DE4023155C2

DE4023155C2 - Wechselstrom-Schutzgaslichtbogenschweißverfahren und Vorrichtung mit verbrauchbarer Elektrode

Info

Publication number: DE4023155C2
Application number: DE4023155A
Authority: DE
Inventors: Tsuneo Mita; Tsuneo Shinada; Takayuki Kashima
Original assignee: Hitachi Seiko Ltd
Current assignee: Hitachi Seiko Ltd
Priority date: 1989-07-21
Filing date: 1990-07-20
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2010-07-21
Also published as: US5349159A; DE4023155A1; US5225660A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schutzgaslichtbogen schweißverfahren sowie auf eine Vorrichtung der in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 8 genannten Art.

Bei einem solchen, aus der US 3 350 538 bekannten Verfahren werden die Ausgangspegel von Spannung und Strom der an die Elektrode und das Grundmetall abgegebenen Speiseleistung sowie auch die Dauer der Perioden positiver und negativer Elektrode unabhängig voneinander eingestellt und gesteuert, wenn sich die Schweißzustände während des Schweißens ändern.

Der Stand der Technik lehrt ein Schweißverfahren, bei dem ein Gleichstrom von einer Elektrode (hiernach als Draht bezeichnet) mit positiver Polarität so zu einem Grundmetall geleitet wird, daß der mittlere Schweißstrom durch Variieren der Periode des Grundstroms gesteuert wird, während sein Spitzen strom, seine Spitzenstromdauer und Grundstrom festgehalten werden, wie es in der JP 56-165564 A offengelegt ist. Es ist dann möglich, die an der Spitze des Drahtes gebildete Tröpfchen auf einen Schmelzpool zu übertragen, wodurch ein Schweißen ermöglicht wird, das weniger von Spritzen beein trächtigt wird.

Um eine verbesserte Lichtbogenstabilität für einen kleinen, mittleren Schweißstrom zu erhalten, offenbart JP 59-150672 A ein Schweißverfahren, bei dem ein erster elektrischer Puls das Tröpfchen von dem Draht transportiert und ein zweiter elektrischer Puls das Verschwinden des Lichtbogens verhindert, das dem Brennen des Drahtes an der Spitze aufgrund des ersten Pulses folgt.

In einem Schweißverfahren mit sogenannter umgekehrter Polarität, bei dem der Draht eine positive Polarität und das Grundmetall eine negative Polarität erhält, wird ein im wesentlicher gerader Lichtbogen zwischen der Drahtspitze und einem Punkt der Oberfläche (Kathodenpunkt) des Grundmetalls unmittelbar unterhalb der Drahtspitze im Falle eines hohen Schweißstroms erzeugt, während der Kathodenpunkt und folglich der Lichtbogen selbst weit auf der Oberfläche des Grundmetalls im Falle eines kleinen Schweißstroms umherstreift, so daß der Lichtbogen verschwin den kann, wenn er zu lang wird.

Aus diesen Gründen kann der mittlere Schweißstrom im besagten ersten Stand der Technik nicht kleiner gemacht werden als ein bestimmter Grenzwert, und ein Verschwinden des Lichtbogens konnte im besagten zweiten Stand der Technik nicht hinreichend verhindert werden.

Die JP 57-130770 A offenbart ein Verfahren zum Übertragen des Tröpfchens in den Schmelzpool synchron mit der Spitze des Schweißstroms, der von einer positiven Elektrode (Draht) auf ein negatives Grundmaterial geleitet wird und periodisch zwischen einem Maximum (Stromspitze) und einem Minimum (Grundstrom) variiert wird.

Für ein weiteres Verständnis wäre es angebracht, hier eine allge meine Beziehung zwischen der Polarität des Drahts und dem Verhalten des Lichtbogens zu beschreiben. Wenn der Draht eine positive Polarität be sitzt, wird ein ziemlich unbewegliches, positives Ende des Lichtbogens an dem unteren Ende des auf der Drahtspitze gebildeten Tröpfchens geformt. Als Ergebnis ist der Lichtbogen gut gebündelt.

Wenn andererseits der Draht eine negative Polarität er hält, wird ein von dem Tröpfchen divergierender Lichbogen gebildet, da bewegliche, negative Enden des Lichtbogens dann über die gesamte Ober fläche des Tröpfchens gebildet werden. Wenn daher die Polarität des Drahts von plus nach minus geändert wird, nimmt der Druck des Lichtbogens, wie in Fig. 14 gezeigt, von Kurve a nach Kurve b ab, so daß ein Schmelzens des Grundmetalls unterdrückt wird. Wenn jedoch der Druck nur auf minus gehalten wird, wird ein viel zu großes Tröpfchen gebildet, da die geschmolzene Drahtmenge durch die Polarität des Drahtes, wie in Fig. 15 gezeigt, gesteuert wird, und daher wird der Lichtbogen instabil.

Es sollte festgehalten werden, daß die Verwendung eines Wechsel stroms, der das Wechseln der Polaritäten Plus und Minus für den Draht ermöglicht, eine stabile Lichtbogenkonfiguration ermöglicht, während er das Schmelzen des Grundmetalls verhindert.

Bei einem Schweißverfahren mit sogenannter umgekehrter Polarität, bei dem der Draht positiv und das Grundmetall negativ gehalten wird, weist der Lichtbogen einen größeren Druck auf, verglichen mit dem Schweißen mit positiver Polarität, bei dem der Draht negativ und das Grundmetall positiv gehalten wird, und erzeugt folglich ein tieferes Ein dringen in das Grundmetall und möglicherweise ein Abschmelzen des Metalls, wenn es eine dünne Metallplatte ist. Dies ist der Fall bei Metallen wie Aluminium mit einem niedrigen Schmelzpunkt.

Beim Metall-Inertgas- (MIG) Schweißen mit Kupferdraht muß exzessives Schmelzen des Grundmetalls mit großer Sorgfalt vermieden werden, da es eine Infiltration des Kupfers in das Gesamtmetall bewirkt und in Schweißbrüchen resultiert.

