DE4207902A1 - Automatische lichtbogen-schweissvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zusatzeinrichtung für eine automatische, eine nicht abschmelzende Lichtbogenelektrode zur Erzeugung eines Lichtbogens aufweisende Lichtbogen- Schweißvorrichtung, in welcher das Schweißen derart durchgeführt wird, daß die Lichtbogenelektrode und ein erster Draht mit vorgegebener Amplitude und Frequenz zu einer oszillierenden Bewegung quer zur Nahtfuge ange­ trieben werden, bzw. eine Zusatzeinrichtung für eine automatische, eine abschmelzende Lichtbogenelektrode zur Erzeugung eines Lichtbogens aufweisende Lichtbogen- Schweißvorrichtung, in welcher das Schweißen derart durchgeführt wird, daß ein erster Draht kontinuierlich zugeführt wird und daß die Lichtbogenelektrode mit vorgegebener Amplitude und Frequenz zu einer oszillierenden Bewegung quer zur Nahtfuge angetrieben wird, sowie eine automatische Lichtbogenschweißvorrich­ tung, die mit einer derartigen Zusatzeinrichtung ausgerüstet ist.

Speziell befaßt sich die Erfindung mit dem automatischen Schweißen von Rohren und großen Konstruktionen aus unterschiedlichen, metallischen Materialien durch Lichtbogenschweißen mit einer nicht abschmelzenden bzw. sich nicht verbrauchenden Elektrode (Schutzgasschweißen und Plasmaschweißen) bzw. mit abschmelzender bzw. sich verbrauchender Elektrode (Gas/Metall-Lichtbogenschweißen).

Zu den typischen Lichtbogenschweißverfahren gehören das Schutzgasschweißen und das Plasmaschweißen, wobei die der Erzeugung eines Lichtbogens dienende Elektrode nicht abschmilzt und im allgemeinen nur ein einziger Draht aus dem gewünschten Zusatzwerkstoff zugeführt wird. Dasselbe gilt auch für das Schweißen mit abschmelzenden Schweiß­ elektroden, wie z. B. für das Gas/Metall-Lichtbogen­ schweißen.

Obwohl die bekannten Lichtbogenschweißverfahren breite Anwendung finden, sind sie hinsichtlich der Produktions­ geschwindigkeit sowohl beim Arbeiten mit abschmelzenden Elektroden als auch beim Arbeiten mit nicht abschmelzenden Elektroden nicht voll befriedigend. Dies gilt insbesondere dort, wo in wechselnden Schweißpositionen gearbeitet wird, so daß es schwierig ist, einerseits die gewünschte hohe Qualität und andererseits eine hohe Produktionsgeschwin­ digkeit zu gewährleisten.

Es ergeben sich zwar keine besonderen Probleme, wenn das Werkstück beim Schweißen eine flache Lage einnimmt. Beim Schweißen an festmontierten Rohren oder anderen größeren Konstruktionen, bei denen sich die Schweißposition ändert und beispielsweise ein Überkopfschweißen erforderlich ist, werden jedoch die Mengen an aufgeschmolzenem Metall größer, und es besteht die Gefahr eines Herabtropfens das Metalls. Hierdurch wird eine Erhöhung der Schweißgeschwin­ digkeit be- bzw. verhindert.

Ausgehend vom Stand der Technik und der vorstehend aufgezeigten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Tropfenbildung zu verhindern und unter Aufrechterhaltung einer hohen Qualität der Schweißnähte die Schweißgeschwindigkeit zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Zusatzein­ richtung für eine Lichtbogen-Schweißvorrichtung mit nicht abschmelzender Lichtbogenelektrode gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Zusatzeinrichtung einen Mechanismus aufweist, mit dessen Hilfe ein zusätzlicher Draht in die entstehende Schmelze in derselben Richtung, in der die Nahtfuge verläuft und von der dem ersten Draht gegenüberliegenden Seite zuführbar ist, und daß die Zusatzeinrichtung derart ausgebildet ist, daß der zusätzliche Draht zu einer oszillierenden Bewegung antreibbar ist, welche dieselbe Frequenz hat wie die oszillierende Bewegung der Lichtbogenelektrode und des ersten Drahtes, jedoch mit einer Phasenverschiebung von 180°.

