DE602004012786T2

DE602004012786T2 - Vorrichtung zum Lichtbogenschweissen

Info

Publication number: DE602004012786T2
Application number: DE602004012786T
Authority: DE
Inventors: Russell K. Myers; William S. Houston
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2003-01-17
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2024-01-17
Also published as: US20050092726A1; AU2004200158A1; EP1439021B2; DE602004012786T3; CA2444326C; US7411156B2; BR0304757A; EP1439021A2; US6847008B2; KR20040067902A; ATE390978T1; MXPA03010088A; JP3950846B2; EP1439021A3; KR100589931B1; US20040140302A1; JP2004223613A; AU2004200158B2; EP1439021B1; DE602004012786D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die elektrische Lichtbogenschweißung und mehr im Einzelnen auf ein elektrisches Lichtbogenschweißsystem zum Betrieb von Tandemelektroden.
Die vorliegende Erfindung ist auf ein elektrisches Lichtbogenschweißsystem entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gerichtet und verwendet Leistungsquellen hoher Kapazität mit Wechselstromkreisen zum Betrieb einer oder mehrerer Tandemelektroden von der Art, wie sie bei Schweißnähten großer metallischer Zuschnitte verwendet werden. Ein derartiges System ist in der US 6 207 929 Stava offenbart. Obwohl die Erfindung unter Verwendung jeglicher Standard-Wechselstromleistungsquellen mit Schaltern zur Änderung der Ausgangspolarität verwendet werden kann, ist es bevorzugt, dass die Leistungsquellen das Schalterkonzept nach der US 6 111 216 Stava einsetzen, worin die Leistungsquelle ein Inverter mit zwei großen Ausgangs-Polaritätsschaltern ist, wobei der Bogenstrom jeweils reduziert wird, bevor die Schalter die Polarität umkehren. Der Ausdruck „Schaltpunkt" ist daher ein komplexer Prozess, bei dem die Leistungszufuhr zunächst verringert wird, um einen Strom abzuwarten, der geringer als ein vorbestimmter Wert wie z. B. 100 Ampere ist. Bei Erreichung der 100 Ampere-Schwelle werden die Ausgangsschalter der Leistungsquelle umgekehrt, um die Polarität des Gleichstromanschlusses des Inverters umzukehren. Der „Schaltpunkt" ist daher ein Abschaltesignal – bekannt als „Kill"-Signal – an dem Inverter der Leistungsquelle, gefolgt von einem Schaltsignal zur Umkehr der Ausgangspolarität. Das Kill-Ausgangssignal kann ein Abfall bis zu einem erniedrigten Stromniveau sein. Diese Verfahrenswiese wird bei jeder aufeinander folgenden Polaritätsumkehr wiederholt, so dass die Wechselstrom-Leistungsquelle die Polarität nur bei niedrigem Strom umschaltet. Auf diese Weise werden Dämpfungs-Schaltkreise für die die Ausgangspolarität steuernden Schalter in ihrer Größe reduziert oder eliminiert. Da dieses Schaltkonzept zur Festlegung der Schaltpunkte entsprechend der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist, wird die Lehre der US 6 111 216 Stava hier eingeschlossen. Das Konzept eines Wechselstroms für Tandemelektroden ist im Stand der Technik wohlbekannt. US 6 207 929 Stava of fenbart ein System, bei welchem Tandemelektroden jeweils durch eine separate Leistungsquelle vom Invertertyp beaufschlagt werden. Es wird die Frequenz variiert, um die gegenseitige Beeinflussung zwischen den Wechselströmen in den benachbarten Tandemelektroden zu reduzieren. Tatsächlich bezieht sich dieses frühere Patent des Patentinhabers auf einzelne Leistungsquellen zum Betrieb entweder einer gleichstrombetriebenen Elektrode gefolgt von einer Wechselstromelektrode oder zwei oder mehr wechselstrombetriebenen Elektroden. In jedem Fall wird für jede Elektrode eine separate Leistungsquelle vom Invertertyp eingesetzt, und es wird bei den hochleistungsfähigen Leistungsquellen für Wechselstrom das Schaltpunkt-Konzept nach US 6 111 216 Stava verwendet. Dieses System zum separaten Betrieb jeder der Tandemelektroden durch eine separate hochleistungsfähige Leistungsquelle ist Hintergrundinformation für die vorliegende Erfindung und wird hier als derartiger Hintergrund aufgenommen. In ähnlicher Weise offenbart das US Patent 6 291 798 ein weiteres Lichtbogenschweißsystem, bei dem jede Elektrode in einer Tandem-Schweißoperation von zwei oder mehr voneinander unabhängigen Leistungsquellen betrieben wird, die parallel zueinander geschaltet sind und einen Lichtbogen mit einer einzigen Elektrode haben. Das System beinhaltet einen einzigen Satz von Schaltern mit zwei oder mehr genau ausbalancierten Leistungsquellen, die den Eingang zu dem Schalter-Netzwerk zur Umkehr der Polarität bilden, wie in US 6 111 216 Stava dargestellt. Jede der Leistungsquellen wird durch ein einziges Steuersignal betrieben und teilt sich in einen identischem Stromwert, der durch die Schalter zur Polaritätsumkehr kombiniert und geleitet wird. Ein System dieser Art erfordert große Schalter zur Polaritätsumkehr, da der gesamte Strom zur Elektrode durch einen einzigen Schaltersatz geleitet wird. Das Patent US 6 291 798 zeigt eine Kombination von Hauptleistungsquelle und abhängigen Leistungsquellen für eine einzige Elektrode und offenbart die allgemeine Hintergrundinformation, auf die die Erfindung gerichtet ist. Aus diesem Grund wird das betreffende Patent ebenso hier in Bezug genommen. Eine Verbesserung zum Betrieb von Tandemelektroden mit gesteuerten Schaltpunkten ist in US 6 472 634 Houston offenbart. Dieses Patent wird ebenfalls in Bezug genommen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Schweißanwendungen wie die Rohrschweißung erfordern oft hohe Ströme und verwenden mehrere Lichtbögen, die durch Tandemelektroden erzeugt werden. Derartige Schweißsysteme neigen ziemlich zu Betriebsunregelmäßigkeiten, die auf Bogenstörungen aufgrund der magnetischen Wechselwirkung zwischen zwei benachbarten Tandemelektroden zurückzuführen sind. Ein System zur Korrektur der Nachteile, die durch benachbarte wechselstrombetriebene Tandemelektroden verursacht werden, ist in US 6 207 929 Stava offenbart. In diesem früheren Patent hat jede der wechselstrombetriebenen Elektroden ihre eigene Leistungsversorgung auf der Basis eines Inverters. Die Ausgangsfrequenz jeder dieser Leistungsversorgungen wird variiert, um Wechselwirkungen zwischen den benachbarten Elektroden zu unterbinden. Dieses System erfordert für jede Elektrode eine separate Leistungsversorgung. Da der Strombedarf für eine gegebene Elektrode den Nennstrom der Leistungsversorgung auf Inverterbasis überschreitet, muss eine neue Leistungsversorgung entworfen, konstruiert und hergestellt werden. Ein derartiges System zum Betrieb von Tandem-Schweißelektroden erfordert daher Leistungsquellen hoher Kapazität oder hoher Nennleistung, um den hohen Strom zu erhalten, wie er für Rohrschweißungen erforderlich ist. Um die Notwendigkeit spezieller Leistungsversorgungen mit hohem Nennstrom für im Tandem betriebene Elektroden zu verringern, entwickelte die Patentinhaberin das in der US 6 291 798 Stava offenbarte System, worin jede Wechselstromelektrode durch zwei oder mehr parallel geschaltete Inverter-Leistungsquellen betrieben wird. Der Ausgangsstrom dieser parallelen Leistungsquellen wird auf der Eingangsseite des Schalterkreises für die Polarität kombiniert. Wenn daher für eine gegebene Elektrode höhere Ströme erforderlich werden, werden zwei oder mehr parallel geschaltete Leistungsquellen eingesetzt. Bei diesem System werden die beiden Leistungsquellen gemeinsam betrieben und teilen sich gleichmäßig in den Ausgangsstrom. Der durch Änderungen in den Schweißbedingungen erforderliche Strom kann daher nur durch einen Betrieb einer einzelnen Einheit oberhalb des Nennstroms geliefert werden. Ein strombalanciertes System erlaubte die Kombination mehrerer kleinerer Leistungsquellen; die Leistungsquellen mussten aber parallel an die Eingangsseite des Schalterkreises zur Umkehr der Polarität angeschlossen werden. Es waren daher für jede Elektrode große Schalter erforderlich. Ein derartiges System überwand den Nachteil des Erfordernisses spezieller Leistungsquellen für jede Elektrode im Tandem-Schweißbetrieb, wie er beim Rohrschweißen eingesetzt wird; es besteht aber der Nachteil fort, dass die Schalter ziemlich groß und die parallel geschalteten Leistungsquellen genau aufeinander abgestimmt zu sein hatten, um von einem einzigen Stromsteuersignal betrieben zu werden. US 6 291 798 Stava verwendet das Konzept eines Synchronisationssignals für jede Schweißzelle, die Strom jeder Tandemelektrode zuführte. Das System erforderte aber immer noch große Schalter. Es war in der Lage, in einem Ethernet-Schaltkreis betrieben zu werden, welches die Schweißzellen verband. In Ethernetverbindungen kann das Timing nicht genau gesteuert werden. In dem beschriebenen System kann das Schaltertiming für eine gegebene Elektrode nur auf einer Zeitbasis verschoben werden, doch kann es nicht zu einem bestimmten Zeitpunkt genau identifiziert werden. Das beschriebene System, welches die Ausbalancierung des Stroms und einen einzigen Schalterkreis erforderte, war daher die Art und Weise, um einen hochleistungsfähigen Strom zum Einsatz in Tandem-Lichtbogenschweißoperationen zu erhalten, wenn ein Ethernetschaltkreis oder ein Internet- und Ethernet-Steuersystem verwendet wurden. Es besteht der Wunsch zur Steuerung von Schweißgeräten durch einen Ethernetschaltkreis, mit oder ohne ein Internetlink. Wegen der Beschränkung des Timings diktierten diese Schaltkreise den Einsatz von Tandem-Elektrodensystemen der Bauart, die nur allgemeine Synchronisationstechniken verwendeten.
