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Die
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Lichtbogenschweißens und
auf ein Lichtbogenschweißgerät und einen
besonderen Schweißbrenner
zur Verwendung beim elektrischen Lichtbogenschweißen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Das
Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW)
umfasst die Einleitung eines elektrischen Stromes in eine Kontaktspitze
in einem Schweißbrenner,
durch den eine verbrauchbare Elektrode oder ein Schweißdraht hindurch
geführt
wird, wobei er sich auf ein Werkstück zu bewegt. Der elektrische Strom,
der über
die Kontaktspitze durch den Schweißdraht fließt, erzeugt den Lichtbogen
für den Schweißprozess
entsprechend der üblichen Schweißtechnologie.
Eine Leistungsversorgung, normalerweise ein Hochgeschwindigkeits-Umschalt-Inverter
erzeugt den Schweißstrom
und wird normalerweise auf der Basis der Bogenspannung geregelt, um
eine stabile Bogenlänge
beim Schweißen
mit konstanter Spannung oder beim Impulsschweißen aufrecht zuhalten. Die
Elektrode oder der Schweißdraht,
die durch die Kontaktspitze gegen das Werkstück vorgeschoben werden, sind
elektrisch mit dem Werkstück
durch einen Lichtbogen verbunden, der für einen spezifischen Prozess
eine gegebene Länge haben
sollte. Der Abstand zwischen der Kontaktspitze und dem Werkstück ist der
als Abstand Kontaktspitze bis Werkstück (CTWD) bekannte Parameter. Dieser
Parameter ist verschieden von dem vorstehenden Stück der Elektrode
(ESO), welches der Länge
des sich vorschiebenden Schweißdrahtes
von der Kontaktspitze bis zum Bogen entspricht, und die Summe von
ESO und Bogenlänge
ist. Beim Gas-Metall-Lichtbogenschweißen ist eine Regelung der CTWD
zur Aufrechterhaltung einer stabilen Bogenlänge wünschenswert. Die CTWD verändert sich
aufgrund von Störungen
des Schweißprozesses
wie bei der Produktion auftretenden Maßtoleranzen der Schweißung, Positioniergenauigkeit
des Geräts
und der Halterung und des Teileverzugs beim Schweißen. Um Änderungen
der CTWD auszugleichen und so die Bogenstabilität aufrecht zu erhalten, ist
es bei GMAW die normale Verfahrensweise, den Bogenstrom anzupassen,
um die Wärmezufuhr
zu verändern
und auf diese Weise die Abbrennrate des Drahtes zu variieren. Eine Änderung
des Bogenstroms bei Aufrechterhaltung einer konstanten Spannung
führt zu
wesentlichen Änderungen
am Wärmeeintrag
pro Längeneinheit
der Schweißnaht
und beeinflusst wesentlich die Abkühlgeschwindigkeit der Schweißschmelze.
Der Einsatz von Änderungen
im Wärmeeintrag
durch Änderungen
des Stroms, um bei Änderungen
der CTWD oder Bogenlänge
nachzujustieren, hat sich als Grund für entsprechende Änderungen
im Oberflächenprofil
der Schweißnaht,
im Eindringprofil, in der Auflösung
des Grundmetalls und in metallurgischen und mechanischen Eigenschaften
der Schweißnaht
herausgestellt. Eine Änderung
des Stroms in einem Schweißprozess
mit konstanter Spannung als Ausgleich für Änderungen der CTWD führt daher
zu wesentlichen Änderungen
des Prozesses, die sich in erster Linie in der wärmebeeinflussten Zone zeigen.
Darüber
hinaus sind der Verzug und die Qualität der Schweißstruktur
schwieriger aufrechtzuerhalten, wenn der Bogenstrom zum Ausgleich
von Änderungen
der CTWD und somit der Bogenlänge herangezogen
wird. Um die Notwendigkeit einer Steigerung oder Verringerung des
Bogenstroms je nach den Änderungen
der CTWD besonders bei Roboteranwendungen zu vermeiden, wird der
Bogenstrom gemessen und zur mechanischen Anpassung des tatsächlichen
Abstandes zwischen der Kontaktspitze und dem Werkstück verwendet.
