DE4032618A1 - Verfahren und anordnung zum zuenden eines elektrischen schweiss-lichtbogens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Zünden eines elektrischen Schweiß-Lichtbogens zwi­ schen einer beim Schweißen kontinuierlich zugeführten und abschmelzende Drahtelektrode und einem Werkstück beim MIG- oder MAG-Schweißen nach dem Lift-Arc-Prinzip.

Es ist bekannt, bei der MIG- bzw. MAG-Schweißung einen Schweiß-Lichtbogen durch Kurzschluß zwischen der Draht­ elektrode und dem Werkstück zu zünden, nachdem die Drahtelektrode gegen das Werkstück vorgeschoben wurde. Die den Schweißstrom zur Verfügung stellende Gleich­ spannungsquelle liefert aufgrund ihres üblicherweise geringen Innenwiderstandes während des Kurzschlusses eine hohe Stromstärke, die ein Auf- bzw. Durchschmelzen der Drahtelektrode an einer im allgemeinen nicht be­ stimmten Stelle bewirkt. Unter günstigen Umständen ent­ steht auf der freiwerdenden Strecke ein Schweiß-Licht­ bogen; ein Abreißen dieses Lichtbogens ist jedoch nicht selten. Durch den Vorschub der Drahtelektrode berührt diese nach einiger Zeit erneut das Werkstück; der beschriebene Vorgang wiederholt sich, es kommt zur so­ genannten Stotterzündung. Die dabei unvermeidlichen unkontrolliert hohen Stromstärken führen zu explosions­ artigem Auswurf von Schweißzusatzwerkstoff (Draht­ stücke, erschmolzener Werkstoff).

Zur Verbesserung dieses Zündvorganges ist es aus der DE-OS 31 51 077 bekannt, die Drahtelektrode nach der ersten Werkstückkontaktierung, welche aus dem Verlauf von Stromstärke und Spannung während des Prozesses er­ kennbar ist, zu stoppen und dann zurückzuziehen, um dem sich bildenden Schweiß-Lichtbogen einen Freiraum zu seiner Ausbreitung zu schaffen. Anschließend wird die Drahtelektrode wieder vorwärts bewegt; der eigentliche Schweißprozeß beginnt. Dieses Verfahren vermag eine si­ chere und spritzerfreie Zündung nicht zu gewährleisten: Die Gleichspannungsquelle liefert im Moment der ersten Berührung der Drahtelektrode mit dem Werkstück einen unkontrolliert hohen Strom, der zu den obengenannten negativen Effekten führt. Es werden somit weder Licht­ bogenabrisse noch heftige Spritzertätigkeit vermieden.

Aus der DE-OS 37 31 180 ist es bekannt, die elektrische Leistung mittels einer beliebig steuerbaren, geregelten Energiequelle dem Bedarf des Zündprozesses unter Be­ rücksichtigung der Beschleunigung der Drahtelektrode anzupassen. Nach der ersten Berührung der Drahtelek­ trode mit dem Werkstück wird der Vorschub der Draht­ elektrode wahlweise gestoppt oder langsam weiterge­ führt. Dies hat zur Folge, daß ein sich eventuell bil­ dender, kurzer Start-Lichtbogen durch die Weiterbewe­ gung der Drahtelektrode in einen Kurzschluß übergeht. Dies tritt auch im Falle eines Stops des Antriebes für die Drahtelektrode ein, da allein der unvermeidliche Nachlauf während des Bremsvorganges hierzu ausreicht.

Ein solcher Kurzschluß läßt sich nur durch relativ hohe Ströme wieder lösen, jedoch nicht ohne entsprechende Spritzerbildung, womit das Ziel einer spritzerfreien Zündung gleichfalls nur noch schwer erreichbar ist.

