DE4040008C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen von metallischen Objekten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lichtbogen­ schweißen von metallischen Objekten unter Verwendung von Elektroden mittels eines gleichgerichteten, einstellba­ ren und regelbaren Schweißstromes, sowie eine Vorrich­ tung zur Ausführung dieses Verfahrens.

Beim Lichtbogenschweißen tritt während des Schweißvor­ ganges unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise bei Kurzschluß, ein Tropfenübergang auf, der zu nicht tolerablen Schweißfehlern führt. Bei Kurzschluß bricht die elektrische Leistung am Lichtbogen zusammen, so daß der Lichtbogen erlischt und der Schweißprozeß dadurch unterbrochen wird. Die sich daraus ergebenden Schweiß­ fehler treten sowohl unter atmosphärischen als auch unter hyperbaren Bedingungen auf. Diese auf den voran­ gehend aufgeführten Umständen beruhenden Schweißfehler können teilweise dadurch behoben werden, daß der Schweißer einem intensiven Schweißtraining unterworfen wird und durch eine Vermeidung von schwerlaufenden bzw. schwergängigen Zusatzwerkstoffen der Elektrodenumhül­ lungen.

Trotz der vorangehend aufgeführten Maßnahmen lassen sich Schweißfehler dennoch nicht vollständig vermeiden, insbesondere dann, wenn der Schweißvorgang unter er­ schwerten Umgebungsbedingungen durchgeführt werden soll. Zu diesen den Schweißvorgang erheblich komplizierenden Umgebungsbedingungen gehört insbesondere der Schweiß­ vorgang im hyperbaren Einsatz.

Aus der DE-OS 35 23 879 ist ein Verfahren zum Lichtbo­ genschweißen bekannt, bei dem zunächst eine maximale Schweißleistung vorgegeben wird und der momentane Schweißstrom und die momentane Schweißspannung erfaßt werden. Bei diesem bekannten Verfahren wird aus Schweiß­ strom und Schweißspannung die Schweißleistung errechnet und die errechnete Schweißleistung mit der vorgegebenen Schweißleistung verglichen, wobei der aktuelle Schweiß­ strom und die aktuelle Schweißspannung während des Schweißvorganges fortlaufend ermittelt werden.

Bei dem bekannten Verfahren wird aber ein Regeleingriff auf die Schweißleistung nur dann vorgenommen, wenn die Schweißleistung den eingestellten Maximalwert über­ schreitet. Solange die Schweißleistung unter diesem Schwellenwert bleibt, findet kein Regelvorgang statt, also auch keine Erhöhung der Schweißleistung zu Anpas­ sung an einen vorgegebenen Wert. Tatsächlich wird somit beim Verfahren gemäß der DE-OS 35 23 879 die Schweiß­ leistung nicht geregelt, vielmehr handelt es sich dort um eine einfache Art der Leistungsbegrenzung.

Aus den DE 32 28 552 A1, DE 32 00 086 A1, US 43 49 720, DE-Z. : WEINSCHENK, H.-E., KNAPP, W. "Bewertung und dynamische Möglichkeiten elektronischer Schweißstrom­ quellen" in: Schweißtechnik Berlin 34 (1984) 4, S. 182-185, sind ebenfalls Schweißvorrichtungen bekannt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zu schaffen, mit denen ein weitgehend fehlerfreier, konti­ nuierlicher Schweißvorgang mit im wesentlichen kurz­ schlußfreiem Werkstoffübergang ausgeführt werden kann und die Qualität der mittels des Verfahrens und der Vorrichtung hergestellten Schweißnähte gegenüber be­ kannten Verfahren und Vorrichtungen erheblich verbessert wird und weitgehend fehlerfrei ausführbar ist, wobei das Verfahren und die Vorrichtung sich insbesondere zur Ausführung von Schweißvorgängen im hyperbaren Einsatz eignen sollen.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt Verfahrensschritte derart,

