DE4023419C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Wechselstrom-WIG-Schweißprozesses - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Wechselstrom-WIG-SchweißprozessesInfo
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- DE4023419C2 DE4023419C2 DE19904023419 DE4023419A DE4023419C2 DE 4023419 C2 DE4023419 C2 DE 4023419C2 DE 19904023419 DE19904023419 DE 19904023419 DE 4023419 A DE4023419 A DE 4023419A DE 4023419 C2 DE4023419 C2 DE 4023419C2
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern
eines Wechselstrom-WIG-Schweißprozesses, wie sie im einzelnen im Patentanspruch
1 bzw. im Patentanspruch 13 jeweils im Oberbegriff definiert sind.
Eine entsprechende Schweißstromquelle und ihre Arbeitsweise sind aus
US 48 76 433 A bekannt. Diese bekannte Schweißstromquelle liefert eine
hohe Spannung für die Wiederzündung eines Schweißlichtbogens nach der
Polaritätsumkehr des Schweißstroms, um die Gefahr einer Beschädigung von
Schaltkreiselementen auszuschließen und um eine stabile und zuverlässige
Polaritätsumkehr sicherzustellen, wobei außerdem das Auftreten einer
Spannungsspitze im Hauptstromkreis während der Polaritätsumkehr eines
großen Stromes verhindert oder alternativ der Schweißstrom während der
Polaritätsumkehr so gesteuert werden soll, daß eine Spannungsspitze während
der Stromumkehr unterdrückt wird.
Eine Änderung der Einbrenntiefe erfolgt wie bisher auch sonst durch eine
Änderung der thermischen Energie über den Schweißstrom oder die Schweißspannung,
wobei zwischen der thermischen Energie, dem Schweißstrom, der
Schweißspannung und der Schweißgeschwindigkeit eine definierte Beziehung
besteht.
Eine ähnliche Arbeitsweise ist im übrigen auch in einem Artikel von K.
Iversen und B. Schellong in "Praktiker" 9/83, S. 400, 402 behandelt. Dabei
kommt es zu einem Pulsieren des Lichtbogens. Der Mittelwert des Schweißstroms
wird geändert, während seine Frequenz konstant bleibt. Der Schweißstrom
wird durch einen Gleichstrom gesteuert, und die verwendete Elektrode
ist eine Schmelzelektrode. Eine Regelung ist zwar für die Lichtbogenlänge,
nicht aber für die Einbrenntiefe vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Steuern eines Wechselstrom-WIG-Schweißprozesses zu schaffen,
mit deren Hilfe sich die Einbrenntiefe beim Schweißen verändern läßt, ohne daß
dazu die thermische Energie verändert werden muß.
Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren
nach dem Patentanspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung nach dem
Patentanspruch 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen sowohl des Verfahrens als
auch der Vorrichtung ergeben sich jeweils aus den entsprechenden Unteransprüchen.
Das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Mittelwert
des Schweißstroms konstantzuhalten, obwohl die Frequenz des Schweißstroms
geändert wird.
Die Erfindung ermöglichst insbesondere ein sehr effektives Lichtbogenschweißen
von Aluminium und von Aluminiumlegierungen.
Im Rahmen der Erfindung kann ein eingangsseitiger Gleichstrom/Wechselstrom-
Wandler so gesteuert werden, daß am Ausgang eines ausgangsseitigen
Gleichstrom/Wechselstrom-Wandlers ein Strom abgegeben wird, dessen Mittelwert
auf einem Schweißstromwert gehalten wird, der für alle Frequenzen
des Ausgangswechselstroms der ausgangsseitigen Gleichstrom/Wechselstrom-
Wandlers mittels e ines Schweißstrom-Einstellelements einstellbar ist.
Außerdem kann die Frequenz des Ausgangswechselstroms beliebig eingestellt
werden. Wenn der Mittelwert des an den ausgangsseitigen Gleichstrom/Wechselstrom-
Wandlers gelieferten Stroms auf dem am Schweißstrom-Einstellelement
eingestellten Schweißstromwert gehalten wird, erfährt der Lichtbogendruck
für jede Fequenz des Ausgangswechselstroms in Abhängigkeit von
einer Erhöhung oder Absenkung der Wechselstromausgangsfrequenz eine Erhöhung
oder eine Erniedrigung. Darüber hinaus verändert sich die Einbrenntiefe
in Abhängigkeit vom Lichtbogendruck. Daher läßt sich die Einbrenntiefe
durch Änderung der Frequenz des Ausgangswechselstroms steuern.
Weiter kann die Wechselstromfrequenz in Abhängigkeit vom Schweißstrom
so gesteuert werden, daß eine Zunahme des Schweißstroms eine exponentielle
Abnahme der Wechselstromfrequenz zur Folge hat. Das bedeutet, daß sich bei
konstantgehaltener Wechselstromfrequenz der Lichtbogendruck erhöht, wenn
der Wert des Schweißstroms größer wird. Wenn sich andererseits bei konstantem
Schweißstrom die Wechselstromfrequenz ändert, steigt der Maximalwert
für den Lichtbogendruck mit zunehmender Wechselstromfrequenz auf einen
Wert an, der in der Nähe des maximalen Lichtbogendrucks beim EN-Gleichstrom-
Schweißen liegt.
Da die Wechselstromfrequenz bei ihrer Steuerung in Abhängigkeit vom
Schweißstrom im Schwachstrombereich hoch liegt, wird der Lichtbogen in
diesem Bereich, in dem er sonst nicht konzentriert wäre, konzentriert.
Aufgrund der niedrigen Wechselstromfrequenz im Starkstrombereich, in dem
der Lichtbogendruck sonst übermäßig konzentriert wäre, können nachteilige
Auswirkungen wie etwa Einbrandkerben verhindert werden.
Im Rahmen der Erfindung läßt sich die Einbrenntiefe durch Änderung
allein der Wechselstromfrequenz steuern, ohne daß es einer Änderung des
Schweißstromes oder der Dekapierungsbreite bedarf. Dabei ist hier unter
Dekapierungsbreite der beidseits über die Breite der Schweißraupe hinausreichende
Bereich zu verstehen, in dem der Lichtbogen unter Inertschutzgas
eine als Reinigung bezeichnete Entfernung von Oxidschichten zur Folge hat.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten
Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher er
läutert; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus
einer Schweißvorrichtung gemäß einer er
sten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 und 3 Graphen zur Erläuterung von Schweißpro
zeß-Ergebnissen;
Fig. 4 einen Graph, der die Beziehung zwischen
der Frequenz und dem Lichtbogendruck an
gibt;
Fig. 5 einen Graph zur Erläuterung des beim WIG-
Schweißen entstehenden Lichtbogendrucks;,
Fig. 6 eine schematische Darstellung des Aufbaus
einer Schweißvorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 einen Graph, der die Beziehung zwischen
dem Schweißstrom und der Wechselstromfre
quenz angibt;
Fig. 8 einen Graph zur Erläuterung der Lichtbo
genkonzentration während und nach dem
Schweißen;
Fig. 9 einen Graph, der die Beziehung zwischen
dem Schweißstrom und dem maximalen Licht
bogendruck angibt;
Fig. 10 eine schematische Darstellung des Aufbaus
einer Schweißvorrichtung gemäß einer
dritten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 11 eine schematische Darstellung des Aufbaus
einer weiteren Schweißvorrichtung;
Fig. 12 eine schematische Darstellung des Aufbaus
einer weiteren Schweißvorrichtung;
Fig. 13 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des
Aufbaus einer Schweißvorrichtung gemäß
einer vierten Ausführungsform der Erfin
dung;
Fig. 14 einen Graph, der die Beziehung zwischen
der Lichtbogenspannung und der Wechsel
stromfrequenz angibt, mittels der die
Einbrandtiefe auf einem festen Wert ge
halten wird;
Fig. 15 einen Graph zur Erläuterung der Beziehung
zwischen der Wechselstromfrequenz und dem
Lichtbogendruck;
Fig. 16 einen Graph zur Erläuterung der Beziehung
zwischen dem Lichtbogendruck und der Ein
brandtiefe;
Fig. 17 einen Graph zur Erläuterung der Beziehung
zwischen der Lichtbogenlänge und der Ein
brandtiefe in einer fünften Ausführungs
form der Erfindung;
Fig. 18 bis 20 Graphen zur Erläuterung des Prinzips der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 21, 22 Graphen, die Ergebnisse der Schweißpro
zesse angeben;
Fig. 23 eine schematische Darstellung des Aufbaus
einer Schweißvorrichtung gemäß einer
sechsten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 24 bis 26 Graphen zur Erläuterung der Wellenformen
der Schweißströme; und
Fig. 27 eine Darstellung zur Erläuterung der
festgesetzten Werte für die den Schweiß
zuständen zugehörigen Faktoren.
In Fig. 1 ist der Aufbau einer Schweißvorrichtung gemäß
einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
Die Schweißvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform um
faßt einen Gleichrichter 1, der an der Eingangsseite des
Systems angeordnet ist und einen Wechselstrom mit Netz
frequenz in einen Gleichstrom umwandelt, einen eingangs
seitigen Gleichstrom-Wechselstrom-Konverter 2, der aus
MOS-FETs aufgebaut ist und den Gleichstrom in einen hoch
frequenten Wechselstrom von ungefähr 20 Hz umwandelt,
eine Impulsbreitensteuerschaltung 3, die die Impulsbreite
des Hochfrequenzwechselstroms steuert, einen Schweiß
transformator 4, dessen Eingangsseite mit der Ausgangs
seite des Gleichstrom-Wechselstrom-Konverters 2 verbunden
ist, einen an der Ausgangsseite des Systems angeordneten
Gleichrichter 5, der mit der Ausgangsseite des Schweiß
transformators 4 verbunden ist, einen Stromsensor 6, eine
Gleichstromreaktanzspule 7 zum Glätten der vom ausgangs
seitigen Gleichrichter 5 gleichgerichteten Gleichstrom
ausgabe und einen an der Ausgangsseite angeordneten
Gleichstrom-Wechselstrom-Konverter 8, der den Gleichstrom
erneut in einen Wechselstrom transformiert. In diesem
Aufbau wird der ausgangsseitige Gleichstrom-Wechselstrom-
Konverter 8 von einer Treiberschaltung 12 auf der Grund
lage eines Signals gesteuert, das in einem Rechteckwel
lengenerator 11 aufgrund von Signalen erzeugt wird, die
von einem Frequenz-Einstellelement 9 bzw. von einem Ele
ment 10 zum Einstellen eines variablen EP-Periodenver
hältnisses (EP-Periodenverhältnis = EP-Periode/(EP-Peri
ode + EN-Periode)) geschickt werden. Der Gleichstrom-
Wechselstrom-Konverter 8 liefert die Wechselstromausgabe
an einen Ort zwischen der an einem Schweißbrenner 13 be
festigten Elektrode 14 und einem Grundmetall 15.