Diese Verfahrensweise findet oft Anwendung, wenn eine Roboter-Schweißeinrichtung
einer Schweißfuge
nachfährt,
wobei der Schweißbrenner
bei seiner Bewegung entlang der Schweißfuge sich vorwärts und rückwärts bewegt.
Die CTWD an jedem Ende dieser Bewegung wird ermittelt, um die Zentrierung
des Brenners auf die Fuge festzustellen. Änderungen veranlassen eine Änderung
des Brennerweges, um der Fuge nachzufahren.
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Wegen
der mechanischen Trägheit
und der Abhängigkeit
von einem Rückkopplungsprozess
bei der Anpassung der CTWD und von Wärmeunterschieden wird ein Verfahren
nicht eingesetzt, welches den Bogenstrom für die Erzielung der Bogenstabilität nutzt,
besonders bei Hochgeschwindigkeits-Schweißanwendungen. Eine andere Anordnung
zur physischen Justierung des Abstandes der Spitze vom Werkstück ist ein
Sichtsystem, welches die tatsächliche
Position der Spitze gegenüber
dem Werk stück
während
des Schweißvorgangs
erfasst. Derartige Sichtsysteme werden wegen der hohen Kosten und
der Wartung in ungünstigen
Umgebungen nicht eingesetzt. Insgesamt ist der am meisten akzeptierte
Weg zur Aufrechterhaltung der Bogenstabilität die Justierung des Schweiß- oder
Bogenstroms zur Kompensation von Änderungen in der CTWD. Dies
bietet die vorstehend im einzelnen erläuterten Probleme.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Steuerung der CTWD ohne Änderung
des Wärmeeintrags
und ohne physische bzw. mechanische Bewegung der Kontaktspitze gegenüber dem
Werkstück.
Da die Verfahrensweise zur Steuerung der CTWD keine Rückkopplung
zur Steuerung des Schweißstroms
und keine physische Bewegung der Kontaktspitze bzw. des Brenners
gegenüber
dem Werkstück
beinhaltet, werden die Nachteile behoben, die man bei früheren Versuchen
zur Aufrechterhaltung der CTWD bei normalem Schweißen oder
dem Nachfahren einer Schweißfuge
erfahren hat. Die Erfindung erlaubt die Aufrechterhaltung einer
stabilen Bogenlänge
bei einem Schweißvorgang
mit konstanter Spannung oder einer Impulsschweißung ohne die mit den früheren Steuervorgängen einhergehenden Nachteile.
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Die
Erfindung beinhaltet die Aufteilung der Kontaktspitze in zwei elektrisch
voneinander isolierte Teile, die einen oberen Kontaktspitzenteil
und einen unteren Kontaktspitzenteil umfassen. Die beiden Kontaktspitzenteile
sind durch einen Luftspalt oder einen anderen Isolator voneinander
getrennt, so dass der verbrauchbare Schweißdraht oder die Elektrode durch
den oberen Kontaktspitzenteil und dann durch den unteren Kontaktspitzenteil
hindurchläuft, wenn
er sich auf das Werkstück
zu bewegt. Die den Brenner oder die Pistole betreibende Leistungsversorgung
besitzt eine Leitung, die durch zwei elektronische Leistungsschalter
gesteuert ist, um den Ausgangsstrom der Leistungsversorgung aufzuspalten. Der
Bogenstrom fließt
entweder zu dem oberen Kontaktspitzenteil oder dem unteren Kontaktspitzenteil oder
zu beiden, je nachdem wie die Schalter wahlweise in die jeweiligen
leitenden Zustände
gebracht werden. Der Ge samt-Schweißstrom wird aufrechterhalten
in dem er entweder durch die obere Kontaktspitze, die untere Kontaktspitze
oder beide Kontaktspitzen fließt.
Wenn der Schweißstrom
nur zur oberen Kontaktspitze fließt, ist CTWD der Abstand, der durch
die Entfernung der oberen Kontaktspitze vom Werkstück bestimmt
ist. Wenn Strom zu der unteren Kontaktspitze geleitet wird, ist
CTWD der Abstand von der unteren Spitze vom Werkstück. Im Ergebnis wird
also, wenn Strom zu der oberen Spitze geleitet wird, eine größere CTWD
geschaffen, als wenn der Strom zu der unteren Spitze geleitet wird.
