DE4233818C2 - Schweißverfahren und -vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren, insbesondere Schutzgasschweißverfahren, bei dem zwischen einer konti­ nuierlich voranbewegbaren Elektrode und dem Werkstück ein elektrischer Lichtbogen erzeugt und der über diesen flie­ ßende Gleichstrom mit vorgegebener Pulsfrequenz von einer Grundstromstärke auf eine demgegenüber höhere Pulsstrom­ stärke erhöht wird, sowie eine zur Verfahrensdurchführung geeignete Schweißvorrichtung, insbesondere Schutzgas­ schweißvorrichtung, mit einem Schweißbrenner, der eine von einem mittels einer Vorschubeinrichtung antreibbaren Schweißdraht durchsetzte Kontaktdüse aufweist, und mit einem dieser zugeordneten Leistungsteil zur Erzeugung des mit vorgegebener Pulsfrequenz von der Grundstromstärke auf die Pulsstromstärke ansteigenden Stroms.

Bei Anordnungen, die mit gleicher Schweißstromstärke ar­ beiten, was früher üblich war, kommt es häufig vor, daß der kontinuierlich voranbewegte Schweißdraht infolge schlechter Tropfenablösung in Kontakt mit dem Werkstück kommt, was zu sogenannten Spritzen führt.

Dem wurde durch das gattungsgemäße pulsed-arc-Schweißen (DE 87 17 257 U1) abgeholfen, bei dem der Schweißstrom mit vorgegebener Pulsfrequenz von der niedrigeren Grundstromstärke auf die sehr viel höhere Pulsstromstärke erhöht wird und umge­ kehrt, wobei sich im Stromverlauf insbesondere beim Ab­ fall des Stroms vergleichsweise steile Flanken ergeben. Dies bewirkt eine Tropfenablösung noch bevor der Schweiß­ draht in Kurzschluß mit dem Werkstück gelangen kann, wo­ mit Spritzer vermieden werden. Nachteilig hierbei ist allerdings, daß infolge der hohen Pulsstromstärke ver­ gleichsweise viel Energie übertragen wird. Die Folge da­ von sind hohe Lichtbogen- und Schweißbadtemperaturen, was insbesondere bei geringer Dicke des Werkstücks, wie bei dünnen Blechen, und/oder bei Materialien mit niedrigen Schmelztemperaturen, wie Aluminium, zu einem unerwünsch­ ten Abschmelzen des Werkstücks und dementsprechend zur Entstehung von Löchern führt. Aus diesem Grunde konnten in den genannten Fällen bisher nur von Hand zugeführte Elektroden Verwendung finden, was allerdings einen hohen Arbeitsaufwand bedeutet.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegen­ den Erfindung, das gattungsgemäße Verfahren und die gat­ tungsgemäße Vorrichtung mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, daß unter Beibehaltung der grundsätzlichen Vorteile des pulsed-arc-Schweißens die auf das Schweißgut übertragene Wärme vergleichsweise ge­ ring ist.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß der Strom zwischen der Zeitspanne, in welcher er Puls­ stromstärke aufweist, und der nachfolgenden Zeitspanne, in welcher er Grundstormstärke aufweist, umgepolt ist.

Dies wird vorrichtungsmäßig einfach dadurch bewerkstel­ ligt, daß das Leistungsteil einen zwischen jeder Puls­ stromspanne und der darauffolgenden Grundstromspanne ak­ tivierbaren Wechselrichter aufweist.

Durch die Umpolung des Stroms ergibt sich eine Umkehr der Elektronenflußrichtung, was zu einem zwangsweisen Abrei­ ßen eines an der Elektrode vorhandenen Tropfens führt. Da ein derartiger Tropfen abgerissen, d. h. mit Gewalt abge­ löst wird, ist in vorteilhafter Weise eine frühzeitige Tropfenablösung, also eine Tropfenablösung nach der Über­ tragung von erst vergleichsweise wenig Wärme, möglich. Die Pulsstromspanne kann hier daher in vorteilhafter Weise verkürzt werden. Dennoch erfolgt eine zuverlässige Tropfenablösung, bevor die Elektrode in Kurzschluß mit dem Werkstück kommt. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen stellen daher sicher, daß auch beim Schweißen dünner Ble­ che bzw. von Materialien mit geringem Schmelzpunkt mit kontinuierlich voranbewegter Elektrode gearbeitet werden kann und dabei sowohl Spritzer als auch ein Wegbrennen bzw. Wegschmelzen von Material verhindert wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestal­ tungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteran­ sprüchen angegeben. So kann es zur Stabilisierung des Lichtbogens vorteilhaft sein, an den Null-Durchgängen des Stroms Spannungsspitzen zu erzeugen. Diese Spannungsspit­ zen ergeben eine starke Ionisierung des Gases, im Falle von Schutzgasschweißen des Schutzgases, wodurch die Leit­ fähigkeit erhalten bleibt und eine im Bereich des Schweißbads sich bildende Oxydschicht aufgerissen wird, was zur Folge hat, daß der Lichtbogen trotz des Null- Durchgangs des Stroms erhalten bleibt.