Dieser Aufbau umfaßt ferner ein Schweißstrom-Einstellele
ment 16, das über einen Differenzverstärker 17 mit der
Impulsbreitensteuerschaltung 3 verbunden ist. Außerdem
ist der Differenzverstärker 17 mit dem Stromsensor 6 ver
bunden.
Nun wird der Betrieb dieses Aufbaus beschrieben. Während
des Schweißprozesses wird durch das Schweißstrom-
Einstellelement 16 ein Schweißstromwert eingestellt, wäh
rend das Frequenz-Einstellelement 9 und das Element 10
zum Einstellen eines variablen EP-Periodenverhältnisses
dazu verwendet werden, eine Frequenz der Wechselstromaus
gabe bzw. ein EP-Periodenverhältnis festzulegen.
Während des Schweißens liefert der ausgangsseitige
Gleichrichter 5 an den ausgangsseitigen Gleichstrom-Wech
selstrom-Konverter 8 einen Gleichstrom. Der Stromsensor 6
ermittelt den Wert des Gleichstroms und schickt diesen
Wert an den Differenzverstärker 17. Der Differenzverstär
ker 17 vergleicht den vom Stromsensor 6 gemessenen Strom
wert mit dem Stromwert, der vom Schweißstrom-Einstellele
ment 16 eingestellt worden ist, um so die Impulsbreiten
steuerschaltung 3 zu steuern und einen Mittelwert des
durch den Stromsensor 6 fließenden Stroms derart festzu
setzen, daß er gleich dem Schweißstromwert ist. Das be
deutet, daß ungeachtet der Veränderung der Frequenz, die
vom Frequenz-Einstell-Element 9 eingestellt worden ist,
der Mittelwert des durch den Stromsensor 6 fließenden
Stroms auf einem Wert gehalten wird, der dem Schweiß
stromwert entspricht.
Nun werden die Ergebnisse der erfindungsgemäßen Steuerung
eines Wechselstrom-WIG-Schweißprozesses beschrieben.
In Fig. 2 ist ein Graph gezeigt, der die Ergebnisse der
Schweißeinbrandtiefe PD, der Schweißlagenbreite BW und
der Dekapierungsbreite CW angibt, wenn auf einer Platte
aus einer Aluminiumlegierung (A5052) mit einer Dicke von
3 mm ein WIG-Schweißprozeß ausgeführt wird, wobei fol
gende Bedingungen gelten: Schweißstrom 100 A, EP-Pe
riodenverhältnis 30%, Abstand zwischen der Elektrode und
dem Grundmetall 3 mm, Schweißgeschwindigkeit 300 mm/min,
Schutzgas(Argongas)-Strömungsrate 10 Liter/min.
In Fig. 3 ist ein Graph gezeigt, der die Ergebnisse der
Einbrandtiefe PD, der Schweißlagenbreite BW und der Deka
pierungsbreite CW angibt, wenn auf einer Platte aus Alu
minium (A1100) mit einer Dicke von 6 mm ein WIG-Schweiß
prozeß ausgeführt wird, wobei folgende Bedingungen gel
ten: Schweißstrom 200 A, EP-Periodenverhältnis 30%, Ab
stand zwischen der Elektrode und dem Muttermaterial 3 mm,
Schweißgeschwindigkeit 250 mm/min, Schutzgas(Argongas)-
Strömungsrate 15 Liter/min.
In beiden Fällen nimmt die Einbrandtiefe zu, wenn die
Frequenz erhöht wird. Anhand der Graphen wird verständ
lich, daß die Ergebnisse in hohem Maß mit der Änderung
des in Fig. 4 gezeigten Lichtbogendrucks übereinstimmen.
In Fig. 5 ist der auf ein Grundmetall angewendete Licht
bogendruck in Abhängigkeit vom Abstand der Elektrode ge
zeigt, während in Fig. 4 die Veränderung des in Fig. 5
gezeigten Spitzenwertes des Lichtbogendruckes gezeigt
ist.
Es wird deutlich, daß die Frequenz der Wechselstromaus
gabe erhöht oder erniedrigt wird, wenn die Schweißein
brandtiefe größer bzw. kleiner wird.
In dieser Hinsicht hängt die Veränderung der Frequenz von
der Zunahme bzw. der Abnahme der EP-Periode ab, von der
nicht angenommen wird, daß sie durch das Gesamt-EP-Perio
denverhältnis beeinflußt wird. Zur Bestätigung dieses
Sachverhalts ist der WIG-Schweißprozeß bei verschiedenen
EP-Periodenverhältnissen ausgeführt worden. Es hat sich
herausgestellt, daß die Einbrandtiefe wie in dem Fall mit
dem EP-Periodenverhältnis von 30% erhöht oder erniedrigt
wurde, wenn die Frequenz zugenommen bzw. abgenommen hat.
Es wird festgestellt, daß auch eine umfassendere Ein
brandtiefensteuerung möglich ist, indem die der erfin
dungsgemäßen Frequenzsteuerung zugeordnete Schweißprozeß
steuerung mit der in JP 54-12 155-A beschriebenen Ein
brandtiefensteuerung, in der das Verhältnis zwischen der
EN-Periode und der EP-Periode geändert wird, kombiniert
wird.
Des weiteren sind das Grundmetall und die Schweißbedin
gungen, wie sie der vorliegenden Erfindung eigentümlich
sind, nicht auf diejenigen der oben beschriebenen Ausfüh
rungsform beschränkt. Ähnlich vorteilhafte Wirkungen sind
sowohl beim Wechselstrom-Plasma-Schweißen als auch beim
WIG-Schweißen erzielbar.
Wie oben beschrieben, kann gemäß der ersten Ausführungs
form die Einbrandtiefe bei konstant gehaltenem Schweiß
strom durch die Änderung der Frequenz gesteuert werden.
Folglich können die Schweißbedingungen leicht realisiert
werden, so daß ein geeigneter Schweißprozeß in Abhängig
keit von den dem Schweißprozeß unterworfenen Gegenständen
vorteilhaft und mit der erforderlichen Schweißqualität
ausgeführt werden kann.
In Fig. 6 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungs
gemäßen Schweißvorrichtung gezeigt.
Der Aufbau dieser Ausführungsform umfaßt einen Gleich
richter 1, der an der Eingangsseite des Systems angeord
net ist und einen Wechselstrom mit Netzfrequenz in einen
Gleichstrom gleichrichtet, einen eingangsseitigen Gleich
strom-Wechselstrom-Konverter 2, der aus MOS-FETs aufge
baut ist und den Gleichstrom in einen hochfrequenten
Wechselstrom von ungefähr 20 kHz umwandelt, eine Impuls
breitensteuerschaltung 3 zur Steuerung der Impulsbreite
des Hochfrequenzwechselstroms, einen Schweißtransformator
4, dessen Eingangsseite mit dem eingangsseitigen Gleich
strom-Wechselstrom-Konverter 2 verbunden ist, einen an
der Ausgangsseite des Systems angeordneten Gleichrichter
5, der mit der Ausgangsseite des Schweißtransformators 4
verbunden ist, einen Stromsensor 6, eine Gleichstromreak
tanzspule 7 zum Glätten der vom ausgangsseitigen Gleich
richter 5 gleichgerichteten Gleichstromausgabe und einen
an der Ausgangsseite angeordneten Gleichstrom-Wechsel
strom-Konverter 8, der den Gleichstrom erneut in einen
dem Wechselstrom-Schweißen dienenden Wechselstrom trans
formiert. In diesem Aufbau wird der ausgangsseitige
Gleichstrom-Wechselstrom-Konverter 8 durch eine Treiber
schaltung 12 auf der Grundlage eines Signals gesteuert,
das von einem Rechteckwellengenerator 11 durch Signale
erzeugt wird, die von einem Frequenz-Einstellelement 9
bzw. von einem Element 10 zum Einstellen eines variablen
EP-Periodenverhältnisses (EP-Periodenverhältnis = EP-Pe
riode/(EP-Periode + EN-Periode)) geschickt werden. Der
Gleichstrom-Wechselstrom-Konverter 8 liefert die Wechsel
stromausgabe an einen Ort zwischen einer an einem
Schweißbrenner 13 befestigten Elektrode 14 und einem
Grundmetall 15.
Der Aufbau umfaßt ferner ein Schweißstrom-Einstellelement
16, das über einen Differenzverstärker 17 mit der Impuls
breitensteuerschaltung 3 und über einen Funktionsgenera
tor 18 mit dem Frequenz-Einstellelement 9 verbunden ist.
Das Frequenz-Einstellelement 9 erzeugt eine Ausgabe, die
durch einen Funktionsgenerator 18, der in Abhängigkeit
von einem im Schweißstrom-Einstellelement 16 eingestell
ten Schweißstromwert ein vorgegebenes Frequenzsteuersi
gnal erzeugt, gesteuert wird. Das heißt, daß das Fre
quenz-Einstellelement 9 eine Wechselstromfrequenz ein
stellt, die in Abhängigkeit vom vom Schweißstrom-Ein
stellelement 16 eingestellten Schweißstromwert exponen
tiell variiert, wie in Fig. 7 durch die Kennlinie (i) an
gegeben ist.
Außerdem ist der Differenzverstärker 17 mit dem Stromsen
sor 6 verbunden, der einen Wert des vom Gleichrichter 5
an den Gleichstrom-Wechselstrom-Konverter 8 gelieferten
Stroms ermittelt und diesen Stromwert an den Differenz
verstärker 17 liefert. Während des Schweißbetriebs ver
gleicht der Differenzverstärker 17 den vom Stromsensor 6
erhaltenen Stromwert mit dem vom Schweißstrom-Einstell
element 16 eingestellten Schweißstromwert. Auf der Grund
lage des Vergleichsergebnisses steuert der Differenzver
stärker 17 die Impulsbreitensteuerschaltung 3 so, daß der
Mittelwert des durch den Stromsensor 6 fließenden Stroms
gleich dem Schweißstromwert wird. Daher wird der Mittel
wert des durch den Stromsensor 6 fließenden Stroms unge
achtet der Veränderung der vom Frequenz-Einstellelement 9
eingestellten Frequenz auf einem Wert festgehalten, der
dem Schweißstromwert entspricht. Das in Fig. 6 gezeigte
System umfaßt ferner ein Einstellelement 19, mit dem eine
Feineinstellung der Wechselstromfrequenz erzielt wird.
