höhe der Wurzelfläche sowie die Stabilisierung eines
Lichtbogens ermöglicht. Als Ergebnis wurde folgendes
festgestellt:
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1) Es ist möglich, durch Berechnung einen
Ziel-Schweißstrom zu bestimmen, bei dem eine Eindringtiefe mit einer
Zielgröße derselben übereinstimmt, und zwar durch
Messung eines Abstands (einer Weite) eines Wurzelspalts
der Rille, wenn eine bestimmte Beziehung zwischen dem
Schweißstrom und dem Abstand des Wurzelspalts bezüglich
der Eindringtiefe gefunden wird.
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2) Es ist möglich, durch Berechnung eine
Ziel-Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts bei dem genannten Ziel-
Schweißstrom, bei welcher eine Vorstandslänge des
Schweißdrahts aus der Spitze des Elektrodenhalters mit einem
Zielwert derselben übereinstimmt, zu bestimmen, wenn eine
bestimmte Beziehung zwischen dem Schweißstrom und der
Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts bezüglich der
Vorstandslänge des Schweißdrahts gefunden wird.
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3) Es ist möglich, durch Berechnung eine
Ziel-Schweißspannung bei dem genannten Ziel-Schweißstrom und der Ziel-
Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts, bei welcher
eine Lichtbogenlänge mit einem Zielwert derselben
übereinstimmt, zu bestimmen, wenn eine bestimmte Beziehung
zwischen der Schweißspannung, dem Schweißstrom und der
Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts bezüglich der
Lichtbogenlänge gefunden wird.
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Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage der
obengenannten Feststellungen entwickelt. Im folgenden ist
ein erstes Ausführungsbeispiel des automatischen
Lichtbogen-Schweißverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
anhand der Zeichnungen im einzelnen beschrieben.
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Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines ersten
Ausführungsbeispiels des automatischen
Lichtbogen-Schweißverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß Fig. 1 werden zwei zu verschweißende Objekte
bzw. Schweißobjekte 1A und 1B längs einer dazwischen
geformten Rille 2 verschweißt.
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Ein Elektrodenhalter 3 bewegt sich unter der
Wirkung einer Transporteinheit 4 fortlaufend mit einer
vorbestimmten Geschwindigkeit längs der Rille 2. Der
Elektrodenhalter 3 ist dabei mit einer hohen
Geschwindigkeit oder Drehzahl um seine Mittelachse in der mit A
in
Fig. 1 bezeichneten Richtung drehbar.
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Ein Schweißdraht 6 als Abbrandschweißelektrode ist
in den Elektrodenhalter 3 exzentrisch zu dessen
Mittelachse eingesetzt. Der Schweißdraht 6 wird durch einen
Schweißdrahtzuführer 7 im wesentlichen lotrecht durch
den Elektrodenhalter 3 hindurch fortlaufend in Richtung
auf die Rille 2 zugeführt.
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Ein Schweißstrom, bei dem eine Eindringtiefe mit
einem Zielwert derselben übereinstimmt, wie dies noch
beschrieben werden wird, wird den Schweißobjekten 1A
und 1B sowie dem Schweißdraht 6 von einer durch eine
erste Steuereinheit 5 gesteuerten Schweißstromquelle
10 her zugespeist, wobei zwischen der Spitze des
Schweißdrahts 6 und der Rille 2 ein Lichtbogen erzeugt
wird und die Schweißobjekte 1A und 1B mittels der
Lichtbogenwärme längs der Rille 2 zusammengeschweißt oder
miteinander verschweißt werden. Die Rille 2 wird
gegenüber der Umgebungsluft durch ein Schutzgas abgeschirmt,
das aus einer (nicht dargestellten) Düse im Bereich
der Spitze des Elektrodenhalters 3 ausgeblasen wird.
Ersichtlicherweise ist die vorliegende Erfindung nicht
auf das oben beschriebene, als Rotationslichtbogen-
Schweißverfahren bekannte Verfahren beschränkt.
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Eine Fernsehkamera 11 nimmt fortlaufend die Rille
2 an der Stromabseite der Laufrichtung des
Elektrodenhalters 3 (der in Fig. 1 mit B bezeichneten Richtung)
auf. Die Fernsehkamera 11 ist dabei an der
Transporteinheit 4 befestigt.
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Ein Bildprozessor 12 mißt fortlaufend einen Abstand
(eine Strecke) eines Wurzelspalts der Rille 2 in
Abhängigkeit von einem Aufnahmesignal von der Fernsehkamera 11.