Zur Erzeugung der genannten Spannungsspitzen kann das Leistungsteil einfach einen mit der An- bzw. Absteuerung des Wechselrichters aktivierbaren, entsprechend der Umpo­ lung des Stroms umschaltbaren Spannungssptitzengenerator aufweisen, wie er auch zum Zünden bereits Verwendung fin­ det.

Eine weitere zweckmäßige Maßnahme kann darin bestehen, daß die Stärke des umgepolten Stroms betragsmäßig der Grundstromstärke entspricht. Dies ergibt einerseits aus­ reichende Abreißkräfte und ermöglicht andererseits eine einfache Bauweise, da eine Umpolung des Stroms genügt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachste­ henden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbei­ spiels entnehmbar.

In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Leistungsteils einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung,

Fig. 2 ein Strom-Zeitdiagramm der Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Spannungs-Zeitdiagramm der Vorrichtung ge­ mäß Fig. 1 und

Fig. 4 eine weitere Einzelheit der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung teilweise im Schnitt.

Das der Fig. 1 zugrundeliegende Leistungsteil einer er­ findungsgemäßen Schweißvorrichtung enthält einen einem Wechselstromeingang 1 nachgeordneten Transformator 2, der die Wechselstromspannung von 380 Volt auf 55 Volt herab­ setzt. Dem Transformator 2 ist ein Gleichrichter 3 nach­ geordnet, der den Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Zur Glättung ist eine dem Gleichrichter 3 nachgeordnete Kondensatoranordnung 4 vorgesehen.

Dieser ist ein durch eine Kaskade gebildeter Stromregler 5 nachgeschaltet, durch den die Stromstärke erhöht und erniedrigt werden kann. Auf den Stromregler 5 folgt ein Wechselrichter 6, durch den der Strom mit vorgegebener Fre­ quenz umgepolt werden kann. Zur diesbezüglichen Glättung ist eine dem Wechselrichter 6 nachgeordnete Drosselanord­ nung 7 vorgesehen. Vor dem Ausgang des Leistungsteils ist in den Strompfad noch ein Spannungsspitzengenerator 8 eingeschaltet, durch den Spannungsspitzen erzeugbar sind.

Der Stromregler 5, der Wechselrichter 6 und der Span­ nungsspitzengenerator 8 sind mittels einer Steuereinrich­ tung 9 so steuerbar, daß sich der den Fig. 2 und 3 zu­ grundeliegende Strom- bzw. Spannungsverlauf ergeben. Die Stromstärke, deren Verlauf über der Zeit der Fig. 2 zu­ grundeliegt, wird bei t₁ mittels des Stromreglers 5 aus­ gehend von einer Grundstromstärke I_g von etwa 20 A über eine bestimmte Zeitspanne auf eine Pulsstromstärke I_p von etwa 250 A erhöht und danach bei t₂ plötzlich wieder ab­ gesenkt, so daß sich eine steile Flanke des Stromverlaufs ergibt. Die Absenkung der Stromstärke erfolgt auf Grund­ stromstärke. Gleichzeitig mit der Absenkung erfolgt aber eine durch den Wechselrichter 6 bewerkstelligbare Umpo­ lung des Stroms, so daß sich ein Null-Durchgang des Stromverlaufs ergibt, wie bei t₂ erkennbar ist. Nach ei­ ner vorgegebenen Zeitspanne erfolgt bei t₃ eine Rückpo­ lung, so daß sich ein weiterer Null-Durchgang ergibt. Die nun wieder vorliegende, positive Grundstromstärke I_g wird wiederum eine bestimmte Zeitspanne aufrechterhalten, bis bei t₄ der Vorgang mit der Erhöhung auf die Pulsstrom­ stärke I_p von Neuem beginnt.