Damit kann die Schweißprozeß-Bedienungsperson eine Fein
einstellung der vom Frequenz-Einstellelement 9 einge
stellten Wechselstromfrequenz vornehmen.
Vor Beginn des Schweißprozesses stellt die Bedienungsper
son mittels des Schweißstrom-Einstellelementes 16 und des
Elementes 10 zum Einstellen eines EP-Periodenverhältnis
ses einen Schweißstrom bzw. eine mit der Dekapierungs
breite in Beziehung stehende EP-Periode ein.
Nun werden mit Bezug auf Fig. 8 die Ergebnisse des
Schweißprozesses beschrieben. In Fig. 8 sind die ausge
werteten Ergebnisse der Lichtbogenkonzentration während
des Schweißens und das Erscheinungsbild der Schweißlage
des Schweißresultates gezeigt. Dieser Graph enthält zu
sätzlich zu den Ergebnissen des Wechselstrom-WIG-Schweiß
prozesses gemäß dieser Ausführungsform weitere Ergebnisse
von Schweißprozessen, in denen der Schweißstrom bzw. die
Wechselstromfrequenz geändert worden sind. Die Schweiß
operationen sind mit einem EP-Periodenverhältnis von 30%
ausgeführt worden.
Die Punkte auf der Kurve A stellen Schweißergebnisse dar,
die bei Anwendung dieser Ausführungsform erhalten wurden
und sowohl eine hohe Konzentration des Lichtbogens und
ein gutes Erscheinungsbild der Schweißlagen als auch eine
zufriedenstellende Einbrandtiefe anzeigen. Hierbei ist in
einem Bereich X, in dem die Wechselstromfrequenz niedri
ger als die durch die unterbrochene Linie (a) von Fig. 8
bezeichnete Frequenz ist, der Lichtbogen auch dann nicht
zufriedenstellend konzentriert, wenn der Schweißstrom er
höht wird, außerdem ist die Schweißbasis nicht gut ausge
richtet, so daß sich die Schweißlagenbreite leicht ändern
könnte; schließlich wird die Hinzufügung des Zusatzstoffs
verschlechtert.
In einem Bereich Y oberhalb der unterbrochenen Linie (b)
von Fig. 8, der einem Bereich übermäßiger Konzentration
des Lichtbogens entspricht, tritt eine große Veränderung
des Schmelzbades auf, die möglicherweise eine Nahtein
brandkerbe und einen abgesenkten Bereich in der Mitte der
Schweißlage zur Folge haben könnte.
Das heißt, daß in einem die Kurve (A) enthaltenden Be
reich (Z), also in einem Bereich, der von den Bereichen
(X) und (Y) verschieden ist, die für einen normalen
Schweißvorgang geeigneten Bedingungen erfüllt werden. Um
folglich in dieser Ausführungsform die Lichtbogenkonzen
tration in einem Schwachstrombereich zu verbessern und
die Mängel der Schweißlagenform in einem Starkstrombe
reich zu unterdrücken, wird ein Wechselstrom mit einer
Kennlinie bereitgestellt, die ein exponentielles Verhal
ten, wie es durch die Kennlinie (i) von Fig. 7 gezeigt
ist, zeigt, wobei die Netzfrequenz als untere Grenze ge
setzt wird. Zur Vereinfachung des Aufbaus des Funktions
generators 18 kann jedoch die Kennlinie des Wechselstroms
linear ausgebildet werden, wie durch die Kennlinie (ii)
von Fig. 7 gezeigt ist. Ferner kann auch eine Kombination
von mehreren geraden Linien, eine Kombination von Kurven
oder eine Kombination von geraden Linien und Kurven zur
Anwendung kommen. Außerdem kann die Kennlinie stufenweise
geändert werden.
Im Bereich (Z) ist die Lichtbogenkonzentration in der Um
gebung der Kurve (b), die einer eher hohen Wechselstrom
frequenz entspricht, zufriedenstellender. Das heißt, daß
die Handhabbarkeit in diesem Bereich beispielsweise bei
einem Kehlnahtschweißen erhöht wird.
Wie oben beschrieben, nimmt bei konstant gehaltener Wech
selstromfrequenz und einem veränderten Schweißstrom der
unmittelbar unterhalb der Elektrode auftretende Lichtbo
gendruck (der im folgenden als maximaler Lichtbogendruck
bezeichnet wird) zu, wenn der Schweißstrom größer wird;
dieser Sachverhalt ist in Fig. 9 gezeigt.
Wenn andererseits der Schweißstrom auf einem festen Wert
konstant gehalten wird und die Wechselstromfrequenz ver
ändert wird, verändert sich der maximale Lichtbogendruck,
wie in Fig. 4 gezeigt ist; wenn die Wechselstromfrequenz
(ac) höher wird, nimmt der maximale Lichtbogendruck einen
Wert in der Nähe des maximalen Lichtbogendrucks der EN-
Gleichstrom-Schweißens an.
Wenn daher die Wechselstromfrequenz in Abhängigkeit vom
Schweißstrom gemäß der in Fig. 7 gezeigten Kennlinie (i)
gesteuert wird, wird der Lichtbogen aufgrund der hohen
Frequenz im Schwachstrombereich, in dem der Lichtbogen
sonst nicht konzentriert würde, konzentriert. Außerdem
können im Starkstrombereich, in dem der Lichtbogen norma
lerweise übermäßig konzentriert ist, eine Nahteinbrand
kerbung und ähnliches verhindert werden, weil die Wech
selstromfrequenz hier niedrig ist.
Wie oben im einzelnen beschrieben worden ist, wird in der
zweiten Ausführungsform die Wechselstromfrequenz in Ab
hängigkeit vom Schweißstrom verändert. Das heißt, daß im
Schwachstrombereich, dem eine niedrige Konzentration des
Lichtbogens eigentümlich ist, der Lichtbogen viel stärker
konzentriert wird; andererseits wird im Starkstrombe
reich, dem eine übermäßige Konzentration des Lichtbogens
eigentümlich ist, die Lichtbogenkonzentration durch die
Absenkung der Wechselstromfrequenz erniedrigt, um nach
teilige Wirkungen wie etwa ein mangelhaftes Schweißlagen
erscheinungsbild zu verhindern. Folglich kann in einem
weiten Bereich des Schweißstroms ein optimaler Lichtbogen
automatisch erstellt werden, was sich in einer erheblich
verbesserten Schweißfunktion auswirkt.
In Fig. 10 ist eine dritte Ausführungsform einer erfin
dungsgemäßen Wechselstrom-WIG-Schweißvorrichtung gezeigt.
Der Aufbau dieser Vorrichtung umfaßt einen Gleichrichter
101, der an der Eingangsseite des Systems angeordnet ist
und den Wechselstrom mit Netzfrequenz in einen Gleich
strom transformiert, einen eingangsseitigen Gleichstrom-
Wechselstrom-Konverter 102, der aus MOS-FETs aufgebaut
ist und den Gleichstrom in einen hochfrequenten Wechsel
strom von ungefähr 20 kHz umformt, eine Impulsbreiten
steuerschaltung 103 zur Steuerung der Impulsbreite des
Hochfrequenzwechselstroms, einen Schweißtransformator
104, dessen Eingangsseite mit dem eingangsseitigen
Gleichstrom-Wechselstrom-Konverter 2 verbunden ist, einen
an der Ausgangsseite des Systems angeordneten Gleichrich
ter 105, der mit der Ausgangsseite des Schweißtransforma
tors 104 verbunden ist und den Hochfrequenzwechselstrom
wieder in einen Gleichstrom umwandelt, einen Stromsensor
106, eine Gleichstromreaktanzspule 107 zum Glätten der
vom ausgangsseitigen Gleichrichter 105 transformierten
Gleichstromausgabe und einen an der Ausgangsseite ange
ordneten Gleichstrom-Wechselstrom-Konverter 108 zum er
neuten Transformieren des Gleichstroms in einen Wechsel
strom, der dem Wechselstrom-Schweißen dient. In diesem
Aufbau wird der ausgangsseitige Gleichstrom-Wechselstrom-
Konverter 108 durch eine Treiberschaltung 112 auf der
Grundlage eines Signals gesteuert, das von einem
Rechteckwellengenerator 111 durch Signale erzeugt wird,
die von Frequenz-Einstellelementen 109a und 109b, die
später beschrieben werden bzw. von einem Element 110 zum
Einstellen eines variablen EP-Periodenverhältnisses (EP-
Periodenverhältnis = EP-Periode/(EP-Periode + EN-Peri
ode)) geschickt werden. Der Gleichstrom-Wechselstrom-Kon
verter 108 liefert eine Wechselstromausgabe an einen Ort
zwischen einer an einem Schweißbrenner 113 befestigten
Elektrode 114 und einem Grundmetall 115.
Das System umfaßt ferner eine Schalteinheit 116 und ein
Schweißbedingungs-Einstellelement 117, das in Abhängig
keit des Schweißprozeßverfahrens Schweißbedingungen aus
wählt. Das Einstellelement 117 wählt eine der Kontakt
punkte der Schalteinheit 116 aus, um eine der Frequenz-
Einstellelemente 109a oder 109b mit dem Rechteckwellenge
nerator 111 zu verbinden.
Der Aufbau umfaßt ferner ein Schweißstrom-Einstellelement
118, das über einen Differenzverstärker 119 mit der Im
pulsbreitensteuerschaltung 103 verbunden ist. Während des
Schweißbetriebs vergleicht der Differenzverstärker 119
den vom Stromsensor 106 ermittelten und als Eingabestrom
an den ausgangsseitigen Gleichstrom-Wechselstrom-Konver
ter 108 gelieferten Stromwert mit einem vom Schweißstrom-
Einstellelement 118 eingestellten Schweißstromwert, um
die Impulsbreitensteuerschaltung 103 so zu steuern, daß
sie den Mittelwert des durch den Stromsensor 106 fließen
den Stroms gleich dem Stromwert des Schweißstroms setzt.
Das bedeutet, daß der Mittelwert des durch den Stromsen
sor 6 fließenden Stroms für die Frequenz-Einstellelemente
109a und 109b auf einem Wert gehalten wird, der gleich
dem Schweißstromwert ist.
Nun wird der Betrieb dieser Ausführungsform beschrieben.