Bei der Erfindung wird der Strom zeitlich zwischen der oberen Kontaktspitze
und der unteren Kontaktspitze aufgeteilt. Infolgedessen ist die
detektierte CTWD des Schweißprozesses
nicht der Abstand von der unteren Kontaktspitze oder der oberen
Kontaktspitze. Die „effektive" CTWD ist ein Abstand
irgendwo zwischen den beiden Kontaktspitzenteilen abhängig von
der Zeit, während
derer der Schweißstrom
dem oberen Spitzenteil oder dem unteren Spitzenteil zugeführt wird.
Durch Vergrößerung der
Zeit, während
derer der Schweißstrom
den oberen Spitzenteil zugeführt wird
gegenüber
der Zeit, während
derer der Strom dem unteren Spitzenteil zugeführt wird, wird die wirksame
CTWD vergrößert. In ähnlicher
Weise wird bei einer Zunahme der Zeit, in der der Strom dem unteren
Kontaktspitzenteil zugeführt
wird, verglichen mit dem oberen Kontaktspitzenteil, die effektive
CTWD verringert.
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Der
vorerwähnte
Aufbau eines Lichtbogenschweißgeräts ist aus
der US-A 3,518,401 bekannt. In diesem Dokument ist es jedoch nur
erwähnt,
dass die relativen Zeitintervalle, während derer der Strom dem oberen
oder dem unteren Spitzenteil zugeführt wird, eingestellt werden,
ohne dass gesagt würde, wie
dies zustande gebracht werden soll.
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Ein
Ziel der Erfindung ist die Überwindung dieses
Problems und die Schaffung eines Lichtbogenschweißgeräts, bei
dem die CTWD angepasst werden kann, ohne den Schweißbrenner
mechanisch zu bewegen und ohne den Schweißstrom zu ändern.
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Die
Erfindung ist in Anspruch 1 wiedergegeben, so weit das Lichtbogenschweißgerät betroffen ist,
und in Anspruch 11, soweit es das entsprechende Verfahren angeht.
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Erfindungsgemäß wird die
effektive CTWD verändert,
indem lediglich der Arbeitszyklus des Impulsbreitenmodulators verändert wird,
um auf diese Weise die gewünschte
Bogenlänge
und damit die Stabilität
des Schweißprozesses
aufrechtzuerhalten. Die Bogenlänge
und die Bogenspannung werden durch Anpassung des Arbeitszyklus bzw.
der relativen Schalterbetriebsdauern der Time-Sharing-Schaltung
für den
Bogenstrom angepasst. Wenn die Brenneranordnung bzw. die Schweißpistole
physisch zu nahe an der Schweißstelle
sich befinden, wird dem oberen Kontaktspitzenteil mehr Strom zugeführt um die
effektive Brenner-Werkstück-Distanz
im umgekehrten Sinn zu verändern.
In ähnlicher
Weise wird, wenn der Brenner oder die Schweißpistole von der Schweißstelle
weggezogen wird, mehr Strom dem unteren Kontaktspitzenteil zugeleitet,
um eine effektive CTWD zur Aufrechterhaltung der Bogenlänge und Bogenspannung
im Hinblick auf die Stabilität
des Schweißprozesses
beizubehalten.
