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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Technik des Schweißens. Sie
betrifft insbesondere ein Drahtvorschubgerät für das Schweißen unter Verwendung
eines Kurzschlußprozesses
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Es
gibt viele verschiedene Lichtbogenschweißprozesse, die für zahlreiche
Schweißanwendungen
eingesetzt werden. Wenngleich verschiedene Prozesse einige Charakteristiken
gemeinsam haben, wie etwa die Verwendung eines elektrischen Lichtbogens
und/oder eines Stromflusses, um die Hitze für die Schweißung zu
liefern, besitzen verschiedene Prozesse Charakteristiken, die sie
für bestimmte
Anwendungen wünschenswert
machen.
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MIG-Schweißen ist
ein weitverwendeter Prozeß,
der eine hohe Hitzeeingabe in die Drahtelektrode und das Werkstück liefert
und somit hohe Abschmelzleistungen ergeben kann. Der Prozeß kann jedoch
instabil sein und die Steuerung der Lichtbogenlänge kann schwierig sein. Der
MIG-Prozeß wird oftmals
als ein Kurzschlußschweißen ausgeführt.
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Ein
weiterer bekannter Schweißprozeß wird als
gesteuertes Kurzschlußschweißen oder
Kurzschlußschweißen bezeichnet.
Das Kurzschlußschweißen wird
oftmals als ein TIG-Prozeß ausgeführt. Das
Kurzschlußschweißen beinhaltet
im allgemeinen einen Kurzschlußzustand,
wobei der Schweißdraht
das Schweißbad
berührt
und somit einen Kurzschluß erzeugt,
und einen Lichtbogenzustand, bei dem zwischen dem Schweißdraht und
dem Schweißbad
ein Lichtbogen entsteht. Während
des Lichtbogenzustands schmilzt der Draht, und während des Kurzschlußzustands
wird das geschmolzene Metall von dem Drahtende zum Schweißbad übertragen.
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Nachteile
beim Kurzschlußschweißen betreffen
die Übergänge zwischen
Zuständen
und die Instabilität
des Prozesses. Der Übergang
von dem Kurzschlußzustand
zu dem Lichtbogenzustand wurde in der Regel verursacht, indem ausreichend
Strom geliefert wurde, um ein Tröpfchen "abzuschnüren". Das Abschnüren bei
starkem Strom kann zu einer heftigen Auflösung der Brücke aus geschmolzenem Metall
führen,
wodurch übermäßige Schweißspritzer erzeugt
werden. Instabilität
kann auch daher rühren, daß das Schweißbad weggedrückt wird.
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Im
Stand der Technik wurde viele Versuche unternommen, eine stabile
Kurzschlußschweißstromversorgung
zu konstruieren, wie etwa jene, die in
US-A-4,717,807 ,
US-A-4,835,360 ,
US-A-4,866,247 ,
US-A-4,897,523 ,
US-A-4,954,691 ,
US-A-4,972,064 ,
US-A-5,001,326 ,
US-A-5,003,154 ,
US-A-5,148,001 ,
US-A-5,742,029 ,
US-A-5,961,863 ,
US-A-6,051,810 und
US-A-6,160,241 gezeigt
sind. Diese Patente offenbaren im allgemeinen komplizierte Steuerverfahren,
denen es nicht gelingt, den Prozeß zur Bereitstellung eines
stabilen und effektiven Schweißbads
zu steuern. Sie beinhalten Steuerverfahren, die versuchen, die Abscheidung
von Material zu steuern und/oder vorherzusagen oder einen Übergang
zu dem nachfolgenden Zustand auf der Basis der in die Schweißung gesteckten
Gesamtenergie, der freien Drahtlänge,
der Gesamtleistung, der Zeit des vorrausgegangenen Zustands zu verursachen.
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In
einem gemeinsamen Punkt versagen diese Verfahren: sie versuchen,
sowohl die Energie der Schweißung
als auch den Übergang
zwischen Zuständen
unter Verwendung von Ausgangsstrom oder Ausgangsleistung zu steuern.
Dies zieht notwendigerweise nach sich, ein Steuerziel (entweder
Energie zur Schweißung
oder Zustandsübergang)
zugunsten des anderen zu opfern. Das Nettoergebnis ist, daß die Steuerverfahren
weder die Energie in die Schweißung
noch den Übergang
gut steuern.