Ein Unterdrücken des Schmelzens des Grundmetalls ist ebenfalls wünschenswert zur Verringerung der Verdünnungsrate im Falle von Auftragschweißen von verschiedenen Metallen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schutzgaslichtbogenschweißverfahren mit verbrauchbarer Elektrode und eine Vorrichtung dafür zur Verfügung zu stellen, das frei ist von einem Umherwandern oder unerwünschten Verschwinden des Lichtbogens bei einem kleinen Schweißstrom, ein Schweißen hoher Qualität, eine verbesserte Schweißhandhabung, und eine unterdrückte Infiltration in das Grundmetall bewirkt, wodurch ein verbessertes Schweißen von Metall mit niedriger Schmelztemperatur und beim Auftragsschweißen erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die mit den Ansprüchen 1 und 8 unter Schutz gestellten Merkmale gelöst.

Beim Schutzgaslichtbogenschweißen mit verbrauchbarer Elektrode kann erfindungsgemäß durch Anlegen eines Wechselstroms, wie in Fig. 1 gezeigt, an einen Draht und ein Grundmetall ein stabiler Lichtbogen erhalten werden, wobei die Periode T_EN, während der der Draht negativ gehalten wird, verringert/vergrößert wird in Abhängigkeit von der Drahtzuführrate, unter den Bedin gungen, daß die Periode T_EP, während der der Draht positiv ge halten wird, der Wert des Stroms I_EP während T_EP und der Stromwert I_EN während der Periode T_EN konstant gehalten werden, mit I_EP höher als ein vorgegebener, kritischer Ausgangswert und I_EN niedriger als ein vorgegebener, kritischer Ausgangswert.

Während der Periode T_EP ist der Strom I_EP hoch, und der Kathoden punkt des Lichtbogens wird auf dem Grundmetall direkt unter der Drahtspitze gebildet. Als Ergebnis wird ein praktisch gerader Bogen zwischen ihnen erzeugt. Auf der anderen Seite ist der Strom während der Periode T_EN niedrig. Nichtsdestoweniger wird der Bogen praktisch gerade erzeugt, da der Kathodenpunkt des Bogens auf der Drahtspitze gebildet wird, wodurch er kein Umherwandern oder unerwünschtes Verschwinden des Lichtbogens zeigt.

Durch Variation der Länge der Periode T_EN kann der mittlere Schweißstrom variiert werden und die an der Drahtspitze gebildeten Tröpfchen können synchron mit der Periode T_EP in den Schmelzpool be wegt werden.

Das erfindungsgemäße Schutzgaslichtbogenschweißverfahren mit verbrauchbarer Elektrode legt einen Wechselstrom zwischen der verbrauchbaren Elektrode und dem Grundmetall an und umfaßt einen Schritt zum periodischen Wiederholen einer Sequenz einer ersten positiven Elektrodenperiode, während der ein Strom mit einem ersten Wert höher als ein bestimmter, kritischer Strom erzeugt wird, einer zweiten positiven Elektrodenperiode, während der der Strom des ersten Werts auf einen zweiten, niedrigeren Wert reduziert wird, und einer dritten negativen Elektrodenperiode, während der ein Strom mit einem dritten Wert erzeugt wird, wobei die verbrauchbare Elektrode negativ gehalten wird, und einen Schritt zum Erzeugen eines Stroms mit einem vierten Wert, der höher ist, als der erste Stromwert, bis die Bogenspan nung einen vorbestimmten Wert übersteigt, für den Fall, daß die Bogen spannung zwischen der verbrauchbaren Elektrode und dem Grundmetall unter den vorgegebenen Wert während der ersten positiven Elektroden periode fällt.

Die negative Elektrodenperiode kann vorteilhafterweise verlän gert/verkürzt werden, abhängig von der Drahtzuführrate und der vorge gebenen Lichtbogenspannung.

Außerdem umfaßt der Schutzgaslichtbogenschweißapparat nach der vorliegenden Erfindung eine Gleichstromquelle in Form eines Gleichrichters, eine Einstellein richtung zum Einstellen des Ausgangsstroms der Stromquelle auf wenigstens vier verschiedene Werte, eine Steuereinrichtung, zum Steuern der Stromquelle (mittels der Einstelleinrichtung), einen In verter zum Umwandeln des Gleichstroms in Wechsel strom, eine Periodeneinstelleinrichtung, die mit dem Inverter verbunden ist, zum Einstellen der positiven Periode und der negativen Periode, und zum Bereitstellen von periodischen Signalen, die die negativen und positiven Perioden an zeigen, einen Spannungsdetektor zum Detektieren der Lichtbogenspannung zwischen der verbrauchbaren Elektrode und dem Grundmetall, eine Schalt vorrichtung zum Auswählen von zwei der vier Stromwerte, die von der Einstelleinrichtung eingestellt worden sind, basierend auf dem detektierten Wert des Spannungsdetektors.

Fig. 11 zeigt eine Charakteristik der Ausgangsleistung, die in dem erfindungsgemäßen Schutzgaslichtbogenschweißverfahren mit verbrauchbarer Elektrode verwendet wird. Bei Verwendung eines Ausgangs-Wechsel- stroms zwischen dem verbrauchbaren Draht, der eine Elektrode bildet, und dem Grundmetall, wenn der Lichtbogen in einem stabilen Zustand ist, wird die in Fig. 11 gezeigte negative Periode T_EN verkürzt/verlängert in Abhängigkeit von der Abnahme/Zunahme der Drahtzuführrate, unter der Bedingung, daß die folgenden fünf Parameter für vorgegebene Material eigenschaften und die Drahtgröße konstant gehalten werden. Diese Para meter sind: eine erste Periode T_EP, während der die Polarität des Drahts positiv gehalten wird; der Strom I_EP durch den Draht höher als ein ge gebener, kritischer Strom (oder minimaler Strom, bei dem sich die Über tragung von Schweißmaterial von der Drahtspitze von Tröpfchenübertragung zu Sprühübertragung ändert) während der Periode T_EP ist; eine zweite Periode T_ER, während der der Strom von I_EP auf einen Wert I_ER unter den kritischen Strom verringert wird; der Stromwert I_ER, wobei dieser Strom durch lineare oder stufenweise Verringerung von I_EP erhalten werden kann; der Ausgangsstromwert I_EN niedriger als der gegebene, kritische Strom über die Periode T_EN ist, während der die Drahtpolarität negativ gehalten wird.

