DE69917728T2

DE69917728T2 - Methode zur Steuerung eines Schweissverfahrens und Steuerung

Info

Publication number: DE69917728T2
Application number: DE69917728T
Authority: DE
Inventors: Arthur Solon Kramer
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 1998-09-21
Filing date: 1999-09-21
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2019-09-22
Also published as: ATE268244T1; EP0992312A2; DE69917728D1; CA2281299C; AU4879799A; CA2281299A1; EP0992312B1; US6087627A; AU723818B2; EP0992312A3

Description

Die Erfindung betrifft den Bereich des elektrischen Lichtbogenschweißens, bei dem ein Schweißdraht vorwärts zu einem Werkstück hin bewegt wird, während eine Gleichstrom-Lichtbogenspannung über den vorwärts bewegten Draht und das Werkstück mit dem Zweck angelegt wird, den Draht zu schmelzen und das geschmolzene Metall auf das Werkstück aufzubringen, und insbesondere ein Verfahren zur Steuerung des Schweißvorgangs und betrifft eine Steuereinheit zur praktischen Umsetzung des Verfahrens.
Um die Festigkeit eines beim automatischen Lichtbogenschweißen zu verwendenden Schweißdrahts zu ermitteln, wird ein Spritzspannungsparameter für den speziellen Draht gemessen. Wenn sich bei der Prüfung der Spritzspannung eines Drahtes eine Spannung innerhalb eines gewählten Bereiches zeigt, sind Qualität und Festigkeit des Drahtes gesichert. Das Verfahren zur Bewertung des Drahtes wird in US-A-5,369,243 gelehrt, das bestimmte Konzepte offenbart, die bei der vorliegenden Erfindung angewandt werden. In diesem älteren Patent werden bestimmte Konzepte gelehrt, die auf die vorliegende Erfindung anwendbar sind; jedoch betrifft das ältere Patent die Prüfung einer speziellen Eigenschaft des Drahtes zur Verwendung als Maß für dessen Qualität. Folglich stellt US-A-5,369,243 Hintergrundinformationen und technische Informationen dar, die zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung nicht wiederholt zu werden brauchen.
In einem Artikel mit dem Titel „An Evaluation of Short Circuiting Arc Phenomena in GMA Welding" wird auf Seite 15 von Welding & Metal Fabrication (Dezember 1989) ein Computer verwendet, um die Lichtbogenspanung in einer Kurzschluß-Betriebsweise darzustellen. Es wird das Konzept von vorübergehenden Kurzschlüssen erläutert. Strom und Spannung werden beide analysiert, um einen Faktor für die Lichtbogenbrennzeit zu ergeben, der mit dem Verhältnis von vorübergehenden Kurzschlüssen zu tatsächlichen Kurzschlüssen kombiniert wird. Dieser Vergleich wird zum Analysieren eines Schweißvorgangs auf theoretischer Grundlage verwendet. In dem Artikel wird ein Computer gezeigt, der eine digitalisierte Schweißspannung prüft, und es werden anfängliche Kurzschlüsse erläutert. In „GMAW Electrical Measurements and Their Interpretation in Terms of Simulated Welding Behavior" (Datum unbekannt) werden Strom- und Spannungslinien während des Kurzschlußübergangs gezeigt und sprühregenartige und tropfenförmige Übergänge erläutert, wie sie in den 1 und 2 gezeigt sind.
In dieser Abhandlung wird ein bestehendes Verfahren zur Simulierung mit Hilfe eines beliebigen Rauschens analysiert.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das elektrische Lichtbogenschweißen ist ein kompliziertes Verfahren, und das entstehende Einbringen von geschmolzenem Metall in ein Schweißbad zur Ausführung des Schweißverfahrens wird durch eine enorme Anzahl von miteinander zusammenhängenden und nicht zusammenhängenden Parametern bestimmt. Diese Parameter wirken sich auf die Auftragsleistung, die Schweißspritzer und die Schweißrückstände um den Schweißvorgang herum, die Form und das Aussehen der Schweißraupe und die Lagestelle und die Qualität der Schutzschlacke aus, um nur einige zu nennen. Das Schweißverfahren wird von der Zusammensetzung des Schutzgases, dessen Strömungsgeschwindigkeit, der Konstruktion des Schweißbrenners, dem Winkel des Schweißbrenners, der Konstruktion des Schweißmundstücks, der Größe und der Form der Auftragsfuge, der in dem Schweißverfahren verwendeten Steuervorrichtung, dem Betrag des Drahtvorstands, der Geschwindigkeit der Drahtzuführung, der Geschwindigkeit des Schweißbrenners entlang dem Werkstück, der Rauchabsaugung, der Art des Erdungskontakts an dem Werkstück, den atmosphärischen Bedingungen, der Zusammensetzung des Werkstücks und anderen Variablen gesteuert. Folglich ist das Lichtbogenschweißen in hohem Maße ein empirischer Probiervorgang, wobei der Schweißer die geeigneten Einstellungen vornehmen können muß, um feste Schweißnähte zu erhalten. Jedes Mal, wenn sich einer der Parameter ändert, wirkt sich das auf Aussehen, Größe, Form, Kontur, Chemie und mechanische Eigenschaften der entstehenden Schweißnaht aus. Aus diesem Grunde ist das Lichtbogenschweißen keine präzise Wissenschaft, sondern eher eine Kunstform, die ausgebildete Schweißingenieure erfordert, um die gewünschten Ergebnisse zu erhalten. Bei den meisten Systemen werden elektrische Schweißparameter an der Schweißvorrichtung selbst verwendet, beispielsweise eine auf der Lichtbogenspannung, dem Lichtbogenstrom oder Impulseinstellungen beruhende Regelschaltungssteuerung. Die Einstellungen von Spannung, Strom oder Impulsgröße oder -folge werden von dem Schweißingenieur oder von dem Techniker ge steuert, um die gewünschte Schweißnaht zu erzeugen. Es gibt keinen Vorgang in der Technik, bei dem ein Gleichstrom-Schweißverfahren ad hoc ohne Eingriff des Schweißers oder Schweißingenieurs gesteuert wird. Folglich wird die Schweißnaht beim hochproduktiven Gleichstrom-Schweißen durch Regulierung von verschiedenen Hauptparameter und Außerachtlassen der weniger bedeutungsvollen Parameter gesteuert.
Zusammenfassend gesagt, wird das automatische Lichtbogenschweißen mit Hilfe eines Gleichstrom-Schweißverfahrens normalerweise von dem Schweißer in einer Weise gesteuert, mit der keine einheitlichen Schweißergebnisse mit Schwankungen bei einem oder bei sämtlichen der vielen Schweißparameter oder -variablen erzielt werden.
Bei einem Gleichstrom-Lichtbogenschweißverfahren in der Betriebsweise mit Spannungssteuerung, auf das sich die vorliegende Erfindung insbesondere richtet, ist bekannt, daß das halbautomatische und das automatische Schweißen mit einer konstanten Lichtbogenspannung gesteuert werden kann. Wenn diese Spannung relativ hoch ist, wie es bei der in 1 gezeigten Spannungslinie gezeigt ist, kann eine relativ konstante Lichtbogenspannung mit wenig Abweichung von der Norm und ohne scheinbare oder sehr große Spannungsabweichungen aufrechterhalten werden. Wenn mit dieser hohen Spannung gearbeitet wird, wird das in dem Plasmabogen-Schweißverfahren übertragene Metall durch sprühregenartigen Übergang übertragen, bei dem sehr wenig flüssiges Metall in dem Lichtbogen selbst von dem Draht zu dem Werkstück fließt. Das Schweißbad ist, wie beobachtet wird, sehr ruhig. Dadurch wird das Gleichstrom-Hochspannungslichtbogenschweißen bei konstanter Spannung recht einladend. Jedoch werden durch die hohe Spannung beim Plasmabogenschweißen, das in 1 gezeigt ist, zu große Hitze und elektromagnetische Strahlung erzeugt. Des weiteren wird dabei das Eisen des Werkstücks wie auch das Eisen der Elektrode oder des vorwärts bewegten Drahtes verdampft. Dieser Eisendampf wird in der hohen Temperatur des Lichtbogens zu einem Eisenoxidaerosol oxidiert, das an der relativ kühlen Werkstückoberfläche vor allem als Eisenoxidstaub kondensiert. Dadurch kommt es zu einem etwas „schmutzigen" Schweißvorgang, der nicht als optimal für das Gleichstrom-Schweißverfahren angesehen wird. Wenn die konstante Spannungseinstellung an dem Lichtbogenschweißmaschine im wesentlichen von der eingestellten Spannung gemäß 1 zu der in der Spannungslinie gemäß 2 dargestellten konstanten Spannung vermindert wird, erfolgt ein Gleichstrom-Schweißverfahren mit tropfenförmigem Übergang oder Kurzschluß. Dieses Verfahren mit konstanter Spannung ist durch eine große Anzahl (mehr als 80 pro Sekunde) von starken negativen Spannungsabweichungen gekennzeichnet. Tatsächlich fällt die Lichtbogenspannung, wenn Kurzschlüsse auftreten, auf eine Spannung nahe bei Null, d.h. 7–10 Volt, und kann dort über lange Zeit verbleiben, d.h. bis der Kurzschluß unterbrochen wird. Infolgedessen wird der in Richtung zu dem Werkstück vorwärts bewegte Draht in das Schweißbad getrieben und erzeugt einen Kurzschluß. Wenn das geschieht, erlischt der Lichtbogen, und der Draht heizt sich auf und explodiert. Durch die Explosion wird der elektrische Kontakt unterbrochen, und die Spannung bewegt sich sofort auf die hohe eingestellte Spannung, die auf Grund der Induktivität der Schweißenergieversorgung normalerweise überschwingt. Wenn der Kurzschluß unterbrochen ist und sich die Spannung zurück auf die hohe eingestellte Spannung zu bewegt, bewegt sich der Draht immer noch rasch auf das Werkstück zu. Mithin wird der Lichtbogen wieder hergestellt, und der Zyklus wiederholt sich. Folglich kommt es unmittelbar nach dem Kurzschluß und der Unterbrechung, die als „Verengung" bezeichnet wird, zu großer Spannungsinstabilität, bevor der Lichtbogen oder das Plasma wieder hergestellt wird. Diese Weise des Metallübergangs ist der Natur nach in erster Linie „tropfenförmig" mit negativen Senken, ist jedoch auch ein „Kurzschlußbetrieb" mit mehr als 100 Kurzschlüssen pro Sekunde. Durch diese Prozesse wird eine chaotische Wirkung in dem das Schweißbad bildenden geschmolzenen Metall erzeugt. Wenn tatsächlich eine Betriebsweise mit Kurzschluß besteht, bewegt sich der Draht oder die Elektrode auf und ab, so daß das geschmolzene Metall am Ende des vorwärts bewegten Drahtes einen Kurzschluß verursacht. Mithin verändert sich die Lichtbogenspannung auf Null und löscht das Plasma. Treten wiederholt Kurzschüsse und/oder tropfenförmige Übergangsvorgänge an der Schweißmaschine auf, führt das zu starken Schwankungen in der Lichtbogenspannung des Gleichstrom-Schweißverfahrens. Die flüssigen Tröpfchen werden auf Grund der von dem Plasma verursachten Turbulenz von dem Lichtbogen weggeblasen und lagern sich auf dem Werkstück ab, wo sie erstarren. Folglich befinden sich große Halbkugeln, die „Schweiß spritzer" genannt werden, angrenzend an die Schweißraupe und müssen abgestemmt werden, um die Schweißfläche attraktiver zu machen. Wenn eine konstante Spannung verwendet wird, die bei sprühregenartigem Übergang hoch ist, wie in 1 gezeigt ist, oder bei tropfenförmigem oder kurzschlußartigem Übergang niedrig ist, wie in 2 gezeigt, ergeben sich unerwünschte Schweißresultate, so daß die Schweißnaht in dem spezifischen Bereich zwischen dem sprühregenartigen Übergang und dem tropfenförmigem Übergang ausgeführt werden muß; jedoch ändert sich durch die vielen Variablen in dem Schweißverfahren die Spannung, die diesen Bereich bei einem Schweißverfahren definieren. Wenn eine Spannung für eine Gruppe von Variablen eingestellt wird, ist das Schweißverfahren nicht optimal, wenn sich eine oder mehrere dieser Variablen ändern.