Die Daten bezüglich des durch den Bildprozessor 12
gemessenen Abstands des Wurzelspalts werden einem noch
zu beschreibenden Rechner eingegeben.
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Die folgende Formel (1) zur Anwendung beim
Verschweißen der Schweißobjekte 1A und 1B längs der Rille 2
wird dem Rechner 13 für die Berechnung eines
Ziel-Schweißstroms eingegeben, bei dem eine Eindringtiefe mit ihrem
Zielwert übereinstimmt.
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I = Io - KG....(1)
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In obiger Formel bedeuten:
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I = Ziel-Schweißstrom,
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Io = Schweißstrom dann, wenn der
Wurzelspaltabstand gleich Null ist,
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K = eine von der Eindringtiefe, der Art des
Schutzgases, dem Werkstoff des Schweißdrahts und dgl.
abhängige Konstante und
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G = Abstand des Wurzelspalts.
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Die obigen Parameter "Io" und "K" werden dem Rechner
13 im voraus über eine Eingabeeinheit 14 eingegeben.
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Der Rechner 13 beliefert die erste Steuereinheit 5
zum Steuern der Schweißstromquelle 10 mit dem
Rechenergebnis, d.h. einem Ziel-Schweißstrom, bei dem die
Eindringtiefe mit ihrem Zielwert übereinstimmt.
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Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Beziehung
zwischen einem Abstand des Wurzelspalts der Rille und
einem Schweißstrom unter Heranziehung einer Eindringtiefe
als Parameter. Fig. 3 zeigt - genauer gesagt - deutlich,
daß eine bestimmte Beziehung zwischen dem tatsächlich
gemessenen Abstand des Wurzelspalts und dem tatsächlichen
oder Ist-Schweißstrom bei Anwendung zum Erreichen der
jeweiligen Eindringtiefe von 1 mm, 2 mm oder 3 mm
besteht, und diese Figur belegt daher, daß die obige
Formel (1) gültig ist.
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Im folgenden ist der Fall beschrieben, in welchem
die Schweißobjekte 1A und 1B gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung längs der
Rille 2 verschweißt werden.
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Der Elektrodenhalter 3 bewegt sich unter der
Wirkung der Transporteinheit 4 fortlaufend längs der Rille
2, während er mit einer hohen Drehzahl um seine
Mittelachse rotiert. Von der durch die erste Steuereinheit 5
gesteuerten Schweißstromquelle 10 wird ein Schweißstrom
dem in den Elektrodenhalter 3 eingeführten Schweißdraht
zugespeist, wodurch zwischen der Spitze des Schweißdrahts
6 und der Rille 2 ein Lichtbogen erzeugt wird und die
Schweißobjekte 1A und 1B durch die Lichtbogenhitze
längs der Rille 2 verschweißt werden.
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Die Rille 2 wird durch die Fernsehkamera 11 an der
Stromabseite der Laufrichtung des Elektrodenhalters 3
aufgenommen. Ein Aufnahmesignal von der Fernsehkamera
11 wird dem Bildprozessor 12 eingegeben. In Abhängigkeit
vom Aufnahmesignal mißt der Bildprozessor 12 fortlaufend
den Abstand (G) des Wurzelspalts der Rille 2. Die Daten
bezüglich des so gemessenen Abstands des Wurzelspalts
werden dem Rechner 13 eingegeben. Der Rechner 13
berechnet einen Ziel-Schweißstrom (I), bei dem eine
Eindringtiefe mit einem Zielwert derselben übereinstimmt, nach
der im voraus in den Rechner 13 eingegebenen,
obengenannten Formel (1). Der Rechner 13 beschickt die erste
Steuereinheit 5 mit dem so berechneten Ziel-Schweißstrom. Die
erste Steuereinheit 5 steuert die Schweißstromquelle 10
so, daß dem Schweißdraht 6 ein Schweißstrom zugespeist
wird, der mit dem auf oben beschriebene Weise
berechneten Ziel-Schweißstrom übereinstimmt, so daß die
Eindringtiefe der Rille 2 unabhängig von einer etwaigen Änderung
im Abstand (G) des Wurzelspalts stets mit ihrem
Zielwert übereinstimmt.
