DE69212708T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Lichtbogenschweissen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein für die Fabrikautomatisierung geeignetes Verfahren zum Lichtbogenschweißen, und insbesondere ein Verfahren zum Lichtbogenschweißen, das zur Anwendung beim Schweißen eines Materials, wie zum Beispiel Aluminium oder Magnesium geeignet ist, das die Entfernung einer Oxidschicht während des Schweißens erfordert. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Lichtbogenschweißmaschine zum Ausführen dieses Verfahrens.
• Fig. 1 zeigt schematisch eine koventionelle Lichtbogenschweißmaschine zum Ausführen von Lichtbogenschweißverfahren in einem Schutzgas (nicht dargestellt) mit einem Wechselstrom, der von einem Stromzuführungssystem 4 so zugeführt wird, daß er zwischen einer Elektrode 1 und einem zu schweißenden Objekt 3 fließt. In einer durch TEN dargestellten Periode ist die Elektrode 1 negativ, während das Objekt 3 positiv ist. Diese Periode ist dadurch gekennzeichnet, daß der Einbrand tief ist, der Abschmelzgrad der Elektrode 1 klein ist und die Lichtbogentöne gering sind, wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist.
• Auf der anderen Seite ist die Elektrode 1 in einer durch TEP dargestellten Periode positiv, während das Objekt 3 negativ ist. Wenn das Material eines Grundstoffes Aluminium, Magnesium oder dergleichen ist, behindert ein Oxid das Schweißen. Der Grund dafür besteht darin, daß der Schmelzpunkt des Oxides höher ist als der des Grundmaterials. Die Periode TEP ist durch einen Oxidentfernungsvorgang gekennzeichnet. Tabelle 1 Oxidschichtentfernungsvorgang Einbrand Abschmelzung Elektrode Lichtbogenton Nein Tief Flach Klein Groß Gering
• Wie oben beschrieben wurde, wird in Anwendungen, in denen der Schmelzpunkt eines Oxides höher ist als der eines Grundmaterials, das Schweißen durch die Anwendung eines Wechselstromes mit wechselnden TEN und TEP ausgeführt. Im allgemeinen hat der für das Schweißen erforderliche Strom eine Frequenz von ungefähr 100 Hz und seine Größe ist während TEN etwas größer als während TEP.
• Diese Art des konventionellen Lichtbogenschweißverfahrens, das während des Schweißens einen Wechselstrom anwendet, ist jedoch für die Anwendung beim Kehlnahtschweißen oder Uranami-Schweißen (Einbrandschweißen) nicht geeignet, weil das Richtvermögen der Lichtbögen nicht stabil ist. Außerdem vergrößern die durch das Wechserichten bewirkten größeren harmonischen Oberschwingungen die Lichtbogentöne und der Elektrodenerwärmungsvorgang während TEN führt zum schnellen Abschmelzen der Elektrode.
• Die JP-A-6261779, die den nächstgelegenen Stand der Technik definiert, von dem der Gegenstand des Anspruches 1 ausgeht, offenbart ein weiteres Lichtbogenschweißverfahren, das die allgemeinen Schritte des Erzeugens eines Wechselstromes, periodischen Gleichrichtens des Wechselstromes in einen Gleichstrom und alternierenden Zuführens des Wechselstromes und des Gleichstromes zu einem zu schweißenden Objekt umfaßt. Der Wechselstrom wird verwendet, um die Oberflächenoxidation zu entfernen. Der dem Wechselstrom folgende Gleichstrom führt zu einem größeren Einbrand, aber auch zu einer erhöhten Elektrodenabschmelzung. Außerdem wurde gefunden, daß dieses bekannte Verfahren die gleichen Nachteile wie das oben beschriebene Verfahren hat.
• Das US-A-4 876 433, das den nächstgelegenen Stand der Technik definiert, von dem der Gegenstand des Anspruches 2 ausgeht, offenbart eine Lichtbogenschweißstromquelle, die eine Hochspannung für die Wiederzündung eines Lichtbogens nach der Polaritätsumkehr eines Schweißstromes zuführt, um die Zerstörung von Schaltkreiselementen zu verhindern und eine stabile und positive Polaritätsumkehr ungeachtet seiner kleineren Größe zu gewährleisten, und auch das Auftreten einer Spannungsspitze in einem Hauptschaltkreis während der Polaritätsumkehr eines großen Stromes oder alternativ des Schweißstromes während der Polaritätsumkehr wird kontrolliert, um eine Spannungsspitze während der Stromumkehr zu unterdrücken.
• Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden.
• Es ist demzufolge ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Lichtbogenschweißmaschine und ein verbessertes Lichtbogenschweißverfahren zur Verfügung zu stellen, die/das im Richtvermögen der Lichtbögen besser ist und einen tiefen Einbrand erreichen kann.
• Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lichtbogenschweißmaschine und ein Lichtbogenschweißverfahren der oben genannten Art zur Verfügung zu stellen, die/das den Abschmelzgrad einer Elektrode und die Lichtbogentöne reduzieren kann.
• In Erfüllung dieser und anderer Ziele umfaßt ein erfindungsgemäßes Lichtbogenschweißverfahren die Schritte: Erzeugen eines Wechselstromes; periodisches Gleichrichten des Wechselstromes in einen Gleichstrom; und alternierendes Zuführen des Wechselstrom es und des Gleichstromes zu einem zu schweißenden Objekt, wobei die Frequenz des Wechsels des Wechselstromes und des Gleichstromes auf 0,5-10 Hz eingestellt wird, während das Verhältnis der Periode, während der der Wechselstrom durch das Objekt fließt, auf 30-80 % eingestellt wird.
• Um das oben beschriebene Verfahren auszuführen, umfaßt eine erfindungsgemäße Lichtbogenschweißmaschine einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, ein Gleichrichtermittel, das an die Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen ist, zwei Kondensatoren, die miteinander in Reihe und mit dem Gleichrichtermittel parallel geschaltet sind, erste und zweite Schaltelemente, die miteinander in Reihe und mit dem Gleichrichtermittel parallel geschaltet sind, eine Elektrode, deren eines Ende an einer Stelle zwischen den zwei Schaltelementen angeschlossen ist und deren anderes Ende gegenüber einem zu schweißenden Objekt liegt, ein erstes, mit dem ersten Schaltelement verbundenes Treibermittel, ein zweites, mit dem zweiten Schaltelement verbundenes Treibermittel, ein Schwingmittel zum Bestimmen der Impulsbreite des ersten und zweiten Treibermittels und ein Zeitgebermittel zum Eingeben von Signalen in das Schwingmittel, die erforderlich sind, um das Schwingmittel zu veranlassen, das Schwingen periodisch zu wiederholen und die Vorgänge zu stoppen. Das zweite Treibermittel gibt umgekehrte Signale des ersten Treibermittels aus. Das zu schweißende Objekt ist an einer Stelle zwischen den beiden Kondensatoren angeschlossen. Durch die oben beschriebene Konstruktion fließt während des Schweißens zwischen der Elektrode und dem Objekt alternierend ein Wechselstrom und ein Gleichstrom .
• Vorzugsweise umfaßt die Lichtbogenschweißmaschine außerdem ein Impulsbreitenregelmittel zum Einstellen der Impulsbreite des Schwingmittels.
• Weil die Wirkung des Gleichstromes jener des Wechselstromes hinzugefügt wird, wird erfindungsgemäß der Pol an einer Glühkatode stabil gehalten, wodurch das Richtvermögen der Lichtbögen verbessert und der Kühleffekt der Elektrode erzeugt wird. Weil außerdem die Anzahl der Gleichrichtungen des elektrischen Stromes klein ist, sind die Lichtbogentöne relativ gering. Außerdem erzeugt der Wechsel des Wechselstromes und des Gleichstromes ansehnliche, wellenartige Schweißraupen, weil die Merkmale der vorhergehenden breite Schweißraupen und flache Einbrände waren, während jene der letzteren schmale Schweißraupen und tiefer Einbrand sind.
• Obwohl die JP-A-6261 779 die allgemeinen Schritte des Lichtbogenschweißverfahrens zeigt, schweigt dieses Dokument des Standes der Technik vollständig über den besonderen Frequenzbereich für das Wechseln des Stromes zwischen Wechselstrom und Gleichstrom und das besondere Tastverhältnis des Wechselstromes, so daß diese Veröffentlichung keinen Hinweis darauf gibt, wie die bestimmte Wechselfrequenz und das Tastverhältnis auszuwählen sind, wie es durch die vorliegende Erfindung gelehrt wird. Das US-A-4 876 433 offenbart nur das Vorsehen eines einen Wechselstrom erzeugenden Stromkreises. Somit sind das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Maschine aus dem Stand der Technik nicht nahegelegt.
• Diese und andere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform derselben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich, in denen gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen benannt sind, und in denen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Lichtbogenschweißmaschine zum Ausführen des konventionellen Lichtbogenschweißverfahrens ist;
• Fig. 2 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißmaschine ist;
• Fig. 3 ein Wellenformendiagramm ist, das die Ausgangsimpulse von einem Stromzuführungssystem angibt;