Zwar ist die vorliegende Erfindung besonders auf das spannungsgesteuerte Schweißen anwendbar, das gleiche Problem besteht jedoch bei stromgesteuertem Schweißen. Beim Impulsschweißen wirken sich die vielen variablen Parameter ebenfalls auf die Qualität der Schweißnaht aus und erfordern sowohl eine Qualitätskontrolle von Draht und Schutzgas als auch eine Regulierung der anderen variablen Parameter. Diese Kompensationen bei allen Arten des Lichtbogenschweißens können nicht mit Hilfe eines adaptiven geschlossenen Regelschleifensystems, das auf einer gegebenen Variablen beruht, oder eines offenen Regelschleifensystems wie konstanter Spannung, konstantem Strom oder konstanter Impulswellenform erfolgen.
US 4,647,754 zeigt eine Impulslichtbogenschweißmaschine, in der Mittel zum Detektieren von Kurzschlüssen vorgesehen sind, die bei einem Schweißvorgang auftreten, und das entstandene Kurzschlußdetektierungssignal wird anschließend zur Berechnung der Schweißlichtbogenspannung verwendet. Bei dieser Schweißmaschine wird jedoch die Frequenz der Spritzereignisse nicht ermittelt.
US 5,765,967 zeigt ein Verfahren zum Erkennen und Steuern eines Lichtbogenschweißverfahrens durch Abtasten elektrischer Signale aus der Schweißschaltung, darunter das der Kurzschlußfrequenz. Die Messungen im Verfahren werden mit einer vorgegebenen Gruppe von Toleranzgraden verglichen und mit Hilfe einer Fenstertechnik ausgewertet, welche die Auswertung der Datenproben mit der Abtastfrequenz aktualisiert. Bei diesem Verfahren wird jedoch keine Frequenz der Spritzereignisse ermittelt.
DIE ERFINDUNG
Zur Lösung des Problems der besseren Steuerung des Ausgangs einer Lichtbogenschweißmaschine durch Detektieren von negativen Spitzen werden in der Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 9 vorgeschlagen. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die vorliegende Erfindung analysiert die Lichtbogengrobspannung und ermittelt die Frequenz der negativen Senken oder Spitzen, im folgenden als Spritzereignisse E definiert. Die Lichtbogengrobspannung ist in der Spannung gezeigt.
Durch die Wahl einer gewünschten Frequenz im Bereich von 10–30 Ereignissen pro Sekunde wird der Ausgang des Lichtbogenschweißverfahrens derart gesteuert, daß die tatsächliche Frequenz auf der gewünschten Frequenz gehalten wird. Da diese Frequenz sehr deutlich unter der Frequenz der Kurzschlüsse bei kurzschlußartiger Betriebsweise und tropfenförmigem Übergang (d.h. mehr als 80 Spitzen pro Sekunde) liegt, können bei der Detektierung der Ereignisse E sporadische Kurzschlüsse und kleinere Tropfenform-Ereignisse eintreten. Mithin kann die Zählung von Spritzereignissen auch den gelegentlichen kurzschlußartigen oder tropfenförmigen Übergang beinhalten, ohne von der Erfindung abzuweichen. Diese Möglichkeit des Beinhaltens der negativen Spitzen, die durch tropfenförmige und kurzschlußartige Übergänge entstehen, erleichtert die Detektierung von Ereignissen und ist in den 28, 29 und 29A gezeigt. Zusammenfassend gesagt, werden in der Lichtbogengrobspannung (nach Beseitigung der hohen Frequenz) Spritzereignisse E detektiert und adaptiv zur Steuerung des Ausgangs der Schweißmaschine als Lichtbogen mit variablen Ausgangspegeln verwendet, um die gewünschte Frequenz der Spritzereignisse zu ergeben. Bei diesem Steuerungskonzept wird die Schweißqualität mit Prozessvariablen aufrechterhalten. In einem begrenzten Umfang sind Spritzereignisse negative Spitzen (a) im Bereich von 1–6 Volt, (b) über 7–10 Volt oder (c) von mehr als 1–2 Volt. Praktisch wird die mittlere Lichtbogenspannung mit der Grobspannung verglichen, um die Ereignisse zu ermitteln.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Gleichstrom-Lichtbogenschweißverfahren bei einer spezifischen Ausgangsbedingung gesteuert, die bei einer spannungsgesteuerten Weise bei einer Spannung im speziellen Bereich zwischen einem sprühregenartigen Übergang bei hoher Spannung, der in 1 gezeigt ist, und dem tropfenförmigen oder kurzschlußartigen Übergang bei niedriger Spannung liegt, der in 2 gezeigt ist. Dieses neue Verfahren wird nicht nur durch ein geschlossenes Regelschleifensystem zwischen den in den 1 und 2 dargestellten zwei Betriebsweisen gesteuert, sondern er wird auch in einem speziellen Bereich zwischen den zwei Weisen gesteuert, wie allgemein in 3 gezeigt ist. Die eingestellte Lichtbogenspannung des Gleichstrom-Lichtbogenschweißverfahrens wird auf einer variablen Größe oder Stufe gehalten, die zu dem gewünschten Schweißvorgang führt.
Gemäß der Erfindung werden die Lichtbogenausgangsspannung, der Strom oder der Impuls mit dem Verfahren, dem System oder der Steuereinheit auf einer Stufe gehalten, auf der unabhängig von den Änderungen der in diesen Gleichstrom-Lichtbogenschweißverfahren auftretenden Parameter ein gewünschter Schweißvorgang und ein gewünschtes Ergebnis bewirkt werden. Gemäß der bevorzugten Anwendung der Erfindung wird die Lichtbogenspannung auf einem Wert gesteuert, der zu einem Schweißverfahren mit wiederholbarer, beständiger Qualität führt, bei dem im wesentlichen die Schwankungen in den vielen mit dem Gleichstrom-Lichtbogenschweißen zusammenhängenden Parametern außer acht gelassen werden und eine hochwertige Schweißnaht gegenüber einer mit einem Verfahren mit konstanter Spannung erhaltenen Schweißnaht hergestellt wird. Das gleiche Verfahren oder System oder die gleiche Steuereinheit werden verwendet, um andere Ausgangsparameter in verschiedenen Lichtbogenschweißverfahren zu steuern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung eines Gleichstrom-Lichtbogenschweißverfahrens in Echtzeit geschaffen, bei dem der Schweißdraht zu einem Werkstück vorwärts bewegt wird, während eine Lichtbogenspannung über den vorwärts bewegten Draht und das Werkstück hin angelegt wird. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Detektierens von Spritzereignissen als negativer Spitzen von mehr als etwa 1–2 Volt. Ein „Spritzereignis" ist eine ausgeprägte, nach unten gerichtete Senke oder negative Spitze in der Lichtbogenspannung, wobei diese Spitze in dem begrenzten Gesichtspunkt im allgemeinen im Bereich von etwa 1–10 Volt liegt. In einer begrenzten Ausgestaltung beträgt eine maximale Senke nach unten 6 Volt, beträgt jedoch in der Praxis im allgemeinen 10 Volt, um mehr Spitzen zu beinhalten. In einer anderen Ausgestaltung beträgt die Spitze mindestens etwa 7–10 Volt über Grund, d.h. null Volt. In US-A-5,369,243 sind die Ereignisse in anderer Weise als negativer Spitzen identifiziert, anders als tatsächliche Kurzschlüsse, ohne Bezug auf einen tropfenförmigen Übergang. Ein „Spritzereignis" ist eine negative Spitze, der kein Kurzschluß ist. Jedoch können bei der Ermittlung von Spritzereignissen gelegentliche Kurzschlüsse als Spritzereignis gezählt werden. Bei dem „Spritzereignis" werden auch tropfenförmige Übergangsstörungen ausgeschlossen, jedoch können gelegentliche, tropfenformartig ausgelöste negative Spitzen als Spritzereignis gezählt werden. Diese kleinen Spannungsabweichungen von der Lichtbogenspannung, d.h. Spritzereignisse werden in 3 für spannungsgesteuertes Schweißen und in 3A für Impulsschweißen gezeigt und können mit geeigneten Schaltungen oder geeigneter Software gemessen werden. Die Software legt fest, wann die Lichtbogengrobspannung um mindestens einen minimalen Betrag nach unten einbricht und einen maximalen Betrag nicht überschreitet, um die negativen Störungen sowohl von tropfenförmigem Übergang als auch von kurzschlußartigem Übergang zu unterscheiden. Das „Sprtzereignis" wird von einem kurzschlußartigen oder tropfenförmigen Übergang in der in 2 gezeigten Weise unterschieden, wobei die Abweichungen sehr stark sind und um mehr als 10 Volt nach unten verlaufen und zu einer Spannung nahe bei 7–10 Volt über Null führen. Mithin kommt ein Spritzereignis durch die Ausbildung einer geschmolzenen Kugel am Ende des vorwärts bewegten Drahtes zustande, wobei die Kugel nicht groß genug ist, um einen tropfenförmigen Übergang oder kurzschlußartigen Übergang zu verursachen. Die Spritzereignisse treten ein, wenn sich das geschmolzene Metall am Ende der Elektrode bildet und durch den Lichtbogen hindurch nicht als tropfenförmige, ungesteuerte große Masse, sondern als relativ kleines, geschmolzenes Tröpfchen auf das Werkstück geschleudert werden kann. Das Tröpfchen befindet sich zwischen einem sprühregenar tigen Übergang und einem tropfenförmigen Übergang. Wenn das erfolgt, tritt eine Reihe von Sprühereignissen mehrmals mit einer Frequenz ein, die von der Lichtbogenspannung des Schweißverfahrens in Spannungssteuerung und anderen Parametern bei anderen Schweißarten bestimmt wird. Wenn die Spritzereignisse im Bereich von Frequenzen gezählt werden, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, so treten gelegentlich sowohl ein tropfenförmiger Übergang als auch ein Kurzschluß auf. Mithin werden diese sporadischen negativen Spitzen als „Spritzereignisse" gezählt. Mit diesem Verfahren wird die Ermittlung von Sprühereignissen im praktischen Sinne erleichtert.
Zwar werden Spritzereignisse als negative Spitzen gegenüber Kurzschlüssen betrachtet, es ist jedoch vorstellbar, daß sich diese Spitzen durch vorübergehende Kurzschlüsse 32d in der in 30 gezeigten Weise ergeben und sich nur auf Grund der Filterwirkung der Meßeinrichtungen als kleine negative Spitzen darstellen.