Fig. 12 zeigt, daß, wenn die Lichtbogenspannung niedriger wird als der vorgegebene Wert V_j, der Stromwert von dem Wert I_EP auf einen höheren Wert I_EP′ geschaltet wird, bis die Lichtbogenspannung eine vorgegebene Spannung übersteigt. Die Änderung von I_EP zu I_EP′ kann in einem Schritt, wie durch die durchgezogene Linie gezeigt, oder linear erfolgen, wie durch die gepunktete Linie in Fig. 12 gezeigt.

Da die Konfiguration des Lichtbogens stark von der Polarität des Drahts beeinflußt wird, ist es notwendig, T_ER (d. h. die Periode, die für die Verringerung des Stroms erforderlich ist) so einzustellen, daß eine plötzliche Änderung in der Lichtbogenkonfiguration vermieden wird.

Da die elektrischen Widerstände von Kupfer- und Aluminiumdrähten geringer sind als die von Eisendrähten, wird in diesen Metallen weniger Joulsche Wärme erzeugt. Daher muß, um eine glatte Lichtbogenzündung zu ermöglichen oder um einen Kurzschluß, der zum Beispiel durch äußere Störungen erzeugt wird, zu beenden, unabhängig von einem Abfallen der Lichtbogenspannung unter einen vorgegebenen Wert, ein Strom größer als ein normaler Ausgangswert erzeugt werden. In einem erfindungsgemäßen Schutzgaslichtbogenschweißapparat mit verbrauchbarer Elektrode stellt die Einstelleinrichtung den Ausgangswert der Gleichstromquelle auf erste bis vierte Werte I_EP, I_ER, I_EN, gezeigt in Fig. 11, und I_EP′, gezeigt in Fig. 12, ein. Die Perioden-Einstelleinrichtung stellt erste und zweite positive Perioden T_EP und T_ER, gezeigt in Fig. 11, und eine negative Periode T_EN ein. Die Periodensteuereinrichtung stellt der Strom-Steuereinrichtung und dem Inverter T_EP-, T_ER- und T_EN-Signale zur Verfügung, worauf die Strom-Steuereinrichtung den Ausgangsstrom der Gleichstromquelle steuert und der Inverter den Gleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt. Die Um schaltvorrichtung schaltet den eingestellten Ausgangsstrom von I_EP in I_EP′ um, wenn die von dem Spannungsdetektor gemessene Lichtbogenspannung unter den in Fig. 12 gezeigten Wert V_j fällt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt beispielhaft eine Ausgangscharakteristik eines erfindungs gemäßen Schutzgaslichtbogenschweißverfahrens mit verbrauchbarer Elektrode.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Schweißapparats nach der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine Beziehung zwischen der Spannung V und der Periode T_EN beim ersten Ausführungsbeispiel.

Die Fig. 4 und 5 zeigen einen Spannungsdektektor zur Verwendung im ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Schweißapparats.

Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen der Drahtzuführrate und der Periode T_EN.

Fig. 8 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Schweißapparates.

Fig. 9 und 10 zeigen die Charakteristik des dritten Aus führungsbeispiels.

Fig. 11 zeigt eine weitere beispielhafte Ausgangscharakteristik des erfin dungsgemäßen Schutzgaslichtbogenschweißverfahrens mit verbrauchbarer Elektrode.

Fig. 12 zeigt die in dem Schweißapparat verwendete, externe Cha rakteristik.

Fig. 13 zeigt ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Schutzgaslichtbogenschweißapparats mit ver brauchbarer Elektrode.

Fig. 14 zeigt die Verteilung des Lichtbogendrucks für positive und negative Drahtpolaritäten.

Fig. 15 zeigt die Schmelzcharakteristik für positive und negative Drahtpolaritäten.

Fig. 16 zeigt die I-T_EN-Charakteristik des erfindungsgemäßen Wechselstrom-Gleichstrom-Schutzgaslichtbogenschweißapparats mit ver brauchbarer Elektrode.

Fig. 17 zeigt die V-T_N-Charakteristik eines anderen erfindungsge mäßen Wechselstrom-Gleichstrom-Schutzgaslichtbogenschweißapparats mit verbrauchbarer Elektrode.