• Fig. 4 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Periode eines Wechselstromes und verschiedenen Gütefaktoren angibt;
• Fig. 5 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen der Frequenz des Stromwechsels und der Tiefe der Schweißraupen angibt;
• Fig. 6 eine schematische Darstellung ist, die das äußere Erscheinungsbild der Schweißraupen angibt; und
• Fig. 7 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißmaschine ist.
• Fig. 2 stellt eine erfindungsgemäße Lichtbogenschweißmaschine schematisch dar. Diese Maschine ist mit einem Stromzuführungssystem 14 versehen, das eine Wellenform erzeugt, die von jener des in Fig. 1 gezeigten, konventionellen Stromzuführungssystems 4 verschieden ist. Das Stromzuführungssystem 14 führt während einer durch TAC dargestellten Periode bzw. während einer durch TDC dargestellten Periode einen Wechselstrom und einen Gleichstrom alternierend zu, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.
• Das Verhältnis der Periode des Wechselstromes und die Frequenz des Wechsels des Wechselstromes und des Gleichstromes werden ausgedrückt durch:
• TAC/(TAC + TDC)x100 bzw.
• 1/(TAC + TDC).
• Das Verhältnis zwischen der Breite der Schweißraupen, der Reinigungsbreite, der Tiefe der Schweißraupen und dem Abschmelzgrad einer Elektrode 1 wurde mit verändertem Verhältnis der Periode des Wechselstromes und veränderter Frequenz des Wechsels des Wechselstromes und des Gleichstromes untersucht. Die Reinigungsbreite ist die Breite jenes Teiles eines zu schweißenden Objektes 3, von dem eine Oxidschicht entfernt worden ist.
• Fig. 4 ist ein Diagramm, das als Ergebnis von Versuchen erhalten wurde, in denen die Geschwindigkeit des Schweißens und die Frequenz des Wechselstromes auf 30 cm/min bzw. 100 Hz eingestellt wurde, wobei ein elektrischer Strom von 200 Ampere auf eine Aluminiumplatte von 6 mm Dicke aufgebracht wurde.
• Mit dem Ansteigen des Verhältnisses der Periode des Wechselstromes wird sowohl die Reinigungsbreite als auch die Breite der Schweißraupen groß, während die Tiefe der Schweißraupen flach wird. Auf der anderen Seite erhöht sich der Abschmelzgrad der Elektrode 1. Angesichts dieser Tatsache wurde die untere und obere Begrenzung des Verhältnisses der Periode des Wechselstromes jeweils auf 30 % oberhalb dessen gesetzt, bei dem die Reinigungsbreite größer ist als die Breite der Schweißraupen, und auf 80 % unterhalb dessen, bei dem das Ansteigen in dem Abschmelzgrad der Elektrode 1 klein und die Tiefe der Schweißraupen nicht zu flach ist.
• Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Tiefe der Schweißraupen und der Frequenz des Wechsels des Wechselstromes und des Gleichstromes angibt. Ähnlich den Versuchsbedingungen, die zum Erreichen des in Fig. 4 gezeigten Ergebnisses eingestellt wurden, wurde das Schweißen bei einer Geschwindigkeit von 30 cm/min mit einem auf eine Aluminiumplatte von 6 mm Dicke aufgebrachten elektrischen Strom von 200 Ampere ausgeführt. Das Verhältnis der Periode des Wechselstromes war auf 50 % eingestellt.
• Wenn die Frequenz des Stromwechsels unter 10 Hz liegt, zeigen die Schweißraupen außen ein wellenartiges Aussehen, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Wenn der Abstand zwischen zwei benachbarten Wellen und die Geschwindigkeit des Schweißens auf l bzw. V eingestellt wird, begründet sich ein Verhältnis, das durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird.
• l =V x (TAC+TDC)
• Demgemäß wird der Abstand der Wellen dicht, wenn die Frequenz des Stromwechsels erhöht wird. Im allgemeinen ist V = 30cm/min. Demzufolge ist es sehr schwer, wellenartige Schweißraupen zu erhalten, wenn die Stromwechselfrequenz größer als 10 Hz ist, das heißt, wenn 1/(TAC+TDC)> 10 Hz, l=0,5mm, ist.