Derartige Systeme konnten durch ein Netzwerk gesteuert werden; die Parameter für jede der parallelen Leistungsquellen konnten jedoch nicht variiert werden. Jede der Zellen konnte nur durch ein Synchronisationssignal gegeneinander versetzt werden. Derartige Systeme waren für eine zentrale Steuerung über das Internet und/oder das lokale Steuernetzwerk nicht geeignet, weil ein kompliziertes Netzwerk nur zur Schaffung des Zeitversatzes zwischen den Zellen nicht vorteilhaft war. US 6 472 634 Houston offenbart das Konzept einer Schweißzelle mit einem einzigen Wechselstromlichtbogen für jede Elektrode, wobei die Zelle selbst eine oder mehrere parallel geschaltete Leistungsversorgungen aufweist, deren jede ihren eigenen Schalterkreis besitzt. Der Ausgang des Schalterkreises wird dann kombiniert, um die Elektrode zu betreiben. Dies erlaubt den Einsatz relativ kleiner Schalter zur Polaritätsumkehr der einzelnen Leistungsversorgungen, die in dem System parallel geschaltet sind. Außerdem können relativ kleine Leistungsversorgungen parallel geschaltet werden, um den hohen Stromeingang zu jeder von mehreren Elektroden aufzubauen, die bei einer Tandem-Schweißoperation eingesetzt werden. Der Einsatz unabhängig voneinander gesteuerter Leistungsversorgungen, die nach dem Schaltkreis zur Umschaltung der Polarität parallel geschaltet werden, um eine einzelne Elektrode zu betreiben, erlaubt den vorteilhaften Einsatz eines Schaltkreises wie Internet oder Ethernet.
In US 6 472 634 Houston werden in jedem System kleinere Leistungsversorgungen parallel geschaltet, um eine einzelne Elektrode zu betreiben. Durch Koordinierung der Schaltpunkte jeder parallel geschalteten Leistungsversorgung mit einem hochgenauen Interface ist der Ausgangs-Wechselstrom die Summe der parallel geschalteten Leistungsversorgungen ohne Kombination vor dem Polaritätsschalter. Durch Einsatz dieses Konzeptes kann der Ethernet-Kreis mit oder ohne einen Internetlink die Schweißparameter jeder parallel geschalteten Leistungsversorgung des Schweißsystems steuern. Das Timing der Schaltpunkte wird über das neuartige Interface genau gesteuert, während die Schweißparameter, die der Steuerung für jede Leistungsversorgung zugeführt werden, durch ein Ethernetnetzwerk ohne genaue Zeitbasis geliefert werden können. Auf diese Weise kann ein Internetlink verwendet werden, um dem individuellen Steuerungen der Leistungsversorgung des Systems Parameter zum Betrieb einer einzigen Elektrode zuzuführen. Es bedarf keiner zeitbasierten Genauigkeit dieser für jede Leistungsversorgung kodierten Schweißparameter. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Schaltpunkt ein „Kill"-Signal, welches die Detektion eines Stromabfalls unter eine Minimalschwelle wie etwa 100 Ampere abwartet. Wenn jede Leistungsversorgung ein Schaltsignal hat, schaltet sie. Die Schaltpunkte zwischen parallelen Leistungsversorgungen, seien sie direkt oder eine Abfolge mit einem „Kill"-Signal mit Verzögerung, werden durch eine Interfacekarte genau koordiniert, die eine Genauigkeit von weniger als 10 μs und vorzugsweise im Bereich von 1 bis 5 μs aufweist. Diese Timinggenauigkeit koordiniert die und gleicht der Schaltoperation in den parallelen Leistungsversorgungen, um den Ausgangs-Wechselstrom zu koordinieren.
Durch Verwendung des Internets oder eines lokalen Ethernets ist der Satz von Schweißparametern für jede Leistungsversorgung auf einem weniger genauen Informationsnetzwerk verfügbar, mit dem die Steuerungen für die parallelen Leistungsversorgungen über eine hochgenaue digitale Interfacekarte verbunden sind. Auf diese Weise wird das Schalten der individuellen parallelen Leistungsversorgungen des Systems koordiniert. Dies ist ein Vorteil, der die Nutzung des Internets und der lokalen Netzwerk-Steuerung eines Schweißsystems erlaubt. Das Informationsnetzwerk umfasst Synchronisationssignale zur Initiierung mehrerer Lichtbogenschweißsysteme, die mit mehreren Elektroden in einer Tandem-Schweißoperation in einer ausgewählten Phasenbeziehung verbunden sind. Jedes der Schweißsysteme einer Elektrode hat individuelle Schaltpunkte, die genau gesteuert werden, während die Systeme verschoben oder verzögert werden, um eine gegenseitige magnetische Beeinflussung zwischen verschiedenen Elektroden zu vermeiden. Dies erlaubt den Betrieb mehrerer Wechselstromelektroden unter Verwendung eines gemeinsamen Informationsnetzwerks. Das System nach US 6 472 634 Houston ist besonders nützlich für parallele Leistungsversorgungen zum Betrieb einer gegebenen Elektrode mit Wechselstrom. Die Schaltpunkte werden durch ein genaues Interface koordiniert und die Schweißparameter für jede parallel liegende Leistungsversorgung werden von dem allgemeinen Informationsnetzwerk geliefert. Dieser Hintergrund ist eine von der Patentinhaberin entwickelte und patentierte Technologie, bildet aber nicht notwendig Stand der Technik, nur weil sie hier als „Hintergrund" dient.
Als ein Merkmal des Systems der US 6207 929 Stava können zwei oder mehr Leistungsquellen eine einzige Elektrode betreiben. Das System umfasst demgemäß eine erste Steuerung für eine erste Leistungsquelle, damit die erste Leistungsquelle zwischen der Elektrode und dem Werkstück einen Wechselstrom erzeugt, indem ein Schaltsignal hervorgerufen wird, mit Schaltpunkten zum Umschalten der Polarität in einer allgemeinen zeitlichen Beziehung gegenüber einem gegebenen System, welches das von der ersten Steuerung empfangene Signal synchronisiert. Diese erste Steuerung wird mit ersten Schweißparametern betrieben in Abhängigkeit von einem Satz spezifischer Parametersignale für die erste Leistungsquelle, die der ersten Steuerung zugeführt werden. Es ist mindestens eine abhängige Steuerung zum Betrieb der abhängigen Leistungsquelle vorgesehen, um zwischen der gleichen Elektrode und dem Werkstück einen Wechselstrom zu erzeugen, indem die Polarität des Wechselstroms an den Schaltpunkten umgekehrt wird. Die abhängige Steuerung arbeitet bei zweiten Schweißparametern in Abhängigkeit von dem zweiten Satz von spezifischen Signalen der Leistungsquelle, die der abhängigen Steuerung zugeführt werden. Ein Informationsnetzwerk, welches mit der ersten Steuerung und der zweiten oder abhängigen Steuerung verbunden ist, enthält digitale spezifische Parametersignale der ersten und zweiten Leistungsquelle für die beiden Steuerungen und das systemspezifische Synchronisationssignal. Die Steuerungen empfangen daher die Parametersignale und das Synchronisationssignal aus dem Informationsnetzwerk, welches ein Ethernetnetzwerk mit oder ohne ein Internetlink oder lediglich ein lokales Netzwerk sein kann. Die Erfindung beinhaltet ein digitales Interface, welches die erste Steuerung und die abhängige Steuerung zum Zwecke der Steuerung der Schaltpunkte der zweiten oder abhängigen Leistungsquelle durch das Schaltsignal der ersten oder Hauptsteuerung verbindet. In der Praxis beginnt die erste Steuerung eine Stromumkehr an einem Schaltpunkt. Dieses Ereignis wird mit hoher Genauigkeit der abhängigen Steuerung übermittelt, damit diese ihren Stromumkehrprozess beginnt. Wenn jede Steuerung einen Bogenstrom unterhalb eines gegebenen Betrags feststellt, wird ein „Fertigsignal" erzeugt. Nachdem ein „Fertigsignal" von allen parallelen Leistungsquellen vorliegt, schalten alle Leistungsquellen die Polarität um. Dies geschieht nach Empfang eines Zeitsignals alle 25 μs. Auf diese Weise geschieht das Umschalten gemeinsam und hat eine Verzögerung von weniger als 25 μs. Beide Steuerungen haben entsprechend eine verbundene Datensteuerung der Schaltpunkte des Wechselstroms zu der einzelnen Elektrode. Die gleichen Steuerungen erhalten Parameterinformationen und ein Synchronisationssignal von ei nem Informationsnetzwerk, welches in der Praxis eine Kombination von Internet und Ethernet oder ein lokales Ethernetnetzwerk umfasst. Die zeitliche Genauigkeit des digitalen Interface ist weniger als ungefähr 10 μs und vorzugsweise im Bereich von 1–5 μs. Auf diese Weise werden die Schaltpunkte der beiden Steuerungen, die eine einzige Elektrode betreiben, innerhalb weniger als 5 μs initiiert. Das Umschalten geschieht dann tatsächlich innerhalb 25 μs. Zur gleichen Zeit wird dann eine weniger zeitempfindliche Information aus dem Informationsnetzwerk empfangen, welches ebenfalls mit den beiden Steuerungen verbunden ist, die den Wechselstrom einer einzigen Elektrode in einer Tandemschweißoperation zuleiten. Die 25 μs maximaler Verzögerung können geändert werden, doch ist dies weniger als die Genauigkeit der Schaltersteuerung.
Das besondere Steuersystem nach US 6 472 634 Houston wird zur Steuerung der Leistungsquelle für Tandemelektroden eingesetzt, die in erster Linie beim Rohrnahtschweißen nach US 6 291 798 Stava verwendet wird. Dieses Stava Patent bezieht sich auf eine Reihe von Tandemelektroden, die entlang einem Schweißweg bewegbar sind und aufeinander folgende Schweißraupen in den Raum zwischen den Kanten eines rund gewalzten Rohrs oder die Enden zweier benachbarter Rohrsektionen legt. Die bei dieser besonderen Technologie verwendeten individuellen Wechselstrom-Wellenformen werden durch eine Anzahl von Stromimpulsen bei einer Frequenz von mindestens 18 kH erzeugt, wobei die Größe jedes Stromimpulses durch einen Wellenformer gesteuert wird. Diese Technologie geht auf US 5 278 390 Blankenship zurück. Die Gestaltung der Wellenformen in Wechselströmen zweier einander benachbarter Tandemelektroden ist bekannt und ist nicht nur in den vorstehend erwähnten Patenten dargestellt, sondern auch in US 6 207 929 Stava. Bei diesem letzteren Stava Patent wird die Frequenz des Wechselstroms bei einander benachbarten Tandemelektroden zur Vermeidung magnetischer Interferenz justiert. Alle diese patentierten Technologien der The Lincoln Electric Company in Cleveland, Ohio stellen Fortschritte in Betrieb von Tandemelektroden dar, von denen jede bei einer separaten Wechselstrom-Wellenform betrieben wird, die durch die in diesen Patenten dargelegte Wellenformtechnologie erzeugt werden.
Tabata et al in US 4 485 293 zeigt eine Lichtbogenschweißmaschine mit Kurzschlussübertragung mit einer Polaritätsänderung über einen Mechanismus zur Umkehr der Polarität einer Gleichspannung mit vorgegebener Geschwindigkeit, der zwischen der Drahtelektrode und dem Grundmetall der Gleichspannungsquelle eingesetzt wird. Die Bedienungsperson wählt das Verhältnis der Vorwärts- und Rückwärts-Polaritätsbindungen während der Schweißperiode im Voraus, wie vorstehend beschrieben. Wenn beispielsweise die Schweißung bei größerer Penetration des Grundmetalls durchgeführt werden soll, wird der prozentuale Anteil der Rückwärts-Polaritätsverbindung vergrößert. Im Gegensatz dazu wird im Fall einer Schweißraupe, die eine Erhöhung der Verstärkung erfordert, der Prozentsatz der Vorwärts-Polaritätsverbindung größer gemacht. Dies erfolgt jedoch nur zur Steuerung des Verhältnisses von Penetration und Verstärkung in einer Schweißung mit einem einzelnen Lichtbogen.