Fig. 2 zeigt einen ersten Schweißapparat mit der in Fig. 1 gezeigten Ausgangscharakteristik, der die hiernach aufgeführten Komponenten umfaßt:
ein Gleichrichter 1 zum Gleichrichten eines Wechselstroms mit kommerzieller Frequenz in einen Gleichstrom,
ein MOS-FET-Typ-Inverter 2 zum Umwandeln des Gleich stroms in einen hochfrequenten Wechselstrom mit etwa 20 kHz,
eine Pulsbreiten-Steuereinrichtung 3 zum Steuern der Pulsbreite des hochfrequenten Wechselstroms,
ein Schweißtransformator 4, dessen Eingang mit dem Inverter verbunden ist,
ein Gleichrichter 5, der mit dem Ausgang des Schweiß transformators 4 verbunden ist, zum Gleichrichten des hochfrequenten Wechselstroms in einen Gleichstrom,
eine Reihenreaktanz 6 zum Glätten des Gleichstroms des Gleichrichters 5,
einen Stromdetektor 7,
einen zweiten Inverter 8 zum Invertieren des Gleichstroms in Wechsel strom für Wechselstromschweißen, wobei der Inverter 8 von einem Treiber schaltkreis 12 auf der Basis eines Signals von der T_EP-Perioden- Einstelleinrichtung 9 und einem Rechteckwellengenerator 11, der durch die T_EN-Perioden-Einstelleinrichtung 10 eingestellt wird, gesteuert wird,
Strom-Einstelleinrichtungen 13 und 14 zum Einstellen des Stromes I_EP und I_EN, die von dem Inverter 8 ausgegeben werden sollen,
eine Schaltvorrichtung 15 zum Verbinden der Strom-Einstelleinrich tung 13 und 14 mit der Pulsbreiten-Steuereinrichtung 3 über einen Fehler verstärker 16 auf eine solche Weise, daß die Strom-Einstelleinrichtung 13 mit der Perioden-Einstelleinrichtung 9 und die Strom-Einstelleinrichtung 14 mit der T_EN-Perioden-Einstelleinrichtung 10 synchronisiert sind durch ein Signal von dem Rechteckwellengenerator 11, wobei der Fehlerverstärker 16 ebenfalls mit dem Stromdetektor 7 verbunden ist, so daß der durch den Stromdetektor 7 detektierte Strom mit den durch die Strom-Einstell einrichtungen 13 und 14 jeweils eingestellten Ströme I_EP und I_EN ver glichen wird, um die Pulsbreiten-Steuereinrichtung 3 so zu steuern, daß der mittlere, durch den Stromdetektor 7 gehende Strom den Strom I_EP und I_EN während des Schweißens entspricht. Mit anderen Worten steuert der Fehlerverstärker 16 die Pulsbreiten-Steuereinrichtung 3, so daß der Ausgangsstromwert des Inverters 8 konstant wird,
ein Spannungsdetektor 17, der mit dem Ausgang des Inverters 8 verbunden ist,
eine Spannungs-Einstelleinrichtung 18, die mit der T_EN-Perioden-Ein stelleinrichtung 10 über einen Komparator 19 verbunden ist, zum Einstellen der für das Schweißen erforderlichen Spannung V, wobei das Einstellen der Spannung V die T_EN-Perioden-Einstelleinrichtung 10 veranlaßt, eine entsprechende Periode T_EN einzustellen, die sich exponentiell mit V ändert, wie in Fig. 3 gezeigt,
ein Komparator19 zum Vergleichen der von dem Spannungsdetektor 17 detektierten Spannung mit der eingestellten Spannung V während des Schweißens, um dadurch die T_EN-Perioden-Einstelleinrichtung 10 zum Anpassen von T_EN mit V zu steuern,
ein Draht 20
eine Rolle 21 zum Zuführen des Drahtes 20
ein Motor 22, der von einem Motorsteuerungsschaltkreis 23 gesteuert wird,
ein Drahtzuführschaltkreis 24, der mit dem Motorsteuerungs schaltkreis 23 verbunden ist.

In der Zeichnung ist das Grundmetall mit 25 bezeichnet.

Die Fig. 4 und 5 zeigen ein Beispiel des obigen Spannungsde tektors 17. Inbesondere zeigt Fig. 4 einen Schaltkreis, der in der Lage ist, aus der Spitzenladungswellenform eines Kondensators in dividuell die Spannung V_EP und V_EN zwischen dem Draht und dem Grundmetall jeweils während der Periode T_EP und T_EN zu detektieren. Fig. 5 zeigt ein weiteres Beispiel zum Detektieren des Mittelswerts von V_EP und V_EN.

Der Betrieb des Schweißapparats wird nun be schrieben.

Vor dem Schweißen werden die Stromwerte I_EP und I_EN von den Strom-Einstelleinrichtungen 13 und 14 und die Periode T_EP von der Perioden- Einstelleinrichtung 9 eingestellt. Auch die Spannung V wird durch die Spannungs-Einstelleinrichtung 18 (die die Periode T_EN bestimmt) einge stellt. Die Zuführrate des Drahts 20 wird von dem Drahtzuführschalt kreis 24 eingestellt.

Während des Schweißens wird ein auf der Spitze des Drahts 20 sich bildendes Tröpfchen synchron mit der Periode T_EP in den Schmelzpool übertragen. Selbst während der Periode T_EN wird der Lichtbogen auf rechterhalten und einige Tröpfchen werden gebildet. In beidenPerioden ist der Lichtbogen im wesentlichen gerade.

Wenn festgestellt wird, daß die von dem Detektor 17 detektierte Spannung am Ausgang des Inverters 8 kleiner ist als die von der Spannungs-Einstelleinrichtung 18 eingestellte Spannung, aufgrund von zum Beispiel einer Verlängerung des Lichtbogens, arbeitet der Komparator 19, um die Periode T_EN länger zu machen als die eingestellte Periode T_EN, um die Menge des abschmelzenden Drahts zu verringern und die ur sprüngliche Lichtbogenlänge wiederherzustellen. Wenn auf der anderen Seite der Lichtbogen kürzer wird, wird die Periode T_EN verkürzt, um die ursprüngliche Lichtbogenlänge wiederherzustellen, wodurch eine konstante Licht bogenlänge aufrechterhalten wird.

Die untenstehende Tabelle 1 zeigt beispielhafte Daten für Wechsel stromschweißen mit einem Metallseelendraht mit einem Durchmesser von 1,2 mm und einem Schutzgas aus 80% Ar und 20% Co₂.

Tabelle 1

Unter den obigen Bedingungen mit konstant gehaltenen Strömen I_EP und I_EN und konstant gehaltener Periode T_EP wurde günstiges Schweißen durch Variieren von T_EN für verschiedene Zuführraten erreicht.

Wenn auch in diesem Beispiel eine einzige Spannungs-Einstellein richtung 18 verwendet wird, können zwei Spannungs-Einstelleinrichtungen 18 in Verbindung mit dem Spannungsdetektor 17, wie in Fig. 4 gezeigt, der geeignet ist, unabhängig V_EP und V_En zu detektieren, verwendet werden.

Beim Konstanthalten der Ausgangsspannung ist ein Steuerparameter nicht auf die Periode T_EN beschränkt, sondern er kann irgendeine von der Periode T_EP, dem Strom I_EP und dem Strom I_EN sein. Wenn außerdem beide Spannungen V_EP und V_EN detektiert werden, kann die Periode T_EN durch V_EP und T_EP durch V_EN gesteuert werden.