Es wurde festgestellt, daß eine Metallübergangserscheinung in einem beschränkten Spannungsbereich zwischen sprühregenartigem Übergang und tropfenförmigem Übergang auftritt, bei der kleine Teilchen entstehen und durch den Lichtbogen hindurch auf das Werkstück übertragen werden. Diese Teilchen sind größer als die Teilchen bei einem sprühregenartigen Übergang. Gemäß der Erfindung werden diese Spritzereignisse zwischen dem sprühregenartigem Übergangsvorgang und dem tropfenförmigem oder kurzschlußartigen Übergang nach ihrer Detektierung in einem Mikroprozessor oder einer anderen Steuerungsvorrichtung im Verhältnis zu der Echtzeit verarbeitet, um die Echtzeitfrequenz der Spritzereignisse zu ermitteln. Nachdem die Echtzeitfrequenz der Spritzereignisse ermittelt ist, wird eine gewählte Frequenz der Spritzereignisse gewählt, und es wird die Lichtbogenspannung oder ein anderer Ausgangsparameter des Schweißverfahrens derart reguliert, daß sich die Echtzeitfrequenz der Spritzereignisse zu der gewünschten Frequenz der Spritzereignisse bewegt und ein spezifischer Bereich zwischen sprühregenartigem Übergang und tropfenförmigem Übergang definiert wird. Dieses Steuerungsverfahren ist die wichtigste Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung liegt die gewählte Frequenz der Spritzereignisse oder der negativen Spitzen im Bereich von etwa 10–30 Spritzereignissen pro Sekunde und beträgt im allgemeinen 20 Spritzereig nissen pro Sekunde. Wenn die Frequenz der Spritzereignisse oder der negativen Spitzen auf dem gewählten Wert gehalten wird, ist das Gleichstrom-Schweißverfahren kein Schweißverfahren mit konstanter Spannung, sondern ein Schweißverfahren, das in dem spezifischen Bereich zwischen dem sprühregenartigen Übergangsverfahren gemäß 1 und dem tropfenförmigen Übergangsverfahren gemäß 2 aufrechterhalten wird. Wenn mit Hilfe der vorliegenden Erfindung das Impulsschweißen gesteuert wird, wird der Ausgang durch einen Eingangsparameter gesteuert, der die Impulse derart reguliert, daß die gewünschte Frequenz der Spritzereignisse erhalten wird. Die Erfindung funktioniert in der in 3 dargestellten Weise beständig und wiederholbar unabhängig von den Änderungen in den vielen Parametern, welche die Schweißqualität bestimmen. Wenn die vorliegende Erfindung verwendet wird, steuern die Spritzereignisse pro Sekunde die Einstellung der Lichtbogenspannung oder einen anderen Ausgangssteuerungsparameter der Schweißmaschine und des entstehenden Schweißverfahrens.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung eines Gleichstrom-Lichtbogenschweißverfahrens in Echtzeit geschaffen, bei dem die Frequenz der Spritzereignisse auf einer gewünschten Frequenz gehalten wird. Durch diese Steuerung des gesamten Schweißverfahrens, nicht des Drahtes, wird das Schweißverfahren auf einer spezifischen Spannung zwischen sprühregenartigem Übergang und tropfenförmigem Übergang gehalten, die mehrmalige wiederholbare Schweißergebnisse unabhängig von Wechseln und Änderungen in den Parametern, die den Betrieb bestimmen, und der Leistung des Schweißverfahrens sicherstellt.
Zwar ist die Erfindung besonders auf die Steuerung der Spannung in einem Gleichstrom-Schweißverfahren anwendbar, wo eine Spannungssteuerung verwendet wird, um zwischen sprühregenartigem Übergang bei hohen Spannungen und kurzschlußartigem Übergang bei niedigeren Spannungen zu wechseln, jedoch kann die Erfindung bei verschiedenen Weisen des Lichtbogenschweißens verwendet werden, beispielsweise beim Impulsschweißen. Bei einem Impulsschweißverfahren wird die Spannung derart gesteuert, daß eine Reihe von Stromimpulsen erzeugt wird, wie sie in dem unteren Diagramm gemäß 3 gezeigt ist. Bei dieser Art des Lichtbogenschwei ßens treten am Ende von bestimmten Impulsen P_c negative Spannungsspitzen 80 und 82 auf. Die Lichtbogenspannung ist der Mittelwert der Spannung P_v. Es liegen also „Spritzereignisse" vor, die detektiert und entweder durch die adaptive Verwendung der vorliegenden Erfindung oder der periodenartigen Verwendung der vorliegenden Erfindung zur Steuerung des Ausgangs der Impulsschweißmaschine verwendet werden können.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen einer Steuereinheit für ein Gleichstrom-Lichtbogenschweißverfahren der oben definierten Art, wobei diese Steuereinheit Mittel zur Detektierung von Spritzereignissen, d.h. negativen Spitzen, die größer als eine gegebene Größe in der Lichtbogenspannung sind, Mittel zur Ermittlung der Echtzeitfrequenz der Spritzereignisse, Mittel zur Wahl einer gewünschten Frequenz der Spritzereignisse und Mittel zur Regulierung der Lichtbogenspannung oder eines anderen Ausgangsparameters umfaßt, um die Echtzeitfrequenz der Spritzereignisse in die gewünschte Frequenz zu ändern. Die negativen Spitzen oder Spritzereignisse werden vorzugsweise durch das Herausfiltern der hohen Frequenz und das Vergleichen der Lichtbogengrobspannung mit der mittleren Lichtbogenspannung detektiert. Das geschieht vorzugsweise digital.
Gemäß einer breiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Steuereinheit für ein spannungsgesteuertes Schweißverfahren geschaffen, wobei die Steuereinheit ein Mittel zur Messung der Frequenz der Spritzereignisse und ein Mittel zur Regulierung der Lichtbogenspannung zwecks Aufrechterhaltung der gemessenen Frequenz der Spritzereignisse im Bereich von 10–30 Spritzereignissen pro Sekunde und vorzugsweise etwa 20 Spritzereignissen pro Sekunde umfaßt. Mithin unterscheidet sich die bevorzugte Ausführung der Erfindung von einem Schweißverfahren mit konstanter Spannung, und die Erfindung wird insbesondere hinsichtlich eines Schweißverfahrens mit konstanter Spannung im Vergleich zu dem standardmäßigen Schweißverfahren mit konstanter Spannung nach dem Stand der Technik beschrieben. Die Erfindung weist jedoch umfangreichere Anwendungen auf und kann durch adaptive Regulierung eines Ausgangsparameters zur Steuerung der Frequenz der Spritzereignisse in einem Impulsschweißverfahren oder einem anderen Schweißverfahren verwendet werden. Bei der wichtigsten Verwendung der Erfindung ist dieser Parameter die Spannung.
Wenn die vorliegende Erfindung in dem Spannungsmodus verwendet wird, wird eine „Spritzspannung" ermittelt, indem die Spannung gemessen wird, bei der die Frequenz der Spritzereignisse, d.h. der negativen Spitzen von mehr als 1–2 Volt, im Bereich von 10–30 Spritzereignissen pro Sekunde und vorzugsweise im üblichen Bereich von 20 Spritzereignissen pro Sekunde liegt. Diese ermittelte Spannung ist die „Spritzspannung" und kann eine kurze Zeitlang, d.h. für Zeiten von weniger als einer Minute, in einem alternativen Verfahren zur praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die Spritzspannung kann als Steuerspannung einer geschlossenen Regelschleife für den Schweißvorgang verwendet werden. Diese Steuerung mit geschlossener Regelschleife gründet sich auf die gemessene Frequenz der Spritzereignisse und wird für kurze Schweißzyklen verwendet, wie sie von automatischen Einrichtungen bei Massenfertigung ausgeführt werden. Die Spritzspannung wird vor jedem Zyklus oder zu periodischen Zeitpunkten in einem Zyklus gemessen, wobei der periodische Zeitpunkt weniger als etwa eine Minute beträgt. Das Schweißverfahren für einen Zyklus wird bei der adaptiven Spritzspannung gehalten. Das ist nicht die bevorzugte Verwendung der vorliegenden Erfindung und ist eine bloße Näherung. Die Erfindung aktualisiert den Ausgang generell in Echtzeit, um die gewählte Frequenz der Spritzereignisse aufrechtzuerhalten. Die Aktualisierungen können ohne Abweichung von der Erfindung erfolgen.
Die Spritzspannung des gesamten Schweißverfahrens (d.h. die Lichtbogenspannung, die zu der gewählten Frequenz der Spritzereignisse führt) kann durch Aufzeichnen einer S-Kurve erfolgen, welche die Frequenz der Spritzereignisse in dem vorliegenden Schweißverfahren als Funktion der Gleichstrom-Lichtbogenspannung des Verfahrens ist. Indem man den unteren Abschnitt dieser Schweißverfahrenskurve durch eine Tangentenlinie von 45° schneiden läßt, ist der Schnittpunkt zwischen dem allmählich verlaufenden Abschnitt der S-Kurve und dem abrupter verlaufenden Abschnitt der S-Kurve die Betriebsspannung, auf welche die Schweißmaschine hin gesteuert werden sollte, wenn die Schweißmaschine in einem Spannungsmodus des Schweißens mit mehreren Variablen betrieben wird. Dieser Schnittpunkt ist die „Spritzspannung" für das Verfahren zu jedem gegebenen Zeitpunkt und ist die Lichtbogenspannung, die gemäß der wichtigsten Ausführung der vorliegenden Erfindung zur Steuerung der Schweißmaschine und des Schweißverfahrens verwendet wird. Wenn sich das Verfahren entweder in Einstellung oder in Betrieb ändert, ändert sich die S-Kurve des Verfahrens so, wie sich die detektierte „Spritzspannung" ändert. Mit der Erfindung wird der Ausgang des Schweißverfahrens so eingestellt, daß die gewählte Frequenz der Spritzereignisse aufrechterhalten wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Hauptaufgabe zugrunde, ein Verfahren, ein System und eine Steuereinheit zur adaptiven Steuerung des Ausgangs einer Schweißmaschine durch Detektierung von negativen Spitzen, vorzugsweise Spritzereignissen, in der Lichtbogenspannung und durch Regulierung des Ausgangs zwecks Erhaltung der Frequenz der Ereignisse bei einer gewünschten Frequenz im üblichen Bereich von 10–30 Ereignissen pro Sekunde zu schaffen. „Spritzereignisse" sind negative Spitzen, die nicht durch tropfenförmigen Übergang oder kurzschlußartigen Übergang verursacht werden; jedoch treten solche Übergänge bei der gewünschten Frequenz nur gelegentlich auf. Mithin sind „Spritzereignisse" im weiteren Sinne als alle negativen Spitzen von mehr als einer gegebenen Spannung definiert, beispielsweise von 1–2 Volt. Wenn Spritzereignisse gezählt werden, können sie in bequemer Weise durch diese negativen Spitzen ermittelt werden, so daß ihr genauer Ursprung für die Praxis und das Verständnis der Erfindung unwichtig ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die andere Hauptaufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung oder eine Steuereinheit zu schaffen, wobei mit dem Verfahren und der Vorrichtung oder Steuereinheit ein Gleichstrom-Lichtbogenschweißverfahren mit der gleichen Qualität ausgeführt wird, wenn die Parameter, welche die Qualität der Schweißnaht bestimmen, entweder absichtlich oder anderweitig geändert werden. Bei der bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Schweißverfahren einen Spannungsmodus, bei dem mit einer gesteuerten Lichtbogenspannung funktioniert, wobei durch die regulierte Lichtbogenspannung eine Qualitätsschweißnaht mit wenig Oxidstaub und wenig Schweißspritzern hergestellt wird und dabei eine gleichmäßige Schweißraupe mit einer Kontur und einer Einbrandtiefe hergestellt wird, die sich vom Schweißen mit konstanter Spannung mit der gleichen Schweißmaschine und gleichen Variablen abheben. Verfahren und Steuereinheit richten sich nicht nach Drahteigenschaften, Gaszusammensetzung oder anderen wichtigen Schweißvariablen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung oder eine Steuereinheit nach der obigen Definition zu schaffen, wobei bei dem Verfahren und der Vorrichtung oder Steuereinheit die Frequenz der Spritzereignisse genutzt wird, um die Spannung oder einen anderen Ausgangsparameter zu ermitteln, bei der/dem das Lichtbogenschweißverfahren ausgeführt wird, um Schwankungen in den vielen Parametern des Schweißverfahrens zu kompensieren.
Der vorliegenden Erfindung liegt noch die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung oder eine Steuereinheit nach der obigen Definition zu schaffen, wobei bei dem Verfahren und der Vorrichtung oder Steuereinheit die Ausführung eines in dem Spannungsmodus betriebenen Gleichstrom-Lichtbogenschweißverfahrens in dem Bereich zwischen sprühregenartigem Übergang und tropfenförmigem Übergang und insbesondere in einem spezifischen Bereich zwischen diesen zwei Arten des Metallübergangs unabhängig von Variablen in den Schweißparametern aufrechterhalten wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt noch die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung oder eine Steuereinheit nach der obigen Definition zu schaffen, wobei bei dem Verfahren und der Vorrichtung oder Steuereinheit ein Gleichstrom-Lichtbogenschweißverfahren mit sehr wenig Rauch und ohne Schweißspritzer aufrechterhalten wird. Des weiteren ist das Schweißprofil oder die Schweißraupe glatt, durchgehend und konkav, so daß sich Schlacke entlang der axialen Mitte der Schweißraupe und nicht an der Schnittstelle der Kanten der Schweißraupe und des Werkstücks ansammelt, wie das beim Schweißen mit konstanter Spannung festzustellen ist. Dadurch kann die Schlacke leicht und vollständig entfernt werden, und das Schweißen von mehreren Lagen wird erfolgreicher und leichter. Die Raupe weist auch eine sehr gute Einbrandtiefe auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung oder eine Steuereinheit nach der obigen Definition zu schaffen, wobei mit dem Verfahren und der Vorrichtung oder Steuereinheit ein Gleichstrom-Lichtbogenschweißen ermöglicht wird, das unabhängig von Schwankungen in den vielen Parametern des Schweißverfahrens beständig und wiederholbar ist.