Die japanische Patentveröffentlichung 10328827 liefert ein Lichtbogenschweißverfahren mit Mehrfachelektroden und Wechselstrom. Wenn die Polarität des Wechselstroms umgeschaltet und der Wechselstrom geändert wird, bis eine den Lichtbogen löschende Spannung vorliegt, wird den Elektroden eine Wiederzündungsspannung zugeführt, je nach den Bedürfnissen der Wiederzündung.
Alle die vorerwähnten Patente offenbaren jedoch nicht die vorliegende Erfindung, die auf die Verwendung derartiger Wellenformtechnologie zum Einsatz beim Tandemschweißen mit einander benachbarten Elektroden gerichtet ist, die jeweils einen Wechselstrom verwenden. Diese Technologie hat ebenso wie die normale Transformatortechnologie Schwierigkeiten bei der Steuerung der Dynamik des Schweißbades erfahren. Es besteht daher ein Bedarf für ein elektrisches Lichtbogenschweißsystem für einander benachbarte Tandemelektroden, welches spezifisch zur Steuerung der Dynamik und der Physik des geschmolzenen Schweißbades während des Schweißens ausgelegt ist. Diese Vorteile können nicht erreicht werden, indem einfach die Frequenz zur Verminderung der magnetischen Interferenz geändert wird.
DIE ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung der Wellenformtechnologie, die in US 5 278 390 Blankenship offenbart ist und für Tandemelektroden-Schweißsysteme nach mehreren Patenten einschließlich US 6 207 292 Stava; 6 291 798 Stava und US 6 472 634 Houston eingesetzt wird. Die Verbesserung gegenüber dieser gut entwickelten Technologie besteht in der Steuerung der Wechselstromwellenformen, die durch zwei einander benachbarten Tandemelektroden erzeugt werden, in einer Art und Weise, dass das Schweißbad während des Schweißvorganges ruhig bleibt. Dieses Ziel wird durch die Verwendung eines Systems nach Anspruch 1 erreicht, welches die Beziehung zwischen den Wechselströmen einander benachbarter Tandemelektroden derart steuert, dass die Zeit der Beziehung gleicher Polarität, wie gleiche Polarität und entgegengesetzte Polarität, beschränkt wird, während ein Unterschied in Penetration und Ablagerung erreicht wird. Es wurde gefunden, dass während der Zeiten gleicher Polarität in den Wellenformen zweier einander benachbarter Tandemelektroden das geschmolzene Metall des Schweißbades physisch kollabiert, während bei entgegengesetzter Polarität der Wellenformen bei einander benachbarten Tandemelektroden das Schweißbad abgestoßen wird. Wenn die einander benachbarten Wechselstromimpulse eine lange Zeit, mehr als 20 ms, mit gleicher Polaritätsbeziehung aufweisen, kann die Aktion des Zusammenfallens oder des Abstoßens des geschmolzenen Metalls in dem Schweißbad den Schweißprozess unterbrechen. Die sich einstellende anschließend erstarrende Schweißraupe ist nicht gleichmäßig. Die Erfindung stellt sicher, dass bei der Verwendung von Wechselstrom bei einander benachbarten Elektroden keine längere Zeit einer spezifischen gleichlautenden Polaritätsbeziehung vorkommt. Dies ist ein Aspekt der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist ein elektrisches Lichtbogenschweißsystem entwickelt worden zur Schaffung eines ersten Wechselstrom-Schweißlichtbogens mit einer ersten Strom-Wellenform zwischen einer ersten Elektrode und einem Werkstück durch eine erste Leistungsquelle und zur Schaffung eines zweiten Wechselstrom-Schweißlichtbogens mit einer zweiten Strom-Wellenform zwischen einer zweiten Elektrode und einem Werkstück durch eine zweite Leistungsquelle, während die erste und die zweite Elektrode gemeinsam bewegt werden. Die Tandemelektroden werden jeweils durch einen Wechselstrom betrieben, der eine künstlich geschaffene Wellenform mit einer spezifischen Gestalt aufweist. Die Schaffung der Wellenform erfolgt durch eine Leistungsquelle mit einem Hochgeschwindigkeits-Schaltinverter, der seine Wellenform durch eine Anzahl von Stromimpulsen erzeugt, die bei einer Frequenz von mindestens 18 kH erfolgen, wobei die Größe jedes der Stromimpulse durch einen Wellenformer und die Polarität der Wellenformen durch ein logisches Signal gesteuert werden. Jede der Leistungsquellen gehört der generellen Art an, die in verschiedenen früheren Patenten gezeigt ist, worin die Wellenform an der Elektrode durch einen Wellenformer gesteuert wird. Die Umschaltung zwischen den Polaritäten wird durch ein Signal wie ein logisches Signal gesteuert, wie es in US 6 472 634 Houston erläutert ist. Diese Art von Leistungsquelle produziert Wellenformen mit einer Gestalt, die durch einen Wellenformer bestimmt ist, der manchmal als Wellenformgenerator bezeichnet ist. Die Erfindung bezieht sich auf diese Art von Leistungsquelle, die für Tandemelektroden eingesetzt werden, von denen jede durch einen Wechselstrom betrieben wird.
Entsprechend einem Aspekt der Erfindung hat wenigstens die erste Wechselstrom-Wellenform einen positiven Teil von wesentlich weniger Energie als ihr negativer Teil und ist gegenüber der zweiten Wechselstrom-Wellenform phasenversetzt. Infolgedessen setzt die durch den positiven Teil der Wellenform erzeugte Penetration eine andere Energie ein als die Ablagerung, die durch den negativen Teil der Wellenform erzeugt ist. Die Wellenformen sind gegeneinander versetzt, so dass die Wechselstrom-Wellenformen einander benachbarter Tandemelektroden einander nicht entsprechen und auf diese Weise nicht lange Perioden gleicher Polarität verursachen, bei denen entweder gleiche Polarität oder entgegen gesetzte Polaritäten während einer langen Zeit während der Schweißoperation gegeben sind.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der Erfindung umfassen die Wellenformen sinusförmige Gestalten, die durch einen Wellenformer generiert werden, der eine Reihe von rasch aufeinander erzeugten Stromimpulsen verwendet. Der sinusförmige Strom kann die Wellenform während des positiven Teils, während des negativen Teils der Wellenform oder während beider Teile der Wellenform aufweisen. Bisher haben Tandemoperationen von Elektroden die jeweils durch einen Wechselstrom, der von Wellenformen eines Wellenformers erzeugt wurden, keine sinusförmigen Gestalten erzeugt und auch die Zeit gleichlautender Polaritätsbeziehungen nicht beschränkt. Dies sind Vorteile, die durch die vorliegende Erfindung erreicht werden.
Entsprechend einem noch weiteren Aspekt der Erfindung hat der negative Teil einer oder mehrerer der Wechselstrom-Wellenformen wesentlich weniger Energie als ihr positiver Teil. Auf diese Weise wird die Wellenform maßgeschneidert, um die Penetration gegenüber der Ablagerung durch die Wellenform während des Schweißvorgangs zu vergrößern. Die Energiedifferenz kann durch Vergrößerung der maximalen Größe entweder des positiven oder des negativen Teils der Wellenform zustande gebracht werden oder durch Anpassung der Zeitdauer des negativen Teils im Vergleich zum positiven Teil. Auf diese Weise erfolgt die Steuerung der negativen und positiven Polarität in der geschaffenen Wellenform entweder durch die Größe oder durch die Zeitdauer eines Teils im Vergleich zum anderen.
Entsprechend noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat die erste Wechselstrom-Wellenform, die durch den Wellenformer geschaffen wird, einen positiven Teil, der sich in seiner Länge wesentlich von der des negativen Teils unterscheidet. Diese Verfahrensweise vollzieht eine Ausbalancierung zwischen Penetration und Ablagerung bei benachbarten Tandemelektroden, die beide von einem Wechselstrom betrieben werden, wobei jeder Strom von einem Wellenformer oder einem Wellenformgenerator geschaffene Wellenformen aufweist.
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines elektrischen Lichtbogenschweißsystems, wie in den vorangehenden Aspekten definiert, wobei die Perioden gleicher Polaritätsbeziehungen, die als gleiche und einander entgegengesetzte Polaritäten definiert sind, weniger als 20 ms betragen. Diese Perioden sind vorzugsweise kürzer als die Länge irgendeiner der beiden Wellenformen. vorzugsweise ist die gleich lautende Beziehung kürzer als die Länge der Zeitdauer einer Hälfte einer geschaffenen Wellenform.
Durch Einsatz der Erfindung wird das Schweißbad gesteuert und/oder werden die Wechselströme für einander benachbarte Tandemelektroden in sinusförmige Teile geformt. Dies ist das Hauptziel der vorliegenden Erfindung.
Ein weiteres Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines elektrischen Lichtbogenschweißsystems zur Schaffung zweier Wechselstrom-Schweißlichtbögen an einander benachbarten Tandemelektroden, bei welchem Schweißsystem die Zeit einer gleichlautenden Polaritätsbeziehung beschränkt ist.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines elektrischen Lichtbogenschweißsystems wie vorstehend definiert, welches Schweißsystem die geschaffenen sinusförmigen Wellenformen in entweder den positiven, den negativen oder beiden Teilen der geschaffenen Wellenformen nutzt.
Noch ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines elektrischen Lichtbogenschweißsystems wie vorstehend beschrieben, welches die Dynamik des Schweißbades steuert, um eine Beunruhigung des Schweißbades zu vermeiden und eine gleichmäßige Schweißraupe zu erzielen.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines elektrischen Schweißsystems wie vorstehend beschrieben, welches die Wellenformtechnologie nutzt bei gleichzeitigem Erhalt der Vorteile der Steuerung des Schweißbades wie auch des sinusartigen Profils der geschaffenen Wellenformen.