• Fig. 7 ist ein Schaltbild, das eine erfindungsgemäße Lichtbogenschweißmaschine verkörpert. Diese Schaltung umfaßt einen Transformator 7 mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, eine Diode 5 zur Gleichrichtung, die an die Sekundärwicklung des Transformators 7 angeschlossen ist, zwei Kondensatoren 6a und 6b, die miteinander in Reihe und mit der Diode 5 parallel geschaltet sind, und zwei Schaltelemente 8a und 8b, die miteinander in Reihe und mit der Diode 5 parallel geschaltet sind. Die Schaltelemente 8a und 8b sind an entsprechende Treiberschaltungen 9a und 9b angeschlossen. Die Treiberschaltung 9a ist direkt an einen Schwingkreis 10 angeschlossen, so daß Ausgangsimpulse von dem Schwingkreis 10 dort eingegeben werden können. Andererseits ist die Treiberschaltung 9b über einen Inverter 12 an den Schwingkreis 10 angeschlossen, so daß die Ausgangsimpulse von dem Schwingkreis 10 durch den Inverter 12 vor dem Eingeben derselben in die Treiberschaltung 9b in der Polarität umgekehrt werden können. Der Schwingkreis 10 bestimmt die Periode der Impulse der Treiberschaltungen 9a und 9b. An den Schwingkreis 10 sind eine Zeitschaltung 11, die das AN und AUS periodisch wiederholt, und eine Impulsbreitenregelschaltung 13 zum Einstellen der durch den Schwingkreis 10 erzeugten Impulsbreite angeschlossen. Eine Ladung zum Schweißen, das heißt, ein zu schweißendes Objekt 3, wird an einer Stelle zwischen den zwei Kondensatoren 6a und 6b angeschlossen, während ein Ende einer Elektrode 1 an einer Stelle zwischen den zwei Schaltelementen 8a und 8b angeschlossen ist. Das andere Ende der Elektrode 1 liegt dem Objekt 3 gegen- über, so daß während des Schweißens Lichtbögen 2 erzeugt werden können.
• Der Schwingkreis 10 ist in Verbindung mit der Funktionsweise der Zeitschaltung 11 betriebsfähig. Wenn die Zeitschaltung 11 AN ist, schwingt der Schwingkreis 10. Wenn im Gegensatz dazu die Zeitschaltung 11 AUS ist, beendet der Schwingkreis 10 die Schwingungen. Die Zeitschaltung 11 und der Schwingkreis 10 wiederholen jene Vorgänge.
• Wenn die Zeitschaltung 11 AN ist, geben die Treiberschaltungen 9a und 9b Ausgangssignale an die Schaltelemente 8a bzw. 8b, die auf von dem Schwingkreis 10 ausgegebenen Signalen basieren, und schalten dadurch die Schaltelemente 8a und 8b alternierend an und aus. Auf diese Weise fließt während der Periode TAC der Wechselstrom, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Wenn die Zeitschaltung 11 im Gegensatz dazu AUS ist, hört der Schwingkreis 10 auf zu schwingen. Danach bleibt das Schaltelement 8a an, während das Schaltelement 8b aus bleibt. Demzufolge fließt der elektrische Strom in die Richtung des Kondensators 6a - des Objektes 3 - der Lichtbogenladung 2 - der Elektrode 1 - dem Schaltelement 8b. Dieses bedeutet, daß der Gleichstrom während der Periode TDC bei negativer Elektrode 1 fließt, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.
• Wie oben beschrieben wurde, fließen erfindungsgemäß der Wechselstrom und der Gleichstrom alternierend in Übereinstimmung mit dem AN und AUS der Zeitschaltung 11. Demzufolge kann das Verhältnis der Periode des Gleichstromes (= TOFF/(TON + TOFF) = TDC/(TAC + TDC)) in Übereinstimmung mit dem Einstellen der Zeitperiode der Zeitschaltung 11 frei ausgewählt werden.
• Selbst wenn das Verhältnis der Periode des Gleichstromes feststehend ist, kann die Impulsbreite während der Schwingvorgänge des Schwingkreises 10 durch die Wirkungsweise der Impulsbreitenregelschaltung 13 verengt werden. Durch Ausführen desselben kann die Impulsbreite der Treiberschaltung 9a verengt werden, während jene der Treiberschaltung 9b verbreitert werden kann. Weil die AN-Periode des Schaltelementes 8b verlängert ist, ist demzufolge das Verhältnis der Periode vergrößert, während der die Elektrode 1 negativ ist, wie es ähnlich der Fall ist, wenn das Verhältnis der Periode des Gleichstromes vergrößert ist. Infolgedessen wird das Verhältnis der Periode der Glühkatodenentladung groß und das Richtvermögen und die Stabilität der Lichtbögen werden verbessert. Außerdem wird der Elektrodenwärmeeffekt klein, wodurch der Abschmelzgrad der Elektrode 1 eingeschränkt wird.
• Wie aus dem oben dargelegten klar wird, verwendet das erfindungsgemäße Lichtbogenschweißverfahren einen Schweißstrom, der die Periode des Wechselstromes und jene des Gleichstromes periodisch wechselt. In diesem Verfahren wird die Frequenz des Stromwechsels und das Verhältnis der Periode des Wechselstromes auf 0,5-10 Hz bzw. 30-80 % eingestellt. Weil das Richtvermögen der Bögen verbessert ist, ist dieses Verfahren zur Anwendung beim Kehlnahtschweißen oder Uranami-Schweißen geeignet. Desweiteren sind der Abschmelzgrad der Elektrode und die Lichtbogentöne relativ gering. Außerdem besitzen die Schweißraupen eine ansehnliche wellenartige äußere Erscheinung. Aus diesen Gründen ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Fabrikautomatisierung geeignet.