Vor dem Schweißprozeß wird in Abhängigkeit vom Grundmate
rial eines zu schweißenden Gegenstandes mittels des
Schweißstrom-Einstellelementes 118 ein Schweißstrom im
voraus eingestellt; ferner werden mittels der Frequenz-
Einstellelemente 109a und 109b bzw. mittels des Elementes
110 zum Einstellen des EP-Periodenverhältnisses eine
Wechselstromfrequenz und ein EP-Periodenverhältnis einge
stellt. Hierbei wird die Frequenz der Wechselstromausgabe
durch Bezugnahme auf im voraus aufbereitete Daten, bei
spielsweise auf den Graph von Fig. 2 oder von Fig. 3,
eingestellt. Der in Fig. 2 gezeigte Graph gibt die Daten
der Einbrandtiefe PD, der Schweißlagenbreite BW und der
Dekapierungsbreite CW an, wenn auf einer Platte aus einer
Aluminiumlegierung (A5052) mit einer Dicke von 3 mm ein
WIG-Schweißprozeß ausgeführt wird, wobei folgende Bedin
gungen gelten: Schweißstrom 100 A, EP-Periodenverhältnis
30%, Abstand zwischen der Elektrode und dem Grundmetall
3 mm, Schweißgeschwindigkeit 300 mm/min und Schutz
gas(Argongas)-Strömungsrate 10 l/min. Der in Fig. 3 ge
zeigte Graph gibt die Daten der Einbrandtiefe PD, der
Schweißlagenbreite BW und der Dekapierungsbreite CW an,
wenn auf einer Platte aus einer Aluminiumlegierung
(A1100) mit einer Dicke von 6 mm ein WIG-Schweißprozeß
ausgeführt wird, wobei die folgenden Bedingungen gelten:
Schweißstrom 200 A, EP-Periodenverhältnis 30%, Abstand
zwischen der Elektrode und dem Grundmetall 3 mm, Schweiß
geschwindigkeit 250 mm/min und Schutzgas(Argongas)-Strö
mungsrate 15 l/min.
Während des Schweißbetriebs wird der Schweißprozeß auf
der Grundlage des vom Schweißbedingungs-Einstellelement
117 ausgegebenen Befehls am Werkstück mit einer vom
Schweißbereich des Werkstückes abhängigen Frequenz ausge
führt.
In Fig. 11 ist eine weitere Ausführungsform der erfin
dungsgemäßen Wechselstrom-WIG-Schweißvorrichtung gezeigt.
Diese Ausführungsform wird durch eine Abwandlung der oben
beschriebenen Ausführungsform verwirklicht, indem das
Schweißstrom-Einstellelement 118 durch zwei Schweißstrom-
Einstellelemente 118a und 118b, die über ein Schaltele
ment 120 mit einem Differenzverstärker 119 verbunden
sind, ersetzt wird. Dieser Aufbau ist beispielsweise dann
vorteilhaft, wenn vor dem Endschweißprozeß ein Heft
schweißprozeß ausgeführt wird.
Mit dem Heftschweißprozeß muß keine sehr große Einbrand
tiefe erzielt werden; wenn ferner beim Heftschweißprozeß
der Lichtbogen übermäßig konzentriert ist, wird das ge
schmolzene Metall vom Rand des Schmelzbades weggeblasen,
was zur Folge haben könnte, daß zwei miteinander zu ver
schweißende Bauteile nicht zufriedenstellend aneinander
befestigt werden. In einer solchen Situation wird die
Konzentration des Lichtbogens durch die Veränderung der
Frequenz bei konstant gehaltenem Schweißstrom verringert;
wenn außerdem der Schweißstrom abgesenkt wird, wird die
Handhabbarkeit des WIG-Schweißprozesses weiter verbes
sert.
In diesen zwei Ausführungsformen wird das Schweißbedin
gungs-Einstellelement 117 dazu verwendet, die Frequenz
und/oder den Schweißstrom umzuschalten. Wenn beispiels
weise ein manueller Schweißbetrieb ausgeführt wird, kann
selbstverständlich statt dessen zu diesem Zweck ein
(nicht gezeigter) Brennerschalter verwendet werden.
In Fig. 12 ist eine weitere Ausführungsform der erfin
dungsgemäßen Wechselstrom-WIG-Schweißvorrichtung gezeigt.
Diese Ausführungsform wird durch eine Abwandlung der vor
hergehenden Ausführungsform erhalten, indem das Element
110 zum Einstellen eines EP-Periodenverhältnisses durch
zwei Elemente 110a und 110b zum Einstellen von EP-Pe
riodenverhältnissen, die über eine Schalteinheit 121 mit
einem Rechteckwellengenerator 111 verbunden sind, ersetzt
wird. Dieser Aufbau ist beispielsweise dann vorteilhaft,
wenn an einem waagrecht befestigten Rohr ein Schweißpro
zeß an allen Positionen ausgeführt wird. Bei einem sol
chen Schweißprozeß müssen die Schweißbedingungen nicht
nur hinsichtlich der Anfangs-, der Zwischen- und der End
schichten, sondern auch hinsichtlich der Schweißposition
oder der Schweißlage geändert werden. Folglich kann durch
die Änderung der Frequenz, die zusätzlich zum Schweiß
strom und zum EP-Periodenverhältnis geändert wird, durch
diesen Schweißbetrieb ein gleichmäßiges Schweißergebnis
erzielt werden.
In den zwei vorangehenden Ausführungsformen können die
Schalteinheiten 116, 120 und 121 selbstverständlich ent
weder für getrennte Umschaltvorgänge oder für kombinierte
Umschaltvorgänge verwendet werden.
Außerdem ist das Schweißbedingungs-Einstellelement 117
mit einer Anzeigeeinheit versehen, durch die die Bedin
gungen in Abhängigkeit des Ziels oder des Inhalts der
Schweißarbeit leichter eingestellt werden können, so daß
die Handhabbarkeit der Vorrichtung weiter verbessert
wird.
Wie im weiter oben beschriebenen Fall wird bei konstant
gehaltenem Schweißstrom der direkt unterhalb der Elek
trode befindliche Lichtbogendruck geändert, wenn die
Wechselstromfrequenz verändert wird. Wie in Fig. 4 ge
zeigt, wird der Druck erhöht, wenn die Wechselstromfre
quenz höher wird, so daß er einen Wert in der Umgebung
des maximalen Lichtbogendrucks des EN-Gleichstrom
Schweißprozesses annimmt. Außerdem verändert sich die
Einbrandtiefe in Abhängigkeit vom Lichtbogendruck. Ande
rerseits ist die Änderung der Dekapierungsbreite, die von
der Veränderung der Wechselstromfrequenz abhängt, gering.
Daher kann durch eine Änderung der Wechselstromfrequenz
die Einbrandtiefe gesteuert werden, ohne daß der Schweiß
strom und die Dekapierungsbreite verändert werden.
Gemäß der dritten Ausführungsform kann daher durch die
Änderung der Frequenz der Wechselstromausgabe die Ein
brandtiefe bei konstant gehaltenem Schweißstrom geändert
werden. Darüber hinaus wird während dieser Operation die
Dekapierungsbreite kaum verändert. Daraus ergibt sich,
daß der Wärmeeintrag in das Grundmetall im wesentlichen
konstant gehalten wird, so daß sich vorteilhaft eine
gleichmäßige Schweißverbindung ergibt.
In Fig. 13 ist eine vierte Ausführungsform der Schweiß
vorrichtung gezeigt, auf die das erfindungsgemäße Wech
selstrom-WIG-Schweißverfahren angewendet wird. Die in
Fig. 13 gezeigte Vorrichtung umfaßt einen Gleichrichter
101 und eine primäre Gleichstrom-Wechselstrom-Konverter
schaltung 102, die so angeordnet sind, daß sie den
Netzwechselstrom in einen Hochfrequenzwechselstrom trans
formieren. Die primäre Gleichstrom-Wechselstrom-Konver
terschaltung 102 empfängt ein Signal, das in einer Im
pulsbreitensteuerschaltung 103 einer Impulsbreitensteue
rung unterzogen worden ist, und liefert an einen Schweiß
transformator 104 einen hochfrequenten Wechselstrom. Fer
ner umfaßt das System einen Gleichrichter 105 zum Umwan
deln einer Ausgabe von der Ausgangsseite des Transforma
tors 104 in einen Gleichstrom, eine Stromsensorschaltung
106 zum Ermitteln des Stromwertes i des sich ergebenden
Gleichstroms und eine sekundäre Gleichstrom-Wechselstrom
Konverterschaltung 108, die den Gleichstrom erneut in
einen Wechselstrom transformiert, wie er für den Wechsel
strom-Schweißprozeß benötigt wird. Der von der Schaltung
108 ausgegebene Stromwert wird auf einem voreingestellten
Wert folgendermaßen konstant gehalten: Die Stromsensor
schaltung 106 ermittelt vor der Stromtransformation durch
den sekundären Gleichstrom-Wechselstrom-Konverter 108 den
Stromwert i des Gleichstroms; dann wird der Differenzver
stärker 119 betätigt, um den Stromwert i auf einen Wert I
einzustellen, der durch das Schweißstrom-Einstellelement
118 vorgegeben wird, so daß die Impulsbreitensteuerschal
tung 103 rückkopplungsgesteuert wird.
Die sekundäre Gleichstrom-Wechselstrom-Konverterschaltung
108 erzeugt eine Wechselstromfrequenz und ein EP-Pe
riodenverhältnis. Die Treiberschaltung 112 steuert die
sekundäre Gleichstrom-Wechselstrom-Konverterschaltung 108
auf der Grundlage eines Signals, das von einem eine
Rechteckwelle erzeugenden Rechteckwellengenerator 111 ge
liefert wird, wobei die Impulsfrequenz und die Impuls
breite der Rechteckwelle aufgrund von Signalen einge
stellt werden, die von einem Funktionsgenerator 115b und
vom Schweißbedingungs-Einstellelement 117 geliefert wer
den. Diese Steuerung hat zum Ergebnis, daß die sekundäre
Gleichstrom-Wechselstrom-Konverterschaltung 108 an einen
Ort zwischen dem Schweißbrenner 113 und einem Grundmetall
115 eine im voraus festgelegte Schweißstromausgabe lie
fert.
