DE4032618C2 - Verfahren und Anordnung zum Zünden eines elektrischen Schweiß-Lichtbogens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zünden eines elek­ trischen Schweiß-Lichtbogens zwischen einer beim Schweißen kontinuierlich zugeführten und abschmelzenden Drahtelek­ trode und einem Werkstück beim MIG- oder MAG-Schweißen, wo­ bei die Drahtelektrode auf das Werkstück bis zur Berührung zubewegt wird, nach Zündung eines Start-Lichtbogens zurück­ gezogen wird und anschließend wieder vorwärtsbewegt wird.

Es ist bekannt, bei der MIG- bzw. MAG-Schweißung einen Schweiß-Lichtbogen durch Kurzschluß zwischen der Drahtelek­ trode und dem Werkstück zu zünden, nachdem die Drahtelek­ trode gegen das Werkstück vorgeschoben wurde. Die den Schweißstrom zur Verfügung stellende Gleichspannungsquelle liefert aufgrund ihres üblicherweise geringen Innenwider­ standes während des Kurzschlusses eine hohe Stromstärke, die ein Auf- bzw. Durchschmelzen der Drahtelektrode an ei­ ner im allgemeinen nicht bestimmten Stelle bewirkt. Unter günstigen Umständen entsteht auf der freiwerdenden Strecke ein Schweiß-Lichtbogen; 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 Sprit­ zerbildung, womit das Ziel einer spritzerfreien Zündung gleichfalls nur noch schwer erreichbar ist.

In der GB 2 161 409 A ist ein Zündverfahren für das WIG- Schweißen beschrieben, bei dem nach Berühren des Werk­ stückes mit der Elektrode zurückgezogen wird, um einen Startlichtbogen von einer zweiten Gleichspannungsquelle mit geringer Stromstärke zu zünden.

Auf dem Sektor des WIG-Schweißens ist es neben der Verwen­ dung einer Hochfrequenzzündung üblich, beim manuellen Schweißen einen Schweiß-Lichtbogen durch Kontakt der Wolf­ ramelektrode mit dem Werkstück und durch anschließendes Ab­ ziehen zu zünden. Das Konstantstromverhalten von WIG-Strom­ quellen verhindert dabei unkontrolliert hohe Ströme während des Kurzschlusses. Allerdings ist es hier nachteilig, dass die Spitze der Wolframelektrode bei hoch vorgewähltem Schweißstrom während des Kontaktes mit dem Werkstück erheb­ lich belastet und dabei eventuell beschädigt wird. Hierzu ist Abhilfe insofern 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 angeordnet wird. Dieses Zündverfahren ist als Lift-Arc-Ver­ fahren 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 ge­ löst, bei dem während des Rückzuges der Drahtelektrode zur Zündung des Start-Lichtbogens eine Gleichspannungsquelle mit geringer Stromstärke eingeschaltet wird, während der erneuten Vorwärtsbewegung die Drahtelektrode von einem Schweiß-Lichtbogen hoher Leistung aus einer Gleichspan­ nungsquelle abgeschmolzen wird, dass nach Bildung eines Start-Lichtbogens die anfänglich geringe Stromstärke ver­ größert wird und dass eine elektronische Steuerung während des Rückhubes der Drahtelektrode mittels Messung von Strom­ stärke und/oder Spannung die Lichtbogenlänge berechnet oder mittels Messung die Strecke des Rückhubes erfaßt und dann beim Erreichen eines bestimmten Wertes der Lichtbogenlänge die Bewegung der Drahtelektrode erneut reversiert.

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 Drahtelektrode zuläßt, d. h. dass die Stromstärke während des Kurzschlusses zwischen der Drahtelektrode und dem Werkstück so gering gehalten ist, dass keine nennenswerte Werkstoffanschmelzung auftritt. Nach der Bildung eines Start-Lichtbogens wird der anfäng­ lich geringe Strom zur Erhöhung der Lichtbogen-Stabilität vergrößert.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, ist zu­ nächst dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Gleich­ spannungsquelle eine hohe Leerlaufspannung und einen großen Innenwiderstand besitzt, und dass die Anordnung eine elek­ tronische Steuerung aufweist, welche die Strecke des Rück­ hubes der Drahtelektrode erfasst oder mittels der Strom­ stärke und/oder der Spannung die Lichtbogenlänge berechnet. Vorteilhaft reversiert die elektronische Steuerung mittels Messung von Stromstärke und/oder Spannung den Vorschub der Drahtelektrode nach der ersten Berührung zwischen der Drah­ telektrode und dem Werkstück.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist weiterhin dadurch ge­ kennzeichnet, dass eine elektronische Steuerung während des Rückhubes der Drahtelektrode mittels Messung von Strom­ stärke und/oder Spannung die Lichtbogenlänge berechnet und beim Erreichen eines bestimmten Wertes der Lichtbogenlänge die Bewegung der Drahtelektrode erneut reversiert.