Auf dem Sektor des WIG-Schweißens ist es neben der Ver­ wendung einer Hochfrequenzzündung üblich, beim manuel­ len Schweißen einen Schweiß-Lichtbogen durch Kontakt der Wolframelektrode mit dem Werkstück und durch an­ schließendes Abziehen zu zünden. Das Konstantstromver­ halten von WIG-Stromquellen verhindert dabei unkontrol­ liert hohe Ströme während des Kurzschlusses. Allerdings ist es hier nachteilig, daß die Spitze der Wolframelek­ trode bei hoch vorgewähltem Schweißstrom während des Kontaktes mit dem Werkstück erheblich belastet und da­ bei eventuell beschädigt wird. Hierzu ist Abhilfe inso­ fern bekannt geworden, daß die Stromstärke beim Start während des Kurzschlusses zunächst auf einen niedrigen Wert gehalten und erst nach der tatsächlichen Bildung eines Lichtbogens auf die volle Schweißstromstärke an­ geordnet wird. Dieses Zündverfahren ist als Lift-Arc- Verfahren bekannt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, beim MIG- bzw. MAG- Schweißen eine saubere Zündung unter Vermeidung von Schweißspritzern und ähnlichen Fehlern zu erreichen, ohne daß auf eine Hochfrequenzzündung zurückgegriffen werden müßte.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem die Drahtelektrode auf das Werkstück bis zur Berührung zubewegt wird, zur Zündung eines von einer sekundären Gleichspannungsquelle mit geringer Stromstärke gespeisten Start-Lichtbogens zurückgezogen wird und anschließend wieder vorwärtsbewegt wird, wäh­ rend sie von einem Schweiß-Lichtbogen hoher Leistung aus einer primären Gleichspannungsquelle abgeschmolzen wird. Die Sekundär-Gleichspannungsquelle ist zweckmäßig mit einer Leerlaufspannung von 70-90 Volt ausgelegt und hat einen Innenwiderstand, der eine Stromstärke von 1-10 Ampere beim Kurzschluß zwischen der Drahtelek­ trode zuläßt, d. h. daß die Stromstärke während des Kurzschlusses zwischen der Drahtelektrode und dem Werk­ stück so gering gehalten ist, daß keine nennenswerte Werkstoffanschmelzung auftritt. Nach der Bildung eines Start-Lichtbogens wird der anfänglich geringe Strom zur Erhöhung der Lichtbogen-Stabilität vergrößert.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist zunächst dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Gleichspannungsquelle eine hohe Leerlaufspannung und einen großen Innenwiderstand besitzt und daß eine elek­ tronische Steuerung mittels Messung von Stromstärke und/oder Spannung den Vorschub der Drahtelektrode nach der ersten Berührung zwischen der Drahtelektrode und dem Werkstück reversiert. Die Umkehrung der Drahtbewe­ gung erfordert dabei zwangsläufig eine gewisse Zeit, während der der Kurzschluß bestehen bleibt. Durch den sehr gering gewählten Strom kommt es aber weder zum Anschmelzen des Drahtendes noch stellt sich ein Anhaf­ ten der Drahtelektrode am Werkstück ein, wie es bereits bei nur wenig höheren Stromstärken zu beobachten ist. Es muß hierbei allerdings vermieden werden, daß z. B. durch eine übliche elektronisch geregelte Gleichspannungsquelle beim ersten Kontakt der Draht­ elektrode eine kurze Stromspitze auftritt, z. B. durch Reglereinschwingen. Dies ist deshalb wichtig, weil üb­ liche Drahtantriebssysteme nicht in der Lage sind, beim Reversieren eine durch Anschmelzen festhaftende Draht­ elektrode vom Werkstück zu lösen.