Diese und weitere Ziele und Vorteile gehen aus der folgenden Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaltbild des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 ist das Verdrahtungsdiagramm zweier paralleler Leistungsquellen, von denen jede einen Schalterausgang umfasst und die bei der praktischen Ausführung der Erfindung eingesetzt werden;
3 ist eine Schnittansicht von der Seite dreier Tandemelektroden, die entsprechend der vorliegenden Erfindung zum Schweißen einer Rohrnaht betrieben werden;
4 ist eine schematische Wiedergabe in Form eines Blockschaltbildes eines Schweißsystems für drei Elektroden unter Benutzung der Offenbarung in US 6 472 634 Houston und US 6 291 798 Stava;
5 ist ein Blockschaltbild einer einzigen Elektrode, die von dem System nach 4 mit einem variablen Impulsgenerator nach US 6 472 634 Houston betrieben wird;
6 ist ein Stromdiagramm für zwei wiedergegebene Synchronisationsimpulse und zeigt eine ausbalancierte Wellenform für eine Tandemelektrode;
7 ist ein Stromdiagramm, welches einem Signal mit einer Logik zur Bestimmung der Polarität der Wellenform überlagert ist, wie es in der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
8 ist ein Stromdiagramm, welches einen breiten Aspekt des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wiedergibt;
9 und 10 sind schematische Darstellungen, die die Dynamik des Schweißbades während gleich lautender Polaritätsbeziehungen von Tandemelektroden illustrieren, um den Vorteil der vorliegenden Erfindung zu erläutern;
11 sind zwei Stromdiagramme, die die Wellenformen zweier einander benachbarter Tandemelektroden bei Einsatz der vorliegenden Erfindung zeigen;
12 sind zwei Stromdiagramme von Wechselstrom-Wellenformern auf einander benachbarten Tandemelektroden mit Bereichen von gleich lautenden Polaritätsbeziehungen;
13 sind Stromdiagramme von Wellenformen auf einander benachbarten Tandemelektroden, wobei die Wechselstrom-Wellenform einer Elektrode eine von der anderen Elektrode wesentlich verschiedene Wellenform ist, um die Zeitdauer gleichlautender Polaritätsbeziehungen zu beschränken;
14 sind Stromdiagramme zweier sinusförmiger Wellenformen für einander benachbarte Elektroden, welche von einem erfindungsgemäßen System betrieben werden, um verschieden geformte Wellenformen für einander benachbarte Elektroden zu verwenden;
15 sind Stromdiagramme von Wellenformen an vier einander benachbarten Wechselstrom-Bögen von Tandemelektroden, die entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung geformt und synchronisiert sind; und
16 ist eine schematische Darstellung des Softwareprogramms zur Veranlassung des Schaltens der parallelen Leistungsquellen, sobald die koordinierten Schalt-Signale verarbeitet und das nächste Koinzidenzsignal erzeugt worden ist.
BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
In den Zeichnungen, in denen die Darstellung nur zum Zwecke der Illustration eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung und nicht zum Zwecke deren Beschränkung dienen, ist das System zur Verwirklichung der Erfindung im Einzelnen in den 1, 2 und 16 dargestellt. In 1 ist ein elektrisches Lichtbogenschweißsystem S mit einem einzigen Lichtbogen in der Form einer einzelnen Zelle wiedergegeben, die einen Wechselstrom als Lichtbogen in der Schweißstation WS erzeugt. Dieses System oder diese Zelle umfasst ein erstes oder Hauptschweißgerät A mit Ausgangsleitungen 10, 12 in Reihe mit einer Elektrode E und einem Werkstück W in Form einer Rohrnahtverbindung oder einer anderen Schweißoperation. Ein Hall-Effekt-Wandler 14 liefert auf der Leitung 16 eine Spannung, die dem Strom des Schweißgeräts A proportional ist. Weniger zeitkritische Daten wie Schweißparameter werden in einer entfernten Zentralsteuerung 18 erzeugt. In ähnlicher Weise umfasst das abhängige Schweißgerät B Leitungen 20, 22, die parallel zu den Leitungen 10, 12 geschaltet sind und einen zusätzlichen Wechselstrom an die Schweißstation WS übermitteln. Der Hall-Effekt-Wandler 24 erzeugt auf der Leitung 26 eine Spannung, die Stromniveaus in dem Schweißgerät B während der Schweißoperation darstellen. Obwohl nur ein einziges abhängiges oder Folgeschweißgerät B dargestellt ist, kann jede Zahl zusätzlicher Schweißgeräte parallel zu dem Hauptschweißgerät A vorhanden sein, um einen Wechselstrom über die Elektrode E und das Werkstück zu erzeugen. Der Wechselstrom wird in der Schweißstation kombiniert anstatt wie früher in einem Polaritätsschaltnetzwerk.
Jedes Schweißgerät umfasst eine Steuerung und eine Leistungsversorgung auf Inverterbasis, die als kombinierte Hauptsteuerung und Leistungsversorgung 30 wiedergegeben ist, und eine abhängige Steuerung und Leistungsversorgung 32. Die Steuerungen 30, 32 empfangen Parameterdaten und Synchronisationsdaten von einem logischen Netzwerk relativ einfachen Charakters. Die Parameterinformation oder -daten sind leistungsquellenspezifisch, wodurch jede der Leistungsquellen mit den gewünschten Werten wie Strom, Spannung und/oder Drahtvorschubgeschwindigkeit versorgt wird. Ein einfaches digitales Netzwerk kann die Parameterinformation liefern; der Wechselstrom für die Umkehr der Polarität tritt zur gleichen Zeit auf. Die „gleiche" Zeit bedeutet eine Zeitdifferenz von weniger als 10 μs und vorzugsweise in dem allgemeinen Bereich von 1 bis 5 μs. Um die präzise Koordination des Wechselstromausgangs von der Leistungsquelle 30 und der Leistungsquelle 32 zu bewerkstelligen, können die Schaltpunkte und Polaritätsinformationen nicht von einem allgemeinen logischen Netzwerk bezogen werden, weil dort das Timing weniger präzise ist. Die einzelnen Wechselstrom-Leistungsquellen werden durch ein Hochgeschwindigkeits- und hochgenaues Gleichstrom-Logikinterface koordiniert, die „Gateways" genannt werden. Wie in 1 dargestellt, sind die Leistungsquellen 30, 32 mit den notwendigen Betriebsparametern versehen, die durch die bidirektionalen Leitungen 42m bzw. 42s dargestellt sind. Diese nicht zeitempfindliche Information wird durch ein digitales Netzwerk nach 1 geliefert. Die Hauptleistungsversorgung 30 empfängt ein Synchronisationssignal dargestellt durch die unidirektionale Leitung 40, um den Betrieb der Steuerung hinsichtlich seines Ausgangs-Wechselstroms zeitlich zu steuern. Die Polarität des Wechselstroms für die Leistungsversorgung 30 wird auf der Leitung 46 ausgegeben. Das tatsächliche Schaltsignal für den Wechselstrom der Hauptleistungsversorgung 30 wird auf der Leitung 44 ausgegeben. Das Schaltsignal beauftragt die Leistungsversorgung S, die die Form eines Inverters hat, zu „Kill", was eine drastische Stromreduzierung bedeutet. In einer Alternative ist dies tatsächlich ein Schaltsignal zur Umkehr der Polarität. Die „Schaltpunkte" oder das Signal auf der Leitung 44 sind vorzugsweise ein „Kill" und die Signale zur Umkehr des Stroms verwenden die „Schaltpunkte", die in US 6 111 216 Stava erläutert sind. Auf diese Weise werden getimte Schaltpunkte oder Signale von der Leis tungsquelle 30 auf der Leitung 44 ausgegeben. Diese Schaltpunkte oder Signale können ein „Kill" der Leistungsversorgung gefolgt von einem Schalterfertigsignal bei niedrigem Strom oder lediglich einen Stromumkehrpunkt umfassen. Der Schalter „Fertig" wird verwendet, wenn das „Kill" Konzept realisiert wird, da keiner der Inverter tatsächlich umschalten soll, bevor er unterhalb des eingestellten Stroms ist. Dies ist in 16 beschrieben. Die Polarität der Schalter der Steuerung 30 steuert die Logik auf der Leitung 46. Die abhängige Leistungsversorgung 32 empfängt den Schaltpunkt oder das entsprechende Steuersignal auf der Leitung 44b und die Polaritätslogik auf der Leitung 46b. Diese beiden logischen Signale sind zwischen der Hauptleistungsquelle und der abhängigen Leistungsquelle durch das hochgenaue logische Interface, welches als Tor 50 dargestellt ist, das übertragende Tor, und das Tor 52, das empfangende Tor. Diese Tore sind Netzwerk-Interfacekarten für jede der Leistungsquellen, so dass die logischen Signale auf den Leitungen 44b, 46b nahe den Logiken auf den Leitungen 44 bzw. 46 getimt sind. In der Praxis steuern die Netzwerk-Interfacekarten oder Tore 50, 52 für diese Logik innerhalb 10 μs und vorzugsweise innerhalb 1 bis 5 μs. Ein Netzwerk geringer Genauigkeit steuert die einzelnen Leistungsquellen hinsichtlich der Daten von der zentralen Steuerung 18 über die Leitungen 42m, 42s, die wie dargestellt durch Tore oder Interface-Karten gebildet sind. Diese Leitungen enthalten Daten von entfernten Stellen (auch wie die zentrale Steuerung 18), die nicht zeitempfindlich sind und nicht die Genauigkeitseigenschaften der Tore aufweisen. Die hochgenauen Daten zum Timen des Umschaltens der Schalter verwenden verbindende logische Signale über die Netzwerk-Interfacekarten 50, 52. Das System in 1 ist eine einzige Zelle für einen einzigen Wechselstrom-Lichtbogen; die Erfindung ist jedoch auf Tandemelektroden gerichtet, bei denen zwei oder mehr Wechselstromlichtbögen erzeugt werden, um den großen Spalt zu füllen, der beim Rohrschweißen vorkommt. Die Hauptleistungsquelle 30 für die erste Elektrode empfängt ein Synchronisationssignal, welches das Timing oder den Phasenbetrieb des Systems S für eine erste Elektrode bestimmt, z. B. ARC1. Das System S wird mit andere identischen Systemen benutzt, um die ARCs 2, 3 und 4 zu erzeugen, die durch die Synchronisationsausgänge 84, 86, 88 getimt werden. Dieses Konzept ist schematisch in 5 wiedergegeben. Die Synchronisation oder Phasenstellsignale 82–88 sind in 1 mit nur einer der Tandemelektroden dargestellt. Ein Informationsnetzwerk N umfassend einen zentralen Steuercomputer und/oder Webserver 60 liefert digitale Informationen oder Daten, die sich auf die spezifischen Leistungsquellen in verschiedenen Systemen oder Zellen beziehen, die verschiedene Elektroden in Tandemoperationen steuern. Die Internetinformation wird einem lokalen Netzwerk in Form des Ethernetzwerks 70 zugeleitet, welches lokale Verbindungsleitungen 70a, 70b, 70c aufweist. Ähnliche Verbindungsleitungen führen zu jeder Leistungsquelle, die in den vier Zellen zur Erzeugung der ARCs 1, 2, 3 und 4 einer Tandemschweißoperation eingesetzt ist. Die Beschreibung des Systems oder der Zelle S trifft für jeden der Bögen an den anderen Elektroden zu. Wenn ein Wechselstrom eingesetzt wird, wird eine Hauptleistungsquelle verwendet. In einigen Fällen wird nur eine Hauptleistungsquelle mit einem zellenspezifischen Synchronisationssignal eingesetzt. Wenn höhere Ströme erforderlich sind, umfassen die Systeme oder Zellen eine Kombination aus Hauptleistungsquelle und abhängiger Leistungsquelle wie es im Bezug auf das System S in 1 beschrieben worden ist. In einigen Fällen wird ein Gleichstrom-Lichtbogen zusammen mit zwei oder mehr Wechselstromlichtbögen eingesetzt, die durch den Generator 80 synchronisiert werden. Oft ist der Gleichstrom-Lichtbogen die führende Elektrode in einer Schweißoperation mit Tandemelektroden, gefolgt von zwei oder mehr synchronisierten Wechselstromlichtbögen. Eine Gleichstromleistungsquelle braucht nicht synchronisiert zu sein noch besteht eine Notwendigkeit für eine genaue Verbindung der Polaritätslogik und der Schaltpunkte oder -signale. Einige Gleichstrom-betriebene Elektroden können zwischen positiv und negativ hin und her geschaltet werden, aber nicht bei der Frequenz einer mit Wechselstrom betriebenen Elektrode. Ungeachtet des Charakters der Lichtbögen umfasst das Ethernet oder lokale Netzwerk 70 die Parameter-Information in kodierter Weise, die für spezifische Leistungsversorgungen der verschiedenen Systeme bei einer Tandem-Schweißoperation ausgelegt sind. Dieses Netzwerk verwendet auch Synchronisationssignale für die verschiedenen Zellen oder Systeme, durch die die Systeme in einer Zeitbeziehung gegeneinander versetzt werden können. Diese Synchronisationssignale werden dekodiert und von einer Hauptleistungsversorgung empfangen, wie es durch die Leitung 40 in 1 wiedergegeben ist.