Zwischen t₂ und t₃ liegt die negative Grundstromstärke vor, wie durch I_n angedeutet ist. Die zwischen t₂ und t₃ liegende Zeitspanne, in welcher die Stromstärke die nega­ tive Grundstromstärke I_n aufweist, wird mit Negativ-Phase N bezeichnet. Diese liegt zwischen der Pulsphase P, in welcher die Stromstärke die Pulsstromstärke I_p aufweist, und der Grundstromphase G, in welcher die Stromstärke die positive Grundstromstärke I_g aufweist. Die Negativ-Phase N und die Grundstromphase G können etwa gleich lang sein. Im dargestellten Beispiel liegt gleiche Dauer vor. Die Pulsstromphase P ist demgegenüber um etwa 25% bis 30% verkürzt. Die Pulsfrequenz, mit der sich der Verlauf der Stromstärke wiederholt, ist abhängig von der Elektroden­ stärke. Bei Schweißen mit einer 1-mm-Elektrode beträgt diese Frequenz etwa 200 Hertz, wobei sich eine Pulsstrom­ phase P von 1,3 bis 1,5, hier 1,4 Mikrosekunden sowie eine Negativphase und Grundstromphase von 1,75 bis 1,85, hier 1,8 Mikrosekunden ergeben.

Der Strom fließt über einen in Fig. 1 durch eine unter­ brochene Linie angedeuteten Lichtbogen zwischen der Schweißelektrode und dem Werkstück. Die Elektrode 10 wird dabei, wie in Fig. 4 angedeutet ist, mittels eines Schweißbrenners 11 geführt, der eine mit dem der Fig. 1 zugrundeliegenden Leistungsteil elektrisch verbundene Kontaktdüse 12 enthält, durch welche die durch einen Draht gebildete Elektrode 10 hindurchgeführt ist. Im dar­ gestellten Beispiel handelt es sich um einen Schutzgas- Schweißbrenner, der mit einer die Kontaktdüse 12 umgeben­ den Gasdüse 13 versehen ist, die an eine nicht näher dar­ gestellte Schutzgasquelle angeschlossen ist und das aus­ strömende Schutzgas der Schweißstelle zuleitet. Die durch einen Schweißdraht gebildete Elektrode 10, die an ihrem vorderen Ende tropfenförmig abschmilzt, wie bei 14 ange­ deutet ist, wird mittels einer Vorschubeinrichtung 15 kontinuierlich nachgeführt. Hierzu wird der die Elektrode 10 bildende Schweißdraht in der Regel von einer Trommel abgewickelt, die mittels eines Getriebemotors kontinuier­ lich antreibbar ist.

Durch den abrupten Abfall der Stromstärke am Ende der Pulsstromphase P und die dabei erfolgende Umpolung des Stroms erfolgt ein zwangsweises Abreißen des am vorderen Elektrodenende vorhandenen, durch den Lichtbogen geschmolzenen Tropfens 14. Die an die Hochstromphase in Form der Pulsstromphase P sich anschließende, längere Niederstromphase in Form der Negativ-Phase N und der Grundstromphase G ermöglichen nach Ablösung des Tropfens 14 einen entsprechenden Nachschub der Elektrode 10. Da die Umpolung am Ende der Pulsstromphase P auch bei ver­ gleichsweise kurzer Pulsstromphase P eine zuverlässige Tropfenablösung ergibt, kann diese frühzeitig genug er­ folgen, um eine Überhitzung des Tropfens 14 und dement­ sprechend des im Bereich einer herzustellenden Schweiß­ naht 16 sich ergebenden Schweißbads zu verhindern. Die wirksam werdenden Wärmemengen können dabei so gering ge­ halten werden, daß auch dünne, durch die Schweißnaht 16 zu verbindende Aluminiumbleche 17 etc. im Bereich der ei­ nander zugewandten Kanten nicht wegschmelzen. Dennoch werden durch die zuverlässige Tropfenablösung Spritzer vermieden.