Die Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform umfaßt fer
ner eine einen Ermittlungswert Va erzeugende Lichtbogen
spannungs-Sensorschaltung 115a. Auf der Grundlage dieses
Wertes Va erzeugt der Funktionsgenerator 115b entspre
chend einer im voraus gesetzten Beziehung zwischen der
Lichtbogenspannung und der Wechselstromfrequenz ein die
Wechselstromfrequenz steuerndes Signal; die im voraus ge
setzte Beziehung zwischen der Lichtbogenspannung und der
Wechselstromfrequenz hat beispielsweise die in Fig. 14
gezeigte Gestalt. Das erhaltene Signal wird anschließend
an den Rechteckwellengenerator 111 geliefert.
Durch den obigen Aufbau wird die Wechselstromfrequenz au
tomatisch entsprechend einer Änderung der Lichtbogenspan
nung variiert, wodurch die Einbrandtiefe auf einem im
voraus festgesetzten Wert gehalten werden kann.
Obwohl die Wechselstromfrequenz vorzugsweise im wesentli
chen in einem Verhältnis zur Lichtbogenspannung, wie es
durch die in Fig. 14 gezeigte vorgegebene Beziehung ange
geben ist, geändert wird, kann auch dann eine nahezu
ebenso vorteilhafte Wirkung erzielt werden, wenn die
Wechselstromfrequenz annähernd linear oder stufenweise
geändert wird.
Wie im weiter oben beschriebenen Fall wird bei konstant
gehaltenem Schweißstrom, konstant gehaltener Schweißge
schwindigkeit bzw. konstant gehaltener Lichtbogenlänge
bei Einbringen eines Wechselstroms mit einer bestimmten
Frequenz in einen Abstand zwischen der Elektrode und dem
Grundmetall der mit der Einbrandtiefe in engem Zusammen
hang stehende Lichtbogendruck gemessen, wie in Fig. 15
gezeigt ist. Das heißt, daß der Lichtbogendruck bei einer
Zunahme der Wechselstromfrequenz zunimmt, um einen Wert
in der Nähe des Lichtbogendrucks in einem Gleichstrom-
Schweißprozeß anzunehmen.
In Fig. 16 ist beispielhaft die Auswirkung der durch die
Änderung der Wechselstromfrequenz bewirkten Lichtbogen
druckänderung auf die Einbrandtiefe gezeigt. Aus diesem
Graph ist ersichtlich, daß die Einbrandtiefe erhöht oder
erniedrigt wird, falls die Wechselstromfrequenz auf einen
die Netzfrequenz übersteigenden bzw. nicht übersteigenden
Wert festgesetzt wird.
In dem in Fig. 16 gezeigten Graph erhöht sich beim Wech
selstrom-Schweißprozeß mit der Netzfrequenz die Einbrand
tiefe von P0 auf P1, wenn sich die Lichtbogenspannung vom
Bezugswert Va0 auf Va1 ändert. Außerdem sinkt die Ein
brandtiefe von P0 auf P2, wenn sich die Lichtbogenspan
nung von Va0 auf Va2 ändert.
Wenn jedoch die Wechselstromfrequenz auf 25 Hz festge
setzt wird, nimmt bei einer Lichtbogenspannung Va1 die
Einbrandtiefe den Wert P0 an, die mit derjenigen Ein
brandtiefe identisch ist, die dann erhalten wird, wenn
der Schweißprozeß bei der Netzfrequenz mit der Lichtbo
genspannung Va0 ausgeführt wird. Ebenso behält die Ein
brandtiefe diesen Wert, wenn bei der Lichtbogenspannung
Va2 die Wechselstromfrequenz 250 Hz festgesetzt wird. Das
heißt, daß die Einbrandtiefe während des Schweißbetriebs
auf einem vorgegebenen Wert gehalten werden kann, wenn
die Wechselstromfrequenz im wesentlichen in dem in Fig.
14 gezeigten Verhältnis zur Lichtbogenspannung verändert
wird.
Gemäß der vierten Ausführungsform kann daher beim Wech
selstrom-WIG-Schweißprozeß ohne Ausführung der Steuerung
der Brennerposition die Einbrandtiefe auf einem vorgege
benen Wert gehalten werden. Die Erfindung hat daher den
Vorteil, daß ein Brennerverschiebungs- oder -bewegungsme
chanismus, der Bauteile wie etwa eine Gleitunterlage und
einen Antriebsmotor aufweist, nicht notwendig ist.
Die Weglassung des Brennerverschiebungsmechanismus hat
das vorteilhafte Merkmal zur Folge, daß die Größe und das
Gewicht der automatischen Schweißvorrichtung, etwa zum
Schweißen eines an einer engen Stelle eingesetzten, fe
sten Rohrs, minimiert werden kann.
Nun wird mit Bezug auf die Fig. 17 bis 20 eine fünfte
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung
beschrieben.
In einem Lichtbogen-Schweißprozeß mit nichtabschmelzender
Elektrode, der mit einem Schweißstrom mit im wesentlichen
konstanter Stromkennlinie betrieben wird, wird dann, wenn
die Lichtbogenlänge bei konstantem Schweißstrom und kon
stanter Schweißgeschwindigkeit geändert wird, eine Bezie
hung zwischen der Lichtbogenlänge und der Lichtbogenspan
nung erhalten, wie sie in Fig. 18 gezeigt ist. Da der
über den Lichtbogen in das Grundmetall eingebrachte Wär
meeintrag durch das Produkt "Strom × Spannung × Wirkungs
grad" gegeben ist, verändert sich die Wärmeeintragsmenge
an das Grundmetall bei konstantem Schweißstrom genauso
wie die Lichtbogenspannung mit der Änderung der Lichtbo
genlänge, wie dies in Fig. 19 gezeigt ist.
Andererseits sinkt der auf das Grundmetall angewendete
Lichtbogendruck ab, wenn die Lichtbogenlänge größer wird,
wie dies in Fig. 20 gezeigt ist.
Beim Lichtbogenschweißen wird die Einbrandtiefe als be
stimmt durch die Menge des Wärmeeintrags an das Grundme
tall und durch eine das Schmelzbad leerende Kraft, näm
lich den Lichtbogendruck, angesehen. Folglich kann die
Schweißeinbrandtiefe PD durch den Wärmeeintrag WB und den
Lichtbogendruck Pa folgendermaßen dargestellt werden:
PD = aWB + bPa + c.
Hierbei sind a, b und c Konstanten, die von den Schweiß
bedingungen und ähnlichem abhängen. Auf der Grundlage der
in den Fig. 10 und 20 gezeigten Graphen wird zwischen der
Lichtbogenlänge und der Einbrandtiefe eine Beziehung er
halten, die in Fig. 17 gezeigt ist. Zusätzlich zum be
kannten Bereich A (erster Bereich), in dem die Bogenlänge
im wesentlichen umgekehrt proportional zur Einbrandtiefe
ist, treten ein Bereich B (zweiter Bereich), in dem die
Einbrandtiefe kaum von der Lichtbogenlänge abhängt und in
dem die Einbrandtiefe ihren Minimalwert annimmt, und ein
Bereich C (dritter Bereich), in dem die Lichtbogenlänge
im wesentlichen proportional zur Einbrandtiefe ist, auf.
Außerdem kann die Einbrandtiefe im Bereich C einen Wert
annehmen, der den im Bereich A erzielten Wert übersteigt.
Aufgrund dieser neuen Erkenntnis wird die Lichtbogenlänge
erfindungsgemäß auf den zweiten Bereich B bezogen, in dem
die Lichtbogenlänge größer als diejenige des ersten Be
reichs A ist und die Einbrandtiefe kaum von der Lichtbo
genlänge abhängt.
Ferner wird in der obigen Ausführungsform die Lichtbogen
länge mit dem dritten Bereich C in Beziehung gesetzt, in
dem die Lichtbogenlänge größer als diejenige des zweiten
Bereichs B und die Einbrandtiefe im wesentlichen propor
tional zur Lichtbogenlänge ist.
Nun wird diese Ausführungsform im einzelnen beschrieben.
In Fig. 21 ist eine Beziehung zwischen der Lichtbogen
länge und der Einbrandtiefe gezeigt, wenn der Wechsel
strom-WIG-Schweißprozeß auf einer Platte aus einer Alumi
niumlegierung (A5052) mit einer Dicke von 3 mm und unter
Verwendung einer Schweiß-Leistungsquelle (lastfreie Span
nung: 40 V) mit einer im wesentlichen konstanten Strom
kennlinie ausgeführt wird, wobei die folgenden Bedingun
gen gelten: Schweißstrom 100 A, Schweißgeschwindigkeit
300 mm/min und Schutzgas(Argongas)-Strömungsrate 10 l/min.
Für diejenigen Bogenlängen, die in dem Graphen die
Länge von 4 mm nicht übersteigen, nimmt die Einbrandtiefe
mit zunehmender Lichtbogenlänge ab, während für diejeni
gen Lichtbogenlängen, die zwischen ungefähr 4 mm und un
gefähr 5 mm liegen, die Einbrandtiefe kaum verändert
wird. Wenn andererseits die Bogenlänge mindestens 6 mm
beträgt, wird die Einbrandtiefe mit zunehmender Lichtbo
genlänge erhöht. Daher wird im Vergleich zur Einbrand
tiefe, die in dem bekannten Bereich, in dem die Lichtbo
genlänge umgekehrt proportional zur Einbrandtiefe ist,
entsteht, eine größere Einbrandtiefe erhalten.
In Fig. 22 ist die Beziehung zwischen der Lichtbogenlänge
und der Einbrandtiefe gezeigt, wenn der Wechselstrom-WIG-
Schweißprozeß auf einer Platte aus Aluminium (A1100) mit
einer Dicke von 5 mm unter Verwendung derselben Schweiß-
Leistungsquelle wie oben ausgeführt wird, wobei die fol
genden Bedingungen gelten: Schweißstrom 200 A, Schweißge
schwindigkeit 250 mm/min und Schutzgas(Argongas)-Strö
mungsrate 15 l/min. Wie im Beispiel von Fig. 21 gilt auch
für diesen Graph, daß die Einbrandtiefe kaum verändert
wird, wenn die Bogenlänge auf einen Wert zwischen unge
fähr 4 mm und ungefähr 5 mm eingestellt wird. Wenn die
Bogenlänge mindestens 6 mm beträgt, wird die Einbrand
tiefe mit zunehmender Lichtbogenlänge erhöht, was im Er
gebnis zu einer größeren Einbrandtiefe, verglichen mit
der Einbrandtiefe im bekannten Bereich (in dem die Licht
bogenlänge 4 mm nicht übersteigt), führt.