Nach Ablauf einer durch die Eigenschaften des Drahtvor­ schubsystems bestimmten Totzeit hebt das Ende der Drahtelektrode von der Werkstücksoberfläche ab. Unter dem Schutzgasmantel der Schweißpistole bildet sich auf­ grund der hohen angelegten Spannung ein Start-Lichtbo­ gen geringer Leistung. Die Rückwärtsbewegung der Draht­ elektrode sowie eine geringfügige Aufschmelzung durch den Start-Lichtbogen bewirken eine ständige Verlänge­ rung des Lichtbogens, die anhand der beim Prozeß auf­ tretenden elektrischen Spannung meßtechnisch erfaßt werden kann. Da ein Lichtbogen geringer Leistung bei großer Länge instabil ist und zum Abreißen neigt, ist erfindungsgemäß auch vorgesehen, mit wachsender Licht­ bogenlänge die Stromstärke mittels einer entsprechenden Schaltung auf beispielsweise 15-30 Ampere zu erhöhen. Die sekundäre Gleichspannungsquelle muß auch zu diesem Zeitpunkt eine hohe Leerlaufspannung besitzen.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Steuerung wäh­ rend des Rückzuges der Drahtelektrode mittels Messung von Stromstärke und/oder Spannung die Lichtbogenlänge berechnet und bei Erreichen eines bestimmten Wertes die Drahtbewegung erneut reversiert. Es ist auch möglich, daß eine Meßeinrichtung innerhalb der Schweißpistole die Strecke des Drahtrückzuges erfaßt und eine elektro­ nische Steuerung bei Erreichen eines bestimmten Wertes die Drahtbewegung erneut reversiert. Es ist zweckmäßig, wenn eine elektronische Steuerung unter Berücksichti­ gung von Anlaufzeitkonstanten die primäre Gleichspan­ nungsquelle und den Vorschub der Drahtelektrode star­ tet, um den normalen Schweißvorgang einzuleiten. In einfacher Weise ist die Anordnung dadurch gekennzeich­ net, daß der Start-Lichtbogen während des Zündprozesses von einer einfachen sekundären Gleichstromquelle ge­ speist wird, die der primären Gleichspannungsquelle parallel geschaltet ist. Schließlich ist es möglich, daß die Rangierbewegung, d. h. das zweimalige Reversie­ ren der Drahtelektrode nicht über den Drahtantrieb aus­ geführt wird, sondern von einem die Schweißpistole tra­ genden Industrieroboter oder auch einer vollautomati­ schen Schweißvorrichtung.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung in schemati­ scher Darstellung und

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf von Stromstärke, Span­ nung und Geschwindigkeit der Drahtelektrode während des Zündvorganges.

Das Erreichen einer gewissen Lichtbogenlänge bestimmt sinnvollerweise den Zeitpunkt für die erneute Umkehrung der Drahtbewegung. Die Länge des Lichtbogens kann wie folgt über eine das Lichtbogenverhalten beschreibende Gleichung, in Anlehnung an die sogenannte VDE-Kennlinie aus den Meßgrößen Strom und Spannung errechnet werden.

Eine andere Möglichkeit bietet die Festlegung einer be­ stimmten Strecke für den Drahtrückzug; mit Hilfe eines in die Schweißpistole 17 integrierten Weggebers (Inkrementalgeber) bzw. eines Geschwindigkeitsgebers (Tachogenerator) mit nachgeschalteter Weg-Zeit-Umrech­ nung und einer entsprechenden Steuerschaltung läßt sich dieses realisieren.

Das Umkehren der Drahtbewegung nach erfolgter Lichtbo­ genbildung setzt den eigentlichen Schweißprozeß in Gang. Eine entsprechende Steuerung 21 liefert dazu un­ ter Berücksichtigung von Anlaufzeitkonstanten die notwendigen Schaltbefehle an den Drahtantrieb 11 und die Schweißenergiequelle 1 (Fig. 1).

Übliche Drahtvorschubsysteme bestehen aus einem Antrieb 11, der die Drahtelektrode 19 mittels Rollenpaaren o. ä. in Bewegung versetzt. Die weitere Führung der Draht­ elektrode 19 bis zur Schweißpistole 17 übernimmt ein flexibles Schlauchpaket. Innerhalb dieser Führung tritt unvermeidlich toter Gang auf, mit der Folge, daß beim Reversieren der Drahtbewegung Totzeiten zwischen der Bewegung des Antriebs 11 selbst und der Bewegung der Drahtspitze an der Pistole 17 entstehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt diese Totzeiten: während des ersten Reversierens unmittelbar nach dem Kontakt der Drahtelektrode 19 mit dem Werk­ stück 18 wird der Strom so gering gehalten, daß, keine Werkstoff-Erschmelzung auftritt und damit die Dauer der Kurzschlußzeit keine Rolle spielt. Während des zweiten Reversierens befindet sich der Lichtbogenprozeß in ei­ ner Phase mit geringer Abschmelzleistung; durch die Speisung aus einer Quelle 9 mit hoher Leerlaufspannung und großem Innenwiderstand kann der Prozeß relativ lange in diesem Zustand gehalten werden.