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Da
keine mechanische Justierung des Brenners zwecks Anpassung der CTWD
stattfindet, erfolgt das Ansprechen bezüglich dieses Parameters ziemlich
schnell. Es spielt keine mechanische Trägheit eine Rolle. Die vorliegende
Erfindung kann daher bei halbautomatischen und vollautomatischen
oder robotermäßigen Anwendungen
eingesetzt werden. Durch Einführung
dieser extremen Flexibilität
der Steuerung des Schweißprozesses
trennt die Erfindung die Steuerung der Stabilität und Bogenlänge von
der Steuerung des Schmelzvorgangs oder der Wärmeerzeugung. Die Erfindung
kann daher eine effektive CTWD justieren und aufrechterhalten, ohne auf
die Stromsteuerung Rückgriff
zu nehmen. Es wird hierdurch eine Prozeßstabilität erreicht bei Aufrechterhaltung
einer konstanten Wärmeentwicklung,
eines konstanten Abschmelzens des Drahtes, einer konstanten Größe der Schweißzone, einer
konstanten Gestalt derselben, konstanter metallurgischer und mechanischer
Eigenschaften und eines geringen Schweißverzugs. In einer Einrichtung,
bei der der Schweißprozess
das Nachfahren einer Schweißfuge beinhaltet,
zeigt der Arbeitszyklus der zur Steuerung der CTWD eingesetzten
Impulsbreitenmodulators die Größe des Abstandes
vom Werkstück
an. Infolgedessen kann der Arbeitszyklus des Impulsbreitenmodulators
als Rückkopplungseinrichtung
zur Steuerung des Abstandes Brenner bis Werkstück verwendet werden, um ein
Nachfahren der Schweißfuge
und eine angepasste Auffüllung
der Schweißung
zu erzielen. Gemäß der Erfindung
ist eine Verbesserung in einem Lichtbogenschweißgerät geschaffen, um einen Lichtbogenschweißprozess
zwischen einer verbrauchbaren Elektrode oder einem Draht zustande zubringen,
die durch eine Kontaktspitze und ein Werkstück vorgeschoben werden, wobei
das Schweißgerät eine Leistungsversorgung
zur Aufrechterhaltung eines Bogenstroms und einer Bogenspannung
umfasst. Die Leistungsversorgung kann verschiedene Formen annehmen,
hat jedoch eine erste, mit der Kontaktspitze verbundene Leitung
und eine zweite mit dem Werkstück
verbundene Leitung. Die erfindungsgemäße Verbesserung umfasst die Unterteilung
einer normalen Kontaktspitze in einen oberen Teil und einen unteren
Teil mit einem die Teile voneinander elektrisch isolierenden Isolator.
Der Isolator kann ein Luftspalt oder ein keramischer Einsatz sein,
durch den der vorlaufende Draht hindurch geht, wenn er von dem oberen
Spitzenteil durch den unteren Spitzenteil gegen das Werkstück hin vorgeschoben
wird. Erfindungsgemäß ist ein
erster Schalter vorgesehen, der wahlweise in einen leitenden Zustand
gebracht werden kann und in einer der Leitungen von der Leistungsversorgung
zu dem oberen Kontaktspitzenteil angeordnet ist. Ein zweiter wahlweise
in einen leitenden Zustand bringbarer Schalter ist in der Leitung
von der Leistungsversorgung zu dem unteren Kontaktspitzenteil vorgesehen.
Eine Schalterbetätigungsschaltung
erzeugt ein erstes Schaltsignal, um den ersten Schalter in den leitenden Zustand
umzuschalten und/oder ein zweites Schaltsignal, um den zweiten Schalter
in seinen leitenden Zustand umzuschalten, um die CTWD des Lichtbogenschweißprozesses
zusteuern. Die effektive CTWD wird entsprechend der Zeitaufteilung
zwischen dem oberen Kontaktspitzenteil und dem unteren Kontaktspitzenteil
eingestellt. Durch den Einsatz der Erfindung kann die CTWD bei einem
Schweißprozess
mit konstanter Spannung auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden,
ohne das der Bogenstrom angepasst werden muss.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst
ein bei niedriger Frequenz, beispielsweise weniger als ungefähr 1 kHz
betriebener Impulsbreitenmodulator einen gesteuerten Arbeitszyklus.
Die Ausgangslogik des Impulsbreitenmodulators leitet den Schweißstrom zu
dem oberen Spitzenteil oder dem unteren Spitzenteil. Es besteht
ein Time-Sharing aufgrund des Arbeitszyklus des Impulsbreitenmodulators.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Schalterbetätigungsschaltung
ein Impulsbreitenmodulator mit einem Ausgang mit einer Logik, die
derart durch den Arbeitszyklus gesteuert ist, dass der Ausgang ein
Schaltsignal liefert, welches zur Bildung des anderen Schaltsignals invertiert
wird. Der Arbeitszyklus des Impulsbreitenmodulators bestimmt daher
die Zeitaufteilung zwischen dem oberen Kontaktspitzenteil zugeführten Strom
und dem dem unteren Kontaktspitzenteil zugeführten Strom. Auf diese Weise
wird die wirksame CTWD lediglich durch Veränderung des Arbeitszyklus des
Impulsbreitenmodulators eingestellt.