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Im folgenden ist ein zweites Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Lichtbogen-Schweißverfahrens gemäß der
vorliegenden Erfindung anhand von Fig. 2 beschrieben.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel des automatischen
Lichtbogen-Schweißverfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung wird, wie beim oben beschriebenen ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, ein Ziel-
Schweißstrom, bei dem eine Eindringtiefe mit einem
Zielwert derselben übereinstimmt, berechnet, wobei nicht nur
der Schweißstrom so gesteuert oder geregelt wird, daß
er mit dem so berechneten Ziel-Schweißstrom
übereinstimmt, sondern auch eine Ziel-Vorschubgeschwindigkeit
des Schweißdrahts, bei der eine Vorstandslänge des
Schweißdrahts 6 aus der Spitze des Elektrodenhalters
3 mit einem Zielwert desselben übereinstimmt, berechnet
und die Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts 6 so
gesteuert wird, daß sie mit der auf diese Weise
berechneten Ziel-Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts 6
übereinstimmt.
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Im einzelnen ist das Verfahren gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das
gleiche wie das Verfahren gemäß dem oben angegebenen
ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
mit dem Unterschied, daß die Vorschubgeschwindigkeit
des Schweißdrahts 6 durch den Schweißdrahtzuführer 7
mittels der zweiten Steuereinheit 8 so gesteuert wird,
daß die Vorstandslänge des Schweißdrahts 6 aus der Spitze
des Elektrodenhalters 3 mit einem Zielwert derselben
übereinstimmt.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung wird nicht nur die beim ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angewandte Formel (1),
sondern auch die folgende Formel (2) zum Berechnen einer
Ziel-Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts 6, bei
welcher eine Vorstandslänge des Schweißdrahts 6 aus
der Spitze des Elektrodenhalters 3 mit einem Zielwert
derselben übereinstimmt, im voraus in den Rechner 13
eingegeben:
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Vf = A I + B l I²....(2)
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Darin bedeuten:
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Vf = Ziel-Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts,
-
I = Schweißstrom,
-
l = Vorstandslänge des Schweißdrahts und
-
A, B = von der Art des Schutzgases, dem Werkstoff des
Schweißdrahts und dgl. abhängige Konstanten.
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Die obigen Parameter "l", "A" und "B" werden über
die Eingabeeinheit 14 im voraus in den Rechner 13
eingegeben.
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Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Beziehung
zwischen einem Schweißstrom, einer Vorschubgeschwindigkeit
des Schweißdrahts, einer Schweißspannung und einer
Schweißgeschwindigkeit. In Fig. 5 zeigt die für die
Schweißdraht-Vorschubgeschwindigkeit stehende Linie deutlich, daß eine
bestimmte Beziehung zwischen dem angewandten
Ist-Schweißstrom und der angewandten Ist-Vorschubgeschwindigkeit des
Schweißdrahts besteht, so daß diese Figur damit die
Gültigkeit der Formel (2) belegt.
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Der Rechner, in den die obigen Formeln (1) und (2) im
voraus eingegeben worden sind, beliefert die erste
Steuereinheit 5 zur Steuerung der Schweißstromquelle 10 mit
dem Ergebnis der Berechnung nach Formel (1), d.h. einem
Ziel-Schweißstrom, bei dem eine Eindringtiefe mit dem
Zielwert derselben übereinstimmt, und beliefert
andererseits die zweite Steuereinheit 8 zur Steuerung des
Schweißdrahtzuführers 7 mit dem Ergebnis der Berechnung nach
Formel (2), d.h. einer Ziel-Vorschubgeschwindigkeit des
Schweißdrahts 6, bei welcher eine Vorstandslänge des
Schweißdrahts 6 aus der Spitze des Elektrodenhalters 3
mit einem Zielwert derselben übereinstimmt. Die
Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts 6 wird so gesteuert, daß
die Vorstandslänge des Schweißdrahts 6 mit ihrem Zielwert
übereinstimmt, um eine Stabilisierung des Lichtbogens
zu gewährleisten.
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Im folgenden ist der Fall beschrieben, in welchem die
Schweißobjekte 1A und 1B gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung längs der Rille
verschweißt werden.
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Der Elektrodenhalter 3 bewegt sich unter der Wirkung
der Transporteinheit 4 fortlaufend längs der Rille 2,
während er mit hoher Drehzahl um seine Mittelachse
rotiert. Von der durch die erste Steuereinheit 5
gesteuerten Schweißstromquelle 10 wird ein Schweißstrom dem in
den Elektrodenhalter 3 eingesetzten Schweißdraht 6
zugespeist, so daß zwischen der Spitze des Schweißdrahts
6 und der Rille 2 ein Lichtbogen erzeugt wird und die
Schweißobjekte 1A und 1B mittels der Lichtbogenwärme
längs der Rille 2 verschweißt werden.