In dieser Ausführungsform sind die Bereiche, in denen die
Änderung der Lichtbogenlänge im wesentlichen keinen Ein
fluß auf die Veränderung der Einbrandtiefe hat, denjeni
gen Lichtbogenlängen zugeordnet, die in einem Bereich
zwischen 4 mm und 6 mm liegen; selbstverständlich können
diese Werte in Abhängigkeit von der Plattendicke und den
Schweißbedingungen geändert werden.
Obwohl die beim Schweißprozeß gemäß dieser Ausführungs
form verwendete Wechselstromfrequenz auf den Wert der
Netzfrequenz von 50 Hz gesetzt wird, ist die vorliegende
Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Die Funk
tion der vorliegenden Erfindung kann auch dann erhalten
werden, wenn die Frequenz auf einen höheren oder auf
einen niedrigeren Wert eingestellt wird.
Die in Fig. 17 gezeigte Beziehung zwischen der Lichtbo
genlänge und der Einbrandtiefe gilt nicht nur für den
Wechselstrom-WIG-Schweißprozeß, sondern auch für den
Gleichstrom-WIG-Schweißprozeß. Der in das Grundmetall
eingebrachte Wärmeeintrag, mit der eine vorgegebene
Schweiß-Einbrandtiefe erzielt werden soll (d. h. die
Lichtbogenlänge), ändert sich in Abhängigkeit des Materi
als des Grundmetalls (Schmelzpunkt). Unter Verwendung ei
ner Schweiß-Leistungsquellle mit einer hierzu in Bezie
hung stehenden lastfreien Spannung kann die vorliegende
Erfindung u. U. auf einen Gleichstrom-WIG-Schweißprozeß an
Materialien angewendet werden, die weder Aluminium noch
Aluminiumlegierungen sind.
Gemäß der fünften Ausführungsform kann der Schweißprozeß
auch dann mit fast konstanter Einbrandtiefe ausgeführt
werden, wenn sich die Lichtbogenlänge leicht ändert; da
her werden nachteilige Einflüsse, die durch die geringe
Bewegung einer Hand oder die Verschiebung des Grundme
talls während des Schweißprozesses auftreten, beseitigt,
so daß eine gleichmäßige Schweißlage erhalten wird.
Da ferner die Einbrandtiefe zunimmt, wenn die Lichtbogen
länge während des Schweißprozesses erhöht wird, kann die
Einbrandtiefe im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren
erhöht werden. Ferner wird bei einem Schweißprozeß, in
dem der Brenner nur schwer an einen Ort in der Nähe der
Schweißnaht bewegt werden kann, eine im Stand der Technik
erforderliche Operation, mit der die Länge der Elektrode
vergrößert wird, unnötig. Daher wird in der Elektrode
eine ohmsche Wärmeerzeugung verhindert, so daß die ent
sprechende Schweißstromabsenkung nicht auftritt; dies
führt zu der vorteilhaften Wirkung, daß ein Schweißprozeß
mit hoher Qualität ausgeführt werden kann.
Wenn die Wechselstromfrequenz bei konstant gehaltenem
Schweißstrom, konstant gehaltener Schweißgeschwindigkeit
und konstant gehaltener Lichtbogenlänge verändert wird,
ändert sich der Lichtbogendruck Pa entsprechend dem in
Fig. 15 gezeigten Graphen: Wenn die Wechselstromfrequenz
größer wird, nimmt der Wert Pa einen Wert in der Umgebung
des Lichtbogendrucks an, der beim Gleichstrom-Schweißpro
zeß vorliegt.
Aufgrund dieses Verhaltens, in Verbindung mit dem in Fig.
20 gezeigten Änderungsverhalten des Lichtbogendrucks Pa,
wird die Kurve dieses Graphen in einer im wesentlichen
parallelen Richtung nach oben oder nach unten verschoben,
wenn die Wechselstromfrequenz erhöht bzw. erniedrigt
wird. Obwohl die Erhöhung der Wechselstromfrequenz zu ei
ner Erhöhung der Einbrandtiefe PD führt, wird daher der
in Fig. 17 gezeigte Sachverhalt auch dann nicht geändert,
wenn die Wechselstromfrequenz geändert wird. In Fig. 16
ist dieses Phänomen beispielhaft gezeigt.
Aufgrund dieses Phänomens wird gemäß dieser Ausführungs
form in dem Wechselstrom-WIG-Schweißprozeß, der unter
Verwendung einer Schweiß-Leistungsquelle mit einer im we
sentlichen konstanten Stromkennlinie ausgeführt wird und
in dem der erste, der zweite und der dritte Bereich A, B
bzw. C erhalten werden, die Lichtbogenlänge periodisch
geändert, so daß die Lichtbogenlänge abwechselnd in die
Bereiche A und B oder in die Bereiche B und C eintritt.
Außerdem wird die Frequenz des von der Schweiß-Leistungs
quelle erzeugten Wechselstroms auf einen Wert gesetzt,
der in den Bereichen A und C bzw. im Bereich B oberhalb
bzw. unterhalb des Wertes der Netzfrequenz liegt.
Außerdem wird die Lichtbogenlänge periodisch so geändert,
daß sie abwechselnd in die Bereiche A und C eintritt; da
bei wird die Frequenz des in der Schweiß-Leistungsquelle
erzeugten Wechselstroms auf einen Wert gesetzt, der in
den Bereichen C bzw. A oberhalb bzw. unterhalb des Wertes
der Netzfrequenz liegt.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß die Lichtbo
genlänge periodisch so geändert wird, daß sie abwechselnd
in die Bereiche A, B und C eintritt; dabei wird die Fre
quenz des durch die Schweiß-Leistungsquelle erzeugten
Wechselstroms auf einen Wert gesetzt, der im Bereich C
den Wert der Netzfrequenz übersteigt, der im Bereich B
die Netzfrequenz nicht übersteigt und der im Bereich A
zwischen den Werten der Frequenzen im Bereich B bzw. im
Bereich C liegt.
In Abhängigkeit von der Veränderung der Lichtbogenlänge
wird wenigstens entweder der Schweißstrom oder das EP-Pe
riodenverhältnis geändert.
Wie in Fig. 17 gezeigt, hat die Einstellung der Wechsel
stromfrequenz auf einen Wert, der höher als der Wert der
Netzfrequenz ist, zur Folge, daß in den Bereichen A und
C, in denen der Wert der Einbrandtiefe umgekehrt propor
tional bzw. proportional zur Lichtbogenlänge ist, die
Einbrandtiefe im Vergleich zu einem herkömmlichen System
einen größeren Wert annimmt. Im Bereich B, in dem die
Einbrandtiefe PD im wesentlichen unabhängig von der
Lichtbogenlänge ist, wird durch die Wahl eines Wechsel
stromfrequenzwertes, der den Wert der Netzfrequenz nicht
übersteigt, eine Einbrandtiefe erhalten, die kleiner ist
als die entsprechende Einbrandtiefe des Standes der Tech
nik.
Wenn daher die Lichtbogenlänge zwischen den Bereichen A
und B oder zwischen den Bereichen B und C periodisch ge
ändert wird und die Wechselstromfrequenz auf einen Wert
festgesetzt wird, der in den Bereichen A und C oberhalb
der Netzfrequenz liegt und der im Bereich B unterhalb der
Netzfrequenz liegt, kann die Einbrandtiefe im Vergleich
zur herkömmlichen Technik in einem größeren Bereich ge
steuert werden.
Wenn die Lichtbogenlänge zwischen den Bereichen A und C
periodisch geändert wird und die Wechselstromfrequenz auf
einen Wert festgesetzt wird, der im Bereich C oberhalb
der Netzfrequenz liegt und im Bereich A unterhalb der
Netzfrequenz liegt, kann die Einbrandtiefe in einem noch
größeren Bereich gesteuert werden.
Je nach Schweißstoßform und nach Konstruktionsverfahren
kann ein befriedigendes Ergebnis in manchen Fällen dann
erhalten werden, wenn die Lichtbogenlänge und die Wech
selstromfrequenz gleichzeitig verändert werden, derart,
daß die Lichtbogenlänge in drei Phasen zwischen den Be
reichen A, B und C geändert wird und die Wechselstromfre
quenz auf einen Wert festgesetzt wird, der im Bereich A
größer als die Netzfrequenz ist, im Bereich B nicht grö
ßer als die Netzfrequenz ist und im Bereich C zwischen
den Werten der Frequenzen in den Bereichen A und B liegt.
In Fig. 23 ist der Aufbau einer Schweißvorrichtung gemäß
einer sechsten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die
Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform umfaßt einen
Gleichrichter 101 und eine primäre Gleichstrom-Wechsel
strom-Konverterschaltung 102, die der Umwandlung des ein
gegebenen Netzwechselstroms in einen hochfrequenten Wech
selstrom dienen. Durch die primäre Gleichstrom-Wechsel
strom-Konverterschaltung 102 wird ein hochfrequenter
Wechselstrom, dessen Impulsbreite durch eine Impulsbrei
tensteuerschaltung 103 gesteuert wird, an einen Schweiß
transformator 104 geliefert. Das System umfaßt ferner
einen Gleichrichter 105, der die Ausgabe des Schweiß
transformators 104 in einen Gleichstrom umwandelt, eine
Stromsensorschaltung 106, die den in einen Gleichstrom
umgewandelten Strom i ermittelt, und eine sekundäre
Gleichstrom-Wechselstrom-Konverterschaltung 108, die den
Gleichstrom erneut in einen Wechselstrom transformiert,
der für den Schweißprozeß benötigt wird.
Die Frequenz und das EP-Periodenverhältnis "dep" (EP-Pe
riode/Wechselstromzyklus) des von der sekundären Gleich
strom-Wechselstrom-Konverterschaltung 108 erzeugten Wech
selstroms werden von einer Treiberschaltung 112 aufgrund
eines Signals von einem Rechteckwellengenerator 111 ge
steuert, wobei die Impulsfrequenz und die Impulsbreite
der vom Generator 111 erzeugten Rechteckwelle durch ein
erstes Frequenz-Einstellelement 116a oder ein zweites
Frequenz-Einstellelement 116b bzw. durch ein "dep"-Ein
stellelement 117 eingestellt werden. Im Ergebnis liefert
die sekundäre Gleichstrom-Wechselstrom-Konverterschaltung
108 eine vorbestimmte Wechselstromausgabe an einen Ort
zwischen einem Brenner 113 und einem Grundmetall 115.