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Ein
weiteres Kurzschlußschweißsteuersystem
ist aus
US-A-6,326,591 bekannt.
Dieses System steuert adäquat
die Energie in die Schweißung,
ergibt aber keine unabhängige
Steuerung der Übergänge zwischen
Zuständen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben Beschreibungen eines
gesteuerten Kurzschlußschweißprozesses
veröffentlicht,
wo eine mechanische Bewegung des Drahtes (vorschieben und zurückziehen)
zum Steuern des Übergangs
zwischen Schweißzuständen verwendet wird.
In den Kurzschlußzustand
wird eingetreten, indem der Draht vorgeschoben wird, bis der Draht
das Schweißbad
berührt.
In den Lichtbogenzustand wird eingetreten, indem der Draht zurückgezogen
wird, bis der Draht das Schweißbad
nicht berührt
und ein Lichtbogen entsteht. Durch dieses System kann zum Steuern
der der Schweißung
zugeführten
Energie eine typische Ausgabesteuerung verwendet werden. Indem die
Steuerung der Übergänge von
der Steuerung der Energie getrennt wird, kann das System beide besser
steuern.
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Ein
gesteuertes Kurzschlußschweißsystem erfordert
die Fähigkeit,
den Draht vorzuschieben und zurückzuziehen.
Die Erfinder haben in der Literatur die Verwendung eines Schrittmotors
zum Steuern der Drahtbewegung offenbart. Ein Schrittmotor sorgt adäquat für kurzfristiges
Vorschieben und Zurückziehen
des Drahts.
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Ein
Schrittmotor schiebt jedoch den Draht nicht notwendigerweise adäquat langfristig
vor. Dementsprechend ist ein System wünschenswert, das dafür sorgt,
daß der
Draht vorgeschoben und zurückgezogen
wird und der Draht langfristig zugeführt wird.
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Ein
Problem mit dem gesteuerten Kurzschlußschweißen entsteht, wenn der Draht
zurückgezogen
wird. Der Draht von der Quelle wird in Richtung der Schweißstelle
vorgeschoben und hat ein Moment in dieser Richtung. Der zurückziehende
Motor bewegt den Draht in der entgegengesetzten Richtung. Wenn nichts
die entgegengesetzten Kräfte kompensieren
kann, könnte
der Draht möglicherweise
nicht in einer glatten und effizienten Weise vorgeschoben werden.
Dementsprechend ist eine gesteuerte Kurzschlußschweißvorrichtung wünschenswert, die
die Umkehrung des Drahts kompensiert.
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Ein
weiteres Problem mit dem gesteuerten Kurzschlußschweißen besteht darin, daß der Stand der
Technik die Prozeßsteuerung
nicht vollständig genutzt
hat, die durch die mechanische Steuerung der Zustandsübergänge ermöglicht worden
ist. Somit ist eine gesteuerte Kurzschlußschweißvorrichtung wünschenswert,
die für
eine elektrische Steuerung des Lichtbogens zum Zweck des Steuerns
der Hitze in die Schweißstelle
und nicht zum Verursachen von Übergängen von
einem Zustand zu einem anderen sorgt.
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Der
Stand der Technik hat sich nicht angemessen mit den Notwendigkeiten
des Kurzschlußschweißens bei
geringeren Strömen
mit dickeren Drähten
beschäftigt.
Die schwierig zu implementierenden Steuerverfahren insbesondere
erschweren es, mit einem dickeren Draht, wie etwa einem Draht mit
einem Durchmesser von 2,4 mm, als Beispiel, bei niedrigen Strömen wie
etwa weniger als 100 Ampere zu schweißen. Dementsprechend ist ein
gesteuertes Kurzschlußschweißverfahren
wünschenswert,
das bei niedrigen Strömen
in bezug auf den Drahtdurchmesser verwendet werden kann.
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Aus
DE-A-38 27 508 ist
eine Transportanordnung für
die Schweißdrahtzufuhr
an Schweißgeräten offenbart.
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Aus
DE-A-197 38 785 ist
eine elektronische Schweißenergiequelle
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 bekannt.