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Die Rille 2 wird durch die Fernsehkamera 11 an der
Stromabseite in der Laufrichtung des Elektrodenhalters
3 aufgenommen. Ein Aufnahmesignal von der Fernsehkamera
11 wird dem Bildprozessor 12 eingespeist. Der
Bildprozessor 12 mißt fortlaufend den Abstand (G) des
Wurzelspalts der Rille 2 nach Maßgabe des Aufnahmesignals.
Daten bezüglich des so gemessenen Abstands des
Wurzelspalts werden dem Rechner 13 eingegeben. Der Rechner 13
berechnet einen Ziel-Schweißstrom (I), bei dem eine
Eindringtiefe mit einem Zielwert derselben
übereinstimmt, nach der oben angegebenen, dem Rechner 13 im
voraus eingegebenen Formel (1). Der Rechner 13
beliefert die erste Steuereinheit 5 mit dem berechneten
Ziel-Schweißstrom. Die erste Steuereinheit 5 steuert
die Schweißstromquelle 10 so, daß ein Schweißstrom,
der mit dem auf oben beschriebene Weise berechneten
Ziel-Schweißstrom übereinstimmt, dem Schweißdraht 6
zugespeist wird, so daß die Eindringtiefe (in) der Rille
2 unabhängig von einer etwaigen Änderung im Abstand (G)
des Wurzelspalts stets mit ihrem Zielwert übereinstimmt.
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Der Rechner 13 berechnet ferner eine
Ziel-Vorschubgeschwindigkeit (Vf) des Schweißdrahts 6 bei dem auf
oben beschriebene Weise berechneten Ziel-Schweißstrom,
bei welcher eine Vorstandslänge des Schweißdrahts 6 aus
der Spitze des Elektrodenhalters 3 mit ihrem Zielwert
übereinstimmt, nach der dem Rechner 13 im voraus
eingegebenen, obengenannten Formel (2). Der Rechner 13
beschickt die zweite Steuereinheit 8 mit der auf diese
Weise berechneten Ziel-Vorschubgeschwindigkeit des
Schweißdrahts 6. Die zweite Steuereinheit 8 steuert
den Schweißdrahtzuführer 7 so, daß der Schweißdraht 6
fortlaufend in Richtung auf die Rille 2 mit einer
Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts 6 zugeführt wird,
welche mit der so berechneten
Ziel-Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts 6 übereinstimmt, so daß die
Vorstandslänge des Schweißdrahts 6 unabhängig von einer
etwaigen Änderung des Schweißstroms stets mit ihrem
Zielwert übereinstimmt und damit eine Stabilisierung
des Lichtbogens ermöglicht wird.
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Im folgenden ist anhand von Fig. 2 ein drittes
Ausführungsbeispiel des automatischen
Lichtbogen-Schweißverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Beim dritten Ausführungsbeispiel des automatischen
Lichtbogen-Schweißverfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung wird, wie beim oben beschriebenen zweiten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, ein
Ziel-Schweißstrom, bei dem eine Eindringtiefe mit einem Zielwert
derselben übereinstimmt, berechnet, wobei der Schweißstrom
so gesteuert oder geregelt wird, daß er mit dem auf
diese Weise berechneten Ziel-Schweißstrom übereinstimmt.
Darüber hinaus werden nicht nur eine
Ziel-Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts 6, bei welcher eine
Vorstandslänge des Schweißdrahts 6 aus der Spitze des
Elektrodenhalters 3 mit einem Zielwert derselben
übereinstimmt, berechnet und die Vorschubgeschwindigkeit
des Schweißdrahts 6 so gesteuert, daß sie mit der so
berechneten Ziel-Vorschubgeschwindigkeit des
Schweißdrahts 6 übereinstimmt, vielmehr werden auch eine
Ziel-Schweißspannung, bei welcher eine Lichtbogenlänge
mit einem Zielwert derselben übereinstimmt, berechnet
und die Schweißspannung so gesteuert oder geregelt,
daß sie mit der so berechneten Ziel-Schweißspannung
übereinstimmt.
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Im einzelnen entspricht das Verfahren gemäß dem
dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
dem Verfahren gemäß dem oben beschriebenen zweiten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, nur mit dem
Unterschied, daß zur Gewährleistung einer weiteren
Stabilisierung des Lichtbogens die Schweißspannung
gesteuert oder geregelt wird.