Die allerwichtigste Aufgabe der vorliegenden Erfindung sind ein Verfahren und eine Steuereinheit zur dynamischen Verfolgung einer Spannung oder eines anderen Ausgangsparameters, um unabhängig von Variablen in dem Schweißverfahren eine vorgewählte Frequenz der Spritzereignisse oder im weiteren Sinne von negativen Spitzen aufrechtzuerhalten.
Es wurde festgestellt, daß die folgenden Bedingungen oder Merkmale jeweils von besonderem Vorteil für das erfindungsgemäße Verfahren, die Steuereinheit und/oder – die Steuervorrichtung sind, wenn sie alternativ oder gemeinsam verwendet werden:

– Die gewählte Frequenz der Spritzereignisse liegt im üblichen Bereich von 10–30 Spritzereignissen pro Sekunde;
– Die Frequenz der Spritzereignisse beträgt generell 20 Spritzereignisse pro Sekunde;
– Das Schweißverfahren beginnt mit der Wahl einer Lichtbogenspannung;
– Die gewählte Spannung ist die Spannung der nächstvorherigen Leistung des Schweißverfahrens;
– Der Schritt des Detektierens der Spritzereignisse umfaßt das Detektieren kleiner Senken in der Lichtbogenspannung im Bereich von etwa 1–10 Volt;
– Der Schritt des Detektierens der Spritzereignisse umfaßt das Detektieren eindeutiger Senken in der Lichtbogenspannung, wobei die Senke mindestens etwa 7–10 Volt über null Volt liegt;
– Die regulierte Lichtbogenspannung wird periodisch bestimmt, und dann wird die Lichtbogenspannung auf der bestimmten Lichtbogenspannung konstant gehalten;
– Der Schritt des Bestimmens erfolgt nach dem Ende eines Schweißzyklus;
– Der Schritt des Bestimmens erfolgt aller 10–60 Sekunden während eines Schweißzyklus;
– Der Schritt des Detektierens der Spritzereignisse umfaßt das Vergleichen der Lichtbogenspannung mit einem Mittelwert der Lichtbogenspannung;
– Mit dem Schritt des Detektierens werden negative Senken von weniger als 1–2 Volt ausgeschlossen;
– Der Schritt des Detektierens umfaßt das Umwandeln der Lichtbogenspannung in eine digitale Darstellung;
– Bei dem Schritt des Detektierens werden negative Senken von weniger als 1–2 Volt ausgeschlossen;
– Das Mittel zum Detektieren der Spritzereignisse umfaßt ein Mittel zur Detektierung kleiner Senken in der Lichtbogenspannung im Bereich von 1–6 Volt;
– Das Detektierungsmittel für die Spritzereignisse umfaßt ein Mittel zur Detektierung eindeutiger Senken in der Lichtbogenspannung, wobei die Senke mindestens 7–10 Volt über null Volt beträgt;
– Das Bestimmungsmittel umfaßt ein Mittel zum Mitteln der Lichtbogenspannung und ein Mittel zum Vergleichen der mittleren Lichtbogenspannung mit der Lichtbogenspannung;
– Die Lichtbogenspannung wird vor der Ermittlung der Spritzereignisse in eine digitale Darstellung umgewandelt;
– Der Steuerungsparameter ist die Lichtbogenspannung;
– Der Steuerungsparameter ist der Lichtbogenstrom;
– Der Steuerungsparameter ist die Impulsform;
– Der Steuerungsparameter ist die Impulsfrequenz;
– Der Steuerungsparameter ist die Impulszeit;
– Der Steuerungsparameter ist die Lichtbogenspannung;
– Der Steuerungsparameter ist der Lichtbogenstrom;
– Der Steuerungsparameter ist die Impulsform;
– Der Steuerungsparameter ist die Impulsfrequenz;
– Der Steuerungsparameter ist die Impulszeit;
– Der Ausgangsparameter ist die Impulslänge;
– Das Mittel zum Halten des geregelten Ausgangs ist der Steuerungsparameter für einen gewählten Zeitraum;
– Der gewählte Zeitraum beträgt weniger als etwa 1 Minute;
– Der gewählte Zeitraum ist die nächstvorherige Ausführung eines Zyklus des Schweißverfahrens;
– Die Frequenz der Spitzen beträgt generell 15–20 Spritzereignisse pro Sekunde;
– Der Schritt des Detektierens von negativen Spitzen umfaßt das Detektieren von negativen Spitzen in der Lichtbogenspannung im Bereich von etwa 1–10 Volt;
– Bei dem Schritt des Detektierens wird der dv/dt-Wert der negativen Spitzen gemessen, und es werden diejenigen Spitzen detektiert, bei denen der dv/dt-Wert der negativen Spitzen einen vorgegebenen Wert überschreitet;
– Die gewählte Frequenz beträgt generell 20 negative Spitzen pro Sekunde;
– Das Mittel zum Detektieren von negativen Spitzen umfaßt ein Mittel zum Detektieren von negativen Spitzen in der Lichtbogenspannung im Bereich von etwa 1–10 Volt;
– Das Bestimmungsmittel umfaßt ein Mittel zum Mitteln der Lichtbogenspannung und ein Mittel zum Vergleichen der mittleren Lichtbogenspannung mit der Lichtbogenspannung;
– Die Lichtbogenspannung wird vor der Ermittlung der Spritzereignisse in eine digitale Darstellung umgewandelt;
– Die gewählte Frequenz liegt im Bereich von 10–30 Spritzereignissen pro Sekunde;
– Die gewählte Frequenz beträgt generell 20 negative Spitzen pro Sekunde;
– Die gewählte Frequenz liegt im üblichen Bereich von 10–30 Spritzereignissen pro Sekunde;
– Die gewählte Frequenz beträgt weniger als etwa 30 Spitzen pro Sekunde;
– Der Detektierungsschritt für Spritzereignisse umfaßt das Vergleichen der Lichtbogenspannung mit einem Mittelwert der Lichtbogenspannung;
– Bei dem Detektierungsschritt werden negative Spitzen von weniger als etwa 1–2 Volt ausgeschlossen;
– Der Detektierungsschritt umfaßt das Umwandeln der Lichtbogenspannung in eine digitale Darstellung;
– Das Aufrechterhaltungsmittel hält die gemessene Frequenz im Bereich von 10–30 negaiven Spitzen pro Sekunde;
– Die gewählte Zeit ist die nächstvorherige Ausführung eines Zyklus des Schweißverfahrens;
– Die Umwandlung der Lichtbogenspannung in eine digitale Darstellung erfolgt vor dem Meßschritt;
– Die gewünschte Frequenz beträgt weniger als 30 Spritzereignisse pro Sekunde;
– Der Ereignisdetektor detektiert negative Spitzen von mehr als 1–2 Volt;
– Das Frequenzwählmittel umfaßt einen Sensor zum Abfühlen eines gegebenen Parameters und ein Mittel zur Änderung der gewählten Frequenz gemäß der Größe des gegebenen Parameters;
– Das Änderungsmittel ist eine Verweistabelle oder ein PROM;
– Der Ereignisdetektierungsschritt umfaßt das Detektieren von negativen Spitzen von mehr als 1–2 Volt;
– Der Schritt des Frequenzwählens umfaßt die Schritte des Abfühlens eines gegebenen Parameters und des Änderns der gewählten Frequenz gemäß der Größe des gegebenen Parameters;
– Bei dem Schritt des Änderns wird eine Verweistabelle oder ein PROM verwendet.

Diese und weitere Aufgaben und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung erkennbar.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm eines elektrischen Lichtbogenschweißverfahrens unter Verwendung einer hohen Lichtbogenspannung zur Herstellung eines sprühregenartigen Metallübergangs;
1A ist eine schematische Ansicht des sprühregenartigen Metallübergangsprozesses, der unter Verwendung einer hohen Spannung nach der Angabe in 1 erhalten wird;
2 ist ein Diagramm eines elektrischen Lichtbogenschweißverfahrens unter Verwendung einer niedrigen Spannung, mit dem ein tropfenförmiger oder kurzschlußartiger Metallübergang hergestellt wird;
2A ist eine schematische Ansicht eines sprühregenartigen Metallübergangsprozesses, der durch Betrieb gemäß 2 erhalten wird;
2B ist eine schematische Ansicht eines gemäß 2 betriebenen kurzschlußartigen Metallübergangsprozesses;
3 ist ein Diagramm eines elektrischen Lichtbogenschweißverfahrens bei einer Spannung zwischen den in den 1 und 2 gezeigten Spannungen, das eine Reihe von Spritzereignissen zeigt, die detektiert werden, um die Frequenz der Spritzereignisse für das gesamte Schweißverfahren zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung zu erhalten;
3A ist ein Diagramm von Spannung und Strom in einem Impulsschweißverfahren, welches das Auftreten eines Spritzereignisses oder einer negativen Spannungsstörung darstellt;
4 ist ein Diagramm, das eine S-Kurve für das gesamte Schweißverfahren zeigt und als Frequenz der Spritzereignisse als Funktion der Lichtbogenspannung mit einer Schnittstelle konstruiert ist, um die tatsächliche "Spritzspannung" des Schweißverfahrens zu definieren;
5 ist ein Diagramm, das durch den Schweißvorgang erzeugten Rauch als Funktion der Lichtbogenspannung zeigt, die über die in 4 dargestellte Prozeßkurve gelegt ist:
die 6A–6B sind Querschnittsansichten, welche die Schweißraupe zeigen, die durch Verwendung des Vorgangs und der Steuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wird;
die 7A–7B sind ähnlich den 6A–6B und zeigen die Funktionsweise eines Schweißverfahrens mit konstanter Spannung mit den gleichen Parametern;
8 ist ein schematisches Blockschaltbild, das bestimmte Ausführungen der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Spannung als korrigierendem Steuerbefehl an die Energiequelle darstellt;
8A ist ein schematisches Blockschaltbild, das eine Ausführung der Erfindung darstellt, bei der die Aktualisierung periodisch in einer gesteuerten Zeit erfolgt, die länger als die Verarbeitungszeit eines Mikroprozessors ist;
9 ist ein schematisches Blockschaltbild, das eine weitere Ausführung der Erfindung darstellt;
10 ist ein schematisches Blockschaltbild, das noch eine weitere Ausführung der Erfindung darstellt;
11 ist ein schematisches Blockschaltbild, das einen Softwarevorgang zeigt, den der Mikroprozessor zur Erfassung von Spritzereignissen verwendet;
12 ist ein schematisches Blockschaltbild des bevorzugten Verfahrens und der Steuereinheit zur praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung;
13 ist ein schematisches Blockschaltbild des Softwareprogramms zur Bestimmung der Frequenz der Spritzereignisse zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung;
die 14A–C sind Querschnittsansichten, welche die Schweißraupe für verschiedene Tiefen der Testfuge und für verschiedene Drahtvorstände bei Verwendung eines Vorgangs mit konstanter Spannung zeigen;
die 15A–C sind ähnlich wie die 14A–C und stellen das gleiche Schweißverfahren bei Verwendung der vorliegenden Erfindung dar;
die 16–19 sind S-Kurven für Schweißverfahren bei Verwendung von verschiedenen Schutzgasen;
20 ist ein Diagramm der Spritzspannungen für verschiedene, aus den 16–19 erhaltene Schutzgase;