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Aus
GB-A-2120692 sind
Verbesserungen hinsichtlich der Drahtversorgung bekannt.
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Dementsprechend
liegt die Erfindung in einem Drahtvorschubgerät für das Vorschieben von Draht
von einer Quelle von Draht zu einem Schweißbrenner in einem Schweißsystem,
wobei das Drahtvorschubgerät
mindestens einen Schrittmotor umfaßt, der neben dem Draht angeordnet
ist und den Draht weg von einem Lichtbogenende des Schweißbrenners
und in Richtung auf diesen antreiben kann,
einen Drahtvorschubmotor,
der entlang eines Drahtwegs von der Quelle von Draht zu dem Schweißbrenner
angeordnet ist, und
einen Controller, der den mindestens einen
Schrittmotor und den Drahtvorschubmotor steuert,
wobei der
mindestens eine Schrittmotor sich näher an dem Schweißbrenner
befindet als der Drahtvorschubmotor und wobei der Drahtvorschubmotor
angeordnet ist, um den Draht zu kontaktieren und den Draht von der
Quelle zu dem Schrittmotor zu bewegen;
dadurch gekennzeichnet,
daß der
Controller die mittlere Geschwindigkeit des mindestens einen Schrittmotors
bestimmt und die Geschwindigkeit des Drahtvorschubmotors steuert,
so daß sie
an die bestimmte mittlere Geschwindigkeit gekoppelt ist.
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Der
eine oder die mehreren Motoren befinden sich näher an dem Schweißbrenner
als die Drahtquelle, nahe dem Schweißbrenner und neben dem Schweißbrenner
in verschiedenen Ausführungsformen.
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Der
eine oder die mehreren Motoren treiben den Draht in der Vorwärts- und
Rückwärtsrichtung
in verschiedenen Ausführungsformen
an und bewegen den Draht zu einem Lichtbogenende des Schweißbrenners
und davon weg.
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Die
Drahtquelle enthält
bei einer weiteren Alternative eine Drahtspule, die ohne einen Drahtvorschubmotor
daneben montiert ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
umfaßt
der mindestens eine Schrittmotor ein paar Schrittmotoren, die direkt
gegenüber
voneinander angeordnet sind, oder bei verschiedenen Alternativen
hintereinander.
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Andere
Hauptmerkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich dem Fachmann
bei Betrachtung der folgenden Zeichnungen, ausführlichen Beschreibung und der
beigefügten
Ansprüche.
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1 ist
ein Diagramm eines Schweißsystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
ein Schweißbrenner
mit einem Puffer und reversiblen Motoren gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine Querschnittsansicht des Schweißbrenners von 2;
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4 ist
eine detaillierte Querschnittsansicht eines Puffers;
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5 ist
eine Querschnittsansicht eines als Teil eines Puffers verwendeten
Schweißkabels;
und
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6 ist
eine Wellenform eines Prozeßzyklus.
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Die
vorliegende Erfindung ist im allgemeinen ein Drahtvorschubgerät nach Anspruch
1 zum gesteuerten Kurzschlußschweißen, das
eine mechanische Steuerung von Übergängen zwischen
Lichtbogen- und Kurzschlußzustand
beinhaltet. Bei einer Ausführungsform
enthält
der Prozeß einen
Impulsmodus. Die Steuerung von Energie zur Schweißung wird
unter Verwendung der Ausgabestrom- oder -spannungsgröße, Wellenform,
Zeit usw. bewirkt. Somit wird verursacht, daß die Übergänge eintreten, und Strom kann
mit den Übergängen koordiniert
werden, um die Schweißspritzer,
Instabilität
und andere unerwünschte
Merkmale zu reduzieren, indem beispielsweise der Strom bei Eintreten
des Übergangs oder
in Erwartung bei dem Übergang
geändert
wird.
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Eine
mechanische Steuerung der Zustände erfolgt
durch Vorschieben und Zurückziehen
des Drahtes beim Lichtbogen. Ein Vorschub gefolgt von einem Rückziehen
definiert einen Prozeßzyklus.