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Beim dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung werden nicht nur die beim zweiten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung benutzten Formeln (1) und
(2), sondern auch die folgende Formel (3) zum Berechnen
einer Ziel-Schweißspannung, bei welcher eine
Lichtbogenlänge mit dem Zielwert derselben übereinstimmt, im voraus
dem Rechner 13 eingegeben.
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Et = El + Ea + Er ... (3)
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Darin bedeuten:
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Et = Ziel-Schweißspannung,
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El = durch die Vorstandslänge des Schweißdrahts
verursachter Spannungsabfall,
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Ea = Lichtbogenspannung und
-
Er = Spannungsabfall, hervorgerufen durch den
Widerstand 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 zu schweißenden Objekten oder
Schweißobjekten.
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Die Parameter El , Ea und Er lassen sich jeweils
3durch die folgenden Formeln (4) bis (6) ausdrücken:
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El = a l I - b Vf/I ... (4)
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Ea = Eo (I) + la ... (5)
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Er = R I ... (6)
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In obigen Formeln bedeuten:
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l = Vorstandslänge des Schweißdrahts,
-
I = Schweißstrom,
-
Vf = Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts,
-
a, b = von der Art des Schutzgases, des Werkstoffs
des Schweißdrahts und dgl. abhängige
Konstanten,
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Eo(I) = Spannungsabfall gleich der Summe aus dem
Spannungsabfall des Minuspols und dem
Spannungsabfall des Pluspols,
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= Potentialgradient der Lichtbogensäule,
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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 Ausgangsende der Schweißstromquelle
und den zu schweißenden Objekten bzw.
Schweißobjekten.
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Die obigen Parameter "l", "a", "b", "Eo(I)", " ",
"la" und "R" werden dem Rechner 13 über die
Eingabeeinheit 14 im voraus eingegeben.
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In Fig. 5 zeigt die die Schweißspannung
repräsentierende Linie deutlich, daß eine bestimmte Beziehung
zwischen dem angewandten Ist-Schweißstrom und der angewandten
Ist-Schweißspannung besteht, und sie belegt daher, daß
die obige Formel (3) gültig ist.
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Der Rechner 13, in den die obigen Formeln (1) bis (3)
im voraus eingegeben worden sind, beliefert die erste
Steuereinheit 5 zum Steuern der Schweißstromquelle 10 mit
dem Rechenergebnis nach Formel (1), d.h. einem Ziel-
Schweißstrom, bei dem eine Eindringtiefe mit dem Zielwert
derselben übereinstimmt, und er beliefert die zweite
Steuereinheit 8 zum Steuern des Schweißdrahtzuführers 7
mit dem Rechenergebnis nach Formel (2), d.h. einer Ziel-
Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts 6, bei welcher
eine Vorstandslänge des Schweißdrahts 6 aus der Spitze
des Elektrodenhalters 3 mit dem Zielwert derselben
übereinstimmt, und beliefert weiterhin die erste
Steuereinheit 5 zum Steuern der Schweißstromquelle 10 mit dem
Rechenergebnis gemäß Formel (3), d.h. einer
Ziel-Schweißspannung, bei welcher eine Lichtbogenlänge mit dem
Zielwert demselben übereinstimmt.
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Im folgenden ist der Fall beschrieben, in welchem
die Schweißobjekte 1A und 1B gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung längs der Rille
2 verschweißt werden.
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Der Elektrodenhalter 3 bewegt sich unter der
Wirkung der Transporteinheit 4 fortlaufend längs der Rille
2, während er mit hoher Drehzahl um seine Mittelachse
rotiert. Von der durch die erste Steuereinheit 5
gesteuerten Schweißstromquelle 10 wird ein Schweißstrom
dem in den Elektrodenhalter 3 eingesetzten Schweißdraht
6 zugespeist, wodurch zwischen der Spitze des
Schweißdrahts 6 und der Rille 2 ein Lichtbogen erzeugt wird
und die Schweißobjekte 1A und 1B mittels der
Lichtbogenwärme längs der Rille 2 zusammengeschweißt werden.
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Die Rille 2 wird durch die Fernsehkamera 11 an der
Stromabseite in der Laufrichtung des Elektrodenhalters
3 aufgenommen. Ein Aufnahmesignal von der Fernsehkamera
11 wird dem Bildprozessor 12 eingegeben. Der
Bildprozessor 12 mißt fortlaufend den Abstand (G) des
Wurzelspalts der Rille 2 in Abhängigkeit vom Aufnahmesignal.