Gemäß einer zweiten Variante wird die gestellte Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Zusatzeinrichtung für eine Lichtbogen-Schweißvorrichtung mit abschmelzender Lichtbogen-Elektrode dadurch gelöst, daß die Zusatz­ einrichtung einen Mechanismus aufweist, mit dessen Hilfe ein zusätzlicher Draht in die entstehende Schmelze in derselben Richtung, in der die Nahtfuge verläuft und von der dem ersten Draht gegenüberliegenden Seite zuführbar ist, und daß die Zusatzeinrichtung derart ausgebildet ist, daß der zusätzliche Draht zu einer oszillierenden Bewegung antreibbar ist, welche dieselbe Frequenz hat wie die oszillierende Bewegung der Lichtbogenelektrode, jedoch in einer Position, in der die beiden Drähte in einer zur Schweißlinie senkrechten Richtung einander entgegengesetzt sind.

Es ist ein besonderer Vorteil von Zusatzeinrichtungen bzw. von damit ausgerüsteten Schweißvorrichtungen gemäß der Erfindung, daß der zweite bzw. zusätzliche Draht, welcher der entstehenden Schmelze zugeführt wird, in dieser aufgeschmolzen wird und der Schmelze dabei Latentwärme entzieht. Das Aufschmelzen des zweiten Drahtes führt zu einer Verringerung der Temperatur der Schmelze und damit zu einer kontrollierten Abkühlung derselben. Dabei wird die Phasenverschiebung zwischen den oszillierenden Bewegungen, die insbesondere 180° beträgt, so gesteuert, daß das Abkühlen der Schmelze in einem optimalen Abstand von dem Punkt erfolgt, an dem das Material durch den Lichtbogen aufgeschmolzen wird.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Zusatzein­ richtungen besteht darin, daß durch das kontrollierte Abkühlen der beim Schweißen entstehenden Schmelze Wärmespannungen im fertigen Werkstück erheblich reduziert werden. Außerdem kann das Abtropfen von Metall aus der Schmelze verhindert werden, wodurch bei gleichbleibend hoher Qualität eine erhöhte Schweißgeschwindigkeit ermöglicht wird. Dies gilt insbesondere für das Schweißen von Metallen mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. rostfreiem Stahl oder der unter dem Warenzeichen INCONEL erhältlichen Legierung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevor­ zugten Ausführungsform einer Lichtbogen- Schweißvorrichtung mit einer Zusatzeinrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 Diagramme zur Erläuterung der Verfahrens­ führung beim Arbeiten mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Detaildarstellung zur näheren Erläuterung der Arbeitsweise einer erfindungsgemäßen Zusatzeinrichtung;

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit der beim Schweißen verarbeiteten Materialmenge von der Höhe des Schweißstroms beim Arbeiten mit einer erfindungsgemäßen Zusatzeinrichtung und beim Arbeiten mit einer Schweißvorrichtung gemäß dem Stande der Technik;

Fig. 5 Diagramme zur Erläuterung des zeitlichen Ablaufs bei Einsatz einer erfindungsgemäßen Zusatzeinrichtung bei einer Lichtbogen- Schweißvorrichtung mit nicht abschmelzender Elektrode.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung einer automatischen Schweißvorrichtung mit einer sich nicht verbrauchenden (nicht abschmelzenden) Elektrode zur Erzeugung eines Lichtbogens und mit einer Zuführvorrich­ tung zum Zuführen eines den Zusatzwerkstoff liefernden Drahtes, wobei außerdem gemäß der Erfindung eine Zusatz­ einrichtung zum Zuführen eines zweiten Drahtes zu der Schweißstelle vorgesehen ist.

Bei der gezeigten Schweißvorrichtung werden die Schweiß­ elektrode 2 und der erste Draht 8, der in üblicher Weise den Zusatzwerkstoff liefert, zu einer oszillierenden Bewegung senkrecht zur Schweißlinie bzw. Nahtfuge ange­ trieben. Der Antrieb erfolgt dabei mit Hilfe eines Schwingmechanismus 4 mit einer vorgegebenen Amplitude, wie dies durch einen Doppelpfeil 5 angedeutet ist. Die Schwingbewegung bzw. Oszillationsbewegung ist dabei der Vorschubbewegung - Pfeil A - eines Wagens 1 der Schweiß­ vorrichtung überlagert, welcher längs einer Schiene 7 vorrückt.

Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird der erste Draht 8 über eine Hülse 10 und eine Zuführspitze 3 mit Hilfe eines ersten Zuführmotors 9 einer Stelle unter dem Lichtbogen zugeführt. Dabei wird der erste Draht 8, ein Metalldraht, gleichzeitig zusammen mit der Schweißelektrode 2 mit Hilfe des Schwingmechanismus 4 durch einen ersten Motor 11 zu einer oszillierenden Bewegung angetrieben. Die Amplitude dieser Bewegung wird dabei mit Hilfe eines ersten Schwingungsamplituden­ detektors 12 erfaßt und mittels einer geeigneten Regeleinrichtung auf einen vorgegebenen Wert geregelt.

Die Arbeitsweise eines konventionellen Regelsystems für eine derartige Schweißvorrichtung ist durch die Diagramme im unteren Teil von Fig. 2 erläutert. Dabei stellt die horizontale Achse die Zeitachse dar. Man erkennt, daß der Schweißstrom, die Schweißspannung und die Zuführgeschwin­ digkeit für den ersten Draht 8 mit der durch den Schwing­ mechanismus 4 erzeugten oszillierenden Bewegung (1. Schwingung) synchronisiert sind und daß die verschiedenen Werte entsprechend der Position der Schweißelektrode 2 im Verlauf ihrer oszillierenden Bewegung geregelt werden.

Im einzelnen erfolgt das Zuführen des aus dem Zusatz­ werkstoff bestehenden ersten Drahtes 8 an den beiden Flanken der Nahtfuge, d. h. am linken und am rechten Rand der beim Schweißvorgang zu füllenden Nut, mit hoher Zuführgeschwindigkeit bei hohen Pegeln des Schweißstroms und der Schweißspannung. Im mittleren Teil der Nahtfuge erfolgt die Zuführung des Zusatzwerkstoffes bzw. des Drahtes 8 mit niedriger Geschwindigkeit bei niedrigen Pegeln von Schweißstrom und Schweißspannung. Das Ziel einer derartigen Steuerung bzw. Regelung besteht darin, die Verknüpfung zwischen Schweißstrom, Schweißspannung und Metalldrahtzufuhr konstant zu halten, um die Schweiß­ energie konstant zu halten, so daß sich die Schmelze über die gesamte Breite der Nahtfuge erstrecken kann und eine einwandfreie Schweißnaht 6 erhalten wird. Bei dieser konventionellen Steuerung bzw. Regelung des Schweiß­ vorgangs kann jedoch andererseits die Abkühlung des aufgeschmolzenen Materials nicht mit der gewünschten Genauigkeit gesteuert werden, was zu einem Herabtropfen der Schmelze führen kann.

Beim Arbeiten nach einer der konventionellen Schweiß­ verfahren ist die Abkühlung der Schmelze nur beschränkt steuerbar, wobei das Maximum der Zuführgeschwindigkeit für den aus dem Zusatzwerkstoff bestehenden Draht bisher bei einer zugeführten Materialmenge von 20 g/min angenommen wurde.

Gemäß der Erfindung wird nunmehr der Schweißstelle ein zweiter Metalldraht 13 zugeführt, der mittels eines Antriebs in Form eines zweiten Schwingmechanismus 14 zu einer oszillierenden Bewegung (2. Schwingung) angetrieben wird. Der Verlauf der oszillierenden Bewegung und der Zuführgeschwindigkeit sind in den beiden Zeitdiagrammen im oberen Teil der Fig. 2 dargestellt.

In Fig. 2 stehen L und R für den linken bzw. rechten Rand der Schweißfuge. WPC und WBC stehen für den höchsten bzw. niedrigsten Wert der Geschwindigkeit des zweiten Drahtes. Beide Werte liegen im Bereich von 0 bis 2500 mm/min. Wp und Wb stehen für den höchsten bzw. niedrigsten Wert der Geschwindigkeit des ersten Drahtes. Beide Werte liegen im Bereich von 0 bis 5000 mm/min. (erfindungsgemäße Verbesserung). Jp und Jb bzw. Vp und Vb stehen für den höchsten bzw. niedrigsten Wert des Stroms bzw. der Spannung.