Claims (3)

1. Lichtbogenschweißverfahren, umfassend die Schritte:

Erzeugen eines Wechselstromes;

periodisches Gleichrichten des Wechseistromes in einen Gleichstrom; und

alternierendes Zuführen des Wechselstromes und des Gleichstromes zu einem zu schweißenden Objekt (3);

gekennzeichnet dadurch, daß die Frequenz des Wechsels des Wechselstromes und des Gleichstromes auf 0,5-10 Hz eingestellt wird und das Verhältnis der Perioden, während derer der Wechselstrom durch das Objekt (3) fließt, auf 30-80 % eingestellt wird.

2. Lichtbogenschweißmaschine, umfassend:

einen Transformator (7) mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung; ein Gleichrichtermittel (5), das an die Sekundärwicklung des Transformators (7) angeschlossen ist;

zwei Kondensatoren (6a, 6b), die miteinander in Reihe und mit dem Gleichrichtermittel (5) parallelgeschaltet sind;

erste und zweite Schaltelemente (8a, 8b), die miteinander in Reihe und mit dem Gleichrichtermittel (5) parallelgeschaltet sind; und

eine Elektrode (1), deren eines Ende an einer Stelle zwischen den zwei Schaltelementen (8a, 8b) angeschlossen ist und deren anderes Ende angepaßt ist, um einem zu schweißenden Objekt (3) gegenüberzuliegen, wobei das Objekt (3) an einer Stelle zwischen den zwei Kondensatoren (6a, 6b) angeschlossen ist;

gekennzeichnet durch ein erstes Treibermittel (9a), das an das erste Schaltelement (8a) angeschlossen ist, zum Steuern des ersten Schaltelementes (8a);

ein zweites Treibermittel (9b), das an das zweite Schaltelement (8b) angeschlossen ist, zum Steuern des zweiten Schaltelementes (8b), wobei das zweite Treibermittel (9b) invertierte Signale des ersten Treibermittels (9a) ausgibt;

ein Schwingmittel (10) zum Bestimmen der Impulsbreite des ersten und zweiten Treibermittels (9a, 9b); und

ein Zeitgebermittel (11) zum Eingeben von Signalen in das Schwingmittel (10), die erforderlich sind, um das periodische Wiederholen des Schwingens und Beendens der Wirkungsweise des Schwingmittels (10) zu bewirken, wodurch zwischen der Elektrode (1) und dem Objekt (3) während des Schweißens ein Wechselstrom und ein Gleichstrom alternierend fließen.

3. Lichtbogenschweißmaschine nach Anspruch 2, die außerdem ein Impulsbreitenregelmittel (13) zum Einstellen der Impulsbreite des Schwingmittels (10) umfaßt.