die 21–24 sind Querschnittsansichten, welche die Schweißraupen jeweils unter Verwendung der Schutzgase gemäß den 16–19 und unter Verwendung der vorliegenden Erfindung zeigen;
25 ist ein schematisches Blockschaltbild, das die adaptive Ausführungsform der Erfindung zur Verwendung bei der Steuerung verschiedener Ausgangspegel eines Schweißgeräts zeigen;
25A ist ein schematisches Blockschaltbild, das eine Modifizierung der in 25 gezeigten Ausführungsform zeigt;
26 ist ein schematisches Blockschaltbild, das eine Variation des Systems gemäß 25 mit bestimmten hinzugefügten Merkmalen zeigt;
27 ist ein schematisches Blockschaltbild, das die periodische Ausführungsform der Erfindung zur Verwendung bei der Steuerung verschiedener Ausgangspegel eines Schweißgeräts zeigt;
28 ist eine Linie einer Lichtbogenspannung bei Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung und zeigt mögliche sporadische Kurzschlüsse und andere gelegentliche Störungen;
29 ist ein schematisches Blockschaltbild des Ereignisdetektorsystems, das bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
29A ist ein schematisches Blockschaltbild eines vorgeschlagenen Systems zur Erfassung von Spritzereignissen bei Verwendung von Konzepten aus dem in 29 gezeigten System;
29B ist ein Diagramm, das eine Linie zur Detektierung der Ereignisse mit dem in 29 gezeigten System zeigt;
30 ist eine Spannungslinie gemäß der Darstellung in 28, die zur Erläuterung der Schaffung bestimmter negativer Spitzen konstruiert ist; und
31 ist ein schematisches Blockschaltbild der Vorrichtung, die zur Digitalisierung der Lichtbogenspannung zur Ausführung der Erfindung mit einem Computer oder Mikroprozessor verwendet wird.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
In den Zeichnungen, in denen die Erläuterungen dem Zweck dienen, nur bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darzustellen, und nicht dem Zweck, diese zu beschränken, ist 1 eine Linie, welche die tatsächliche Lichtbogenspannung in Echtzeit bei ausgefilterten hohen Frequenzen für ein elektrisches Lichtbogenschweißverfahren zeigt, das schematisch in 1A dargestellt ist, wo der vorwärts bewegte Schweißdraht oder die Elektrode 20 zu dem Werkstück 22 hin vorrückt. Die Lichtbogenspannungslinie 10 über den Draht und das Werkstück 20 ist eine als etwa 29 Volt dargestellte hohe Spannung und schafft mithin einen Sprühregen 24 aus Metall durch den Lichtbogen oder das Plasma hindurch zwischen dem Schweißdraht und dem Werkstück. Da die Lichtbogenspannung hoch gehalten wird, ist die Spannung relativ konstant und erzeugt eine Welligkeitslinie bei konstanter Lichtbogenspannung. Diese hohe Spannung weist sehr wenig Abweichung von der eingestellten konstanten Spannung auf und weist nur einen kleinen Betrag an Schweißgeräusch auf. Es bestehen keine scheinbaren großen Spannungsabweichungen. Die Art des Metallübergangs bei dieser Art einer Schweißbedingung wird als Schweißen mit sprühregenartigem Übergang oder als Plasmabogenschweißen bezeichnet. Ströme flüssigen Metalls von dem Draht zu dem Werkstück durch den elektrischen Bogen hindurch werden von der Lichtbogenspannung verursacht. Das Schweißbad bleibt relativ ruhig; deshalb treten sehr wenige Störungen in dem Schweißverfahren auf. Jedoch können durch die hohe Spannung bei dem Plasmabogenschweißverfahren zu große Hitze und elektromagnetische Strahlung auftreten. Des weiteren wird durch die hohe Lichtbogenspannung das Eisen in der Elektrode verdampft, wodurch der Eisendampf oxidiert und an dem relativ kühlen Werkstück 22 als Eisenoxidstaub kondensiert. Die Spritzertröpfchen 24 sind sehr klein, haften nicht an dem Werkstück und verursachen keine wesentliche Abweichung in der eingestellten konstanten Lichtbogenspannung 10. Auf Grund der zu großen Hitze, der elektromagnetischen Strahlung und der Verdampfung des Metalls ist dieses Vorgang nicht immer optimal für das halbautomatische und das automatische Gleichstrom-Lichtbogenschweißen.
In 2 ist eine Lichtbogenspannungslinie 30 auf annähernd 25 Volt vermindert. Wenn die Lichtbogenspannung in der in 2 angezeigten Weise sehr stark vermindert wird, wird durch die Spannung zwischen dem Draht 20 und dem Werkstück 22 ein gesonderter Lichtbogen 40 geschaffen, der den Draht 20 derart schmilzt, daß Tröpfchen oder Kügelchen 50 entstehen. Wenn die Tröpfchen 50 freigesetzt werden, tritt in der in 2 gezeigten Weise eine starke Abweichung oder ein negativer Spitzen 32 in der Lichtbogenspannung auf. Diese negativen Spitzen liegen oberhalb von Null, jedoch innerhalb von 7–10 Volt von Null. Wenn allerdings die Lichtbogenspannung weiter vermindert wird, erzeugen die großen Tröpfchen oder der Spritzregen gemäß 2A große Schmelzekugeln 60, was zu einem kurzschlußartigen Übergang von geschmolzenem Metall führt. An dem Ende des Drahts bilden sich große Sphäroide aus geschmolzenem Metall. Wenn ein Sphäroid das Werkstück berührt, beginnt an dem geschmolzenen Sphäroiden ein Einschnürungsvorgang, der von dem elektrischen Quetschvorgang zum Trennen des geschmolzenen Metalls von dem Ende der Elektrode bewirkt wird. Das führt zu einer starken Explosion oder Verschmelzung, die zu Schweißspritzern 62 führt. Die Spannungslinie des sprühregenartigen oder kurzschlußartigen Schweißens ist in 2 dargestellt und ist durch starke negative Spannungsabweichungen von der betriebsmäßigen Lichtbogenspannung in einer Frequenz von über etwa 60–80 Abweichungen pro Sekunde gekennzeichnet. In einer typischen Situation für den tropfenförmigen Übergang fallen die Lichtbogenspannungsspitzen von 25 Volt auf etwa 7–10 Volt ab. Beim Kurzschluß wird der Schweißdraht in das Schweißbad getrieben, um einen Kurzschluß zu bilden, und die Lichtbogenspannung beträgt etwa Null, und der Lichtbogen wird gelöscht. Danach tritt die Explosion ein, wodurch der Lichtbogen wiederhergestellt und der Kurzschlußvorgang wiederholt wird. Sowohl beim tropfenförmigen als auch beim kurzschlußartigen Übergang treten die negativen Spitzen rasch ein, und der Draht wird rasch in Richtung zu dem Werkstück zurückgeführt, wodurch die plötzlichen Spannungsspitzen 32 verursacht werden. Wie in 2 zu sehen ist, besteht eine sehr große Spannungsinstabilität unmittelbar nach der Bildung von Spitzen beim tropfenförmigen Übergang oder nach einem Kurzschluß. Der Übergang ist ziemlich chaotisch und führt zu einer starken Bewegung des Schweißbades. Die großen Tropfen 50 oder geschmolzenen Metallsphäroide 60 wirbeln von der dem Lichtbogen 40 gegenüberliegenden Seite aus um das Ende des Drahts 20 herum. Die Tropfen 50 werden mit der Zeit größer und fliegen herum, bevor sie auf das Werkstück überführt werden. Das Schweißbad ist auf Grund der auf das Bad auftreffenden kügelchenförmigen Tropfen sehr turbulent. Wenn es wirklich zum Kurzschluß schweißen kommt, schmilzt der Schweißdraht tatsächlich ab und legt dann die Kugel oder den Sphäroiden ab, wobei zu diesem Zeitpunkt die Lichtbogenspannung negative Spitzen aufweist, die nahe am Nullpegel liegen. Bei den Tropfen 50, die in 2A gezeigt sind, oder dem kurzschlußartigen Übergang, wie er in 2B gezeigt ist, treten in der in 2 gezeigten Weise starke Störungen auf. Das ist im wesentlichen anders als bei dem generell ruhigen Zustand der in 1 gezeigten konstanten Lichtbogenspannung. Diese beiden Schweißvorgänge weisen ernstlich Nachteile auf und werden durch Änderungen bei verschiedenen Parametern in dem Schweißverfahren bezieht, wenn das Schweißgerät mit einer eingestellten, festen Spannung betrieben wird. Beim sprühregenartigen Übergang und beim kurzschlußartigen Übergang treten Kurzschlüsse auf, die keinen Metallübergang ergeben. Diese Kurzschlüsse sind vorübergehende Kurzschlüsse, die vorübergehend wirken.
Es wurde festgestellt, daß dann, wenn sich Parameter ändern, ein Gleichstrom-Lichtbogenschweißvorgang mit konstanter Spannung zwischen dem in 1A dargestellten sprühregenartigen Übergang und entweder dem tropfenförmigen oder dem kurzschlußartigen Übergang wandert, wie diese in 2A bzw. 2B dargestellt sind. Diese beiden Extreme weisen Vorgangs- und Aussehensnachteile auf, die durch Verwendung der vorliegenden Erfindung beseitigt werden.
In 3 ist die Lichtbogenspannung 70 niedriger als die in 1 gezeigte Spannung, ist jedoch wesentlich größer als die in 2 gezeigte Spannung. Durch diese Lichtbogenspannung wird eine Erscheinung geschaffen, die als vorübergehende, gesonderte Spannungsspitze oder Senkenstelle 72 angegeben ist. Senkenstellen 72 werden als Spritzereignisse bezeichnet und sind im engen Sinne relativ kleine Spitzen, die im Bereich von mindestens 1 Volt und von höchstens etwa 6–10 Volt über der eingestellten Lichtbogenspannung 70 liegen. Die negative Spitze 74 liegt am höheren Ende dieses Bereichs und kann als Spritzereignis verzeichnet werden oder nicht. Allerdings könnte ein Spritzereignis auch als negative Spitze in der Lichtbogenspannung, die größer als 7–10 Volt über Null ist, oder im weiteren Sinne als negative Spitze von mehr als etwa 1–2 Volt definiert werden. Die Anzahl der Spritzereignisse, die während eines Zeitraums eintreten, ist die Frequenz der Spritzereignisse bei der Lichtbogen spannung 70. Dieses Konzept zur Messung von Spritzereignissen wird bei der vorliegenden Erfindung als Parameter zur Steuerung eines tatsächlichen Schweißvorgangs unabhängig von der Qualität oder Größe des Drahts, Kerndrahts oder festen Drahts, der Gaszusammensetzungen, der Anhaftung usw. verwendet werden. Ein Spritzereignis im engen Sinne ist eine negative Spitze im allgemeinen Bereich von 1–6 Volt. In einem etwas weiteren Sinne ist ein Spritzereignis eine negative Spitze oberhalb von etwa 7–10 Volt. Im weitesten Sinne und einem leichter zu erfassenden Sinne ist ein Spritzereignis jede negative Spitze von mehr als etwa 1–2 Volt. Die negativen Spitzen werden von der groben Lichtbogenspannung aus, wobei die hohe Frequenz beseitigt ist, oder durch Vergleich einer solchen groben Lichtbogenspannung mit der durchschnittlichen Lichtbogenspannung gemessen.