Wie Fig. 1 zeigt, ist der zweite Schwingmechanismus 14 an dem ersten Schwingmechanismus 4 befestigt und wird in Abhängigkeit von einem Steuersignal angetrieben, welches einem zweiten Schwingantriebsmotor 15 zugeführt wird. Die Bewegung des Schwingmechanismus 14 wird dabei so gesteuert, daß sie zu der oszillierenden Bewegung des ersten Schwingmechanismus 4 direkt entgegengesetzt ist. Beispielsweise bewegt sich der zweite Schwingmechanismus 14 nach rechts, wenn der erste Schwingmechanismus 4 den Befehl erhält, sich nach links zu bewegen.

Der zweite Schwingmechanismus 14 oszilliert mit einer vorgegebenen Amplitude 16, die mit Hilfe eines zweiten Amplitudendetektors 17 erfaßt und exakt geregelt wird. Auf diese Weise wird die Position des zweiten Metalldrahts 13 gesteuert, welcher der Schmelze im Bereich der Schweiß­ stelle über eine Zuführspitze 18 mittels eines zweiten Zuführmotors 19 zugeführt wird.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung wird nachstehend anhand der dreidimensionalen Darstellung gemäß Fig. 3 noch näher erläutert und erfolgt im übrigen gemäß den in Fig. 2 gezeigten Zeitdiagrammen.

Wenn die Lichtbogenelektrode 2 und der erste Draht 8 zur Lieferung des Zusatzwerkstoffs nach rechts bewegt werden, dann wird der zweite Draht 13 mit Hilfe des zweiten Schwingmechanismus 14 nach links bewegt und taucht dabei in die beim Schweißvorgang entstandene Schmelze ein, welche sich noch nicht abgekühlt hat und noch im schmelz­ flüssigen Zustand vorliegt. Wenn nun das Metallmaterial des zweiten Drahtes 13 schmilzt, dann wird der Schmelze Latentwärme entzogen, wodurch das Abkühlen der flüssigen Schmelze gefördert wird.

Die oszillierende Bewegung des zweiten Drahtes 13 ist erfindungsgemäß mit der oszillierenden Bewegung der Schweißelektrode 2 und des ersten Drahtes 8 synchroni­ siert, und zwar derart, daß die Bewegungen der beiden Drähte bei gleicher Schwingungsfrequenz in einer zur Schweißlinie bzw. zur Nahtfuge senkrechten Ebene voll­ ständig entgegengesetzt bzw. um 180° phasenverschoben sind.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Möglichkeit der Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit, bezogen auf den Schweißstrom bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei ist auf der horizontalen Achse der Schweißstrom aufgetragen, während längs der vertikalen Achse die Schweißgeschwindigkeit aufgetragen ist bzw., genauer gesagt, die Menge des beim Schweißen verbrauchten Zusatzwerkstoffs in g/min. Fig. 4 verdeutlicht, daß das Verarbeiten des Zusatzwerkstoffs erfindungsgemäß dreimal schneller erfolgt als gemäß dem Stande der Technik. Tatsächlich wird eine Schweißgeschwindigkeit von 60 g/min erreicht, während gemäß dem Stande der Technik nur eine Schweißgeschwindigkeit von 20 g/min möglich war.

In der vorstehenden Beschreibung wurde die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, gemäß welchem ein Lichtbogenschweißen mit einer sich nicht verbrauchen­ den Elektrode erfolgen soll. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich aber auch für eine Lichtbogen­ schweißung mit einer sich verbrauchenden Elektrode.

Fig. 5 zeigt Diagramme des zeitlichen Ablaufs beim Schweißen mit einer sich verbrauchenden Elektrode.

Bei einem konventionellen Schweißverfahren mit abschmel­ zender Elektrode wird der Schweißstrom in Abhängigkeit von den Änderungen der Vorschubgeschwindigkeit aus Zusatz­ material gesteuert, so daß die entstehende Schmelze noch schwieriger zu beherrschen ist als beim Lichtbogen­ schweißen mit nicht abschmelzender Elektrode.