• a. daß zunächst eine elektrische Schweißlei­ stung vorgewählt wird,
• b. daß nachfolgend der Schweißstrom und die Schweißspannung bei Aufnahme des Schweißvor­ ganges ermittelt werden,
• c. daß aus Schweißstrom und Schweißspannung die Schweißleistung errechnet wird,
• d. daß nach einem Vergleich der errechneten Schweißleistung mit der vorgewählten Schweiß­ leistung der Schweißstrom derart nachgeregelt wird, daß eine konstante Schweißspannung eingestellt wird,
• e. daß der aktuelle Schweißstrom und die aktuelle Schweißspannung während des Schweiß­ vorganges fortlaufend ermittelt werden und die Verfahrensschritte c. und d. fortwährend entsprechend ausgeführt werden und,
• f. daß in einem Zeitintervall bei der Aufnahme des Schweißvorganges die der Elektrode zuge­ führte elektrische Leistung zur Lichtbogenzün­ dung automatisch erhöht wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist ein weitgehend kurzschlußfreier Werkstoffübertrag und ein kontinuier­ licher Schweißvorgang durchführbar, wodurch eine weit­ gehend fehlerfreie Schweißnaht auch im hyperbaren Einsatz durchgeführt werden kann. Die Güte der Schweiß­ naht, die mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren herge­ stellt wird, ist nun nicht mehr in dem hohen Maße wie bisher von der Handfertigkeit des Schweißers abhängig. Eine weitere bestimmende Größe für die Güte des Schweiß­ vorganges ist eine möglichst konstante Schweißleistung, die aber neben der Handfertigkeit des Schweißers auch vom Werkstoffübergang der Schweißelektrode zum zu schweißenden Objekt beeinflußt wird. Durch das erfin­ dungsgemäße Verfahren wird dafür gesorgt, daß eine gleiche Schweißleistung zur Verfügung steht.

Um auch während des Verfahrensbetriebes fortwährend dafür zu sorgen, daß immer eine gleiche Schweißleistung zur Verfügung steht, wird verfahrensgemäß der momentane, aktuelle Schweißstrom und die momentane, aktuelle Schweißspannung während des Schweißvorganges fortlaufend ermittelt und die Verfahrensschritte c. und d. fortwäh­ rend entsprechend ausgeführt.

Bei der Ausführung des Verfahrens ist insbesondere der Zeitpunkt und Zeitraum der Lichtbogenzündung bei der Aufnahme des Schweißvorganges kritisch, da in diesem Zeitintervall eine sehr hohe Schweißfehlerwahrschein­ lichkeit beobachtet wird. Die sich im Zeitintervall der Lichtbogenzündung ergebenden Schweißfehler beruhen auf einem unvollständigen Wärmeaufbau an der Lichtbogenan­ satzstelle in diesem Zeitintervall, bis sich der Licht­ bogen tatsächlich aufgebaut hat. Um diese kritische Anfangsphase des Schweißvorganges weitgehend in ihrer negativen Wirkung zu neutralisieren, ist es vorteilhaft, in einem Zeitintervall bei der Aufnahme des Schweißvor­ ganges die der Elektrode zugeführte elektrische Leistung zur Lichtbogenzündung erhöhen zu können, wobei nach Ablauf dieses Zeitintervalls, d. h. nach Lichtbogenzün­ dung, die zugeführte elektrische Leistung wieder auf die normale elektrische Leistung erniedrigt wird, die dann im vorangehend beschriebenen Sinne an die vorgewählte elektrische Leistung angepaßt bzw. auf diese geregelt wird.

Bei der Ausführung des Verfahrens wird die Schweißspan­ nung zwischen dem Objekt und der Elektrode ermittelt, wobei es auch vorteilhaft sein kann, die Schweißspannung unmittelbar an der die gleichgerichtete Schweißspannung erzeugenden Gleichrichtereinrichtung zu ermitteln, um dadurch den Spannungsabfall, bedingt durch den ohmschen Widerstand im übrigen Schweißstromkreis (Schweißkabel­ länge, Schweißkabelquerschnitt), mit in das Ermitt­ lungsergebnis unmittelbar eingehen zu lassen. Grund­ sätzlich kann die Schweißspannung aber auch unmittelbar zwischen dem zu schweißenden Objekt und der Schweiß­ elektrode ermittelt werden.

Der Betrag der erhöhten Leistung und/oder die Länge des Zeitintervalls ist bzw. sind vorteilhafterweise vor­ wählbar, so daß auch dieser Betrag an die momentanen Schweißbedingungen, beispielsweise eine atmosphärische Bedingung oder hyperbare Bedingung, angepaßt werden kann.