Um die Qualität und die Zuverlässigkeit des Drahttrans­ portes zu verbessern, sind Systeme bekannt geworden, die neben dem oben beschriebenen Antrieb 11 mit einem weiteren Antrieb in der Schweißpistole 17 selbst arbei­ ten. Ein solches Konzept läßt sich vorteilhaft für das Rangieren der Drahtspitze einsetzen. Unter Ausnutzung des toten Gangs als Puffer innerhalb des Schlauchpake­ tes kann die Drahtelektrode 19 vom Pistolen-Motor nach dem Werkstück-Kontakt rasch eine gewisse Strecke zu­ rück- und später wieder vorgeschoben werden; die Reaktionszeit verkürzt sich gegenüber einem konventio­ nellen Drahtantrieb 11 erheblich.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum sicheren und sprit­ zerfreien Zünden des MIG/MAG-Lichtbogens setzt nicht die Verwendung einer beliebig steuerbaren, elektronisch geregelten Stromquelle voraus. Die Speisung des Prozes­ ses während der Zündphase kann ohne Nachteile durch eine einfache Hilfsstromquelle 20 mit hoher Leerlaufspannung und entsprechendem Innenwiderstand er­ folgen. Diese Hilfsstromquelle 20 kann der Haupt- Schweißenergiequelle 1 parallel geschaltet werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Zünden eines elektrischen Schweiß- Lichtbogens zwischen einer beim Schweißen kontinuier­ lich zugeführten und abschmelzenden Drahtelektrode und einem Werkstück beim MIG- oder MAG-Schweißen nach dem Lift-Arc-Prinzip, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtelektrode (19) auf das Werkstück (18) bis zur Be­ rührung zubewegt wird, zur Zündung eines von einer se­ kundären Gleichspannungsquelle (9) mit geringer Strom­ stärke gespeisten Start-Lichtbogens zurückgezogen wird und anschließend wieder vorwärtsbewegt wird, während sie von einem Schweiß-Lichtbogen hoher Leistung aus ei­ ner primären Gleichspannungsquelle (1) abgeschmolzen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke während des Kurzschlusses zwischen der Drahtelektrode (19) und dem Werkstück (18) so ge­ ring gehalten ist, daß keine nennenswerte Werkstoffan­ schmelzung auftritt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach Bildung eines Start-Lichtbogens die anfänglich geringe Stromstärke vergrößert wird.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sekun­ däre Gleichspannungsquelle (9) eine hohe Leerlaufspannung und einen großen Innenwiderstand be­ sitzt.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Steuerung mittels Messung von Stromstärke und/oder Spannung den Vorschub der Draht­ elektrode (19) nach der ersten Berührung zwischen der Drahtelektrode (19) und dem Werkstück (18) reversiert.

6. Anordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine elektronische Steuerung (21) während des Rückhubes der Drahtelektrode (19) mittels Messung von Stromstärke und/oder Spannung die Lichtbogenlänge berechnet und beim Erreichen eines bestimmten Wertes der Lichtbogenlänge die Bewegung der Drahtelektrode (19) erneut reversiert.

7. Anordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Messeinrichtung innerhalb der Schweißpistole (17) die Strecke des Rückhubes der Drahtelektrode (19) erfaßt und eine elektronische Steuerung (21) beim Erreichen eines bestimmten Wertes die Bewegung der Drahtelektrode (19) erneut reversiert.

8. Anordnung nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine elektronische Steuerung (21) unter Berücksichtigung von Anlaufzeitkonstanten die primäre Gleichspannungsquelle (1) und den normalen Vorschub der Drahtelektrode (19) startet, um den eigentlichen Schweißvorgang einzuleiten.

9. Anordnung nach Anspruch 4 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Start-Lichtbogen während des Zündpro­ zesses von einer sekundären Gleichspannungsquelle (9) gespeist wird, die der primären Gleichspannungsquelle (1) parallel geschaltet ist.

10. Anordnung nach Anspruch 4 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rangierbewegung, d. h. das zweimalige Reversieren der Drahtelektrode (19) nicht über den Drahtantrieb (11) ausgeführt wird, sondern von einem die Schweißpistole (17) tragenden Industrieroboter oder auch einer vollautomatischen Schweißvorrichtung.