Der Wert der Stromausgabe wird folgendermaßen auf einem
vorgegebenen Wert gehalten: Die Stromsensorschaltung 106
ermittelt einen Wert des Gleichstroms, bevor dieser in
der sekundären Gleichstrom-Wechselstrom-Konverterschal
tung 108 umgewandelt wird; damit der gemessene Wert einem
von einem Schweißstrom-Einstellelement 118 eingestellten
Wert gleich wird, wird über einen ersten Differenzver
stärker 119, der die Ausgabe der primären Gleichstrom-
Wechselstrom-Konverterschaltung 102 steuert, eine Rück
kopplungssteuerung ausgeführt, so daß der vorgegebene
Stromwert erhalten wird.
Das System umfaßt ferner einen Spannungssignalschalter
106a, der das Signal ein- oder ausschaltet. Der Schalter
106a wird nur dann in den EIN-Zustand versetzt, wenn die
Stromsensorschaltung 106 einen Strom ermittelt, so daß
nur in diesem Fall eine Lichtbogenspannung Va an eine
Lichtbogenspannungs-Sensorschaltung 115a angelegt wird.
Die Vorrichtung umfaßt ferner einen Brenner-Verschiebeme
chanismus 119d zur Steuerung der Position des Brenners
113. Damit der von einem ersten Spannungs-Einstellelement
120a oder einem zweiten Spannungs-Einstellelement 120b
eingestellte Wert der Lichtbogenspannung gleich einem
Lichtbogenspannungswert wird, der von der Lichtbogenspan
nungs-Sensorschaltung 115a ermittelt worden ist, erzeugt
ein zweiter Differenzverstärker 119a ein Signal. Aufgrund
dieses Signals steuert eine Brennerposition-Steuerschal
tung 119b einen Motor 119c, der wiederum den Brenner-Ver
schiebemechanismus 119d so steuert, daß die Lichtbogen
länge geändert wird.
Die Vorrichtung umfaßt weiterhin einen zweiten Rechteck
wellengenerator 122. Sowohl die Periode des Signals mit
hohem Pegel als auch die Periode des Signals mit niedri
gem Pegel werden durch Einstellperioden T1 bzw. T2, die
wiederum durch ein erstes bzw. ein zweites Element 122a
bzw. 122b zum Einstellen von Schweißvariablen-Fixierungs
perioden erzeugt werden, gesteuert. Weiterhin umfaßt die
Vorrichtung eine Schalteinheit 116 zum Umschalten zwi
schen den Frequenzen f1 und f2, die dem ersten bzw. dem
zweiten Frequenz-Einstellelement 116a bzw. 116b zugeord
net sind, und eine Schalteinheit 120, die zwischen den
Spannungen V1 und V2, die dem ersten bzw. dem zweiten
Spannungs-Einstellelement 120a bzw. 120b zugehören, um
schaltet. Der zweite Reckteckwellengenerator 122 steuert
die Schalteinheiten 116 und 120 derart, daß sie die je
weilige Einstellfrequenz und die jeweilige Einstellspan
nung auswählen.
Obwohl in Fig. 23 nicht gezeigt, können auch zwei
Schweißstrom-Einstellelemente 118 und zwei "dep"-
Einstellelemente 117 sowie zwei ihnen zugeordnete
Schalteinheiten vorgesehen werden. Durch Verwendung der
Ausgabe des zweiten Rechteckwellengenerators 122 kann die
Vorrichtung die Stromausgabe und die "dep" ebenso wie im
Fall der Frequenz- und Spannungsausgabe verändern.
In den Fig. 24 bis 26 sind typische Beispiele von vorran
gigen Schweißprozeß-Funktionsabläufen gezeigt, die bei
Verwendung der Schweißanlage oder Schweißvorrichtung von
Fig. 23 ausgeführt werden. In dem in Fig. 24 gezeigten
Beispiel wird die Lichtbogenlänge zwischen dem Bereich A,
in dem die Einbrandtiefe im wesentlichen umgekehrt pro
portional zur Lichtbogenlänge ist, und dem Bereich B, in
dem die Einbrandtiefe im wesentlichen unabhängig von der
Veränderung der Lichtbogenlänge ist, geändert. Dabei wird
die Wechselstromfrequenz im Bereich A auf einen hohen
Wert und im Bereich B auf einen niedrigen Wert gesetzt.
Im Ergebnis wird die Einbrandtiefe in Abhängigkeit davon,
ob sich die Lichtbogenlänge im Bereich A oder im Bereich
B befindet, erhöht oder erniedrigt.
In Fig. 25 wird die Lichtbogenlänge zwischen dem Bereich
B, in dem die Einbrandtiefe im wesentlichen unabhängig
von der Veränderung der Lichtbogenlänge ist, und dem Be
reich C, in dem die Einbrandtiefe im wesentlichen propor
tional zur Lichtbogenlänge ist, geändert; dabei wird die
Wechselstromfrequenz im Bereich B auf einen niedrigen
Wert und im Bereich C auf einen hohen Wert gesetzt. Im
Ergebnis wird die Einbrandtiefe in Abhängigkeit davon, ob
sich die Lichtbogenlänge im Bereich B oder im Bereich C
befindet, erniedrigt oder erhöht.
Wenn bei ausschließlicher Verlängerung der Lichtbogen
länge eine große Einbrandtiefe erzielt werden soll, neigt
die Lichtbogen zu einer verschlechterten Konzentration.
Wie jedoch in Fig. 25 gezeigt, wird dann, wenn die Licht
bogenlänge zusammen mit der Wechselstromfrequenz erhöht
wird, die EP-Periode, in der sich der Kathodenfleck des
Lichtbogens während eines Wechselstromzyklus bewegt, ver
ringert. Daher wird der Lichtbogen besser konzentriert,
so daß das Erscheinungsbild der Schweißlage nicht zer
stört wird.
In Fig. 26 ist das Beispiel eines Graphen gezeigt, in dem
zusätzlich zur Lichtbogenlänge und zur Wechselstromfre
quenz der ausgegebene Strom verändert wird. Im Vergleich
zu dem in Fig. 25 gezeigten Beispiel unterliegt die Ein
brandtiefe einer größeren Veränderung.
In diesem Beispiel wird der in Fig. 25 verwendete Strom
wert geändert. Im Graph von Fig. 24 führt das System auch
dann, wenn der Strom erhöht wird, falls sich die Lichtbo
genlänge im Bereich A befindet, und wenn der Strom er
niedrigt wird, falls sich die Lichtbogenlänge im Bereich
B befindet, eine Operation aus, die dem Beispiel von Fig.
26 analog ist. Außerdem kann die Handhabbarkeit in Abhän
gigkeit vom Konstruktionsverfahren weiter verbessert wer
den, indem der Einstellwert des "dep" in Verbindung mit
einer Änderung der Lichtbogenlänge erhöht oder erniedrigt
wird.
In Fig. 27 ist eine Tabelle gezeigt, die beispielhaft die
Parameter enthält, wie sie für die Primärschweißbedingun
gen in dieser Ausführungsform eingestellt werden, wenn
der Wechselstrom-WIG-Schweißprozeß an einem Stumpfstoß
mit einer 3 mm dicken Platte aus einer Aluminiumlegierung
(A5052) ausgeführt wird.
Die Bedingungen (1), (2) und (3) sind Beispiele für Ein
stellwerte, die den Fig. 24, 25 bzw. 26 zugehören. Die
Bedingung (4) ist auf einen Fall bezogen, in dem der
Stromwert im Beispiel von Fig. 24 erhöht oder erniedrigt
wird. Die Bedingung (5) bezeichnet einen Fall, in dem die
Lichtbogenlänge zwischen den Bereichen A und B geändert
wird. Die Bedingung (6) bezeichnet einen Fall, in dem
sich die Fixierungszeitperiode zwischen einer ersten und
einer zweiten Schweißbedingung ändert. Die Bedingung (7)
ist ein Beispiel für Einstellwerte für einen Fall, in dem
der Wert des EP-Periodenverhältnisses "dep" von der er
sten und der zweiten Schweißbedingung verschieden ist.
Obwohl bei allen in Fig. 27 gezeigten Schweißbedingungen
die Schaltfrequenz auf 1 Hz eingestellt wird, ist die
Frequenz nicht auf diesen Wert beschränkt. Das bedeutet,
daß die Funktion dieser Ausführungsform für jede Fre
quenz, für die der Brennerverschiebungsmechanismus ge
eignet arbeiten kann, also beispielsweise für eine Fre
quenz, die einige 10 Hz nicht übersteigt, gewährleistet
wird.
Ferner ist die Zahl der Schaltphasen oder der Schaltstu
fen zwischen den Schweißbedingungen nicht auf zwei be
schränkt; d. h., daß drei oder mehr Stufen für die Schalt
operation zwischen den Schweißbedingungen zur Anwendung
kommen können.
Gemäß der sechsten Ausführungsform kann die Einbrandtiefe
bei konstant gehaltenem Schweißstrom und bei konstant ge
haltenem EP-Periodenverhältnis "dep" in einem weiten Be
reich gesteuert werden. Folglich wird beim Einbrand
schweißlagen-Schweißen ein Durchbrennen verhindert, wäh
rend beim Gesamtpositions-Schweißen das Durchhängen des
Schmelzbades vermieden wird, was zu einem zufriedenstel
lenden Schweißergebnis führt. Wenn die Lichtbogenlänge
erhöht wird, um die Einbrandtiefe zu steigern, kann die
damit verbundene Verschlechterung der Lichtbogenkonzen
tration dadurch korrigiert werden, daß die Wechselstrom
frequenz erhöht wird, so daß keine Verschlechterung des
Wechselstrom-Erscheinungsbildes entsteht. Wenn ferner die
Zahl der Schaltstufen für die Schweißbedingungen auf
zwei, drei usw. erhöht wird, werden die Lichtbogenlänge
und die Wechselstromfrequenz in den entsprechenden
Schaltstufen so verändert, daß sie zum Aufwirbeln des
Schmelzbades Schwingungen erzeugen; dadurch kann mögli
cherweise der Vorteil erzielt werden, daß nach dem Fest
werden des geschmolzenen Metalls feine metallurgische
Strukturen aufgebaut werden.
Wenn außerdem das die jeweiligen Veränderungen der Licht
bogenlänge und der Wechselstromfrequenz enthaltende
Schweißprozeß-Steuerverfahren mit dem bekannten, von Än
derungen im Schweißstrom und im EP-Periodenverhältnis
"dep" abhängigen Schweißprozeß-Steuerverfahren kombiniert
wird, kann die Einbrandtiefe in einem weiten Bereich ge
steuert werden, so daß eine wünschenswerte, weiter er
höhte Schweißqualität beim Hochgeschwindigkeits-Einbrand
schweißlagen-Schweißen einer dicken Platte erzielbar ist.