Die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens ist zur Lösung der Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungseinrichtung ein Mittel zur Einstellung der vorwählbaren Schweißleistung aufweist und ein Rechenwerk zur Berechnung der Schweißleistung aus Schweißstrom und Schweißspannung, wobei die Vergleichereinrichtung mit dem Rechenwerk verbunden ist und wobei die Vergleicher­ einrichtung ein Signal entsprechend der ermittelten Schweißleistungsdifferenz liefert, das als Regelsignal auf die Leistungseinrichtung gegeben wird und die Einstellung der tatsächlichen Schweißleistung auf die vorwählbare Schweißleistung bewirkt, und daß eine Zeitschaltung vorgesehen ist, mittels der über ein Zeitintervall die der Elektrode zugeführte Leistung zur Lichtbogenzündung gegenüber der Betriebsschweißleistung automatisch erhöht wird.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt im wesentlichen darin, daß mit der Vorrichtung, da sie eine einstellbare konstante elektrische Leistung für den Schweißvorgang zur Verfügung stellt, bisher beobachtete, vorrichtungsbedingte Fehler durch Schwanken der Schweiß­ spannung, des Schweißstromes und damit der Schweißlei­ stung weitgehend ausgeschlossen werden und somit ein kontinuierliches, weitgehend schweißfehlerfreies Schweißen möglich ist. Mit der Vorrichtung ist somit ein Schweißen mit fortwährend konstanter Leistung möglich, da die Leistung fortwährend auf dem vorgewählten Lei­ stungspegel vorrichtungsseitig gehalten wird. Erfin­ dungsgemäß wird im Zeitintervall der Lichtbogenzündung bei Aufnahme des Schweißvorganges zusätzlich elektrische Energie für eine gewisse Zeit zur Verfügung gestellt, um den Lichtbogenzündvorgang zur Vermeidung von Schweiß­ fehlern zu verbessern.

Als Spannungsmeßmittel, das zur Ermittlung der Schweiß­ spannung zwischen Objekt und Elektrode geschaltet ist, sind beliebige geeignete digitale oder analoge Einrich­ tungen zur Ermittlung bzw. Messung der momentanen Schweißspannung einsetzbar. Dabei kann das Spannungs­ meßmittel vorzugsweise unmittelbar am Spannungsausgang der Gleichrichteranordnung ausgebildet sein. Es kann jedoch auch unmittelbar zwischen dem zu schweißenden Objekt und der Schweißelektrode vorgesehen werden.

Vorteilhafterweise ist bei der Zeitschaltung der Betrag der erhöhten Leistung und/oder die Länge des Zeitinter­ valls mit manuell betätigbaren Einstellmitteln einstell­ bar, so daß die Vorrichtung unmittelbar auf die anzu­ treffenden Umgebungsbedingungen, d. h. schweißen unter atmosphärischen Bedingungen oder schweißen unter hyper­ baren Bedingungen einstellbar und damit anpaßbar ist.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die einzige nachfolgende schematische Zeichnung anhand eines Aus­ führungsbeispieles beschrieben. Diese zeigt:
ein Blockschaltbild der Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen von metallischen Objekten, mit der auch das beschriebene Verfahren ausgeführt werden kann.

Die in der einzigen dargestellten Figur anhand eines Blockschaltbildes dargestellte Vorrichtung 10 umfaßt einen Transformator 100, einen Netzschalter, ein Gehäuse und dgl., die aber hier nicht gesondert dargestellt sind, da diese allgemein im Stand der Technik bekannte Konstruktionselemente zum Aufbau derartiger Vorrich­ tungen 10 sind.