Fig. 6 zeigt ein zweites Beispiel eines Schweiß apparats. Die mit den in Fig. 2 gezeigten Komponenten identischen Kompo nenten sind in dieser Figur gleich gekennzeichnet.

In diesem Beispiel stellen die Spannungs-Einstelleinrichtungen 31 und 32 die Spannungen V_EP und V_EN ein, die vom Inverter 8 ausgegeben werden sollen. Wie in Fig. 7 gezeigt, verbindet bei gegebenen Signalen von einem Rechteckwellengenerator 11 ein Schalter 15 die Spannungs- Einstelleinrichtungen 31 und 32 mit einer Pulsbreiten-Steuer einrichtung 3 auf solche Weise, daß die Spannungs-Einstelleinrichtung 31 synchron mit der T_EP-Perioden-Einstelleinrichtung 9 ist und die Spannungs- Einstelleinrichtung 32 synchron mit der T_EN-Perioden-Einstellein richtung 10 ist. Also ist der Ausgang des Inverters 8 eine kon stante Spannung.

Der Drahtzuführschaltkreis 24 ist mit der T_EN-Perioden- Einstellvorrichtung 10 verbunden. Wie in Fig. 7 gezeigt, ändert sich die Periode T_EN ungefähr exponentiell mit der Drahtzuführrate.

Der Betrieb dieses Beispiels ist folgender.

Vor dem Schweißen werden die Spannungen V_EP und V_EN durch die Spannungs-Einstelleinrichtungen 31 und 32 eingestellt; die Periode T_EP wird durch die T_EP-Perioden-Einstelleinrichtung 9 eingestellt; und die Drahtzuführrate wird durch den Drahtzuführschaltkreis 24 eingestellt. Wie oben erwähnt, wird auch die Periode T_EN eingestellt, wenn die Drahtzuführrate eingestellt wird. Während des Schweißens an der Spitze des Drahts 20 gebildete Tröpfchen werden zum Schmelzpool syn chron mit der Periode T_EP übertragen, und selbst während der Periode V_EN wird der Lichtbogen aufrechterhalten und ein paar Tröpfchen können gebildet werden. In beiden Perioden ist der Lichtbogen praktisch ge rade.

Die Länge des Lichtbogens wird unter einer konstanten Span nungscharakteristik des Inverters 2 im wesentlichen konstant gehalten.

Die unten stehende Tabelle 2 zeigt Daten für ein beispielhaftes Wechselstromschweißen mit einem festen Stacheldraht mit einem Durchmesser von 0,9 mm und einem Schutzgas aus 80% Ar und 20% CO₂.

Tabelle 2

Unter den obigen Bedingungen mit konstant gehaltenen Spannungen V_EP und V_EN und konstant gehaltener Periode T_EP wurde günstiges Schweißen durch Variieren von T_EN für verschiedene Zuführraten erhalten.

Wenn auch in diesem Beispiel die Periode T_EN in Übereinstimmung mit der Drahtzuführrate mittels des Drahtzuführschaltkreises 24, die mit der T_EN-Perioden-Einstelleinrichtung 10 verbunden ist, verän dert wird, kann die Periode T_EN individuell für jede gegebene Drahtzu führrate basierend auf den aus der Beziehung in Fig. 7 erhaltenen und in Form eines Datenblatts gespeicherten Daten eingestellt werden.

Fig. 8 zeigt ein drittes Beispiel eines Schweiß apparats. Die mit den in Fig. 2 gezeigten Komponenten identischen Kompo nenten sind in dieser Figur gleich numeriert.

In diesem Beispiel stellt eine Strom-Einstelleinrichtung 35 den von dem Inverter 8 auszugebenden Strom I_ER ein. Wie in den Fig. 9 und 10 gezeigt, nimmt der Strom I_ER von I_EP auf einen niedrigeren Wert nur in der Periode T_ER (während der der Draht positiv gehalten wird) ab, die durch eine T_ER-Perioden-Einstelleinrichtung 36 eingestellt wird.

Ein Schalter 37 synchronisiert eine Strom-Einstelleinrichtung 13 mit der T_EP-Einstelleinrichtung 9 und eine Strom-Einstelleinrichtung 14 mit einer T_EN-Einstelleinrichtung 10.

Der Betrieb dieses Beispiels ist folgender:

Vor dem Schweißen werden die Ströme I_EP, I_ER, I_EN durch die Strom-Einstelleinrichtungen 13, 35 und 14 eingestellt; die Perioden T_EP und T_ER werden mittels der T_EP-Perioden-Einstelleinrichtung 9 und der T_ER-Perioden-Einstelleinrichtung 36 eingestellt; die Spannung V wird mittels der Spannungs-Einstelleinrichtung 18 und die Drahtzuführrate mittels des Drahtzuführschaltkreises 24 eingestellt.

Die meisten der Operationen während des Schweißens sind die gleichen wie beim ersten Beispiel, so daß hiernach nur unterschiedliche Ge sichtspunkte beschrieben werden. Das dritte Beispiel hat ein geringeres Lichtbogenrauschen und eine höhere Lichtbogenstabilität als das erste Beispiel, wodurch eine bessere Handhabung zur Verfügung gestellt wird.

Tabelle 3 zeigt beispielhafte Daten für Wechselstrom-MIG-Schweißen mit einem festen Stacheldraht mit einem Durchmesser von 0,9 mm und einem Schutzgas von 100% Ar. Unter diesen Bedingungen werden günstige Er gebnisse erzielt wie in den Fällen der Tabellen 1 und 2.

Tabelle 3

Es ist möglich, Schweißbedingungen einheitlich festzulegen, indem eine Einstelleinrichtung 51 und ein Funktionsgenerator 52 zur Verfügung gestellt werden, der die Zuführrate, die Ausgangsspan nung V und die Periode T_EN in Übereinstimmung mit dem Ausgangswert der Einstelleinrichtung 51 anweist, wie in Fig. 8 gezeigt.