(Ein Prozeßzyklus,
wie hierin verwendet, beinhaltet einen Zyklus der Zustände des
Prozesses wie etwa einen Lichtbogenzustand, gefolgt von einem Kurzschlußzustand,
oder einem Lichtbogenzustand, gefolgt von einem Kurzschlußzustand,
gefolgt von einem Impulszustand usw.) Das Vorschieben und Zurückziehen erfolgen
bei der bevorzugten Ausführungsform
unter Verwendung eines Paars von Motoren, die auf beiden Seiten
des Drahts einander gegenüber
und in der Nähe
des Schweißbrenners
(oder daran befestigt) angeordnet sind. Die Motoren sind in verschiedenen
Ausführungsformen
Schrittmotoren, Servomotoren, Planetenantriebsmotoren, spielfreie
Motoren, getriebelose Motoren oder werden durch einen Linearaktuator
ersetzt. Das Paar ist bei einer Ausführungsform hintereinander angeordnet.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
werden Schrittmotoren verwendet, und die Anzahl und der Winkel oder
die Größe des Schritts
wird gesteuert, um die vorgeschobene oder zurückgezogene Drahtlänge zu steuern.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
enthält
einen in der Nähe
der Drahtquelle wie etwa einer Drahtrolle befestigten Drahtvorschubmotor,
der den Draht zu dem Schweißbrenner
antreibt (wenngleich bei andern Ausführungsformen dieser Motor wegfällt). Da
die umkehrbaren Motoren den Draht zurückziehen (und der Drahtvorschubmotor
den Draht weiterhin vorschiebt), ist ein Puffer vorgesehen, um die Drahtzunahme
zwischen dem Drahtvorschubmotor und den umkehrbaren Motoren zu berücksichtigen. Wenn
analog die umkehrbaren Motoren den Draht vorschieben, wird Draht
aus dem Puffer abgezogen. Die umkehrbaren Motoren bewegen das Drahtende zusätzlich zu
der Bewegung von dem Drahtvorschubmotor, oder sie überlagern
der von dem Drahtvorschubmotor auferlegten Bewegung eine Bewegung.
Die Geschwindigkeit des Drahtvorschubmotors ist an die mittlere
Geschwindigkeit der umkehrbaren Motoren gekoppelt, so daß sie im
Durchschnitt beide die gleiche Drahtlänge antreiben.
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Bei
dem Puffer kann es sich um alles handeln, das den zusätzlichen
Draht speichert und zurückgibt
oder eine vergrößerte Drahtweglänge zwischen
der Quelle und dem Schweißbrenner
liefert. Der Puffer der bevorzugten Ausführungsform enthält über zumindest
einen Teil des Abstands von der Quelle zum Schweißbrenner
um den Draht eine Drahtbuchse. Die Buchse ist in einem Rohr angeordnet,
das breiter ist, und die Buchse kann sich innerhalb des Rohrs biegen
und krümmen,
wodurch die Drahtlänge
in eine gegebene Rohrlänge
vergrößert wird.
Das Rohr ist an einer Hohlwelle befestigt, und der Draht läuft durch
die Welle. Die Welle ist in einer Position fixiert. Somit bewegt
sich der Draht, wenn er zurückgezogen
wird, relativ zu dem Rohr und zur Welle (oder es kann gesagt werden,
daß sich
das Rohr und die Welle relativ zum Draht bewegen). Die Welle könnte so
montiert sein, daß sie
entlang der Achse des Drahts gleitet und sich somit relativ zur Spitze
des Schweißbrenners
bewegt, wodurch die Länge
des Drahtwegs zwischen der Spitze oder dem Lichtbogenende des Schweißbrenners
und dem Drahtquellenende des Schweißbrenners vergrößert.
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Alternativ
kann die Buchse an der Welle befestigt sein und der Draht bewegt
sich relativ zu der Buchse. Die Buchse kann wie etwa eine Spulfeder zusammengedrückt werden,
so daß sich
beim Zurückziehen
des Drahts die Feder bei der bevorzugten Ausführungsform zusammendrückt. Sensoren
können
vorgesehen sein, die das Ausmaß an
Draht in dem Puffer oder die Zugspannung des Drahts erfassen, und
der gesteuerte Prozeß (mittlere
Drahvorschubgeschwindigkeit usw.) kann als Reaktion darauf gesteuert
werden.