Auf diese Weise werden die Wechselstrom-Lichtbögen auf einer Zeitbasis gegeneinander versetzt. Diese Synchronisationssignale brauchen nicht so genau zu sein wie die Schaltpunkte über Netzwerk-Interfacekarten oder -tore 50, 52. Die Synchronisationssignale auf dem Datennetzwerk werden durch ein Netzwerk-Inferface in Form eines variablen Impulsgenerators 80 empfangen. Der Generator erzeugt versetzte Synchronisationssignale auf den Leitungen 84, 86 und 88. Diese Synchronisationssignale diktieren die Phase der individuellen Wechselstromzellen für separate Elektroden in der Tandemoperation. Die Synchronisationssignale können durch den Generator 80 erzeugt oder durch den Generator durch das Netzwerk 70 empfangen werden. In der Praxis aktiviert das Netzwerk 70 nur den Generator 80, um das Verzögerungsmuster für die vielen Synchronisationssignale zu erzeugen. Der Generator 80 kann auch die Frequenz der individuellen Zellen über die Frequenz der Synchronisationsimpulse verändern, wenn dieses Merkmal in der Tandem-Schweißoperation erwünscht ist.
Bei der praktischen Verwirklichung des Systems wie in 1 beschrieben können verschiedenartige Steuerungen und Leistungsquellen eingesetzt werden; die bevorzugte Verwirklichung des Systems ist jedoch in 2 dargelegt, worin eine Leistungsversorgung PSA mit einer Steuerung und Leistungsversorgung 30 kombiniert ist und eine Leistungsversorgung PSB mit der Steuerung und Leistungsversorgung 32 kombiniert ist. Diese beiden Einheiten stimmen in ihrem Aufbau im Wesentlichen überein und sind, wo angebracht, mit den gleichen Bezugszahlen versehen. Die Beschreibung der Leistungsquelle PSA trifft gleichermaßen auf die Leistungsquelle PSB zu. Der Inverter 100 hat einen Eingangsgleichrichter 102, der dreiphasigen Strom L1, L2 und L3 empfängt. Der Ausgangstransformator 100 ist über einen Ausgangsgleichrichter 112 mit einer mit Anschlüssen versehenen Spule 120 zum Antrieb der Schalter Q1, Q2 für die entgegengesetzten Polaritäten verbunden. Die Steuerung 140a der Leistungsquelle PSA und die Steuerung 140b von PSB stimmen im Wesentlichen überein, mit der Ausnahme, dass die Steuerung 140a der Steuerung 140b Timinginformationen übermittelt. Die Schaltpunkte oder Leitungen 142, 144 steuern den leitenden Zustand der Polaritätsschalter Q1, Q2, um die Polarität zu einem Zeitpunkt umzuschalten, der durch die Logik auf den Leitungen 142, 144 bestimmt ist, wie es mehr im Einzelnen in US 6 111 216 Stava erläutert ist, worauf hier Bezug genommen wird. Die Steuerung erfolgt digital mit einem logischen Prozessor. Der A/D-Konverter 150 wandelt die Strominformation auf den Rückkopplungsleitungen 16 oder 26 in digitale Steuersignale für das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers 152 um, der als ein analoger Fehlerverstärker dargestellt ist. In der Praxis handelt es sich aber um ein digitales System, und es befindet sich kein weiteres analoges System in der Steuerungsarchitektur. In der Darstellung jedoch hat der Verstärker ein erstes Eingangssignal 152a von dem Konverter 150 und ein zweites Eingangssignal 152b von der Steuerung 140a oder 140b. Das Stromsteuerungssignal auf der Leitung 152b umfasst die Wellenform oder die für den Wechselstrom im Bogen an der Schweißstation WS benötigte Wellenform. Dies entspricht der üblichen Praxis, wie sie durch mehrere Patente von Lincoln Electric wie z. B. US 5 278 390 Blankenship gelehrt wird, worauf hier Bezug genommen wird. Siehe auch US 6 207 929 Stava, worauf hier Bezug genommen wird. Der Ausgang des Verstärkers 152 wird durch den Konverter 160 in analoges Spannungssignal umgewandelt und treibt den Impulsbreitenmodulator 162 bei einer Frequenz, die durch den Oszillator 164 gesteuert wird, der ein Timerprogramm in der Software des Prozessors ist. Die Gestalt der Wellenform in den Lichtbögen ist die Spannung oder der digitale Betrag auf den Leitungen 152b. Die Frequenz des Oszillators 164 ist größer als 18 kHz. Die gesamte Architektur dieses Systems ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung digitalisiert und umfasst keine Rückwandlung in ein analoges Signal. Diese Darstellung ist schematisch zum Zwecke der Illustration und soll keine Beschränkung des bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung eingesetzten Leistungsversorgung sein. Andere Leistungsversorgungen könnten verwendet werden.
Die praktische Ausführung der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der Konzepte der 1 und 2 ist in den 3 und 4 dargestellt. Das Werkstück 200 ist eine Naht in einem Rohr, die von Tandemelektroden 202, 204 und 206 zusammengeschweißt wird, die von individuellen Leistungsquellen PS1, PS2 bzw. PS3 beaufschlagt werden. Die Leistungsversorgungen können mehr als eine Leistungsquelle enthalten, die entsprechend der Technologie in US 6 472 634 Houston koordiniert werden. Das dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst einen Gleichstrom-Lichtbogen für die Führungselektrode 202 und einen Wechselstromlichtbogen für jede der Tandemelektroden 204, 206. Die erzeugten Wellenformen der Tandemelektroden sind Wechselströme und umfassen Wellenformen, die von einem Wellenformer oder Wellengenerator entsprechend der vorstehend beschriebenen Wellenformtechnologie erzeugt werden. Da die Elektroden 202, 204 und 206 entlang des Schweißpfades WP bewegt werden, wird eine Metallschmelze P in der Rohrnaht 200 abgelegt, wobei ein offener Wurzelteil 210 von den Ablagerungen 212, 214 und 216 der Elektroden 202, 204 bzw. 206 gefolgt werden. Wie vorstehend beschrieben werden mehr als zwei wechselstrombetriebene Elektroden erläutert und durch die Wellenformen der 15 illustriert und können durch die Erfindung betrieben werden, die die Wechselströme der einander benachbarten Elektroden in Beziehung setzt. Die Leistungsversorgungen wie in 4 gezeigt umfassen jeweils einen Inverter 220, der ein Gleichstrom-Link von dem Gleichrichter 222 erhält. Entsprechend der Lincoln Wellenformtechnologie wird ein Chip oder eine interne programmierte Impulsbreitenmodulatorstufe 224 durch einen Oszillator 226 bei einer Frequenz oberhalb 18 kHz und vorzugsweise oberhalb 20 kHz betrieben. Da der Oszillator 226 den Impulsbreitenmodulator 224 antreibt, hat der Ausgangsstrom eine Gestalt, die von der Wellenform bestimmt ist, die von dem Wellenformer 240 als eine Spannung oder ein digitaler Betrag auf der Leitung 242 ausgeht. Die Gestalt in Realzeit wird mit dem tatsächlichen Bogenstrom auf der Leitung 232 durch eine Stufe verglichen, die als Komparator 230 dargestellt ist, so dass der Ausgang auf der Leitung 234 die Gestalt der Wechselstrom-Wellenformen steuert. Der digitale Betrag oder die Spannung auf der Leitung 234 bestimmt das Ausgangssignal auf der Leitung 224a zu dem Steuerinverter 220, so dass die Wellenform des Stromes im Bogen dem ausgewählten und von dem Wellenformer 240 ausgegebenen Profil folgt. Dies entspricht der Standard-Lincoln-Wellenformtechnologie, wie vorangehend diskutiert. Die Leistungsquelle PS1 erzeugt einen Gleichstrom-Lichtbogen an der Führungselektrode 202; der Ausgang des Wellenformers 240 dieser Leistungsquelle entspricht daher einem konstanten Zustand, der die Größe des Gleichstroms angibt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich nicht auf die Bildung eines Gleichstromlichtbogens. Die vorliegende Erfindung besteht im Gegensatz dazu in der Steuerung des Stroms an zwei einander benachbarten Wechselstromlichtbogen für Tandemelektroden wie den Elektroden 204, 206. Entsprechend der Erfindung umfasst der Wellenformer 240 einen Eingang 150, der zur Auswahl der gewünschten Form oder des gewünschten Profils der Wechselstrom-Wellenform eingesetzt wird. Diese Form kann in Realzeit durch ein internes Programm verändert werden, welches schematisch als Veränderungsprogramm 252 dargestellt ist. Der Wellenformer 240 hat einen Ausgang, der als Prioritätssignal auf der Leitung 254 erscheint. In der Praxis ist das Prioritätssignal ein Logikbit, wie in 7 dargestellt. Der logische Zustand 1 zeigt eine negative Polarität der von dem Wellenformer 240 erzeugten Wellenform an und der logische Zustand 0 zeigt eine positive Polarität an. Dieses logische Signal oder die Bitsteuerung 220, die der Leistungsquelle zugeleitet wird, wird entsprechend der Technologie abgelesen, die in 16 diskutiert wird. Der Inverter schaltet von einer positiven Polarität zu einer negativen Polarität oder umgekehrt zu einem spezifischen „Fertig"-Zeitpunkt, der durch eine Änderung des Logikbits auf der Leitung 254 initiiert wird. In der Praxis wird dieses Bit von dem variablen Impulsgenerator 80 empfangen, der in den 1 und 5 dargestellt ist. Das Schweißsystem der 3 und 4 wird bei der praktischen Ausführung der Erfindung benutzt, wenn die Formen der Wechselstrom-Lichtbogenströme an den Elektroden 204 und 206 neue Gestalt zwecks Erhalt eines vorteilhaften Ergebnisses der vorliegenden Erfindung aufweisen, d. h. ein generell ruhiges Metallbad P und/oder synthetisierte sinusförmige Wellenformen, die mit dem Transformatorwellenformen kompatibel sind, die beim Lichtbogenschweißen verwendet werden. Das elektrische Lichtbogenschweißsystem der 3 und 4 hat ein Programm zur Auswahl der Wellenform in dem „Auswahl"-Programm 250 des Wellenformers 240. Auf diese Weise werden die besonderen Wellenformen der vorliegenden Erfindung durch die Tandemelektroden benutzt. Eine der Leistungsquellen zur Erzeugung eines Wechselstrom-Lichtbogens ist schematisch in 5 dargestellt. Die Leistungsversorgung oder -quelle wird durch einen variablen Impulsgenerator 80 gesteuert, der in 1 dargestellt ist. Das Signal 260 des Impulsgenerators steuert die Leistungsquelle für den ersten Lichtbogen. Dieses Signal umfasst die Synchronisation der Wel lenformen zusammen mit dem Polaritätsbit, der von dem Wellenformer 240 auf der Leitung 254 ausgegeben wird. Die Leitungen 260a bis 260n steuern die gewünschten nachfolgenden Tandem-Wechselstrom-Lichtbogen, die durch das Schweißsystem der vorliegenden Erfindung betrieben werden. Das Timing dieser Signale verändert den Start der anderen Wellenformen. 5 zeigt nur die Beziehung des variablen Impulsgenerators 80 zur Steuerung der nachfolgenden Lichtbogen, wie im Zusammenhang mit 4 erläutert worden ist.