Wenn die Spannung gegenüber der Lichtbogenspannungslinie 10 verringert wird, treten negative Spannungsabweichungen oder Spritzereignisse mit einer zunehmenden Frequenz auf. Wenn mit einer niedrigen Frequenz der Spritzereignisse geschweißt wird, wird die Lichtbogenspannung innerhalb des Bereichs gehalten, der in Zusammenhang mit den 1 und 2 beschrieben ist. Wenn die Lichtbogenspannung gegenüber der konstanten Spannung 10 verringert wird, beginnen Spritzereignisse aufzutreten. Wenn die Lichtbogenspannung weiter verringert wird, nimmt die Frequenz der Spritzereignisse zu. Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß ein besseres und gleichmäßiges Schweißen bei einer Spritzfrequenz von annähernd 20 Spritzereignissen pro Sekunde erfolgt. Die Frequenz der Spritzereignisse wird größer, wenn die Spannung unter die in den 1 und 2 gezeigten Pegel absinkt. Die Lichtbogenspannung, bei der es bei dem tatsächlichen Schweißvorgang unabhängig von dem Draht zu annähernd 20 Spritzereignissen pro Sekunde kommt, wird als „Spritzspannung" des gesamten Schweißvorgangs bezeichnet. Das ist die Spannung, unterhalb derer die Spritzer aufzutreten beginnen. Obwohl die bevorzugte, gewählte Frequenz der Spritzereignisse bei dem tatsächlichen Schweißvorgang 20 Spritzereignisse pro Sekunde beträgt, wird mit der Erfindung ein Bereich solcher Spritzereignisse zwischen 10 und 30 solchen Spritzereignissen ins Auge gefaßt. Die Spannung zur Erzielung der gewählten Frequenz von Spritzereignissen, die „Spritzspannung", bewirkt einen Übergang zwischen dem in 1A gezeigten sprühregenartigen Übergang und dem in 2A gezeigten tropfenförmigen Übergang. Bei Verwendung von annähernd 20 Spritzereignissen pro Sekunde zur Bestimmung der Betriebslichtbogenspannung für die praktische Umsetzung des Schweißvorgangs unabhängig von Konstruktion, Größe oder Qualität des Drahts und unabhängig von der Gaszusammensetzung ist das Werkstück frei von Spritzern, und die Schweißraupe wird mit einer konkaven Oberfläche und einem Tiefeinbrand optimiert. Die Steuerung des Schweißgeräts oder des Gleichstromschweißvorgangs, so daß die Lichtbogenspannung auf einer gewünschten Frequenz von Spritzereignissen gehalten wird, ist einzigartig und erzeugt, wie festgestellt wurde, sehr gute Schweißnähte, die durchweg unabhängig von Parameteränderungen in dem Schweißvorgang sind. Mithin ist unabhängig davon, was für eine Kombination von unabhängigen Variablen und unterschiedlichen Schweißparametern in dem Gleichstromschweißvorgang vorliegt, die Schweißraupe so lang, wie die Lichtbogenspannung bei der speziellen Reihe von Variablen auf einer bekannten Spritzereignisfrequenz gehalten wird. Mithin wird, wenn die Lichtbogenspannung auf einer speziellen Frequenz von Spritzereignissen gehalten wird, der Gleichstromschweißvorgang aufrechterhalten und bei einem Qualitätsprozeß zwischen sprühregenartigem und tropfenförmigem Schweißen wiederholt. Die Lichtbogenspannung, bei der die Frequenz von Spritzereignissen annähernd 20 Spritzereignisse pro Sekunde beträgt, läßt sich leicht bestimmen, indem lediglich die Spritzereignisse detektiert werden, die Echtzeitfrequenz der Spritzereignisse detektiert wird, die gewünschte Frequenz von Spritzereignissen gewählt wird und die Lichtbogenspannung derart eingestellt wird, daß die Echtzeitfrequenz der Spritzereignisse zu der gewünschten Frequenz von Spritzereignissen hin verschoben wird. Mithin ist die Erfindung eine neuartige Methode zur Steuerung eines Gleichstrom-Lichtbogenschweißgeräts, die sich nicht auf eine Spannungsrückmeldung oder Stromrückmeldung gründet, sondern die Funktionsweise des Schweißvorgangs auf einer speziellen Frequenz der Spritzereignisse hält. Durch die Spritzereignisse wird ein Schweißvorgang gesteuert. Bei der Erfindung wird der Draht nicht auf Qualität und Fertigungsbeständigkeit getestet, da dieser Parameter für den Erfolg der vorliegenden Erfindung unerheblich ist.
Die 1–3 stellen die Anwendbarkeit der Erfindung auf ein Schweißverfahren mit Spannungssteuerung dar, die hauptsächliche Ausführung der Erfindung. Die Erfindung ist jedoch umfangreich und wird auch zur Steuerung des Impulsschweißens verwendet, wo eine Reihe von Stromimpulsen P_C auftritt, die von Spannungsimpulsen P_V erzeugt werden. Mithin ist die Lichtbogenspannung einer Reihe von Impulsen P_V über die gesamte Elektrode 20 und das Werkstück 22 und kann gemittelt werden, um die Lichtbogenspannung zur Messung von Spitzen 80, 82 zu erhalten, die am Ende der Zufallsimpulse P_V auftreten. Die Anzahl dieser Spitzen wird mit der Erfindung gesteuert. Beim Impulsschweißen werden die Schmelzekugeln ausgebildet und gehen wie beim spannungsgesteuerten Schweißen über, und es treten die Spritzereignisse 80, 82 ein. Diese Ereignisse sind als negative Spitzen von mehr als 1–2 Volt unterhalb der durchschnittlichen Spannung definiert. Durch Einstellung der Impulse P_V am Ausgang zwecks Einstellung der Größe und/oder Frequenz der Impulse wird die Frequenz von Spritzereignissen wie bei der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung eingestellt. Mithin wird die Erfindung zur Einstellung der Ausgang einer Impulsschweißmaschine zwecks Steuerung der Spritzereignisse mit dem Vorteil verwendet, daß eine gewählte Frequenz von Spritzereignissen die gleiche Schweißqualität unabhängig von Änderungen an Draht, Schutzgas und anderen für die Schweißqualität bestimmenden Faktoren ergibt.
Zur Darstellung der bei dem Gleichstrom-Lichtbogenschweißgerät zu verwendenden Lichtbogenspannung bei dem Spannungsmodus der Erfindung, die manchmal als „Betriebsart mit konstanter Spritzspannung" bezeichnet wird, wird zwecks Erhalt der Schweißnaht mit gewünschter beständiger und wiederholbarer Qualität eine hohe Lichtbogenspannung mit einer kleinen Frequenz, beispielsweise von 0,2 Volt pro Sekunde, vermindert. In jedem Falle werden die Spritzereignisse über einen Zeitraum detektiert und gezählt, so daß sich eine Frequenz von Spritzereignissen ergibt. Die Spritzereignisse werden entweder im engen oder im weiten Sinne gezählt und um den Faktor Zeit erweitert, damit sich die Frequenz ergibt, die als Funktion der tatsächlichen Lichtbogenspannung für das Verfahren auf einen Computerschirm projiziert werden kann. Dieser Vorgang ergibt für den vorliegenden Schweißvorgang eine S-Kurve 100 in
4. Die Kurve 100 berücksichtigt alle Variablen des Schweißverfahrens. Datenpunkte 110 sind errechnete Frequenzen der Spritzereignisse 72 bei jeder Lichtbogenspannung. Die Kurve 100 liegt bei hohen Spannungen bei null Spritzereignissen. Das ist der sprühregenartige Zustand, der in 1 gezeigt ist. Wenn die Spannung stufenweise abnimmt, beginnen Spritzereignisse aufzutreten. Sobald die Spritzereignisse aufzutreten beginnen, nehmen sie rasch zu, so daß die Frequenz dieser Ereignisse die Form der S-Kurve 100 für das Schweißverfahren bildet. Die Anzahl von Spritzereignissen pro Sekunde gleicht sich bei relativ niedrigen Spannungen auf 80–140 ab. Zu diesem Zeitpunkt liegt ein sprühregenartiger oder kurzschlußartiger Übergang mit Spitzen 32 vor, wie in 2 gezeigt ist. Durch verminderte Spannungen nach dem unteren Knie 112 wird das Schweißverfahren geschaffen, das in 2 gezeigt ist. Eine Tangente 114 von 45° schneidet das untere Knie 112 der Kurve 100 an einem Punkt 120, so daß sich die Lichtbogenspannung für den Betrieb zwischen den Abschnitten mit rascher Frequenz der Spritzereignisse in der Kurve 100 und den Abschnitten mit geringer Frequenz der Spritzereignisse in der Kurve ergibt. Der Punkt 120 definiert die Frequenz von Spritzereignissen, die routinemäßig und wiederholbar zur Steuerung des Schweißverfahrens erwünscht ist. Diese Frequenz ist in 4 als 20 Spritzereignisse pro Sekunde bildend dargestellt. Am Punkt 120 ist die Lichtbogenspannung 130 die Spannung, mit der das Schweißverfahren für die dargestellte S-Kurve gesteuert wird. Wenn sich das Schweißverfahren ändert, oder wenn sich der Draht oder das Schutzgas ändert, verschiebt sich auch die Spannung 130, und es wird eine neue S-Kurve wirksam. Diese Spannung 130 ist als etwa 27,5 Volt Gleichstrom betragend dargestellt. Durch Verwendung der Kurve S für ein spezielles Schweißverfahren wird die Lichtbogenspannung gewählt, indem bestimmt wird, wann 20 Spritzereignisse pro Sekunde auftreten. Mithin soll die Frequenz von Spritzereignissen pro Sekunde auf 20 Ereignissen pro Sekunde gehalten werden, indem die Spannung von 27,5 Volt aufrechterhalten wird, solange der Schweißvorgang gleich ist. Bei dem Schweißverfahren ändert sich die Frequenz von Spritzereignissen, wenn sich das Vorgang ändert, entweder in einem Ablauf oder von Einstellung zu Einstellung. Bei Relevanz und nur zur Darstellung ist eine neue S-Kurve mit einer neuen Spritzspannung 130 anwendbar. Die Lichtbogenspannung der Schweißvorrichtung wird derart eingestellt, daß der Betrieb mit der Spritzspannung mit einer Frequenz von Spritzereignissen von 20 Ereignissen pro Sekunde für das Schweißverfahren aufrechterhalten wird. Eine ähnliche Kurve wird geschaffen, wenn der Ausgang einer Impulsschweißmaschine in dem in 3A dargestellten Vorgang eingestellt wird. Mithin kann die Erfindung bei einer Impulsschweißmaschine verwendet werden, indem deren Ausgang derart gesteuert wird, daß eine gewählte Frequenz von Spritzereignissen aufrechterhalten wird. Dadurch wird für die Steuerung gesorgt, die durch Verwendung der vorliegenden Erfindung das Schweißen mit wiederholbarer und kopierbarer Qualität ermöglicht.
Die Lichtbogensteuerspannung oder Spritzspannung 130 ändert sich, wenn sich verschiedene Parameter des Schweißvorgangs ändern. Der Übergang bei der Spritzspannung wird durch Messung der Frequenz von Spritzereignissen und Änderung der Lichtbogenspannung der Schweißvorrichtung bestimmt, um die Frequenz bei annähernd 20 Spritzereignissen pro Sekunde für das vorliegende Schweißverfahren zu halten. Die Kurve 100 ist eine Spritzereigniskurve für ein spezifisches Schweißverfahren und stellt lediglich das allgemeine Profil einer solchen Kurve dar. Die Kurve ändert sich, wenn sich jeder der verschiedenen Parameter während des Vorgangs ändert. Für jedes Schweißverfahren und für jeden Fall in einem Betriebsverfahren besteht eine andere Spritzereigniskurve. Mithin hängt die Steuerung des Vorgangs nicht von den Schweißparametern ab. Die Lichtbogenspannung für jedes Schweißverfahren und für alle Zeitpunkte in dem Vorgang beträgt 20 Ereignisse pro Sekunde plus oder minus 10 Spritzereignisse pro Sekunde. Mithin liegt die Frequenz von Spritzereignissen, die in der Erfindung umgesetzt wird, im üblichen Bereich von 10–30 Spritzereignissen pro Sekunde. Wenn eine Frequenz in diesem Bereich gewählt und diese Frequenz während eines Schweißverfahrens beständig aufrechterhalten wird, kommt ein Schweißvorgang mit beständiger, wiederholbarer Qualität zustande. Mit dieser Erfindung wird die Lichtbogenspannung derart gesteuert, daß eine gewünschte Frequenz der Spritzereignisse aufrechterhalten wird, wobei diese gewünschte Frequenz normalerweise 10–30 Spritzereignisse pro Sekunde beträgt. Bei manchen speziellen Vorgang kann die gewählte Frequenz eine höhere Anzahl sein, beispielsweise etwa 30–60 Spritzereignisse pro Sekunde. Das erfolgt jedoch generell vor dem tropfenförmigen Übergang.