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Diese
und weitere Ziele und Vorteile gehen aus der folgenden Beschreibung
zusammen mit den beigefügten
Zeichnungen hervor.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Verdrahtungsdiagramm verbunden mit einer schematischen Darstellung
einer Schweißbrenner-
oder Schweißpistolen-Einrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
ein Stromdiagramm, welches die Stromaufteilung der Schweißbrenner-
oder der Schweißpistoleneinrichtung
gemäß 1 zusammen
mit dem Verlauf der Ausgangsspannung des Impulsbreitenmodulators
und einem Diagramm wiedergibt, welches den Schweißstrom beim
Betrieb der vorliegenden Erfindung darstellt;
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3 ist
ein Blockschaltbild, welches den Einsatz der vorliegenden Erfindung
zur Steuerung der Position einer Schweißbrenner- oder Schweißpistolen-Einrichtung
zum Nachfahren einer Schweißfuge
im Schweißprozess
erkennen lässt;
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3A ist
ein vergrößerter Querschnitt
eines Schweißbrenners,
wie er beim Nachfahren einer Schweißfuge eingesetzt wird und der
die Aspekte der in 3 wiedergegebenen Erfindung
erkennen lässt;
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4 ist
ein Diagramm, welches den den beiden aufgeteilten Kontaktspitzenteilen
des in 1 wiedergegebenen Brenners zugeführten Strom
illustriert, mit einem Stromüberlappungskonzept,
welches durch den Einsatz eines Signalgenerators gemäß 6 erhalten
wird;
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5 ist
ein Diagramm entsprechend 4, welches
die Betriebsweise der vorliegenden Erfindung beim Start des Schweißprozesses
wiedergibt; und
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6 ist
ein Blockschaltbild zur Darstellung des Einsatzes eines Signalgenerators
zur Steuerung der Schaltsignale, die das Time-Sharing für den Schweißstrom entsprechend
der vorliegenden Erfindung erzeugen.
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BEVORZUGTES
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
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In
den Zeichnungen dienen die Darstellungen nur zur Illustration eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung und nicht zu deren Beschränkung. 1 zeigt
ein Lichtbogenschweißgerät A der
Konstantspannungsbauweise zur Bereitstellung eines Schweißstroms
für einen
Schweißbrenner oder
eine Schweißpistole
B, so dass diese eine Schweißoperation
ausführen
können.
Eine von einer Standardspule 12 gelieferte und durch den
Schweißbrenner
oder die Schweißpistole
B einem Werkstück WP
zugeführte
verbrauchbare Elektrode oder ein Draht 10 werden in dem
Schweißbogen
P geschmolzen. Wenn der Bogen das Ende des Drahtes 10 aufschmilzt, wird
geschmolzenes Material einer Schweißnaht auf dem Werkstück WP zugeführt. Die Leistungsversorgung
PS ist nicht Teil der Erfindung und in Übereinstimmung mit den üblichen
Konstruktionsweisen ausgebildet. Bei der dargestellten Erfindung
handelt es sich um eine Invertereinheit; es könnte jedoch auch eine traditionelle
Nicht-Inverter-Leistungsversorgung
eingesetzt werden. Ein Dreiphaseneingang 20 beaufschlagt
den Eingangsgleichrichter 22 und liefert eine Gleichspannung
auf den Leitungen 24, 26 an die beiden Anschlüsse eines Filterkondensators 28.