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Ein
Controller ist vorgesehen, der bewirkt, daß die Motoren bei der bevorzugten
Ausführungsform
mindestens einmal pro Prozeßzyklus
umkehren, und steuert die Stromausgabe auf der Basis eines mittleren
Lichtbogenstroms (mittlerer Strom nur während des Lichtbogenzustands
oder eine Funktion davon), einer Leistung, einer Energie, einer
Spannung oder anderen Schweißausgabeparametern. Die
Rückkopplung
kann zusätzlich
zu traditionellen Schweißparametern
einen oder mehrere von Kurzschlußdetektion, Pufferrückkopplung,
Zugspannungsrückkopplung,
Schweißbadoszillation
enthalten. Zu Alternativen zählen
das weniger häufige
Umkehren als einmal pro Zyklus. Eine Alternative sorgt für wiederholte
Umkehrungen während
der Schweißung
(das heißt,
nicht lediglich zum Abschluß der Schweißung), aber
nicht einmal pro Zyklus.
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Beispielsweise
kann das Bremsen am Ende des Lichtbogenzyklus Kräfte zwischen Draht und Tröpfchen produzieren,
was die Flüssigkeitsbrücke ohne
eine zurückziehende
Aktion unterbrechen kann. Dies liegt insbesondere bei niedrigeren
Drahtdurchmessern und höheren
Kurzschlußfrequenzen vor.
Der Tropfen hat die Geschwindigkeit des Drahtes vor dem Bremsen.
Diese kinetische Energie kann ausreichen, um den Flüssigkeitsweg
zu unterbrechen. In diesem Fall ist kein Zurückziehen erforderlich.
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Die
Steuerung kann das Steuern von Hitze, Eindringen und/oder Perlenausbildung
durch Steuern des Vorschiebens des Drahtes in das Schweißbad beinhalten.
Die relative Zeit im Lichtbogenzustand und Kurzschlußzustand
(Lichtbogengleichgewicht) kann von dem Benutzer eingestellt werden (wie
auch die Zeit in dem Impulszustand, wenn sie verwendet wird). Die
Steuerung von Parametern wie etwa Polarität (Gleichgewicht), Gasmischungen
usw. kann in Koordination mit den relativen Lichtbogen-/Kurzschlußzeiten
(oder anderen Parametern) erfolgen.
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Nunmehr
unter Bezugnahme auf 1 enthält ein Schweißsystem 100 gemäß der bevorzugten Ausführungsform
eine Stromversorgung 102, ein Drahtvorschubgerät 104,
einen Controller 106 und einen Schweißbrenner 108 und eine
Zufuhrleitung 112, die Schweißstrom, Gas, Wasser, Steuerung
und Strom für
Motoren dem Schweißbrenner 108 zuführt, die
zusammenwirken, um Schweißstrom
auf den Schweißkabeln 105 und 107 einem
Werkstück 110 zuzuführen. Die
Stromversorgung 102, das Drahtvorschubgerät 104 und
der Controller 106 können
kommerziell erhältliche
Schweißsystemkomponenten sein,
wie etwa eine Stromversorgung Miller Invision 455® und
ein modifiziertes Drahtvorschubgerät Miller XR®. Zur
Stromversorgung, wie hierin verwendet, zählt jede Einrichtung, die Schweiß-, Plasmaschneid- und/oder
Induktionsheizleistung liefern kann, einschließlich Resonanzstromversorgungen,
Quasi-Resonanzstromversorgungen usw. sowie damit assoziierte Steuerschaltungsanordnungen
und andere Hilfsschaltungsanordnungen. Eine Stromquelle oder Quelle
von Strom, wie hierin verwendet, enthält die Leistungsschaltungsanordnung
wie etwa Gleichrichter, Schalter, Transformatoren, SCRs usw., die
die Ausgangsleistung verarbeiten und bereitstellen. Ein Drahtvorschubgerät, wie hierin
verwendet, enthält den
Motor oder einen Mechanismus, der den Draht antreibt, die Halterung
für den
Draht und dazu in Beziehung stehende Steuervorrichtungen und assoziierte
Hardware und Software. Es kann einen Motor in der Nähe der Drahtquelle
enthalten, die den Draht zu der Schweißung schiebt, und/oder einen
oder mehrere Motoren in der Nähe
des Schweißbrenners,
der den Draht in die Linie oder zu der Kontaktspitze zieht oder
den Draht von der Kontaktspitze zurückzieht. Drahtweg, wie hierin
verwendet, enthält
den Weg, den der Draht von der Drahtquelle zu dem Schweißbrenner
oder der Stromversorgung nimmt, und kann durch eine Buchse, einen
Puffer usw. enthalten.