In 5 ist der S-Kurve 100 aus 4 für die Verwendung der „konstanten Spritzspannung" gemäß der Erfindung eine Kurve 200 überlagert, die das Gewicht des Rauchs ist, das als Funktion der der Kurve 100 überlagerten Lichtbogenspannung dargestellt ist. Der geringste Rauch tritt am Punkt 202 der Kurve 200 auf, wobei dieser Punkt weniger als 2 Volt Gleichstrom über der Spritzspannung 130 beträgt. Bei höheren Spannungen bestehen die Spritzer aus sehr kleinen Metallsphäroiden, so daß der gewichtsmäßige Prozentsatz des Rauchs relativ niedrig bleibt. Durch die große Hitze des Lichtbogens wird jedoch eine große Menge an Stahl verdampft, das schnell zu Eisenoxidstaub oxidiert wird. Auf Grund dieses hohen prozentualen Anteils an Staub steigt die Rauchkurve bei höheren Lichtbogenspannungen etwas an. Die Rauchkurve für Seelenelektroden zeigt ein viel größeres Minimum an Gewichtsprozent, das näher an der Spritzspannung 130 liegt. Das tritt ein, weil sich in der Seele der Elektrode flüchtige Bestandteile befinden. Bei sehr niedrigen Spannungen wird eine große Menge an Spritzern erzeugt, und der entzogene Rauch weist eine hohe Konzentration von Spritzern verschiedener Größen auf. Eisenoxidaerosol ist ebenfalls vertreten, da das flüssige Schweißbad durch Kurzschließen der Elektroden innerhalb des Bads gestört wird. Die niedrigeren Spannungen werden bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung nicht verwendet, selbst wenn diese Spannungen nicht unbedingt zu dem in 2A dargestellten Schweißverfahren führen würden.
Es wurde festgestellt, daß sich durch Verwendung der vorliegenden Erfindung in der Ausführungsart mit Spannung, d.h. mit „konstanter Steuerung der Spritzspannung", eine Schweißraupe ergibt, die eine konkave Oberfläche aufweist und ziemlich einheitlich ist. Die Verwendung der Spritzspannungssteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in den 6A–6B dargestellt. 6B ist eine Duplikat der tatsächlichen Raupe gemäß 6A. Die Schweißraupe 220 zwischen den Seiten 222, 224 einer Testfuge ist gleichmäßig konkav mit einem unteren Kontaktwinkel zwischen der Schweißraupe und den Seiten 222, 224. An den Seiten oder Rändern der Testgruppe ist keine Einbrandkerbe vorhanden. Deshalb scheint die Metallschmelze, wenn das Konzept der Steuerung der Spritzspannung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, in der in 6B gezeigten Weise in der Bahn 230 zu zirkulieren. Diese Bahn der Metallschmelze umfaßt Zirkulationsströme 232, 234, die in der Mitte des Schweißbades, das die Schweißraupe 220 bildet, nach unten gerichtet sind. Die Ströme der Metallschmelze streichen angrenzend an jede Seite oder an jeden Rand der Testfuge nach oben. Alle Tests mit Verwendung einer Spritzspannungssteuerung weisen das konkave Oberteil auf der Schweißraupe auf, wobei die Lichtbogenspannung bei einer Spannung 130 gehalten wird, die sich mit der Frequenz der Spritzereignisse ändert. Das läßt sich nur mit der Zirkulationsbahn 234 erklären. Die mit der Erfindung erzeugte, einheitlich konkave Oberfläche der Schweißraupe führt dazu, daß in der Mitte der Raupe keine Spannungszunahme vorhanden sind und sehr kleine Kontaktwinkel zwischen Schweißraupe und Substrat bestehen. Des weiteren sind keine Einbrandkerben vorhanden, was zu einer sehr hohen Ermüdungsfestigkeit des geschweißten Teils führt. Ein Vorgang mit konstanter Spannung unter Verwendung der gleichen Parameter ist in den 7A–7B dargestellt, wobei die Spannung ohne Regulierung an der Spritzspannung 130 konstant gehalten wird. In diesem Fall erzeugt die Schweißnaht mit konstanter Spannung eine Raupe 240, die konvex geformt ist. Die Metallschmelze weist eine Zirkulationsbahn 250 mit Zirkulationsströmen 252, 254 auf, wie schematisch in 7B gezeigt ist. Diese mit konstanter Spannung erzeugte Schweißraupe ist in der Mitte konvex und an den Rändern konkav. Mithin besteht eine Einbrandkerbe an den Rändern, und die Metallschmelze füllt den ausgewölbten Hohlraum nicht vollständig. Des weiteren sammelt sich Schlacke an den Randabschnitten der Raupe 240 an, wodurch die Schlacke nach Abschluß des Schweißvorgangs nur schwer entfernbar ist. Der höckerige oder konvexe Abschnitt in der Mitte der Raupe kann zu einer Spannungserhöhung führen, wodurch die Ermüdungsfestigkeit des geschweißten Teils geringer wird. Die 6A–B7 und 7A–B vergleichen die vorliegende Erfindung bei Verwendung einer konstanten Spritzspannung, d.h. einer Spannung zum Aufrechterhalten einer gewählten Frequenz von Spritzereignissen, mit einem Schweißverfahren bei standardmäßiger konstanter elektrischer Lichtbogenspannung. Wenn sich die Parameter des Schweißverfahrens ändern, ändert sich auch die Form der Raupe bei der Betriebsweise mit konstanter Spannung. In dem durch die „konstante Spritzspannung" gesteuerten Schweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bleibt die Raupe in der in den 6A–6B gezeigten Weise unabhängig von Änderungen von Draht, Schutzgas usw.
Beim Lichtbogenschweißen der spannungsgesteuerten Art besteht eine einzige Steuererscheinung, die unabhängig von Veränderungen in der Vielzahl von Schweißparametern das gleiche Ergebnis erzielen kann. Jede Schweißraupe ist unabhängig davon, was für Änderungen in den Schweißparametern auftreten, die gleiche, wenn die in der vorliegenden Erfindung gelehrte Frequenz von Spritzereignissen verwendet wird. Die gleiche Situation besteht bei anderen Schweißverfahren beispielsweise dem in 3A dargestellten Impulsschweißen. Es ist deshalb nunmehr bei Verwendung der vorliegenden Erfindung möglich, unabhängig von Parametereinstellungen nahezu perfekte Schweißraupen herzustellen, indem lediglich mit der Lichtbogenspannung, in der Betriebsart mit Spannungssteuerung oder mit anderen Ausgangsparametern in anderen Schweißverfahren geschweißt wird, die zwecks Aufrechterhaltung einer gewählten Frequenz von Spritzereignissen verschoben werden. Das Schweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird derart gesteuert, daß die Frequenz von Spritzereignissen im Bereich von 10–30 Spritzereignissen pro Sekunde und vorzugsweise von etwa 20 Spritzereignissen pro Sekunde aufrechterhalten wird. Wird diese gewählte Frequenz von Spritzereignissen verwendet, wird stets das gleiche Schweißverfahren unabhängig von Änderungen der verschiedenen Parameter erhalten. Mit der vorliegenden Erfindung werden die Gleichstrom-Lichtbogenspannung oder andere anwendbare Ausgangsparameter eines Schweißverfahrens durch Aufrechterhaltung von annähernd 20 Spritzereignissen pro Sekunde gesteuert. Die Lichtbogenspannung bei dieser Frequenz von Spritzereignissen wird als Spritzspannung bei Verwendung einer konstanten Spritzspannung gemäß der Erfindung bezeichnet, selbst wenn diese Lichtbogenspannung nicht konstant ist. Am Ende des Drahts und der Elektrode bei oder in der Nähe der Spritzspannung beginnen sich Metalltröpfchen zu bilden. Die in 4 gezeigte Spritzereigniskurve 100 stellt eine Arbeitskurve für eine Verwendung der Erfindung mit gesteuerter Spannung dar. Die gleiche Art einer Kurve findet sich bei Ausgangsände rungen beim Impulsschweißen. Ein Algorithmus in einem Mikroprozessor oder einer Computervorrichtung hält die Lichtbogenspannung bei der Spritzspannung, um eine gewählte Frequenz von Spritzereignissen zu erhalten, oder hält den Ausgang einer Impulsschweißvorrichtung aufrecht, um diese gewählte Frequenz zu erhalten. Eine Steuereinheit hält die Frequenz von Spritzereignissen durch eine Regelschaltung bei einer gewünschten Frequenz. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt die gewünschte oder gewählte Frequenz 20 Spritzereignisse pro Sekunde. Die Spritzereignisse können durch Erfassung von negativen Störungen oder negativen Spitzen detektiert werden, die von tatsächlichen kurzschlußartigen Ereignissen differenziert werden. Kurzschlußartige Ereignisse sind Abweichungen bis zu etwa null Volt herab und weisen eine Zeitdauer von mehr als etwa 500 μs auf. Da ein Schwellwert in dem Erfassungsvorgang vorgesehen ist, können Spritzereignisse als Abweichungen oder Spitzen in der Lichtbogenspannung im üblichen Bereich von mindestens 1 Volt und von höchstens 6–10 Volt bei einer Zeit von weniger als 500 μs und einem Tiefpunkt von mehr als 7–10 Volt über dem unteren Wert oder über Null definiert werden. Durch dieses einschränkende Konzept unterscheidet sich ein Spritzereignis von einem tatsächlichen kurzschlußartigen Übertragungsereignis. Wenn jedoch die Frequenz der Ereignisse auf 10–30 gesteuert wird, können tatsächliche Kurzschlüsse als Spritzereignisse aufgenommen werden, ohne von der Erfindung abzuweichen. Da die Spritzspannung 130 durch Beginnen mit einer hohen Lichtbogenspannung und Verminderung entlang der in 4 gezeigten S-Kurve 100 bestimmt werden kann, wird die Spritzspannung erreicht, bevor es zu einer hohen Frequenz von Spritzereignissen kommt. Eindeutigerweise wird die Spritzspannung erhalten, bevor das Schweißverfahren in einen vollständig tropfenförmigen Vorgang übergeht, der als alle negativen Spitzen mehr als etwa 10 Volt aufweisend definiert ist. Der Kurzschluß mit Tropfenform kann ein beginnender oder vorübergehender Kurzschluß sein, wenn der Kurzschluß mit Tropfenform das Werkstück trifft und dann abprallt. Bei einer Ausführung der Erfindung zählt das Computerprogramm die Anzahl der Ereignisse auf beliebigem Spannungspegel, wie in den 11 und 11A beschrieben, und errechnet die Frequenz der Spritzereignisse für diese Spannung, wie in 13 offenbart. Bei Bedarf kann die in 4 gezeigte S-Kurve 100 konstruiert werden. Das ist jedoch bei der praktischen Umsetzung der Erfindung nicht notwendig, da die Steuerung eine Zahl betrifft und an keiner festen Kurve erfolgt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit Verwendung einer Betriebsart mit „konstanter Spritzspannung" tritt die Spritzspannung mit 20 Spritzereignissen pro Sekunde auf. Wenn die Anzahl der Spritzereignisse zunimmt, erhöht das Computerprogramm oder die Steuereinheit die Spannung, bis die Spritzereignisse auf 20 Ereignisse pro Sekunde zurückgehen. In gleicher Weise wird, wenn aus irgendeinem Grunde die Anzahl der Spritzereignisse auf weniger als annähernd 4 Spritzereignisse pro Sekunde abnimmt, die Lichtbogenspannung vermindert, und die Anzahl der Spritzereignisse wird auf 20 Spritzereignisse pro Sekunde erhöht. Die niedrigere Anzahl von Spritzereignissen bei höheren Spannungen ist nicht so störungsanfällig wie eine größere Anzahl von Spritzereignissen bei niedrigerer Spannung. Niedrige Frequenzen von Spritzereignissen zeigen an, daß eine Verschiebung in Richtung zu einem sprühregenartigen Übergang erfolgt, wie in 1A gezeigt ist. Durch eine Rückmeldung oder eine Regelschaltung mit Rückführung wird die detektierte Frequenz von Spritzereignissen auf der vorgewählten Frequenz von Spritzereignissen gehalten und deshalb die Lichtbogenspannung auf der Spritzspannung 130 gehalten. Die Steuereinheit für diesen Zweck kann eine programmierbare Steuereinheit oder eine andere Steuereinheit sein, welche die Frequenz der Spritzereignisse errechnet und die Frequenz durch Änderung der Lichtbogenspannung auf dem Sollwert hält, um eine „konstante Spritzspannung" zu halten. Jede Schweißkonfiguration weist eine neue und gewöhnlich andere Kurve 100 auf. Diese Kurve ändert sich beim Betrieb. Jedoch ist jede Spritzspannungskurve eine generell S-förmige Kurve. Diese Kurve weist in der in 4 gezeigten Weise eine Tangente mit einer Linie 114 auf, um die Spritzereignisse pro Sekunde zu orten, die für die speziellen Schweißparameter optimal sind. Dieser Punkt befindet sich im unteren Knie und vor dem rasch ansteigenden Abschnitt der Kurve. Es wurde festgestellt, daß dieser Wert für die allermeisten der Spritzereigniskurven annähernd 20 Spritzereignisse pro Sekunde beträgt. Diese Frequenz ist die bevorzugte, gewählte Frequenz gemäß der Erfindung. Ein Computerprogramm mit Rückmeldung hält eine konstante Spritzspannung dort aufrecht, wo die Ereignisse pro Sekunde bei der gewünschten Frequenz ge halten werden, in der Praxis 20 Spritzereignisse pro Sekunde. Der Ausdruck „konstante Spritzspannung" bedeutet keine konstante Lichtbogenspannung. Er bedeutet eine Lichtbogenspannung, die einen konstanten Steuerparameter ergibt, d.h. eine konstante Frequenz der Spritzereignisse. Dieser Parameter wird in allen Ausführungen der vorliegenden Erfindung verwendet.