Ein Hochgeschwindigkeits-Umschaltinverter 30 verwandelt
die Gleichspannung auf den Leitungen 24, 26 in
eine Wechselspannung auf den Leitungen 32, 34,
die mit der Primärwicklung
eines Transformators 40 verbunden sind. Die Sekundärwicklung
des Transformators liefert eine Wechselspannung auf den Leitungen 42, 44. Die
Wechselspannung auf diesen Leitungen wird durch den Ausgangsgleichrichter 50 in
einen Gleichstrom umgewandelt, der Ausgangsleitungen 52, 54 zum
Betrieb des Schweißprozesses
umfasst, der zwischen dem vom Schweißbrenner B getragenen Schweißdraht 10 und
dem Werkstück
WP abläuft. Entsprechend üblicher
Praxis wird die Gleichspannung Va an den
Leitungen 52, 54 durch die Schaltung 56 erfasst,
während
der Bogenstrom Ia durch den Schaltungsteil 58 festgestellt
wird, der als Shunt dargestellt ist, doch kann auch ein Hall Effect
Sensor eingesetzt werden. Um einen gleichmäßigen Gleichstrom aufrecht
zu erhalten, ist in der Ausgangsleitung 54 zum Werkstück WP eine
Drossel 60 vorgesehen. Die Leitung 52 ist mit
der Kontaktspitzenanordnung in dem Brenner B verbunden, die entsprechend
der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Um den gewünschten
Strom durch die verbrauchbare Elektrode oder den Draht 10 aufrecht
zu erhalten, wird ein Stromvorgabesignal Ic auf
die Leitung 70 gelegt, welches den Eingang der Wellenformschaltung 72 bildet. Diese
Schaltung steuert die Wellenform des Stroms in dem Lichtbogenschweißprozess.
Der Ausgang 72a der Wellenformschaltung 72 stellt
das Stromvorgabesignal dar, welches die Wellenform des Schweißprozesses
zwischen der Elektrode 10 und dem Werkstück WP steuert.
Dieses Vorgabesignal wird mit dem auf der Leitung 58a festgestellten
Bogenstrom Ia durch den Fehlerverstärker 80 verglichen.
In der Praxis wird die Erfindung digital ausgestaltet und ist der
Verstärker 80 ein
PID Block. Das Fehlerverstärkerkonzept
ist von sich aus verständlich und
stimmt mit der normalen Darstel lung einer Rückkopplungssteuerung überein.
Der Ausgang 80a des Verstärkers 80 ist der Spannungseingang
zu dem Impulsbreitenmodulator 82, der die Breite der Impulse steuert.
Die Impulse der Leistungsversorgung haben eine durch den Oszillator 84 gesteuerte
Frequenz, die durchweg oberhalb ungefähr 20 kHz liegt. Die Impulse
auf der Leitung 86 steuern die Umschaltschaltung in dem
Inverter 30, um auf den Ausgangsleitungen 32, 34 die
gewünschte
Wechselspannung hervorzurufen und dadurch den Strom in dem Schweißprozess
zu steuern. Soweit bis jetzt beschrieben, entsprechen die Lichtbogenschweißeinrichtung
A und Schweißpistole
B den üblichen
Schweißgeräten und Schweißbrennern
zum Schmelzen einer Elektrode 10 auf dem Werkstück WP.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung ist die Kontaktspitzeneinrichtung der
Brenner- oder Schweißpistolenanordnung
B in einen oberen Kontaktspitzenteil 100 mit einem unteren
Ende 100a und einen unteren Kontaktspitzenteil 102 mit
einem unteren Ende 102a unterteilt. Wie beim üblichen
Kontaktspitzenbetrieb verläuft
der Draht 10 durch die Teile 100, 102,
die durch einen Luftspalt 110 voneinander isoliert sind,
der mit einem Abstandshalter 112 aus Keramik oder einem
anderen Material zur elektrischen Isolierung ausgefüllt ist.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Abstandshalter 112 Teil einer keramischen Hülse 114,
die die Kontaktspitzenteile 100, 102 von einem äußeren Metallgehäuse 120 trennt,
welches einen Schutzgasdurchgang 122 für ein Schutzgas G wie Kohlendioxid,
Argon oder Mischungen daraus bildet. Die Kontaktspitze, die Strom aus
der Leitung 52 auf den sich vorschiebenden Schweißdraht 10 leitet,
ist in zwei vertikal beabstandeten Kontaktspitzenteile unterteilt,
um eine erste CTWD mit einem durch den unteren Kontaktspitzenteil 102 bestimmten
Abstand a und eine zweite CTWD mit einem durch den oberen Kontaktspitzenteil 100 bestimmten
Abstand b zu schaffen. Gemäß der Erfindung
wird Strom aus der Leitung 52 den Kontaktspitzenteilen 100, 102 in
einer Time-Sharing Weise zugeführt,
die durch die leitenden Zustände der
Schalter SW1, SW2 bestimmt ist. Der Ausgang 52a des Schalters
SW1 ist mit der Kontaktspitze 100 verbunden. In ähnlicher
Weise ist der Ausgang 52b des Schalters SW2 mit der Kontaktspitze 102 verbunden.