In dem Schweißsystem nach US 6 472 634 Houston werden die Wellenformen wie in 6 erzeugt, worin der Wellenformer für den Bogen AC1 an der Elektrode 204 ein Signal 270 mit positiven Teilen 272 und negativen Teilen 274 erzeugt. Der zweite Lichtbogen AC2 an der Elektrode 206 wird durch das Signal 280 des Wellenformers mit positiven Teilen 282 und negativen Teilen 284 gesteuert. Diese beiden Signale sind die gleichen, sind jedoch durch das Signal des Generators 80 um eine Strecke x versetzt, wie in 6 erkennbar ist. Die durch die Wellenformtechnologie erzeugten Stromimpulse oder Wellenformen an einem der Lichtbögen sind Wellenformen mit positiven Teilen 92 und negativen Teilen 292, die in 6 unten gezeigt sind. Ein logischer Bit des Wellenformers bestimmt, wann die Wellenform von der positiven Polarität in die negative Polarität und umgekehrt umgeschaltet werden. Im Einklang mit der Offenbarung in US 6 111 216 Stava (worauf hier Bezug genommen wird) wird der Impulsbreitenmodulator 224 allgemein an den Stellen 291a und 291b auf ein niedrigeres Niveau umgeschaltet. Der Strom fällt dann ab, bis er eine festgelegte Höhe erreicht, wie 100 Ampere. In der Folge ändern die Schalter an den Stellen 294a und 294b die Polarität. Dies bringt eine vertikale Linie oder Gestalt 296a, 296b hervor, wenn der Strom zwischen dem positiven Teil 290 und dem negativen Teil 292 übergeht. Dies ist das in dem Houston Patent offenbarte System, wo gleiche Wellenformen verschoben werden, um eine magnetische Interferenz zu vermeiden. Die Wellenformteile 290, 292 sind die gleichen an dem Lichtbogen AC1 wie an dem Lichtbogen AC2. Dies ist ein Unterschied zur vorliegenden Erfindung, der sich auf eine Vereinheitlichung der Wellenformen an dem Lichtbogen AC1 und dem Lichtbogen AC2 zum Zwecke der Steuerung der Metallschmelze und/oder zur Synthetisierung einer sinusförmigen Wellenform in einer Weise bezieht, die bisher nicht angewendet worden ist. Die Offenbarung der 6 wird vorgetragen, um das Konzept der Verschiebung der Wellenformen darzulegen, jedoch nicht die Erfindung, die in dem Zurechtformen jeder der einander benachbarten Wellenformen besteht. Die gleiche Schaltprozedur zur Erzeugung eines vertikalen Übergangs zwischen den Polaritäten wird bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet. Der Übergang von dem Schweißsystem in der 6 zur vorliegenden Erfindung wird allgemein in 7 dargestellt. Die Logik auf der Leitung 254 ist als Logik 1 in den Teilen 300 und als Logik 0 in den Teilen 302 wiedergegeben. Die Änderungen der Logik oder der Bitzahlen gibt die Zeit an, zu der das in 16 gezeigte System die Polarität ändert. Dies ist schematisch in dem unteren Diagramm der 6 an den Stellen 294a und 294b dargestellt. Erfindungsgemäß hat der Wellenformer 240 für jeden der einander benachbarten Wechselstrom-Lichtbögen eine erste Wellenform 310 für eine der Polaritäten und eine zweite Wellenform 312 für die andere Polarität. Jede der Wellenformen 310, 312 wird durch die Logik auf der Leitung 234 zusammen mit der Logik auf der Leitung 254 erzeugt. Auf diese Weise sind die Impulse 310, 312 in 7 unterschiedliche Impulse für die Teile positiver und negativer Polarität. Jeder der Impulse 310, 312 wird durch separate und unterschiedliche Stromimpulse 310a, 310b wie gezeigt erzeugt. Das Umschalten zwischen den Polaritäten wird wie in 6 illustriert vollzogen, wo die von dem Wellenformer erzeugten Wellenformen mit der allgemeinen Gestalt der Wellenformen 310, 312 dargestellt sind. Die positive Polarität steuert die Penetration und die negative Polarität steuert die Ablagerung oder dem Auftrag der Schweißschmelze. Erfindungsgemäß sind die positiven und negativen Impulse einer Wellenform unterschiedlich und werden die Schaltpunkte so gesteuert, dass die Wechselstrom-Wellenform an einem Lichtbogen sowohl hinsichtlich der negativen Polarität als auch der positiven Polarität so gesteuert, dass sie eine spezifische Gestalt erhalten, die durch den Ausgang des Wellenformers 240 erzeugt wird. Die Wellenform für den dem Lichtbogen mit dem Strom nach 7 benachbarten Lichtbogen wird anders gesteuert, um die Vorteile der Erfindung zu erhalten. Dies ist am Besten in 8 dargestellt. Die Wellenform an dem Bogen AC1 ist im oberen Teil der 8 zu sehen. Sie umfasst positive Teile 320 mit Stromimpulsen 320a und negative Teile 322 mit Stromimpulsen 322a. Der positive Teil 320 hat eine maximale Größe a und eine Breite bzw. zeitliche Periode b. Der negative Teil 322 hat eine maximale Größe d und eine Zeitdauer oder Periode c. Diese vier Parameter werden durch den Wellenformer 240 eingestellt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Lichtbogen AC2 die in 8 unten wiedergegebene Wellenform, bei der der positive Teil 330 durch Stromimpulse 330a gebildet wird, und eine Höhe oder Größe a' und eine zeitliche Länge oder Periode c' besitzt. Diese Parameter werden durch den Wellenformer 240 eingestellt. Erfindungsgemäß ist die Wellenform des Wellenformers an dem Lichtbogen AC1 mit der Wellenform vor dem Lichtbogen AC2 außer Phase. Diese beiden Wellenformen haben Parameter oder Dimensionen, die so eingestellt sind, dass (a) die Penetration und die Ablagerung gesteuert werden und (b) keine lange Zeit existiert, während derer die Schweißschmelze P einer spezifischen Polaritätsbeziehung unterworfen ist, sei es gleiche Polarität oder entgegen gesetzte Polarität. Dieses Konzept bei der Bildung der Wellenformen verhindert längere Polaritätsbeziehungen wie in den Darstellungen der 9 und 10 erläutert. In 9 haben die Elektroden 204, 206 gleiche Polarität, die durch die Wellenformen einander benachbarter Ströme zu jedem Zeitpunkt bestimmt ist. Zu diesem Zeitpunkt verlaufen die magnetischen Flüsse 350 der Elektrode 204 und 352 der Elektrode 206 in der gleichen Richtung und heben sich gegenseitig in dem mittleren Bereich zwischen den Elektroden auf. Dies veranlasst die Bereiche 360, 362 des geschmolzenen Metalls an den Elektroden 204, 206 in der Schweißschmelze P sich aufeinander zu bewegen, wie es mit den Pfeilen c dargestellt ist. Diese Bewegung nach innen oder der Kollaps des geschmolzenen Metalls in der Schweißschmelze P zwischen den Elektroden 204 führt schließlich zu einer aufwärts spritzenden Wirkung, wenn sie nicht in einer sehr kurzen Zeit, d. h. in weniger als ungefähr 20 ms gestoppt wird. Wie in 10 dargestellt, erfolgt eine entgegengesetzte Bewegung der Schweißschmelze, wenn die Elektroden 204, 206 einander entgegen gesetzte Polaritäten aufweisen. Dann werden die magnetischen Flüsse 370 und 372 akkumuliert und in dem mittleren Teil 374 zwischen den Elektroden verstärkt. Hohe Kräfte zwischen den Elektroden lässt die Schmelzteile 364, 366 der Metallschmelze P sich von einander ent fernen oder von einander hinwegdrängen. Dies wird durch die Pfeile r dargestellt. Ein derartiges Auseinanderdrängen der Schmelze in der Schweißschmelze P erzeugt eine Unterbrechung der Schweißraupe, wenn es sich für eine wesentliche Zeit fortsetzt, wie im Allgemeinen weniger als 10 ms beträgt. Wie aus den 9 und 10 ersichtlich ist, ist es wünschenswert, die Zeit zu begrenzen, während derer die Polarität der Wellenform einander benachbarter Elektroden entweder gleich oder entgegengesetzt ist. Die vorliegende Erfindung benutzt die Wellenform, wie in 6 dargestellt, um dieses Ziel eines längeren Vorliegens gleicher Prioritätsbeziehungen wie gleiche Polaritäten oder einander entgegen gesetzte Polaritäten zu verhindern. Diese Beziehungen sind gleichermaßen schädlich für eine Qualitätsschweißung und werden bei Einsatz der Erfindung vermieden. Wie in 8 dargestellt, werden gleiche Polarität und entgegen gesetzte Polarität nur für eine sehr kurze Zeit eingehalten, die geringer als eine Zykluslänge der Wellenformen der Lichtbögen AC1 und AC2 sind. Diese positive Entwicklung der Vermeidung längeren Auftretens von Polaritätsbeziehungen zusammen mit dem neuen Konzept von Impulsen verschiedener Gestalten und verschiedener Proportionen in den positiven und negativen Bereichen wirken zu einer Steuerung der Schweißschmelze, zu einer Steuerung der Penetration und zu einer Steuerung der Ablagerung bzw. des Auftrages von Schweißgut in einer Weise zusammen, die beim Schweißen mit normalen Transformator-Leistungsquellen oder bei normaler Verwendung der Lincoln-Wellenform-Technologie nicht erreichbar waren.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 11 dargestellt, worin die positiven und negativen Teile der Wechselstrom-Wellenform des Wellenformers 240 synthetisierte sinusförmige Gestalten mit unterschiedlichen Energien in dem positiven Teil im Vergleich zum negativen Teil der Wellenformen sind. Die synthetisierte Sinuswelle oder die entsprechenden sinusförmigen Teile der Wellenformen sind neu. Die Wellenformen können auf diese Weise mit Transformatorschweiß-Schaltungen und mit der Evaluation der Sinuswellenschweißung kompatibel sein. In 11 liegt die Wellenform 370 bei AC1 vor und die Wellenform 372 bei AC2. Diese Tandemlichtbögen nutzen den Wechselstrom AC für die Schweißung wie in 11 dargestellt, worin ein kleiner positiver sinusförmiger Teil 370a die Penetration an dem Bogen AC1 steuert, während der größere negative Teil 370b die Ablagerung von Metall an dem Bogen AC1 steuert. Es tritt bei einer Änderung in dem Logikbit ein Umschalten der Polaritäten ein, wie in 7 diskutiert. Die sinusförmige Wellenform 370 fällt vertikal von ungefähr 100 Ampere durch den Stromwert 0 hindurch ab, wie durch die vertikale Linie 370c gezeigt. Der Übergang zwischen dem negativen Teil 370b und dem positiven Teil 370a startet ebenfalls einen vertikalen Übergang an dem Schaltpunkt, der den vertikalen Übergang 370d verursacht. In ähnlicher Weise hat die phasenversetzte Wellenform 372 des Lichtbogens AC2 einen kleinen Penetrationsteil 372a und einen großen negativen Ablagerungsteil 372b. Der Übergang zwischen den Polaritäten ist durch die vertikalen Linien 372c und 372d bezeichnet. Die Wellenform 372 ist gegenüber der Wellenform 370 versetzt, so dass die Dynamik der Schweißschmelze ohne übermäßiges Zusammenfallen oder Abstoßen von geschmolzenem Metall in der Schweißschmelze steuerbar ist, die durch die Polaritäten der einander benachbarten Lichtbögen AC1, AC2 verursacht sind. In dem Ausführungsbeispiel der 11 sind die Sinus-Wellenformen und die Frequenzen die gleichen. Sie sind lediglich gegeneinander verschoben, um ein längeres Auftreten einer spezifischen Polaritätsbeziehung zu verhindern.