Im dritten Beispiel wird der Strom entweder linear oder in Schritten variiert. Das gleiche Ergebnis wie das in diesem Beispiel erhaltene kann auch im ersten und zweiten Beispiel verwendet werden, indem eine T_ER-Perioden-Einstelleinrichtung und eine Spannungs-Einstelleinrichtung zum Einstellen der Spannung während der Periode T_ER zur Verfügung gestellt werden und die Spannung linear oder in Stufen variiert wird.

Es ist klar, daß die Konstanz des Stroms oder der Spannung des Ausgangs des Inverters 8 im ersten und dritten Beispiel jeweils durch die Konstanz der Spannung während der EP-Perioden und die Konstanz des Stroms während der EN-Perioden ersetzt werden kann.

Das Schutzgaslichtbogenschweißen mit verbrauchbarer Elektrode, wie es oben beschrieben ist, macht es möglich, Schweißen bei kleinen Strömen und synchrones Übertragen von auf der Drahtspitze gebildeten Tröpfchen in den Schmelzpool durchzuführen, da ein Wechsel strom so zwischen Draht und Grundmetall angelegt wird, daß die positive Periode des Drahts und die Ausgangswerte während der negativen und positiven Perioden konstant gehalten werden, während die negative Periode kürzer oder länger gemacht wird abhängig von der Zu- oder Abnahme der Drahtzuführrate. Außerdem schließt dieses Verfahren ein Ver schwinden des Lichtbogens im Bereich kleiner Ströme und Umherwandern des Lichtbogens aus, wodurch gute Handhabung und Schweißen mit hoher Qualität zur Verfügung gestellt wird.

Fig. 13 zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren Wechsel strom-Schutzgaslichtbogenschweißapparats.

Bei diesem Apparat wandelt ein gesteuerter Gleichrichter 101 mit einem Inverter einen kommerziellen Wechselstrom in einen Gleichstrom um, der Gleichstrom des Gleichrichters wird über einen Stromdetektor 102 einem Inverter 103 zur Verfügung ge stellt, wo der Strom wieder in Wechselstrom umgewandelt wird. Der Wechsel strom des Inverters 103 wird über einen Spannungs detektor 104 zwischen den Draht, der als verbrauchbare Elektrode dient, und dem zu schweißenden Grundmetall angelegt. Der Schweißdraht wird durch einen Draht- bzw. Elektrodenzuführapparat 106 zugeführt.

Strom-Einstelleinrichtungen 111, 112, 113 und 114 stellen die Strom werte I_EP′, I_EP, I_ER und I_EN, wie in den Fig. 11 und 12 gezeigt, ein. Ein Komparator 123 vergleicht den detek tierten Wert v des Spannungsdetektors 104 mit einem Referenzwert V_j einer Referenzspannungseinstelleinrichtung 122. Ein mit den Strom-Einstell einrichtungen 111 und 112 verbundener Schalter arbeitet in Abhängigkeit von dem Signal mit dem Komparator 123 auf solche Weise, daß für v V_j die Strom-Einstelleinrichtung 112 für I_EP ausgewählt wird und für v < V_j die Strom-Einstelleinrichtung 111 für I_EP′ gewählt wird. Ein Stromauswahl schaltkreis 109 wählt sequentiell den Strom I_EP′ oder I_EP, I_ER und I_EN.

Perioden-Einstelleinrichtungen 117, 118 und 119 stellen jeweils die Perioden T_EP, T_ER und T_EN ein, wie in Fig. 11 gezeigt. Basierend auf diesen Perioden weist ein Steuerschaltkreis 116 den Stromauswahlschalt kreis 109 an, I_EP und I_EP′ während T_EP, I_ER während T_ER nach T_EP und I_EN während T_EN nach T_ER auszuwählen. Ein Steuerschaltkreis 116 weist einen mit dem Inverter 103 verbundenen Steuerschalt kreis 115 ferner an, eine positive Polarität des Drahts 106 während T_EP und T_ER und eine negative Polarität während T_EN aufrechtzuerhalten.

Ein Stromfehlerverstärker 108 steuert den Gleichrichter 101, so daß der von dem Stromdetektor 102 detektierte, vom Gleichrichter 101 ausgegebene Strom dem durch den Auswahlschaltkreis 109 ausgewählten Stromwert entspricht. Auf der anderen Seite steuert ein Spannungsfehler verstärker 120 eine T_EN-Einstelleinrichtung 119, so daß die von dem Spannungsdetektor 104 zwischen dem Draht 106 und dem Grundmetall 107 gemessene Spannung dem von der Spannungs-Einstelleinrichtung 121 ein gestellten Spannungswert entspricht.

Als nächstes werden Beispiele, die diesen Wechsel strom-Schutzgaslichtbogenschweißapparat verwenden, beschrieben.

Tabelle 4 listet beispielhafte Daten für Wechselstrom-MIG-Schweißen mit einem Aluminiumdraht (A5356) mit 1,2 mm Durchmesser und Ar-Schutz gas auf.

Tabelle 4

Unter den in Tabelle 4 spezifizierten Bedingungen wurden günstige Schweißbedingungen mit wünschenswerten Lichtbogenkonfigurationen selbst im Falle von Warzenschweißung mit 1 mm dicken Aluminiumlegierun gen (A5083) durch geeignetes Verlängern/Verkürzen von T_EN entspre chend der Drahtzuführrate und der Lichtbogenspannung erreicht.

Tabelle 5 listet beispielhafte Daten für ein Stahl-MIG-Schweißen mit Ar-Schutzgas mit einem Kupferdraht von 1,0 mm Durchmesser auf.

Tabelle 5

Die Lichtbogenkonfigurationen in diesem Beispiel sind ebenfalls günstig. Nur geringes Schmelzen des Grundmetalls, Brechen und Ablösen der Wulste fand statt. In einigen Fällen wurde die Lichtbogenspannung klein eingestellt (oder die T_EN wurden groß gemacht), um das Schweißen zu beschleunigen, und die kurze Lichtbogenlänge wurde verwendet, um häufiges Kurzschließen zwischen dem Draht und dem Grundmetall zu haben. Es wurde bestätigt, daß der Draht in Kontakt mit dem Grundmetall leicht gelöst werden konnte aufgrund der Zunahme des Spitzenstroms I_EP′ und daß die Instabilität des Bogens in Ermangelung eines Kurzschluß stroms vermieden wurde.