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Der
Controller 106 ist bei dieser Ausführungsform Teil des Drahtvorschubgeräts 104 und
der Stromversorgung 102. Der Controller 106 enthält auch
Steuermodule, die für
die vorliegende Erfindung ausgelegt sind, wie etwa ein umkehrbares
Drahtvorschubgerätsteuermodul
zum Steuern der umkehrbaren Motoren, ein mittleres Lichtbogenstrom-Modul und
das Steuermodul für
die mechanische Steuerung der Lichtbogenzustände. Der Controller, wie hierin verwendet,
enthält
digitale und analoge Schaltungsanordnungen, diskrete oder inte grierte
Schaltungsanordnung, Mikroprozessoren, DSPs usw., und Software,
Hardware und Firmware, auf einer oder mehreren Platinen angeordnet,
mit denen eine Einrichtung wie etwa eine Stromversorgung und/oder
ein Drahtvorschubgerät
gesteuert wird. Das Steuermodul, wie hierin verwendet, kann digital
oder analog sein und es enthält
Hardware oder Software, die eine spezifizierte Steuerfunktion ausübt. Beispielsweise
steuert ein mittleres Lichtbogenstrom-Steuermodul die Ausgabe zum
Bereitstellen eines gewünschten
mittleren Lichtbogenstroms.
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2 zeigt
den Schweißbrenner 108 ausführlicher.
Der Schweißbrenner 108 enthält zusätzlich zu
den Merkmalen von Schweißbrennern
nach dem Stand der Technik ein Paar Motorgehäuse 203 und 205 mit
darin angeordneten Motoren zum Antreiben des Drahts zu der Schwerstelle
oder von dieser weg und einem Puffer 201 zum Aufnehmen
von Draht 209, wenn er zurückgezogen wird, und Bereitstellen
von Draht 209, wenn er vorgeschoben wird. Der Puffer, wie
er hierin verwendet wird, enthält
Komponenten, mit denen der Draht aufgenommen wird, wenn die Drahtrichtung
umgekehrt wird, und Draht bereitgestellt wird, wenn der Draht vorgeschoben wird.
Das Ende des Drahts beim Lichtbogen ist als 207 gezeigt.
Die Motorgehäuse
und der Puffer befinden sich bei der bevorzugten Ausführungsform
neben dem Schweißbrenner
und bei anderen Ausführungsformen
in der Nähe
des Schweißbrenners.
Neben dem Schweißbrenner,
wie hierin verwendet, beinhaltet das Angrenzen, Berühren oder
Teil des Schweißbrenners
direkt oder durch ein Gehäuse.
Bei dem Schweißbrenner,
wie hierin verwendet, beinhaltet viel näher an dem Schweißbrenner
als die Drahtquelle, wie etwa mehr als 75% des Weges von der Quelle
zum Schweißbrenner.
Eine Ausführungsform sieht
vor, daß ein
handgehaltener Schweißbrenner eine
an dem Schweißbrenner
befestigte kleine Drahtspule enthält.
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3 ist
eine Querschnittsansicht des Schweißbrenners von 2 entlang
der Linien A-A. Ein Paar Schrittmotoren 301 und 302 treiben
den Draht an und sind neben dem Draht angeordnet und liegen einander
direkt gegenüber
auf gegenüberliegenden
Seiten an dem Draht, wodurch Kräfte
auf dem Draht im wesentlichen ausgeglichen werden. Bei alternativen
Ausführungsformen
sind sie einer hinter dem anderen oder auf der gleichen Seite des Drahts
angeordnet. Direkt einander gegenüber, wie hierin verwendet beinhaltet
im wesentlichen die gleiche Position entlang eines Drahtwegs. Neben
dem Draht angeordnet, wie hierin verwendet, beinhaltet, nahe genug
an dem Draht zu sein, um den Draht zu schieben oder zu ziehen. Antreiben
des Drahts, wie hierin verwendet, beinhaltet eines oder beides des Bewegens
des Drahts in Richtung auf den Schweißbrenner und Bewegens des Drahts
von dem Schweißbrenner
weg.