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist schematisch in 12 dargestellt, in der die Wellenform 380 für den Lichtbogen AC1 und die Wellenform 382 für den Lichtbogen AC2 verwendet werden. Die Teile 380a, 380b, 382a und 382b sind sinusförmig synthetisiert und sind wie dargestellt im Wesentlichen von der gleichen Größe. Indem diese beiden Wellenformen um 90° versetzt werden, sind die Bereiche gleichlautender Polarität als 390, 392, 394 und 396 bezeichnet. Durch Verwendung der versetzten Wellenformen mit sinusförmigen Profilen verbleiben gleiche oder einander entgegen gesetzte Polaritäten nicht für längere Zeit. Die Schweißschmelze wird daher nicht beunruhigt und verbleibt ruhig. Dieser Vorteil wird durch Verwendung der vorliegenden Erfindung erreicht, die auch noch in Kombination das Konzept einer Energiedifferenz zwischen den Teilen positiver und negativer Polarität einer gegebenen Wellenform nutzt. 12 illustriert grundsätzlich die Definition gleich lautender Polaritätsbeziehungen und die Tatsache, dass diese nur für eine kurze zeitliche Periode bestehen sollten. Dieses Ziel zu erreichen, ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in 13 dargestellt, worin die vorstehend definierte Wellenform 380 mit einer Wellenform 400 kombiniert ist, die als die Sägezahn-Wellenform des Lichtbogens AC2 (a) oder die pulsierende Wellenform 402 als die Wellenform für den Lichtbogen AC2 (b) gezeigt ist. Die Kombination der Wellenform 380 mit der unterschiedlichen Wellenform 400 oder einer unterschiedlichen Wellenform 402 führt zu sehr kleinen Bereichen oder Zeiten gleich lautender Polaritätsbeziehungen 410, 412, 414 usw. Die in 14 dargestellte Erfindung hat an einem Lichtbogen eine Wechselstromwellenform, die drastisch von der Wechselstrom-Wellenform an dem anderen Lichtbogen unterschiedlich ist. Dieses gleiche Konzept drastisch unterschiedlicher Wellenformen zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung ist in 14 illustriert, worin die Wellenform 420 eine Wechselstromimpulsprofil-Wellenform und die Wellenform 430 eine sinusförmige Profilwellenform von ungefähr der halben Wellenlänge der Wellenform 420 ist. Die Wellenform 420 umfasst einen kleinen positiven Penetrationsteil 420a und einen großen Ablagerungsteil 420b mit geraden Polaritätsübergängen 420c. Die Wellenform 430 umfasst einen positiven Teil 430a und einen negativen Teil 430b mit vertikalen Polaritätsübergängen 430c. Durch diese zwei verschiedenen Wellenformen wird beide Male das Konzept der synthetisierten Sinusform für eine Elektrode eingesetzt, und es besteht keine längere Zeitdauer gleich lautender Polaritätsbeziehung. Auf diese Weise bleibt das Metall in dem Schweißbad P während der Schweißoperation mit beiden Lichtbogen AC1, AC2 relativ ruhig.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in 15 dargestellt, worin durch den Wellenformer 240 der Leistungsquelle für jeden der vier Lichtbögen, AC1, AC2, AC3 und AC4 Wellenformen 450, 452, 454 und 456 erzeugt werden. Die einander benachbarten Lichtbögen sind ausgerichtet, wie durch das Synchronisationssignal 460 angedeutet ist, welches die Entsprechung der Wellenformen und den Übergang von dem negativen Teil zum positiven Teil definiert. Dieses Synchronisationssignal wird durch den in 1 gezeigten Generator 80 erzeugt, mit der Ausnahme, dass die Start impulse ausgerichtet sind. In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die erste Wellenform 450 einen positiven Teil 450a, der mit sowohl dem positiven als auch dem negativen Teil der benachbarten Wellenformen 452, 454 und 456 synchronisiert ist. Der positive Teil 450a ist beispielsweise synchronisiert mit und bezogen auf den positiven Teil 452a und dem negativen Teil 452b der Wellenform 452. In ähnlicher Weise ist der positive Teil 452a der Wellenform 452 synchronisiert mit und bezogen auf den positiven Teil 454a und den negativen Teil 454b der Wellenform 454. Die gleiche Beziehung besteht zwischen dem positiven Teil 454a und dem negativen Teil 454b der Wellenform 454. Die gleiche Beziehung existiert zwischen dem positiven Teil 454a und den Teilen 456a und 456b der Wellenform 456. Der negative Teil 450b ist synchronisiert und bezogen auf die beiden Teile entgegengesetzter Polarität der ausgerichteten Wellenform 452. Die gleiche Zeitbeziehung existiert zwischen dem negativen Teil 452b und der Wellenform 454. Mit anderen Worten: in jedem jeweils benachbarten Lichtbogen ist ein Polaritätsteil der Wellenform auf die gesamte Wellenform des benachbarten Lichtbogens bezogen. Auf diese Weise werden die kollabierenden und abstoßenden Kräfte in dem Schweißbad P, wie im Zusammenhang mit den 9 und 10 diskutiert, dynamisch gesteuert. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung können ein oder mehrere positive oder negative Teile synthetisierte sinusförmige Wellen sein, wie es im Zusammenhang mit dem in den 11 und 12 offenbarten Aspekt der Erfindung diskutiert wurde.
Wie in den 1 und 2 angegeben, wird, wenn die Hauptsteuerung der Schalter schalten soll, ein Schaltsignal an die Hauptsteuerung 140a der Leistungsquelle 30 abgegeben. Dies verursacht ein „Kill" Signal, welches von der Hauptsteuerung empfangen wird, so dass das „Kill" Signal und die Polaritätslogik schnell der Steuerung einer oder mehrer der abhängigen Leistungsquellen zugeführt werden, die an einer einzelnen Elektrode parallel geschaltet sind. Wenn übliche Wechselstrom-Leistungsquellen mit großen Dämpfungsspulen parallel zu den Polaritätsschaltern verwendet werden, wird die abhängige Steuerung oder werden die abhängigen Steuerungen sofort innerhalb 1–10 μs nach Empfang des Schaltsignals durch die Hauptleistungsquelle umgeschaltet.
Dies ist der Vorteil der hochgenauen Interfacekarten oder -tore. In der Praxis erfolgt die tatsächliche Umschaltung zur Stromumkehr der parallelen Leistungsquellen nur, wenn der Ausgangsstrom unterhalb eines gegebenen Wertes liegt, d. h. unterhalb ungefähr 100 Ampere. Dies gestattet den Einsatz kleinerer Schalter.