Ein Beispiel eines Konstantstromsteuersystems ist in Fig. 13 beschrieben. Ein alternativer und einfacherer Aufbau kann durch das so genannte Konstantspannungssteuerverfahren erreicht werden, bei dem die Steuerströme von Steuerspannungen ersetzt werden; die Steuerung der Periode T_EN basierend auf der Spannungsdetektorrück führung ist weggelassen, und der Lichtbogenstrom wird entsprechend der eingestellten Periode T_EN variiert.

Es ist leicht zu verstehen, daß die beschriebenen Verfahren nicht auf die beschriebenen Nichteisenmetalle beschränkt sind, sondern auch für Eisen metalle anzuwenden sind.

Das Wechselstrom-Schutzgaslichtbogenschweißver fahren mit verbrauchbarer Elektrode und die Vorrichtung dafür haben die Merkmale, daß eine Sequenz einer ersten Periode, während der die Elektrode positiv gehalten wird und der Strom auf einem ersten Wert höher als ein kritischer Wert gehalten wird, zur Verfügung gestellt wird, einer zweiten Periode, während der die Elektrode positiv gehalten wird, aber der Strom von dem ersten Wert auf einen zweiten Wert reduziert wird, und einer Periode, während der die Elektrode negativ gehalten wird, wiederholt wird, und daß, wenn die Lichtbogenspannung unter einen vorgegebenen Wert fällt, ein Strom höher als der erste Wert zum Schweißen zur Verfügung gestellt wird, bis die Lichtbogenspannung den vorge gebenen Wert in der ersten Periode übersteigt. Dementsprechend werden die folgenden Vorteile erreicht:

(a) Das Eindringen in das Grundmetall kann kleiner sein als beim Schweißen mit umgekehrter Polarität, bei dem die Polarität der Elektrode immer positiv ist. Also erlaubt das Verfahren ein einfaches Schweißen von dünnen Platten.
(b) Da die Oberfläche der verbrauchten Elektrode einem Reini gungseffekt während der Periode der negativen Polarität unterworfen ist, werden Schweißdefekte aufgrund von Oxydation oder Verschmutzung der Oberfläche der verbrauchten Elektrode vermieden, wodurch die Schweißleistung verbessert wird.
(c) Rauschen, das von dem Wechselstrom herrührt, kann auf einen niedrigeren Wert reduziert werden als bei Rechteck-Wechselstromschweißen, da der Strom während der zweiten Periode der positiven Elektrode verringert wird.
(d) Eine höhere Schmelzeffizienz der verbrauchbaren Elektrode kann erreicht werden als bei herkömmlichem Schweißen mit umgekehrter Polarität aufgrund der erhöhten Schmelzrate einer verbrauchbaren Elektrode während der Periode der negativen Elektrode.
(e) Gutes MIG- und Auftragsschweißen ist möglich aufgrund des verringerten Eindringens in das Grundmetall, was die Verdünnungsrate des Schweißmetalls reduziert.

Claims

1. Wechselstrom-Schutzgaslichtbogenschweißverfahren mit verbrauchbarer Elektrode mit folgenden Schritten:
ein Wechselstrom (I_EP, I_EN) wird zwischen der Elektrode und einem Grundmetall derart angelegt, daß die Elektrode hinsichtlich ihrer Polarität abwechselnd negativ und positiv gehalten und mit einer Zuführungsrate zugeführt wird;
eine Periode (T_EP), während der die Elektrode positiv gehalten wird, wird eingestellt;
eine Periode (T_EN), während der die Elektrode negativ gehalten wird, wird eingestellt;
ein Pegel (I_EP; V_EP) des Ausgangsstromes (I) oder der Ausgangsspannung (V) wird eingestellt, während die Elektrode positiv gehalten wird, und
ein Pegel (I_EN; V_EN) des Ausgangsstromes (I) oder der Ausgangsspannung (V) wird eingestellt, während die Elektrode negativ gehalten wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Periode (T_EN), während der die Elektrode negativ gehalten wird, korrespondierend mit der Zuführungsrate der Elektrode eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit den folgenden Schritten:
Konstanthalten der Periode (T_EP), während der die Elektrode positiv gehalten wird,
Verlängern oder Verkürzen der Periode (T_EN), während der die Elektrode negativ gehalten wird, nach Maßgabe eines Verringern oder Vergrößerns der Zuführungsrate der Elektrode;
Konstanthalten des Pegels (I_EP; V_EP) des Ausgangsstromes (I) oder der Ausgangsspannung (V) während der Periode (T_EP, während der die Elektrode positiv gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Konstanthalten der Periode (T_EP), während der die Elektrode positiv gehalten wird;
Exponentielles Verkürzen oder Verlängern der Periode (T_EN), während der die Elektrode negativ gehalten wird, entsprechend einem Vergrößern oder Verringern der Zuführungsrate der Elektrode;
Konstanthalten des Pegels (I_EP; V_EP) des Ausgangsstromes (I) oder der Ausgangsspannung (V) während der Periode (T_EP), während der die Elektrode positiv gehalten wird, und
Konstanthalten des Pegels (I_EN, V_EN) während der Periode (T_EN), während der die Elektrode negativ gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Periode (T_EP, T_ER), während der die Elektrode positiv gehalten wird, eine Folge einer ersten Periode (T_EP), während der ein Strom eines ersten Pegels (I_EP), der höher als ein bestimmter kritischer Pegel ist, zugeführt wird, und einer zweiten Periode (T_ER), während der ein Strom eines zweiten Pegels (I_ER), der niedriger als der erste Pegel (I_EP) ist, aufweist, die Periode (T_EN), während der die Elektrode negativ gehalten wird, eine dritte Periode (T_EN) aufweist, während der ein Strom mit einem dritten Pegel (I_EN) zugeführt wird, wobei der Pegel des Ausgangsstromes während der Periode (T_EP, T_ER), während der die Elektrode positiv gehalten wird, die ersten und zweiten Pegel (I_EP, I_ER) aufweist, die den ersten und zweiten Perioden (T_EP, T_ER) entsprechen, und der Pegel (I_EN) des Ausgangsstromes während der Periode (T_EN), während der die Elektrode negativ gehalten wird, den dritten Pegel (I_EN) aufweist, und wobei die Folgen der ersten, zweiten und dritten Perioden (T_EP, T_ER, T_EN) periodisch wiederholt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4 mit dem weiteren Schritt:
Zuführen eines Stroms eines vierten Pegels (I_EP), der höher als der erste Pegel (I_EP) ist, bis die Lichtbogenspannung einen bestimmten Pegel übersteigt, wenn die Lichtbogenspannung zwischen der verbrauchbaren Elektrode und dem Grundmetall unter eine vorbestimmte Spannung während der ersten Periode (T_EP) bei einen Steuerzyklus der wiederholten Folge der drei Perioden (T_EP, T_ER, T_EN) fällt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Periode (T_EN), während der die Elektrode negativ gehalten wird, verkürzt oder vergrößert wird entsprechend jeweils einem Vergrößern oder Vermindern des eingestellten Wertes der Zuführungsrate der Elektrode.