Die Daten bezüglich des so gemessenen Abstands des
Wurzelspalts werden dem Rechner 13 eingegeben. Der
Rechner 13 berechnet einen Ziel-Schweißstrom (I), bei dem
eine Eindringtiefe mit einem Zielwert derselben
übereinstimmt, nach der im voraus in den Rechner 13
eingegebenen, obengenannten Formel (1). Der Rechner 13
beliefert die erste Steuereinheit 5 mit dem berechneten
Ziel-Schweißstrom. Die erste Steuereinheit 5 steuert
die Schweißstromquelle 10 so, daß ein Schweißstrom,
welcher mit dem auf oben beschriebene Weise
berechneten Ziel-Schweißstrom übereinstimmt, dem Schweißdraht
6 zugespeist wird, so daß die Eindringtiefe unabhängig
von einer etwaigen Änderung im Abstand (G) des
Wurzelspalts stets mit ihrem Zielwert übereinstimmt.
-
Der Rechner 13 berechnet auch für den auf oben
beschriebene Weise berechneten Ziel-Schweißstrom eine
Ziel-Vorschubgeschwindigkeit (Vf) des Schweißdrahts 6,
bei welcher eine Vorstandslänge des Schweißdrahts 6 aus
der Spitze des Elektrodenhalters 3 mit einem Zielwert
derselben übereinstimmt, nach der oben angegebenen, dem
Rechner 13 im voraus eingegebenen Formel (2). Der
Rechner 13 beliefert die zweite Steuereinheit 13 mit der so
berechneten Ziel-Vorschubgeschwindigkeit des
Schweißdrahts 6. Die zweite Steuereinheit 8 steuert den
Schweißdrahtzuführer 7 so, daß der Schweißdraht 6 zur Rille 2
fortlaufend mit einer Vorschubgeschwindigkeit des
Schweißdrahts 6 zugeführt wird, welche mit der so
berechneten Ziel-Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts
6 übereinstimmt, so daß eine Vorstandslänge des
Schweißdrahts 6 unabhängig von einer etwaigen Änderung des
Schweißstroms stets mit ihrem Zielwert übereinstimmt
und dadurch eine Stabilisierung des Lichtbogens
ermöglicht wird.
-
Außerdem berechnet der Rechner 13 für den auf oben
beschriebene Weise berechneten Ziel-Schweißstrom und die
auf oben beschriebene Weise berechnete
Ziel-Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts 6 eine
Ziel-Schweißspannung (Et), bei welcher eine Lichtbogenlänge mit einem
Zielwert derselben übereinstimmt, nach der dem Rechner
13 im voraus eingegebenen, obengenannten Formel (3). Der
Rechner 13 beliefert die erste Steuereinheit 5 mit der
so berechneten Ziel-Schweißspannung. Die erste
Steuereinheit 5 steuert die Schweißstromquelle 10 so, daß eine
Schweißspannung gleich der Ziel-Schweißspannung, bei
welcher die Lichtbogenlänge mit ihrem Zielwert
übereinstimmt, zwischen den Schweißdraht 6 und die
Schweißobjekte 1A und 1B angelegt wird, um damit eine weitere
Stabilisierung des Lichtbogens zu gewährleisten.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die
Laufgeschwindigkeit der Transporteinheit 4, d.h. die
Schweißgeschwindigkeit, so gesteuert werden, daß eine Höhe des
Schweißwulsts mit einem Zielwert derselben übereinstimmt,
indem eine in Fig. 2 von gestrichelten Linien umrahmte
dritte Steuereinheit 9 vorgesehen wird. In diesem Fall
wird die folgende Formel (7) zum Berechnen einer Ziel-
Schweißgeschwindigkeit, bei welcher eine Höhe des
Schweißwulsts mit einem Zielwert derselben übereinstimmt, dem
Rechner 13 im voraus eingegeben:
-
V = Vf (Vfo/Vo + d/k G) ... (7)
-
In obiger Formel bedeuten:
-
V = Ziel-Schweißgeschwindigkeit,
-
Vf = Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts,
-
Vfo = Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahts dann,
wenn der Wurzelspaltabstand gleich Null ist,
-
Vo = Schweißgeschwindigkeit dann, wenn der
Wurzelspaltabstand gleich Null ist,
-
d = Abstand 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 = Abstand des Wurzelspalts.