Um an den Null-Durchgängen des Stromverlaufs ein Abreißen des in Fig. 4 bei 18 angedeuteten Lichtbogens zu verhin­ dern, wird an den Null-Durchgängen, also bei t₂ und t₃, jeweils eine Spannungsspitze 19 bzw. 20 erzeugt, wie aus Fig. 3 erkennbar ist. Hierzu wird der Spannungsspitzen­ generator 8 mittels der Steuereinrichtung 9 entsprechend angesteuert. Die am Anfang der Negativ-Phase N erzeugte Spannungsspitze 19 ergibt sich durch einen negativen Spannungsausschlag, die am Ende der Negativ-Phase N er­ zeugte Spannungsspitze 20 durch einen positiven Span­ nungsausschlag, entsprechend der jeweils erfolgenden Um­ polung des Stroms. Der Spannungsspitzengenerator 8 wird dementsprechend ebenfalls von Negativ auf Positiv umge­ schaltet, was ebenfalls durch die Steuereinrichtung 9 be­ werkstelligt wird. Die Spannungsspitzen 19 bzw. 20 be­ werkstelligen eine starke Ionisierung des den Lichtbogen 18 zum Werkstück hin treibenden Schutzgases, womit eine dortige Oxydschicht aufgerissen wird und die Leitfähig­ keit erhalten bleibt, was sich positiv auf den Erhalt und die Stabilität des Lichtbogens 18 auswirkt. Hierdurch werden eine hohe Bedienungsfreundlichkeit und Qualität sichergestellt. Die Spannungsspitzen 19 bzw. 20 können betragsmäßig in der Größenordnung der Zündspannung von etwa 300 V liegen. Als Spannungsspitzengenerator 8 kann daher einfach ein Zündgerät Verwendung finden.

Claims (10)

1. Schweißverfahren, insbesondere Schutzgasschweißver­ fahren, bei dem zwischen einer kontinuierlich voran­ bewegbaren Elektrode (10) und dem Werkstück (17) ein elektrischer Lichtbogen (18) erzeugt und der über diesen fließende Gleichstrom mit vorgegebener Puls­ frequenz von einer Grundstromstärke (I_g) auf eine dem­ gegenüber höhere Pulsstromstärke (I_p) erhöht wird, da­ durch gekennzeichnet, daß der Strom zwischen der Zeitspanne, in welcher er Pulsstromstärke (I_p) auf­ weist, und der nachfolgenden Zeitspanne, in welcher er Grundstromstärke (I_g) aufweist, umgepolt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Null-Durchgängen des Stroms Spannungs­ spitzen (19, 20) erzeugt werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des umgepol­ ten Stroms betragsmäßig der Grundstromstärke (I_g) entspricht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückpolung des Stroms etwa in der Mitte zwischen Umpolung und nach­ folgendem Anstieg auf Pulsstromstärke (I_p) erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanne, in welcher Impulsstromstärke (I_p) vorliegt, kürzer als die Spanne, in der jeweils positive oder negative Grund­ stromstärke vorliegt, ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanne, in welcher Impulsstromstärke (I_p) vorliegt, um 25 bis 30% kürzer als die Spanne, in welcher jeweils positive bzw. negative Grundstrom­ stärke vorliegen, ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsfrequenz, mit welcher die Stromstärke auf die Pulsstromstärke (I_p) erhöht wird, bei einer 1-mm-Elektrode etwa 200 Hz beträgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundstromstärke (I_g) weniger als 10% der Pulsstromstärke (I_p) be­ trägt.

9. Schweißvorrichtung, insbesondere Schutzgasschweiß­ vorrichtung, mit einem Schweißbrenner (11), der eine von einem mittels einer Vorschubeinrichtung (15) an­ treibbaren Schweißdraht durchsetzte Kontaktdüse (12) aufweist, und mit einem der Kontaktdüse (12) zuge­ ordneten Leistungsteil zur Erzeugung eines mit vor­ gegebener Pulsfrequenz von einer Grundstromstärke auf eine demgegenüber höhere Pulsstromstärke anstei­ genden Stroms, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Leistungsteil einen zwischen jeder Pulsstromphase und der darauffolgenden Grundstrom­ phase aktivierbaren Wechselrichter (6) aufweist.

10. Schweißvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Leistungsteil einen mit der An- bzw. Absteuerung des Wechselrichters (6) aktivierba­ ren, entsprechend der Umpolung des Stroms umschalt­ baren Spannungsspitzengenerator (8) aufweist.