Obwohl in der obigen Beschreibung besondere Ausführungs
formen der Erfindung erläutert worden sind, sind für den
Fachmann verschiedene Änderungen und Abwandlungen mög
lich, die jedoch nicht vom Umfang der vorliegenden Erfin
dung abweichen.
Claims (19)
1. Verfahren zur Steuerung eines Wechselstrom-WIG-Schweißprozesses, bei dem
- - eine erste Wechselspannung von niedriger Frequenz in eine erste Gleichspannung,
- - diese erste Gleichspannung in eine zweite Wechselspannung von hoher Frequenz,
- - diese zweite Wechselspannung in eine zum Schweißen geeignete dritte Wechselspannung,
- - diese dritte Wechselspannung in eine zweite Gleichspannung und
- - diese zweite Gleichspannung in eine geregelte Wechselspannung umgesetzt wird und
- - diese einer vorbestimmten Lichtbogenlänge entsprechende geregelte
Wechselspannung an miteinander zu verschweißende Werkstoffe angelegt
wird, um diesen einen Schweißstrom zuzuführen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz des Schweißstroms ohne Änderung von dessen Mittelwert und des Verhältnisses der positiven Periodendauer (EP-Periode) zur Gesamtperiodendauer (EP-Periode+EN-Periode) gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtbogenlänge während des Schweißvorganges unverändert
gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
die Lichtbogenlänge währnd des Schweißvorganges verändert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz des Schweißstroms auf einen niedrigeren Wert als den
der Netzfrequenz eingesteuert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz des Schweißstroms auf einen höheren Wert als den der
Netzfrequenz eingesteuert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz des Schweißstroms auf einen niedrigeren Wert als den
der Netzfrequenz eingestellt und so gesteuert wird, daß während
einer Periode des Schweißstroms dessen Integral über die Zeitdauer
positiver Elektrodenpolarität größer ist als sein Integral über die
Zeitdauer negativer Elektrodenpolarität.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz des Schweißstromes auf einen höheren Wert als den der
Netzfrequenz eingestellt und so gesteuert wird, daß während einer
Periode des Schweißstroms dessen Integral über die Zeitdauer positiver
Elektrodenpolarität kleiner ist als sein Integral über die
Zeitdauer negativer Elektrodenpolarität.
8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtbogenlänge in einem zweiten Bereich (B) größer eingestellt
wird als in einem ersten Bereich (A), in dem die Lichtbogenlänge im
wesentlichen umgekehrt proportional zur Einbrenntiefe ist und sich
diese bei einer Änderung der Lichtbogenlänge kaum ändert.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtbogenlänge in einem dritten Bereich (C) größer eingestellt
wird als im zweiten Bereich (B), in dem die Lichtbogenlänge im wesentlichen
proportional zur Einbrenntiefe ist.
10. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtbogenlänge für einen ersten Bereich (A) im wesentlichen umgekehrt proportional zur Einbrenntiefe, einen zweiten Bereich (B), in dem die Einbrenntiefe bei einer Änderung der Lichtbogenlänge kaum variiert, größer als im ersten Bereich und einen dritten Bereich (C) im wesentlichen proportional zur Einbrenntiefe eingestellt wird,
daß die Lichtbogenlänge periodisch so geändert wird, daß sie alternierend in den ersten und den zweiten Bereich oder den zweiten und den dritten Bereich eintritt, und
daß die Frequenz des von einer Schweißstromquelle abgegebenen Wechselstroms im ersten Bereich und im dritten Bereich auf einen die Netzfrequenz übersteigenden Wert und im zweiten Bereich auf einen die Netzfrequenz nicht übersteigenden Wert eingestellt wird.
daß die Lichtbogenlänge für einen ersten Bereich (A) im wesentlichen umgekehrt proportional zur Einbrenntiefe, einen zweiten Bereich (B), in dem die Einbrenntiefe bei einer Änderung der Lichtbogenlänge kaum variiert, größer als im ersten Bereich und einen dritten Bereich (C) im wesentlichen proportional zur Einbrenntiefe eingestellt wird,
daß die Lichtbogenlänge periodisch so geändert wird, daß sie alternierend in den ersten und den zweiten Bereich oder den zweiten und den dritten Bereich eintritt, und
daß die Frequenz des von einer Schweißstromquelle abgegebenen Wechselstroms im ersten Bereich und im dritten Bereich auf einen die Netzfrequenz übersteigenden Wert und im zweiten Bereich auf einen die Netzfrequenz nicht übersteigenden Wert eingestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtbogenlänge periodisch so geändert wird, daß sie alternierend
in den ersten und den dritten Bereich (A bzw. C) eintritt,
und
daß die Frequenz des von der Schweißstromquelle abgegebenen Wechselstroms im dritten Bereich (C) auf einen die Netzfrequenz übersteigenden Wert und im ersten Bereich (A) auf einen die Netzfrequenz nicht übersteigenden Wert eingestellt wird.
daß die Frequenz des von der Schweißstromquelle abgegebenen Wechselstroms im dritten Bereich (C) auf einen die Netzfrequenz übersteigenden Wert und im ersten Bereich (A) auf einen die Netzfrequenz nicht übersteigenden Wert eingestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtbogenlänge periodisch so geändert wird, daß sie alternierend
in den ersten, in den zweiten und in den dritten Bereich (A, B,
bzw. C) eintritt,
und
daß die Frequenz des von der Schweißstromquelle abgegebenen Wechselstroms im dritten Bereich (C) auf einen die Netzfrequenz übersteigenden Wert, im zweiten Bereich (B) auf einen die Netzfrequenz nicht übersteigenden Wert und im ersten Bereich (A) auf einen Zwischenwert zwischen den Werten für den zweiten und den dritten Bereich eingestellt wird.
daß die Frequenz des von der Schweißstromquelle abgegebenen Wechselstroms im dritten Bereich (C) auf einen die Netzfrequenz übersteigenden Wert, im zweiten Bereich (B) auf einen die Netzfrequenz nicht übersteigenden Wert und im ersten Bereich (A) auf einen Zwischenwert zwischen den Werten für den zweiten und den dritten Bereich eingestellt wird.
13. Vorrichtung zur Steuerung eines Wechselstrom-WIG-Schweißprozesses, mit
- - einem einen ersten Gleichrichter (1) aufweisenden ersten Frequenzwandler zum Umwandeln einer niederfrequenten ersten Wechselspannung in eine erste Gleichspannung,
- - einem ersten Inverter (2) zum Umwandeln der ersten Gleichspannung in eine hochfrequente zweite Wechselspannung,
- - einem Schweißtransformator (4) zum Umsetzen der zweiten Wechselspannung in eine zum Schweißen geeignete dritte Wechselspannung,
- - einem einen zweiten Gleichrichter (5) aufweisenden zweiten Frequenzwandler zum Umwandeln der dritten Wechselspannung in eine zweite Gleichspannung,
- - einem zweiten Inverter (8) zum Umwandeln der zweiten Gleichspannung in eine geregelte Wechselspannung und
- - einer Einrichtung (13, 14) zum Anlegen der einer vorbestimmten Lichtbogenlänge entsprechenden geregelten Wechselspannung an miteinander zu verschweißende Werkstoffe (15) zu deren Speisung mit Schweißstrom,
gekennzeichnet durch
Frequenzänderungseinrichtungen (10, 18, 19, 110, 116, 117, 109a, 109b,
121, 110a, 110b) zum Steuern der Frequenz des Schweißstromes ohne Änderung
von dessen Mittelwert und des Verhältnisses der positiven Periodendauer
(EP-Periode) zur Gesamtperiodendauer (EP-Periode+En-Periode).
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß zu den Frequenzänderungseinrichtungen ein mit einer Stromeinstelleinrichtung
(16) für die Einstellung des Schweißstromes verbundener
Funktionsgenerator (18) zum Erzeugen einer dem Einstellwert der
Schweißstromeinstelleinrichtung zugeordneten Funktion, der außerdem
mit einer Frequenzeinstelleinrichtung (9) zum Einstellen der Frequenz
eines Ausgangswechselstroms des zweiten Inverters (8) verbunden
ist, eine mit dem zweiten Inverter verbundene Periodeneinstelleinrichtung
(10) zum Einstellen einer positiven und einer
negativen Periodendauer für den Ausgangswechselstrom und eine mit
der Frequenzeinstelleinrichtung verbundene Justiereinrichtung (19)
zum Erhöhen und zum Erniedrigen einer durch den Funktionsgenerator
bestimmten Frequenz gehören.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß zu den Frequenzänderungseinrichtungen eine mit dem zweiten Inverter
(108) verbundene erste Schalteinrichtung (116) und wenigstens zwei
damit verbundene Frequenzeinstelleinrichtungen (109a, 109b) zum Einstellen
einer der Frequenzen des Wechselstroms aus dem zweiten Inverter
gehören.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß mit dem ersten Inverter (102) über einen Differenzverstärker (119)
zum Erzeugen einer Phasendifferenz zwischen dem Schweißstrom und
einem Einstellwert aus der Schweißstromeinstelleinrichtung (107)
eine zweite Schalteinrichtung (120) verbunden ist und damit wenigstens
zwei Stromeinstelleinrichtungen zum Einstellen eines der
Schweißstromwerte verbunden sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß mit dem zweiten Inverter (108) eine dritte Schalteinrichtung (121)
verbunden ist und damit wenigstens zwei Periodeneinstelleinrichtungen
(110a, 110b) zum Einstellen einer positiven und einer negativen
Periodendauer für den Ausgangswechselstrom verbunden sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch
- - wenigstens zwei Spannungseinstelleinrichtungen (120a, 120b) zum Einstellen eines der Lichtbogenspannungswerte,
- - eine mit den Spannungseinstelleinrichtungen verbundene vierte Schalteinrichtung (120) zum Auswählen einer der Einstellspannungen,
- - einen Lichtbogenspannungssensor (115a) zum Erfassen der Lichtbogenspannung,
- - einen mit dem Lichtbogenspannungssensor und der vierten Schalteinrichtung verbundenen Differenzverstärker (119a) zum Erzeugen einer Phasendifferenz zwischen der Lichtbogenspannung und der Einstellspannung und
- - einen Schweißfackelsteuermechanismus (119b, 119c, 119d) zum Steuern einer Position einer Schweißfackel (113) in der Weise, daß die erfaßte Lichtbogenspannung mit der Einstellspannung übereinstimmt.
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DE19904023419 DE4023419C5 (de) | 1990-07-23 | 1990-07-23 | Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Wechselstrom-WIG-Schweißprozesses |
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