-
Die genannten Parameter "Vfo", "V", "d" und "k" werden
dem Rechner 13 über die Eingangseinheit 14 im voraus
eingegeben.
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In Fig. 5 zeigt die die Schweißgeschwindigkeit
repräsentierende Linie deutlich, daß eine bestimmte
Beziehung zwischen dem angewandten Ist-Schweißstrom und
der angewandten Ist-Schweißgeschwindigkeit besteht, und
sie belegt daher, daß Formel (7) gültig ist.
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Der Rechner 13 beliefert die dritte Steuereinheit
9 zum Steuern der Transporteinheit 4 mit dem Ergebnis
der Berechnung nach Formel (7), d.h. der
Ziel-Schweißgeschwindigkeit, bei welcher die Höhe des Schweißwulsts
mit ihrem Zielwert übereinstimmt.
-
Im folgenden sind Beispiele des automatischen
Lichtbogen-Schweißverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
beschrieben.
BEISPIEL 1
-
Zwei Platten aus nichtrostendem Stahl (SUS 304) einer
Dicke von 10 mm wurden als Schweißobjekte 1A und 1B
vorgesehen,und eine Rille 2 einer in Fig. 4 gezeigten Form
wurde zwischen den beiden Schweißobjekten geformt. Sodann
wurden die Schweißobjekte 1A und 1B mittels einer in Fig. 1
gezeigten automatischen Lichtbogen-Schweißmaschine längs
der Rille 2 miteinander verschweißt. Als Schweißdraht
wurde ein Flußmittelkern-Draht eines Durchmessers von
1,6 mm, als Schutzgas gasförmiges CO&sub2; verwendet.
-
Zum Schweißen der Schweißgegenstände 1A und 1B längs
der Rille 2 wurden die folgenden Daten dem Rechner 13 im
voraus eingegeben:
-
Für die Berechnung des Ziel-Schweißstroms (I) :
-
P&sub1; = 2 mm
-
Io = 360 A und
-
K = 37
-
wobei bedeuten:
-
P&sub1; = Zieltiefe der Eindringung (in) der Rille,
-
Io = Schweißstrom dann, wenn der
Wurzelspaltabstand gleich Null ist, und
-
K = eine von der Eindringtiefe, der Art des
Schutzgases, dem Werkstoff des
Schweißdrahts und dgl. abhängige Konstante.
-
Eine Untersuchung der Eindringtiefe (in) der Rille 2
der auf diese Weise verschweißten Schweißobjekte 1A und
1B zeigte, daß unabhängig von Änderungen im Abstand (G)
des Wurzelspalts die Eindringtiefe in der Rille 2 mit
ihrem Zielwert übereinstimmte, so daß ein
zufriedenstellender, fehlerfreier Schweißwulst erhalten wurde.
BEISPIEL 2
-
Zwei Platten aus nichtrostendem Stahl (SUS 304)
einer Dicke von 10 mm wurden als Schweißobjekte 1A und
1B vorgesehen, wobei zwischen ihnen eine Rille 2 einer
in Fig. 4 gezeigten Form geformt wurde. Sodann wurden
die Schweißobjekte 1A und 1B mittels einer in Fig. 2
dargestellten automatischen Lichtbogen-Schweißmaschine längs
der Rille 2 miteinander verschweißt. Als Schweißdraht
wurde ein Flußmittelkern-Draht eines Durchmessers von
1,6 mm, als Schutzgas gasförmiges CO&sub2; verwendet.
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Für das Verschweißen der Schweißobjekte 1A und 1B
längs der Rille 2 wurden die folgenden Daten dem Rechner
13 im voraus eingegeben:
-
Für die Berechnung des Ziel-Schweißstroms (I):
-
P&sub1; = 2 mm,
-
Io = 360A und
-
K = 37.
-
Dabei bedeuten:
-
P&sub1; = Zieltiefe der Eindringung in der Rille,
-
Io = Schweißstrom dann, wenn der Abstand des
Wurzelspalts gleich Null ist, und
-
K = eine von der Eindringtiefe, der Art des
Schutzgases, dem Werkstoff des
Schweißdrahts und dgl. abhängige Konstante.
-
Für die Berechnung der Ziel-Vorschubgeschwindigkeit
(Vf) des Schweißdrahts:
-
l = 15 mm
-
A = 0,2 und
-
B = 4,59 x 10&supmin;&sup5; .
-
Darin bedeuten:
-
l = Vorstandslänge des Schweißdrahts und
-
A, B = von der Art des Schutzgases, dem Material
des Schweißdrahts und dgl. abhängige Konstanten.