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Periode (T_EN), während der die Elektrode negativ gehalten wird, verkürzt oder verlängert wird entsprechend jeweils dem Vergrößern oder Vermindern des eingestellten Wertes der Lichtbogenspannung.

8. Vorrichtung zum Wechselstrom-Schutzgaslichtbogenschweißen mit verbrauchbarer Elektrode (Draht 20), die zwei Gleichrichter (1, 5), zwei Inverter (2, 8) oder einen gesteuerten Gleichrichter (101) und einem Inverter (103), denen jeweils eine Steuereinrichtung (3, 12, 108, 115) zum Umformen von Gleichspannung in Wechselspannung zugeordnet ist, Strom- und Spannungsdetektoren (7, 17; 102, 104) und eine Elektrodenzuführeinrichtung (22) zum Zuführen einer Elektrode (20) mit einer Zuführungsrate aufweist, mit:
mindestens zwei mit dem ersten (2) der zwei Inverter (2, 8) oder dem gesteuerten Gleichrichter (101) verbundenen Einstelleinrichtungen (13, 14; 31, 32; 111, 112, 113, 114) zum Einstellen der Gleichspannungs-Ausgangsspeisepegel,
mit dem zweiten (8) der zwei Inverter (2, 8) oder dem einen Inverter (103) verbundenen Perioden-Einstelleinrichtungen (9, 10; 118, 119) zum Einstellen einer Periode (T_EP), während der die Elektrode positiv gehalten wird, und einer Periode (T_EN), während der die Elektrode negativ gehalten wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Perioden-Einstelleinrichtung (9, 10; 118, 119) und die Einstelleinrichtungen (13, 14; 31 32; 111, 112, 113, 114) für die Ausgangspegel miteinander synchronisiert sind sowie die Perioden (T_EN), während der die Elektrode negativ gehalten wird, korrespondierend mit der Zuführungsrate der Elektrode über einen Drahtzuführschaltkreis (24) oder einen Funktionsgenerator (52) eingestellt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Ausgangspegel- Einstelleinrichtungen (13, . . . 114) Spannungs- Einstelleinrichtungen (31, 32) sind und der Gleichrichter (1) eine konstante Spannung abgibt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Ausgangskennlinien des zweiten (8) der zwei Inverter (2, 8) oder des einen Inverters (103) in jeder der Perioden (T_EP, T_EN), während der die Elektrode (Draht 20) positiv und negativ gehalten wird, unterschiedlich sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei mindestens zwei der Parameter: Zuführungsrate der Elektrode, Ausgangsspannung und Periode (T_EN), während der die Elektrode negativ gehalten wird, mit der Wirkungsweise der Ausgangspegel- Einstelleinrichtungen (13, . . . 114) synchronisiert sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Spannungsdetektor (17) die Lichtbogenspannung zwischen der verbrauchbaren Elektrode (Draht 20) und einem Grundmetall (25) erfaßt, wobei die mindestens zwei Ausgangspegel- Einstelleinrichtungen (13, . . . 114) eine Ausgangspegel- Einstelleinrichtung (111, 112, 113, 114) zum Einstellen des Ausgangsstroms des Gleichrichters (5) auf mindestens vier unterschiedliche Pegel (I_EP, I_ER, I_EN, I_EP′) aufweist, die einen ersten Strompegel (I_EP), der höher als ein bestimmter kritischer Pegel bei positiver Elektrode ist, einen zweiten Strompegel (I_ER), der niedriger als der erste Pegel bei positiver Elektrode ist, sowie einen dritten Strompegel (I_EN) bei negativer Elektrode während einer periodisch wiederholten Folgen von drei Perioden (T_EP, T_ER, T_EN) sowie einen vierten Strompegel (I_EP′) umfassen, der höher als der erste Strompegel bei positiver Elektrode während einer Periode einer erfaßten Zeitdauer ist, bei der die Lichtbogenspannung zwischen der Elektrode (Draht 20) und dem Grundmetall (25) niedriger als eine voreingestellte Lichtbogenspannung während der Periode (T_EP) des ersten Strompegels (I_EP) ist, bis zu einem Zeitpunkt, bei dem die erfaßte Lichtbogenspannung die voreingestellte Lichtbogenspannung übersteigt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Ausgangspegel- Einstelleinrichtung (111, 112, 113, 114) außerdem mit einer Periodendauer-Steuereinrichtung (116) zum periodischen Übermitteln der Periodendauersignale für die drei aufeinanderfolgenden Perioden (T_EP, T_ER, T_EN) nach Maßgabe der Signale von der Perioden-Einstelleinrichtung (117, 118, 119) verbunden ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei außerdem eine Schalteinrichtung (110) zum wahlweisen Umschalten des Ausgangsstroms von dem ersten Strompegel (I_EP) auf den vierten Strompegel (I_EP′) nach Maßgabe der erfaßten Lichtbogenspannung vorgesehen ist.