Die Vorrichtung 10 umfaßt darüber hinaus eine Lei­ stungseinrichtung 11, in der der Transformator 100 und eine elektronische Stromregeleinrichtung 19 enthalten ist, die sicherstellt, daß fortwährend ein Schweißstrom 12, der hier gleichzeitig den Schweißstromkreis über das zu schweißende Objekt 121 und die Schweißelektrode 120 symbolisiert, geliefert wird. Mit der Leistungsein­ richtung 11 wirkt eine Steuereinheit 25 zur Einstellung einer vorwählbaren Schweißleistung zusammen. Darüber hinaus sind Spannungs- und Strommeßmittel 14, 15 zur Ermittlung des Schweißstromes 1 und der Schweißspannung U in der Leistungseinrichtung 11 vorgesehen, deren Signale der Steuereinheit 25 zugeführt werden. Das Spannungsmeßmittel 15 ist hier in der Leistungseinrichtung 11 angeordnet, wobei das Spannungsmeßmittel 15 die unmittelbar an den Ausgangs­ klemmen 101, 102 der Leistungseinrichtung 11 zum Schweißprozeß führende Gleichspannung mißt. Das Span­ nungsmeßmittel 15 kann aber auch auf hier nicht darge­ stellte Weise unmittelbar zur Ermittlung der Schweiß­ spannung zwischen Objekt und Elektrode geschaltet werden.

Ferner kann das in der Leistungseinrichtung 11 am Spannungs­ meßmittel 15 gemessene Signal unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls in den Schweißkabeln und unter Berück­ sichtigung des vorhandenen Schweißstromes der Schweiß­ kabellänge und des Schweißkabelquerschnitts aufbereitet werden, ehe es dem Rechenwerk 16 zugeführt wird.

Die Leistungseinrichtung 11 ist mit einem Rechenwerk 16 verbunden, das aus dem ermittelten Schweißstrom 1 und der Schweißspannung U eine momentane Schweißleistung errechnet. Der Ausgang des Rechenwerks ist mit dem Eingang einer Vergleichseinrichtung 17 über eine geeignete elektrische Verbindung 160 verbunden. Die Vergleichs­ einrichtung 17 ist an ihrem zweiten Eingang mit einem Einstellmittel 13 verbunden, mit der die gewünschte Schweißleistung vorgewählt wird. In der Vergleichsein­ richtung 17 wird die berechnete Schweißleistung mit der vorgewählten Schweißleistung verglichen. Am Ausgang der Vergleichseinrichtung 17 wird ein Regelsignal 18 ent­ sprechend der ermittelten Schweißleistungsdifferenz geliefert und auf die Leistungseinrichtung 11 gegeben. Mittels des Regelsignals 18 wird über die Stromregeleinrichtung 19 die tatsächliche Schweiß­ leistung auf die mittels der Leistungseinstellung 13 vorwählbare Schweißleistung eingestellt.

Entweder unmittelbar in der Leistungseinrichtung 11 oder mit ihr geeignet zusammenwirkend, kann eine Zeitschal­ tung 20 vorgesehen sein, die die Aufgabe hat, über ein in seiner Länge vorwählbares Zeitintervall die der Schweißelektrode zugeführte Leistung automatisch zu erhöhen. Auch der im einzelnen gewünschte Betrag der Leistungserhöhung ist, ebenso wie die Länge des Zeitin­ tervalls selbst, durch manuell betätigbare Einstellmit­ tel 21, 22 einstellbar.

Zum Betrieb der Vorrichtung 10 werden zunächst die statische Kennlinie, die elektrische Schweißleistung und die übrigen Schweißparameter vorgewählt. Nachfolgend wird der Schweißstrom I und die Schweißspannung U bei der Aufnahme des Schweißvorganges ermittelt, wobei beide Werte, auf vorbestimmte Weise kontinuierlich oder getaktet, auf das Rechenwerk 16 gegeben werden und dort die aktuelle Schweißleistung errechnet wird. Nach dem Vergleich der errechneten Schweißleistung mit der vorwählbaren 13 Schweißleistung wird der Schweißstrom 12 derart nachgeregelt, daß die tatsächliche Schweißlei­ stung der vorgewählten Schweißleistung entspricht. Nachfolgend werden bis zum vorbestimmten Betriebsende fortwährend der Schweißstrom I und die Schweißspannung U gemessen, die Schweißleistung errechnet und dementspre­ chend der Schweißstrom nachgeregelt, so daß die tatsäch­ liche Schweißleistung der vorgewählten fortwährend entspricht.