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Der
Puffer 201 ist auch in 3 zu sehen und
ist in 4 ausführlicher
gezeigt und enthält
eine an einer Halterung 403 befestigte Welle 401.
Die Welle 401 besitzt eine hohle Achse, durch die sich der
Draht 209 erstreckt. Ein Ertragskabel 105 (1 und 5)
besteht aus einem Außenrohr 501 und
einer Buchse 503 mit einem darin angeordneten Draht 209.
Der Außendurchmesser
der Linie 503 ist wesentlich kleiner als der Innendurchmesser
des Rohrs 501, damit eine Drahtlänge von einer sich in dem Rohr 501 krümmenden
Buchse 503 aufgenommen oder gespeichert werden kann. Die
Buchse 503 ist bevorzugt eine Spulfeder, die Zusammendrücken und
Auseinanderziehen gestattet, um den Draht weiter zu Puffern. Das
Speichern einer Drahtlänge,
wie hierin verwendet, beinhaltet das Aufnehmen von Draht, wenn die
Drahtrichtung umgekehrt wird. Im wesentlichen mehr als ein Außendurchmesser
der Buchse, wie hierin verwendet, beinhaltet genügend Raum zum Bewegen und Krümmen. Die
Drahtbuchse, wie hierin verwendet, beinhaltet ein Rohr, in dem sich
der Draht leicht bewegen kann. Das Rohr 501 ist so an der
Welle 401 befestigt, daß sich der Draht 209 bezüglich der
Welle 401 bewegt.
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Ein
Sensor kann enthalten sein, der das vom Puffer 201 aufgenommene
Ausmaß an
Draht erfaßt. Beispiele
für solche
Sensoren bilden ein Rad mit einem Codierer, das gedreht wird, wenn
sich der Draht vorbeibewegt, oder einen Lineartransformator, wobei die
Buchse aus einem Ferrit- oder magnetischen Material besteht. Der
Controller enthält
einen Pufferrückkopplungseingang,
der die Rückkopplung
empfängt, und
liefert eine Drahtvorschubsmotorausgabe, die auf die Pufferrückkopplung
reagiert. Zugspannung in dem Draht kann ebenfalls erfaßt und zum
Steuern des Prozesses verwendet werden.
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Die
Steuerung des Prozesses unter einem elektrischen Standpunkt ist
leichter, da die Prozeßsteuerung
unter Verwendung einer mechanischen Steuerung der Drahtposition
erfolgt. Deshalb wird der Schweißstrom ein unabhängiger Prozeßparameter, dem
herkömmlichen
MIG-Prozeß total
entgegengesetzt.
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Ein
wünschenswertes
Steuerverfahren verwendet einen mittleren Lichtbogenstrom (mittlerer Strom
während
des Lichtbogenzustands oder eine Funktion davon) als die Steuervariable.
Dies gestattet eine bessere Steuerung beim Schmelzen und der Hitze
zu der Schweißung
und reduziert Spritzer und Instabilität im Vergleich zu Steuerverfahren
nach dem Stand der Technik. Es ist möglich, zum Steuern der Hitze
einen mittleren Lichtbogenstrom zu verwenden, da der Lichtbogenstrom
nicht verwendet wird, um den Übergang
von dem Lichtbogen zum Kurzschluß zu verursachen (oder entgegengesetzt). Die
Steuerung der Zustände
kann mit der Stromsteuerung koordiniert werden. Wenn beispielsweise
ein Zustandsübergang
zu einem Zeitpunkt T1 erfolgen soll, kann der Stromübergang
kurz davor erfolgen, um zu vermeiden, daß das Schweißbad unterbrochen
wird. Ein weiteres Steuermerkmal besteht darin, dem Benutzer zu
gestatten, eine relative Lichtbogen- und Kurzschlußzeit oder
Gleichgewicht zwischen EP und EN einzustellen.