Wenn der Schalter SW1 leitend ist, wird Strom aus der Leitung 52 dem
Kontaktspitzenteil 100 zugeführt. Strom aus der gleichen
Leitung wird dem Kontaktspitzenteil 102 zugeführt, wenn
der Schalter SW2 leitend ist. Durch die Betätigung der Schalter SW1, SW2
beim Schweißvorgang
wird die effektive CTWD als ein Abstand c zwischen dem Abstand a
und dem Abstand b eingesteuert. Auf diese Weise ist die effektive
CTWD steuerbar in Abhängigkeit
von den relativen Zeitabschnitten, während deren der Schweißstrom durch
die Schalter SW1, SW2 geleitet wird. Wenn beide Schalter SW1, SW2
zur gleichen Zeit geschlossen oder leitend sind, fließt der Strom
aus der Leitung 52 durch die Kontaktspitzenteile 100, 102 entsprechend
der Impedanz, die der Strom in den beiden separaten Zweigen erfährt. Zusammengefasst
kann der Schweißprozess
so gesteuert werden, dass die gewünschte CTWD erhalten wird,
indem während
der Schweißoperation
die Schalter SW1, SW2 zu verschiedenen Zeiten betätigt werden.
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Das
Time-Sharing für
den oberen Kontaktspitzenteil 100 und den unteren Kontaktspitzenteil 102 kann
zur Erzielung der gewünschten
CTWD durch unterschiedliche Steuerverfahren gesteuert werden. Beim
bevorzugten Ausführungsbeipiel
umfasst die Time-Sharing- oder Schalterbetätigungsschaltung 150 einen
zweiten Impulsbreitenmodulator 152 mit einem Ausgang 154 zur
Steuerung des leitenden Zustandes des Schalters SW2, und der Inverter 156 bildet
einen invertierten Ausgang 158 zur Steuerung des leitenden
Zustandes des Schalters SW1. Eine Logik 1 im Ausgang 154 schließt den Schalter
SW2 und öffnet
den Schalter SW1. Eine Logik 0 in der Leitung 154 ergibt
das entgegengesetzte Resultat. Die Impulse des zweiten Impulsbreitenmodulators
werden mit einer durch den Oscillator 160 bestimmten Rate
gebildet. Diese Rate ist im allgemeinen Bereich von 1 ms bis 5 ms,
wobei der Oscillator 160 bei weniger als ungefähr 1 kHz
betrieben wird. Der Arbeitszyklus wird durch die Spannung auf der
Leitung 170 gesteuert, die der Ausgang der PID Filters 172 ist.
Dieser Filter vergleicht die eingestellte oder erwünschte Bogenlänge auf
der Leitung 174 mit der Bogenspannung Va auf der Leitung 56a.
Entsprechend der Erfindung wird das gewünschte Bogenlängensignal
auf der Leitung 174 mit der tatsächlichen Spannung auf der Leitung 56a verglichen,
um den Arbeitszyklus des Impulsbreitenmodulators 152 zu
bestimmen und die relativen Zeitabschnitte zu steuern, während deren
der Schweißstrom
zu den jeweiligen Abstand voneinander aufweisenden Kontaktspitzenteilen 100, 102 geleitet
wird. Dies liefert eine effektive CTWD zur Stabilisierung der Bogenspannung
und somit der Bogenlänge.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Arbeitszyklus-Signal auf
dem Ausgang 170 des Impulsbreitenmodulators 152 durch
den Integrator 180 integriert, um auf der Leitung 182 ein
Signal zu erzeugen. Dieses Signal stellt die effektive CTWD für den Schweißprozess
dar und wird zum Nachfahren einer Schweißfuge benutzt, wie in 3 dargestellt.