Gemäß der Erfindung kann jedoch die naturgemäß hohe Produktivität beim Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode aufrechterhalten werden, indem der Schmelze ein zweiter Metalldraht aus Zusatzwerkstoff derart zugeführt wird, daß dadurch das Abkühlen der Schmelze in aus­ reichendem Maße gesteuert wird, wobei die für das Schweißen von Rohren oder anderen großen Werkstücken erforderliche Zeit erheblich verkürzt wird.

Beim Arbeiten mit der erfindungsgemäßen Zusatzeinrichtung bzw. einer damit ausgerüsteten Schweißvorrichtung gemäß der Erfindung kann das Tropfen der Schmelze aufgrund eines Verlusts des Gleichgewichts zwischen der Schwerkraft und der Oberflächenspannung der Metallschmelze beim Überkopf­ schweißen vermieden werden. Durch Synchronisieren und durch Phasenverschiebung der oszillierenden Bewegung des zweiten Drahtes bezüglich der oszillierenden Bewegung der Schweißelektrode kann außerdem die im Werkstück ver­ bleibende Spannung aufgrund von temperaturabhängigen Verformungen verringert werden. Außerdem wird eine erhöhte Schweißgeschwindigkeit erreicht und eine gute Qualität der Schweißnaht gewährleistet. Diese Vorteile der erfindungs­ gemäßen Einrichtung sind dann besonders bemerkenswert, wenn der zu schweißende Werkstoff ein Metall mit geringer Wärmeleitfähigkeit ist, wie z. B. rostfreier Stahl oder die unter dem Warenzeichen INCONEL erhältliche Legierung.

Claims (3)

1. Zusatzeinrichtung für eine automatische, eine nicht abschmelzende Lichtbogenelektrode zur Erzeugung eines Lichtbogens aufweisende Lichtbogen-Schweißvorrichtung, in welcher das Schweißen derart durchgeführt wird, daß die Lichtbogenelektrode und ein erster Draht mit vorgegebener Amplitude und Frequenz zu einer oszillierenden Bewegung quer zur Nahtfuge angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzeinrichtung (14, 17, 18, 19) einen Mechanismus (14) aufweist, mit dessen Hilfe ein zusätzlicher Draht (13) in die entstehende Schmelze in derselben Richtung, in der die Nahtfuge verläuft und von der dem ersten Draht (8) gegenüberliegenden Seite zuführbar ist, und daß die Zusatzeinrichtung (14, 17, 18, 19) derart ausgebildet ist, daß der zusätzliche Draht (13) zu einer oszillie­ renden Bewegung antreibbar ist, welche dieselbe Frequenz hat wie die oszillierende Bewegung der Lichtbogenelektrode (2) und des ersten Drahtes (8), jedoch mit einer Phasenverschiebung von 180°.

2. Zusatzeinrichtung für eine automatische, eine abschmelzende Lichtbogenelektrode zur Erzeugung eines Lichtbogens aufweisende Lichtbogen-Schweißvorrichtung, in welcher das Schweißen derart durchgeführt wird, daß ein erster Draht kontinuierlich zugeführt wird und daß die Lichtbogenelektrode mit vorgegebener Amplitude und Frequenz zu einer oszillierenden Bewegung quer zur Nahtfuge angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzeinrichtung (14, 17, 18, 19) einen Mechanismus (14) aufweist, mit dessen Hilfe ein zusätzlicher Draht (13) in die entstehende Schmelze in derselben Richtung, in der die Nahtfuge verläuft und von der dem ersten Draht (8) gegenüberliegenden Seite zuführbar ist, und daß die Zusatzeinrichtung (14, 17, 18, 19) derart ausgebildet ist, daß der zusätzliche Draht (13) zu einer oszillie­ renden Bewegung antreibbar ist, welche dieselbe Frequenz hat wie die oszillierende Bewegung der Lichtbogenelektrode (2), jedoch in einer Position, in der die beiden Drähte (8, 13) in einer zur Schweiß­ linie senkrechten Richtung einander entgegengesetzt sind.

3. Automatische Lichtbogen-Schweißvorrichtung gekennzeichnet durch eine Zusatzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2.