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Eine
wünschenswerte
Lichtbogenwellenform ist in 6 gezeigt
und enthält
eine Lichtbogenstromwellenform mit drei Segmenten – einem
Anfangshochstromsegment, einem Zwischenstromsegment und einem Niedrigstromsegment.
In das Niedrigstromsegment wird vor der Entstehung des Kurzschlusses
eingetreten, wodurch ein glatter Übergang zum Kurzschlußzustand
verbessert wird.
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Weil
der Schweißstrom
ein unabhängiger Prozeßparameter
wird, kann der Strom auf den Wert eingestellt werden, der den Prozeß durch
ein physikalisches bestimmtes Verhalten in die gewünschte Situation
lenkt. Für
einen geringen Spritzermaterialtransfer müssen die Kräfte auf die Flüssigkeit
gering sein, wenn der Querschnitt des elektrischen Leiters gering
ist. Deshalb müssen
die Ströme
während
diesen Phasen niedrig sein. Während
des mittleren Teils des Kurzschlußzustands, wo ein größerer Querschnitt
des elektrischen Leiters vorliegt, können starke Kräfte zum
Bewegen von Flüssigkeiten
verwendet werden. Außerdem
sind starke Ströme
während
des mittleren Teils des Kurzschlußzustands möglich. Während der Lichtbogenphase kann
der Strom zur Bewegung der Flüssigkeit
und Bestimmen der Schmelzrate verwendet werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann mit bekannten Steuerverfahren verwendet
werden, aber deren Implementierung auf wünschenswertere Weise durch
Eliminieren der Notwendigkeit, daß Strompegel Übergänge verursachen,
durchführen.
Beispielsweise können
Verfahren, die entweder Lichtbogenlänge oder freie Drahtlänge als
Steuervariable verwenden, leicht implementiert werden, weil die
Schrittmotoren das präzise
Messen einer freien Drahtlänge gestatten.
Weil die Übergänge mechanisch
verursacht werden, kann die Lichtbogenlänge bei jedem Prozeßzyklus
neu bestimmt werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann mit einer Vielfalt von Prozessen implementiert
werden, einschließlich
unter anderem positive Elektrode, negative Elektrode, wechselnde
Polarität,
AC-MIG, MIG-Hartlöten,
Auftragsschweißen
und Schweißen mit
einem dicken Draht bei niedrigen Strömen. Beispielsweise kann das
Schweißen
an einem 2,4 mm-Draht mit der vorliegenden Erfindung bei 100 Ampere
oder sogar 35 oder weniger Ampere erfolgen. Systeme nach dem Stand
der Technik erforderten an einem dicken Draht stärkeren Strom, um zu bewirken,
daß der
Kurzschluß aufhört und in
den Lichtbodenzustand übergeht.
Die vorliegende Erfindung basiert nicht darauf, daß der Strom
den Kurzschluß beseitigt,
weshalb ein dicker Draht und ein niedriger Strom verwendet werden
können.
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Die
Steuerung koppelt die Geschwindigkeit des Drahtvorschubmotors an
die mittlere Geschwindigkeit der Schrittmotoren, so daß die Drahtvorschubgeschwindigkeit
der Prozeßgeschwindigkeit folgt.
Das Mitteln der Geschwindigkeit über
20–30 Prozeßzyklen
(etwa 500 ms) sorgt für
eine effektive Steuerung.
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Eine
Schweißbadschwingungsfrequenz kann
gefunden werden, indem die Strecke überwacht wird, über die
sich der Draht bewegt, bis ein Kurzschluß oder ein Lichtbogen erzeugt
wird. Ein Steuerverfahren sieht vor, daß die Zustandsübergänge zeitlich
so gesteuert werden, daß sie
mit der Eigenfrequenz der Schweißbadschwingung übereinstimmen. Der
Controller enthält
ein Frequenzmodul und eine Schweißbadschwingungsrückkopplungsschaltung, um
dieses Steuerverfahren zum bewirken. Als Teil der Steuerschleife
kann eine Kurzschlußdetektionsrückkopplungsschaltung
verwendet werden.