Die Durchführung des Umschaltens für alle Leistungsquellen eines einzigen Wechselstrom-Lichtbogens verwendet die verzögerte Schalttechnik, bei der die tatsächliche Umschaltung nur erfolgen kann, nachdem alle Leistungsquellen unterhalb eines gegebenen Stromniveaus sind. Der Verzögerungsprozess wird in der Software des digitalen Prozessors ausgeführt und ist in dem schematischen Schaltbild der 16 illustriert. Wenn die Steuerung der Hauptleistungsquelle 500 ein durch die Leitung 502 wiedergegebenes Steuersignal empfängt, startet die Leistungsquelle die Schaltsequenz. Die Hauptsteuerung gibt ein Signal auf der Leitung 504 ab, um die gewünschte Polarität des Umschalten der abhängigen Leistungsquellen zu liefern, so dass sie mit der Polaritätsumschaltung der Hauptleistungsquelle übereinstimmen. In der durch das Signal initiierten Schaltsequenz wird der Inverter der Hauptleistungsquelle 500 abgeschaltet oder heruntergeschaltet, so dass der Strom zu der Elektrode E verringert wird, wie es durch den Halleffektwandler 510 abgelesen wird. Das Schaltsignal auf der Leitung 502 verursacht ein sofortiges „Kill" Signal, wie durch die Leitung 512 dargestellt, zu den Steuerungen der parallelen abhängigen Leistungsversorgungen 520, 522, die Strom an die Kreuzungsstelle 530 liefern, wie es durch die Halleffektwandler 532, 534 gemessen wird. Alle Leistungsquellen haben in der Schaltsequenz abgeschaltete oder heruntergeschaltete Inverter. Die Software-Komparatorkreise 550, 552, 554 vergleichen den verringerten Strom mit einem gegebenen niedrigen Strom, der durch die Spannung auf der Leitung 556 dargestellt ist. Wenn jede Leistungsversorgung unter dem gegebenen Wert abgefallen ist, erscheint auf den Leitungen 560, 562 und 564 ein Signal zum Eingang der Abtastzwischenspeicher 570, 572 bzw. 574. Die Speicherkreise werden durch ein Signal auf der Leitung 580 von jeder der Leistungsquellen angesteuert. Wenn in einem Speicher 570, 572 und 574 eine eingestellte Logik gespeichert ist, erscheint das logische Signal JA auf den Leitungen FERTIG¹, FERTIG² und FERTIG³ zum Zeitpunkt des Signals. Dieses Signal wird in den Leistungsquellen erzeugt und hat eine Zeitdauer von 25 μs; es könnten jedoch auch andere Hochgeschwindigkeits-Steuersignale eingesetzt werden. Die Signale werden der Steuerung C der Hauptleistungsquelle zugeführt, die in 8 in gestrichelten Linien dargestellt ist. Eine Software-Additionsfunktion, wiedergegeben durch das UND-Gatter 580 hat einen logischen Ausgang JA auf der Leitung 582, wenn alle Leistungsquellen zum Umschalten der Polarität bereit sind. Dieser Ausgangszustand wird dem Taktaktivierungsterminal ECLK des Software-Flipflops 600 zugeführt, an dessen Anschluss D das gewünschte logische Signal der umzuschaltenden Polarität anliegt, wie durch die Leitung 504 dargestellt. Ein bei ungefähr 1 MHz betriebener Oszillator oder Timer taktet den Flipflop durch ein Signal auf der Leitung 602 zu dem Anschluss CK. Dies überträgt das logische Signal der Polaritätssteuerung auf der Leitung 504 an ein Q-Terminal 604 sodass es auf die Leitung 610 gelangt, um die abhängigen Schalter 520, 522 zur gleichen Zeit umzuschalten, zu der das identische logische Signal auf der Leitung 612 die Hauptleistungsquelle 500 umschaltet. Nach dem Umschalten geht das logische Signal auf der Leitung 504 zur entgegen gesetzten Polarität über, während die Hauptleistungsquelle das nächste auf der Umschaltfrequenz basierende Schaltsignal erwartet. Es können andere Schaltkreise zur Bewirkung der Verzögerung in der Schaltfrequenz eingesetzt werden; die Wiedergabe in 16 entspricht dem augenblicklichen Schema.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Wellenformen, die durch einen Wellenformer oder Wellenformgenerator einer Leistungsquelle für einen elektrischen Lichtbogen gesteuert werden, einschließlich einer einzelnen Leistungsquelle oder multipler Leistungsquellen, die entsprechend der Offenbarung in US 6 472 634 Houston oder US 6 291 798 Stava miteinander in Beziehung stehen. Die Erfindung bezieht sich auf Tandemelektroden, die durch eine Wechselstrom-Wellenform betrieben werden. Die zwei einander benachbarten Elektroden haben Wellenformen, die die Dynamik der Schweißschmelze zwischen den Elektroden steuern und/oder synthetische Sinuswellen verwenden, um den Betrieb des Tandemschweißsystems mit dem von Standard-Transformatorschweißoperationen in Beziehung zu setzen. Die Erfindung beinhaltet die Steuerung der Energie der positiven und negativen Teile in jeder der Wechselstrom-Wellenformen, die durch einen Wellenformer und einen Wellenformgenerator unter Einsatz eines Hochgeschwindigkeits-Schaltinverters entsprechend der üblichen Praxis erzeugt werden. Unterschiedliche Energien in den positiven und negativen Teilen steuern die Beziehung des Penetrationsbetrages zum Ablagerungsbetrag einer besonderen Elektrode. Dies erlaubt einen Betrieb einander benachbarter Elektroden in einer Weise, dass die Schweißschmelze im Wesentlichen ruhig gehalten wird. Diese Wirkung verbessert die resultierende Schweißraupe und die Effizienz der Schweißoperation. Zur Steuerung des Schweißbades haben einander benachbarte Wellenformen, die durch einen Wellenformer erzeugt worden sind, unterschiedliche Gestalt, um die Länge der Zeit zu kontrollieren, während derer eine gegebene Polaritätsbeziehung zwischen den einander benachbarten Elektroden existiert. Mit anderen Worten: Die Zeit, während derer die Wellenformen einander benachbarter Elektroden gleiche Polarität oder entgegengesetzte Polarität aufweisen, wird durch Einsatz verschiedener Formen und verschiedener Beziehungen zwischen den beiden einander benachbarten Wechselstromwellenformen beschränkt, die durch die Wellenformtechnologie mit einem Wellenformer oder einem Wellenformgenerator erzeugt werden. Wie in 15 gezeigt, führt die Synchronisation der Wellenformen einander benachbarter erzeugter Wellenformen zu einer Frequenz einander benachbarter Elektroden, die im Wesentlichen ein Mehrfaches von zwei ist. Alle diese besonderen Wellenformen sind neu und ergeben vorteilhafte Resultate beim elektrischen Lichtbogenschweißen mit Tandemelektroden, insbesondere für die Nahtschweißung von Rohren bei der Herstellung von Pipeline-Abschnitten.
Es können verschiedene in dieser Erfindung offenbarte Wellenformen miteinander in Beziehung gesetzt werden, um die Beziehung der erzeugten Wellenformen in einer Weise zu vermischen, die in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

Elektrisches Lichtbogenschweißsystem mit einer ersten und einer zweiten Leistungsquelle zur Erzeugung eines ersten Wechselstrom-Schweißlichtbogens mit einer ersten Stromwellenform zwischen einer ersten Elektrode und einem Werkstück durch die erste Leistungsquelle und einem zweiten Wechselstrom-Schweißlichtbogen mit einer zweiten Stromwellenform zwischen einer zweiten Elektrode und einem Werkstück durch die zweite Leistungsquelle, während die ersten und zweiten Elektroden gemeinsam entlang einem Schweißpfad bewegt werden, wobei die erste und die zweite Leistungsquelle jeweils einen Hochgeschwindigkeits-Schaltinverter umfassen, der seine Wellenform durch eine Anzahl von Stromimpulsen erzeugt, die bei einer Frequenz von wenigstens 18 kHz auftreten und deren Größe bei jedem Stromimpuls durch einen Wellenformer gesteuert wird und wobei die Polarität der Wellenformen durch ein logisches Signal gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Lichtbogenschweißsystem ferner ein System umfasst, welches zur Steuerung der Beziehung zwischen den Wechselströmen einander benachbarter Tandemelektroden geeignet ist, um die erste Wechselstrom-Wellenform gegenüber der zweiten Wechselstrom-Wellenform in der Phase zu versetzen und die Zeit gleich lautender Polaritätsbeziehungen wie gleiche Polarität und entgegen gesetzte Polarität zu beschränken, wobei zumindest die erste Wechsel strom-Wellenform einen positiven oder negativen Polaritätsteil von wesentlich geringerer Energie als der entgegen gesetzte Polaritätsteil aufweist.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach Anspruch 1, bei dem die erste Wellenform beim Umschalten zwischen den Polaritäten im Wesentlichen vertikal verläuft.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite Wechselstrom-Wellenform einen positiven Teil wesentlich geringerer Energie als ihr negativer Teil umfasst.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die positiven Teile der Wechselstrom-Wellenformen jeweils eine geringere zeitliche Dauer als ihr negativer Teil aufweist.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Schweißpfad eine Naht in einer Rohrleitung ist.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die zweite Wechselstrom-Wellenform einen negativen Teil aufweist, der wesentlich geringer als ihr positiver Teil ist.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die negativen Teile der Wellenformen jeweils eine geringere zeitliche Länge als ihr positiver Teil aufweist.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der negative Teil der ersten Wellenform eine zeitliche Länge aufweist, die geringer als ihr positiver Teil ist.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem zumindest die erste Wellenform einen positiven Teil aufweist, der in seiner Länge wesentlich unterschiedlich zu dem negativen Teil ist.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach Anspruch 9, bei dem die zweite Wechselstrom-Wellenform einen positiven Teil aufweist, die wesentlich unterschiedlich in ihrer Länge von ihrem negativen Teil ist.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Zeitdauer irgendeiner der gleich lautenden Polaritätsbeziehungen weniger als 20 ms beträgt.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach Anspruch 11, bei dem die Zeitdauer irgendeiner der gleich lautenden Polaritätsbeziehungen wesentlich weniger als die Hälfte der Zykluslänge irgendeiner der Wellenformen ist.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach Anspruch 11, bei dem die Zeitdauer irgendeiner der gleich lautenden Polaritätsbeziehungen weniger als 10 ms beträgt.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei denen eine der Wellenformen einen positiven Teil mit wesentlich weniger Energie hat, als ihr negativer Teil aufweist.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem beide Wellenformen einen positiven Teil mit wesentlich weniger Energie hat, als ihr negativer Teil aufweist.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem eine der Wellenformen einen negativen Teil mit weniger Energie hat, als ihr positiver Teil aufweist.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem beide Wellenformen jeweils einen negativen Teil haben, der weniger Energie als ihr positiver Teil aufweist.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem jede Wellenform einen positiven Teil mit einer zeitlichen Länge und einer maximalen Amplitude hat, wobei die zeitliche Länge des Teils einer Polarität einer Wellenform wesentlich geringer als die zeitliche Länge des Teils entgegengesetzter Polarität der betreffenden Wellenform ist.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem jede Wellenform einen positiven Teil mit einer zeitlichen Länge und einer maximalen Amplitude aufweist, wobei die maximale Amplitude des Teils einer Polarität einer Wellenform wesentlich geringer als die maximale Amplitude des Teils entgegengesetzter Polarität der betreffenden Wellenform ist.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach Anspruch 18 oder 19, bei dem die zeitliche Länge des Teils einer Polarität der anderen Wellenform wesentlich geringer als die zeitliche Länge des Teils der anderen Polarität der anderen Wellenform ist.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach Anspruch 19 oder 20, bei dem die maximale Amplitude des Teils einer Polarität der anderen Wellenform wesentlich geringer als die maximale Amplitude des Teils der entgegen gesetzten Polarität der anderen Wellenform ist.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei dem die erste Wellenform einen positiven Teil, der im Wesentlichen synchronisiert mit und bezogen auf die positiven und negativen Teile einer der zweiten Wellenform ist und einen negativen Teil aufweist, der im Wesentlichen synchronisiert ist und bezogen ist auf den positiven und negativen Teil der der einen zweiten Wellenform nächstfolgenden Wellenform ist.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei dem die erste Wechselstrom-Wellenform bei wenigstens einer Polarität im Wesentlichen sinusförmig verläuft.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach Anspruch 25, bei dem die erste Wechselstrom-Wellenform im Wesentlichen sinusförmig bei beiden Polaritäten verläuft.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 24, bei dem die zweite Wechselstrom-Wellenform bei wenigstens einer Polarität im Wesentlichen sinusförmig verläuft.
Elektrisches Lichtbogenschweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 25, bei dem die zweite Wechselstrom-Wellenform in beiden Polaritäten im Wesentlichen sinusförmig ist.