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Gemäß 2 erzeugt
der Oscillator 160 an dem Ausgang des zweiten Impulsbreitenmodulators 154 eine
Impulsbreite x. Der Schalter SW1 ist während der Zeit y leitend, und
es ist der Arbeitszyklus das Verhältnis x:y. Durch Anpassung
der Breite des Impulses y wird die effektive CTWD gesteuert. Wie
in 2 dargestellt ist, beeinflusst die Einstellung
der effektiven CTWD nicht den Bogenstrom Ia auf
der Leitung 58a, der konstant verbleibt und keiner Anpassung
bedarf, um die CTWD zu korrigieren.
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3 illustriert
die Nutzung des effektiven CTWD Signals auf der Leitung 170 zur
Steuerung des Nachfahrkopfes 200 eines automatischen Roboterschweißgeräts. Bei
der Hin- und Herbewegung des Brenners B innerhalb einer Schweißfuge J
(siehe 3A) werden in der Schaltung 192 sowohl
die Brennerposition von der Zuführung
zu der Bogenleitung 190 als auch die effektive CTWD auf
der Leitung 170 verglichen. Durch Bestimmung der CTWD-Amplitude
auf den einander gegenüberliegenden
Seiten der Hin- und Herbewegung des Brenners B in der Schweißfuge J
wird auf der Leitung 194 ein Fehlstellungssignal bezüglich der
Schweißfuge
erzeugt. Dieses Signal wird einer Nachfahreinrichtung zugeführt, die
an dem ursprünglich
geplanten Brennerweg Korrekturen anbringt, so dass der Brenner in
der Mitte der Schweißfuge
J gehalten wird. Da die Differenz in der effektiven CTWD entsprechend
der Abweichung des Brenners B, und der Mitte der Schweißfuge bestimmt
ist, justiert der Nachfahrkopf 200 die Position des Brenners
B wie durch die Vorrichtung 202 angegeben. Dieses Konzept
ist in 3A dargestellt, in der der Brenner
B eingesetzt wird, um zwischen den Werkstücken 210, 212 zur
Bildung einer Schweißnaht 214 entlang
zufahren. Wenn ein Unterschied in der effektiven CTWD an den Rändern der
Schweißfuge
J durch die Schaltung 192 festgestellt wird, folgt der
Brenner B nicht der Schweißfuge.
Eine Querbewegung des Brenners repositioniert ihn.
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Entsprechend
einem Aspekt der Erfindung, wie er in 6 wiedergegeben
ist, erzeugt ein Signalgenerator 250 Signale auf den Leitungen 154a, 158a zur
Steuerung der Schalter SW2 bzw. SW1. Der Signalgenerator 250 hat
eine größere Anpassungsfähigkeit
als der Impulsbreitenmodulator 152, der in dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung eingesetzt wird. Der Signalgenerator gestattet eine Modifikation
der Erfindung wie sie in 4 dargestellt ist, worin der
Impuls 230 den leitenden Zustand des Schalters SW1 wiedergibt.
In ähnlicher
Weise entspricht der negative Impuls 232 der Zeit, während derer
der Schalter SW2 nicht leitend ist. Dieser Impuls kann gegenüber dem
Impuls 230 verkleinert werden um eine Überlappung beim Einschalten
des Schalter SW1 und bevor der Schalter SW1 abgeschaltet wird, herbeizuführen. Die Überlappung
m, n beträgt
in der Praxis etwa 5 bis 30 ms. Entsprechend der Erfindung ist mindestens
ein Schalter SW1, SW2 zu jedem Zeitpunkt während des Schweißens leitend.
Normalerweise wird der Brenner bei geschlossenem Schalter SW2 gestartet,
um sämtlichen
Strom durch den unteren Kontaktspitzenteil 102 zu leiten. Zur
Steuerung von Übergangszuständen liegt
es aber im Rahmen der Erfindung, beide Schalter gleichzeitig leitend
sein zu lassen. Dieses Merkmal ist in 5 dargestellt,
worin der Startimpuls 260 für den Schalter SW1 den Startimpuls 262 für den Schalter
SW2 überlappt.
Beim Start des Schweißzyklus sind
beide Schalter SW1, SW2 leitend, um den Schweißstrom auf beide Kontaktspitzenteile 100, 102 zu
verteilen. Danach kann der Schaltzyklus mittels des Signalgenerators 250 oder
mittels des Impulsbreitenmodulators 152 geändert werden.
Die Schalter werden beim Impulsschweißen bei einem Stromimpuls mehrmals
betätigt.