Bezugszeichenliste

10 Vorrichtung
100 Transformator
101 Ausgangsklemme
102 Ausgansklemme
11 Leistungseinrichtung
12 Schweißstrom
120 Elektrode
121 Schweißobjekt
13 Einstellmittel
14 Mittel zur Messung des Schweißstromes
15 Mittel zur Messung der Schweißspannung
16 Rechenwerk
160 Verbindung
17 Vergleichereinrichtung
18 Regelsignal
19 Stromregelungseinrichtung
20 Zeitschaltung
21 Einstellmittel (Zeit)
22 Einstellmittel (Betrag)
23 Spannungsversorgung
24 Leistungseinstellung
25 Steuereinheit

Claims (8)

1. Verfahren zum Lichtbogenschweißen von metallischen Objekten unter Verwendung von Elektroden mittels eines gleichgerichteten, einstellbaren und regelbaren Schweiß­ stromes, wobei

• a. zunächst eine elektrische Schweißleistung vorgewählt wird,
• b. daß nachfolgend der Schweißstrom und die Schweißspannung bei Aufnahme des Schweißvorgan­ ges ermittelt wird,
• c. daß aus Schweißstrom und Schweißspannung die Schweißleistung errechnet wird,
• d. daß nach einem Vergleich der errechneten Schweißleistung mit der vorgewählten Schweißleistung der Schweißstrom derart nachge­ regelt wird, daß eine konstante Schweißspannung eingestellt wird,
• e. daß der aktuelle Schweißstrom und die aktuelle Schweißspannung während des Schweiß­ vorganges fortlaufend ermittelt wird und die Verfahrensschritte c. und d. fortwährend entsprechend ausgeführt werden und
• f. daß in einem Zeitintervall bei der Aufnahme des Schweißvorganges die der Elektrode zuge­ führte elektrische Leistung zur Lichtbogenzün­ dung automatisch erhöht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißspannung an der die gleichgerichtete Schweißspannung erzeugenden Gleichrichtereinrichtung ermittelt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißstrom und die Schweiß­ spannung im Schweißstromkreis derart ermittelt wird, daß der Widerstand von Stromleitungsmitteln im Schweiß­ stromkreis bei der Berechnung der Schweißleistung berücksichtigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der erhöhten Leistung und/oder die Länge des Zeitintervalls vorwählbar sind.

5. Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen von metallischen Objekten unter Verwendung von Elektroden, umfassend eine Gleichrichtereinrichtung zur Erzeugung eines gleichge­ richteten Schweißstromes und eine Leistungseinrichtung zur Einstellung des Schweißstromes und zu dessen Rege­ lung sowie Mittel zur Messung des Schweißstromes (I) und der Schweißspannung (U) und eine Vergleichereinrichtung, in der die berechnete Schweißleistung mit der vorwählba­ ren Schweißleistung verglichen wird zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungseinrichtung (11) ein Mittel (13) zur Einstellung einer vorwählbaren Schweißleistung aufweist, ein Rechenwerk (16) zur Berechnung der Schweißleistung aus Schweißstrom (I) und Schweißspannung (U), wobei die Vergleichereinrichtung (17) mit dem Rechenwerk (16) verbunden ist und wobei die Vergleichereinrichtung (17) ein Signal entsprechend der ermittelten Schweißlei­ stungsdifferenz liefert, das als Regelsignal (18) auf die Leistungseinrichtung (11) gegeben wird und die Einstellung der tatsächlichen Schweißleistung auf die vorwählbare Schweißleistung bewirkt und daß eine Zeit­ schaltung (20) vorgesehen ist, mittels der über ein Zeitintervall die der Elektrode zugeführte Leistung zur Lichtbogenzündung gegenüber der Betriebsschweißleistung automatisch erhöht wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsmeßmitte (15) unmittelbar am Spannungsaus­ gang der Gleichrichteranordnung ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißstrommeßmittel (14) derart in den Schweißstromkreis geschaltet ist, daß der Widerstand der zum Werkstück (121) und zur Elektrode (120) führenden Schweißleitungen bei der Berechnung der Schweißleistung berücksichtigbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Zeitschaltung (20) der Betrag der erhöhten Leistung und/oder die Länge des Zeitintervalls mit manuell betätigbaren Einstellmitteln (21, 22) einstellbar ist.