-
Beim Schweißen der Schweißobjekte 1A und 1B wurde ein
stabiler Zustand des Lichtbogens erzielt. Untersuchungen
der Eindringtiefe in der Rille 2 der auf diese Weise
verschweißten Schweißobjekte 1A und 1B zeigten, daß
unabhängig von Änderungen im Abstand (G) des Wurzelspalts
die Eindringtiefe in der Rille 2 mit ihrem Zielwert
übereinstimmte, so daß ein zufriedenstellender, fehlerfreier
Schweißwulst erzielt wurde.
BEISPIEL 3
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Zwei Platten aus nichtrostendem Stahl (SUS 304) einer
Dicke von 10 mm wurden als Schweißobjekte 1A und 1B
vorgesehen, wobei zwischen ihnen eine Rille 2 der in Fig. 4
dargestellten Form geformt wurde. Sodann wurden die
Schweißobjekte 1A und 1B mittels einer automatischen Lichtbogen-
Schweißmaschine gemäß Fig. 2 längs der Rille 2 miteinander
verschweißt. Als Schweißdraht wurde ein Flußmittelkern-
Draht eines Durchmessers von 1,6 mm, als Schutzgas
gasförmiges CO&sub2; verwendet.
-
Für das Schweißen der Schweißobjekte 1A und 1B längs
der Rille 2 wurden die folgenden Daten im voraus dem
Rechner 13 eingegeben:
-
Für die Berechnung des Ziel-Schweißstroms (I):
-
P&sub1; = 2 mm,
-
Io = 360A und
-
K = 37.
-
Darin bedeuten:
-
P&sub1; = Zieltiefe der Eindringung in der Rille,
-
Io = Schweißstrom dann, wenn der
Wurzelspaltabstand gleich Null ist, und
-
K = von der Eindringtiefe, der Art des
Schutzgases, dem Material des Schweißdrahts und
dgl. abhängige Konstante.
-
Für die Berechnung der Ziel-Vorschubgeschwindigkeit
(Vf) des Schweißdrahts:
-
l = 15 mm
A = 0,2 und
B = 4,5q x 10&supmin;&sup5;
-
Darin bedeuten:
-
l = Vorstandslänge des Schweißdrahts und
-
A B = von der Art des Schutzgases, dem Material
des Schweißdrahts und dgl. abhängige Konstanten.
-
Für die Berechnung der Ziel-Schweißspannung (Et):
-
a = 1,12 x 10&supmin;³ ,
-
b = 2,19 ,
-
Eo(I) = 0,025 I x 16,4 (V),
-
= 2,4 (V/mm),
-
la = 1,5 mm und
-
R = 0,1 X.
-
Darin bedeuten:
-
a, b = von der Art des Schutzgases, dem Werkstoff
des Schweißdrahts und dgl. abhängige
Konstanten,
-
Eo(I) = Spannungsabfall gleich der Summe aus dem
Spannungsabfall des Minuspols und dem
Spannungsabfall des Pluspols,
-
= Potentialgradient der Lichtbogensäule,
-
la = Lichtbogenlänge und
-
R = Widerstand gleich Summe aus dem Widerstand
zwischen einem Ausgangsende der
Schweißstromquelle und dem Elektrodenhalter sowie dem
Widerstand zwischen dem anderen
Ausgangsende der Schweißstromquelle und den
Schweißobjekten.
-
Beim Schweißen der Schweißobjekte 1A und 1B wurde
ein weiterer stabiler Zustand bzw. weiter stabilisierter
Zustand des Lichtbogens erzielt. Untersuchungen der
Eindringtiefe in der Rille 2 bei den auf diese Weise
miteinander verschweißten Schweißobjekten 1A und 1B zeigten,
daß unabhängig von Änderungen im Abstand (G) des
Wurzelspalts die Eindringtiefe in der Rille 2 mit ihrem
Zielwert übereinstimmte, so daß ein zufriedenstellender,
fehlerfreier Schweißwulst erhalten wurde.
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Gemäß der vorstehend beschriebenen vorliegenden
Erfindung ist eine konstante Eindringtiefe unabhängig von
einer etwaigen Änderung im Abstand des Wurzelspalts
erzielbar, wodurch ein Durchbrennen ohne Vergrößerung der
Höhe der Wurzelflächen vermieden und eine Stabilisierung
des Lichtbogens erreicht werden können; damit werden
große industrielle Nutzeffekte geboten.