Es ist auch möglich, dass eine Messeinrichtung innerhalb der Schweißpistole die Strecke des Rückhubes der Drahtelek­ trode erfaßt und eine elektronische Steuerung beim Errei­ chen eines bestimmten Wertes die Bewegung der Drahtelek­ trode erneut reversiert.

Die Umkehrung der Drahtbewegung erfordert dabei zwangsläu­ fig 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 Anhaften der Drahtelektrode am Werkstück ein, wie es be­ reits 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 Drahtelektrode eine kurze Strom­ spitze auftritt, z. B. durch Reglereinschwingen. Dies ist deshalb wichtig, weil übliche Drahtantriebssysteme nicht in der Lage sind, beim Reversieren eine durch Anschmelzen festhaftende Drahtelektrode vom Werkstück zu lösen.

Nach Ablauf einer durch die Eigenschaften des Drahtvor­ schubsystems bestimmten Totzeit hebt das Ende der Draht­ elektrode von der Werkstücksoberfläche ab. Unter dem Schutzgasmantel der Schweißpistole bildet sich aufgrund der hohen angelegten Spannung ein Start-Lichtbogen geringer Leistung. Die Rückwärtsbewegung der Drahtelektrode sowie eine geringfügige Aufschmelzung durch den Start-Lichtbogen bewirken eine ständige Verlängerung des Lichtbogens, die anhand der beim Prozeß auftretenden 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 Lichtbogenlänge die Stromstärke mittels einer entsprechen­ den Schaltung auf beispielsweise 15-30 Ampere zu erhöhen. Die sekundäre Gleichspannungsquelle muß auch zu diesem Zeitpunkt eine hohe Leerlaufspannung besitzen.

Es ist zweckmäßig, wenn eine elektronische Steuerung unter Berücksichtigung von Anlaufzeitkonstanten die primäre Gleichspannungsquelle und den Vorschub der Drahtelektrode startet, 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.

VDE-Kennlinie:
Us = 14 V + 0,05 Ω × Is
⇒ Y = f(l) = Us - 0,0,5 Ω × Is

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.

In den Diagrammen der Fig. 2 sind der Stromverlauf des Schweißstromes i(t), der Spannungsverlauf u(t) und die Be­ wegung v_D(t) des Drahtes dargestellt. Aus diesen Diagrammen lassen sich deutlich die Momente der Bewegungsumkehr nach dem Zünden des Lichtbogens erkennen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Zünden eines elektrischen Schweiß-Lichtbogens zwischen einer beim Schweißen kontinuierlich zugeführten und abschmelzenden Drahtelektrode und einem Werkstück beim MIG- oder MAG-Schweißen, wobei die Drahtelektrode (19) auf das Werkstück (18) bis zur Berührung zubewegt wird, nach Zündung eines Start-Lichtbogens zurückgezogen wird und an­ schließend wieder vorwärtsbewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Rückzuges der Drahtelektrode (19) zur Zündung des Start-Lichtbogens eine Gleichspannungsquelle (9) mit geringer Stromstärke eingeschaltet wird, während der erneu­ ten Vorwärtsbewegung die Drahtelektrode (19) von einem Schweiß-Lichtbogen hoher Leistung aus einer Gleich­ spannungsquelle (1) abgeschmolzen wird, daß nach Bildung eines Start-Lichtbogens die anfänglich geringe Stromstärke vergrößert wird, und daß eine elektronische Steuerung (21) während des Rückhubes der Drahtelektrode (19) mittels Messung von Stromstärke und/oder Spannung die Lichtbogen­ länge berechnet oder mittels Messung die Strecke des Rück­ hubes erfaßt und dann beim Erreichen eines bestimmten Wer­ tes der Lichtbogenlänge die Bewegung der Drahtelektrode (19) erneut reversiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke während des Kurzschlusses zwischen der Drahtelektrode (19) und dem Werkstück (18) so gering gehal­ ten ist, daß keine nennenswerte Werkstoffanschmelzung auf­ tritt.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Gleich­ spannungsquelle (9) eine hohe Leerlaufspannung und einen großen Innenwiderstand besitzt, und daß die Anordnung eine elektronische Steuerung aufweist, die die Strecke des Rück­ hubes der Drahtelektrode erfasst oder mittels der Strom­ stärke und/oder der Spannung die Lichtbogenlänge berechnet.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Steuerung mittels Messung von Strom­ stärke und/oder Spannung den Vorschub der Drahtelektrode (19) nach der ersten Berührung zwischen der Drahtelektrode (19) und dem Werkstück (18) reversiert.

5. Anordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, 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.

6. Anordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, 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) er­ neut reversiert.

7. Anordnung nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Steuerung (21) unter Berücksichti­ gung von Anlaufzeitkonstanten die primäre Gleichspannungs­ quelle (1) und den normalen Vorschub der Drahtelektrode (19) startet, um den eigentlichen Schweißvorgang einzulei­ ten.

8. Anordnung nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Start-Lichtbogen während des Zündprozesses von ei­ ner sekundären Gleichspannungsquelle (9) gespeist wird, die der primären Gleichspannungsquelle (1) parallel geschaltet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, 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 vollautomati­ schen Schweißvorrichtung.