Ein Blockschaltbild eines Programms zur praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung, die in einem Mikroprozessor oder einer anderen geeigneten Steuereinheit erfolgen soll, ist schematisch in 8 dargestellt, in der eine Mikroprozessorsteuerung oder eine andere geeignete Steuervorrichtung schematisch als Steuereinheit 300 für eine Gleichstrom-Lichtbogenschweißmaschine 310 zur Ausführung eines Schweißvorgangs durch Anlegen einer Lichtbogenspannung zwischen dem Draht 20 und dem Werkstück 22 angezeigt ist. Die Lichtbogenspannung wird kontinuierlich durch einen geeigneten Sensor 312 mit einem Grobspannungsausgang 312a abgelesen, der von einem (in der Praxis digitalen) Mittelwertbildner 312b gemittelt wird, um einen Lichtbogenspannungspegel auf der Leitung 312c bereitzustellen. Die Grobspannung kann als analoges Signal verarbeitet werden, sie ist jedoch vorzugsweise ein digitales Signal, das mit dem in 31 gezeigten Vorgang erhalten wird. Die Grobspannung wird normalerweise durch ein Tiefpaßfilter gefiltert, das hohe Frequenzen über etwa 10 kHz beseitigt. Sie ist jedoch immer noch die Grobspannung. Bei einer Verwendung der Erfindung wird die Steuereinheit mit einer hohen Spannung gestartet, beispielsweise mit 30 Volt Gleichstrom bei der Schweißvorrichtung 310. Ein Funktionsblock 320 zeigt an, daß die Lichtbogenspannung von einem Funktionsblock 322, der einen Ausgang 322a zur Steuern der Lichtbogenspannung der Schweißvorrichtung 310 aufweist, inkrementell vermindert wird. Ein Ausgang 322b teilt einer Berechnungsstufe 330 die gegenwärtige Lichtbogenspannung der Schweißvorrichtung mit. Wenn sich die Lichtbogenspannung inkrementell vermindert, folgt die Steuereinheit der in 4 gezeigten Kurve 100. Wenn die Spritzspannung erreicht ist, gibt die Leitung 322c einen Stoppbefehl an den Spannungsinkrementierer 322. Die Lichtbogenspannung V_a wird sowohl an der Berechnungsstufe 330 als auch an der Schweißvorrichtung 310 inkrementell vermindert. Die Berechnungsstufe 330 weist eine Anzeige 332 zum Anzeigen der Frequenz der Spritzereignisse auf. Diese Frequenz wird durch das Ablesen von Ereignissen E auf der Leitung 340 bestimmt. Die Lichtbogengrobspannung V_a auf der Leitung 336 (die gleiche wie 312a) wird von einem Ereignisprozessor 338 verarbeitet, um bei jedem Spritzereignis ein Signal zu generieren. Siehe die 11, 11A, 29 und 29A. Wenn eine spezielle Frequenz von Spritzereignissen, die bei der vorliegenden Erfindung 20 Ereignisse pro Sekunde beträgt, abgelesen und auf dem Bildschirm 332 angezeigt wird, erzeugt die Berechnungsstufe 330 eine Stoppeingabe in den Spannungsinkrementierer 322 auf der Leitung 322c.
Wie bisher beschrieben, wird angenommen, daß die Ausgangsspannung größer als die Spritzspannung ist; wenn jedoch die erfaßte, von der Berechnungsstufe 330 ermittelte Frequenz von Spritzereignissen größer als die gewählte Frequenz ist, d.h. in der Praxis 20 Ereignisse pro Sekunde, ist die Ausgangsspannung zu niedrig, und der Inkrementierer 322 erhöht die Lichtbogenspannung allmählich, bis sich die Frequenz auf die gewählte Frequenz von Spritzereignissen vermindert. Die Frequenz zur Erhöhen oder Vermindern der Spannung kann größer oder kleiner als 0,2 Volt/Sekunde sein. Die Ausgangsspannung liegt nahe an der Sollspannung, da sie die letzte Einstellung für die Schweißvorrichtung 310 ist, so daß die Anfangseinstellung der Steuereinheit 300 ziemlich schnell erfolgt.
Die Ausgangsspannung der Schweißvorrichtung 310, wenn die Berechnungsstufe 330 20 Ereignisse pro Sekunde abliest, ist die „Spritzspannung" für die speziellen Schweißvariablen des laufenden Schweißvorgangs. Diese Spannung der Schweißvorrichtung zum Erhalt von 20 Spritzereignissen pro Sekunde tritt auf der Leitung 330a auf, um die Spannung einer Steuerung 350 auf die detektierte Spritzspannung bei dem auszuführenden tatsächlichen Schweißverfahren einzustellen. Diese eingestellte Ausgangsspannung V_c wird von dem Ausgang 352 als Referenzeingangsspannung eines Komparators 354 mitgeteilt. Die gemittelte Lichtbogenspannung auf der Leitung 312c wird mit der anfänglichen detektierten Spritzspannung auf der Leitung 352 verglichen. Die Spannung auf der Leitung 352 ist die anfängliche Spritzspannung, die eine Spritzereignisfrequenz von 20 Spritzereignissen pro Sekunde erhält. Der Komparator 354 vergleicht die anfängliche Spritzspannung V_c mit der tatsächlichen Lichtbogenspan nung. Die Differenz zwischen der anfänglichen Spritzspannung und der tatsächlichen Lichtbogenspannung ist ein Fehlersignal oder Korrekturbefehlssignal auf einer Leitung 356. Das Korrekturbefehlssignal wird zum Einstellen einer Steuerung 360 verwendet, um die Spannung auf der anfänglichen Spritzspannung zu halten. Ein Regelschaltungssteuerungssystem liest die tatsächliche Lichtbogenspannung ab und hält die Lichtbogenspannung auf der durch den Ausgang der Berechnungsstufe 330 ermittelten anfänglichen Spritzspannung.
Bei der dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung des oberen Abschnitts von 8 wird das Korrekturbefehlssignal zum Einstellen der Spannung der Energieversorgung für die Schweißvorrichtung 310 verwendet. Die Erfindung ist umfassender und wird auch zum Einstellen anderer elektrischer Steuerungssollwerte durch die Steuerung 360 verwendet, um die Spritzereignisse pro Sekunde auf einer gewählten Stufe zu halten. Ein Befehlssignal auf der Leitung 356 kann ein Strombefehl, ein Impulsgrößen- oder ein Frequenzbefehl usw. sein. In diesen Situationen bestimmt die Steuerung 360 den zu steuernden Parameter, damit sich die Anfangseinstellung in der erläuterten Weise mit der bevorzugten Spannungssteuerung ergibt.
Durch Verwendung der Steuereinheit 300 wird jedes Schweißverfahren mit seinen unterschiedlichen Parametern sofort auf die Spritzspannung oder ein anderes Steuerungsmerkmal des Vorgangs gebracht. Der Vorgang wird bei der detektierten Spritzspannung gehalten. Da der Vorgang bei jedem Zyklus oder Kurzlauf mit den gleichen Parametern wiederholt wird, ist es natürlich unnötig, den Vorgang zum Bestimmen der anfänglichen Spritzspannung während eines vorgegebenen Schweißzyklus zu wiederholen. Mithin wird die Steuereinheit 300 verwendet, um die Lichtbogenspannung auf der anfänglichen Spritzspannung für jeden Schweißzyklus zu halten. Dieses Vorgang wird immer dann verwendet, wenn ein neuer Schweißvorgang begonnen wird. Dieser Vorgang ergibt Näherungswerte für die vorliegende Erfindung und ist eine gleichwertige, jedoch nicht optimale Verwendung der Erfindung. Er kann nur in begrenzten, kurzen Zyklen verwendet werden, die sich während des Schweißvorgangs nicht ändern. Eine Person, die dieses Konzept anwendet, wendet die vorliegende Erfindung an.
Die Erfindung wird zum Steuern eines Schweißverfahrens verwendet, um einen Ausgangsstufe zu erhalten, auf der die Frequenz der Spritzereignisse auf einer gewählten Frequenz, vorzugsweise von etwa 20 Spritzereignissen pro Sekunde, gehalten wird. Diese Steuerung ist vorzugsweise adaptiv, wie in Zusammenhang mit dem unteren System der Steuereinheit 300 in 8 erläutert wird. Ein Schweißverfahren ändert sich jedoch in einer Zeit von weniger als etwa 10–60 Sekunden nicht merklich. Mithin kann ein Schweißzyklus mit seiner früheren Steuerspannung, dem früheren Strom, der Impulsgröße oder -Frequenz usw. begonnen und dann periodisch aktualisiert werden. Die Steuerung 370 in 8A wird für eine die vorliegende Erfindung ausführende periodische Steuereinheit verwendet. Eine Abtast- oder Halteschaltung oder ein Unterprogramm 380 weist einen Sollwert- oder Steuerungskorrekturbefehl auf der Linie 382 wie den Steuerbefehl 356 auf. Die Spritzereignisse in der gefilterten Lichtbogengrobspannung V_a in der Leitung 312a werden von einem Detektor 384 detektiert, und die Frequenz der Ereignisse wird von einer Frequenzberechnungsschaltung oder Unterprogramm 386 ermittelt, wobei die tatsächliche Frequenz der Spritzereignisse auf einer Leitung 386a erscheint. Diese Frequenz wird von einem Komparator 390 mit der gewünschten Frequenz auf der Leitung 392 verglichen, so daß sich ein Fehlersignal oder ein Korrektursteuerbefehl auf einer Leitung 390a ergibt. Dieser Befehl ist Spannung, Strom, Impulsgröße oder Frequenz usw. und wird periodisch in der Abtast- und Halteschaltung 380 gespeichert, der durch einen Impuls oder ein Signal auf einer Rücksetzleitung 380a von einer Zeitgeberschaltung oder einem Unterprogramm 380b rückgesetzt wird. Die Zeitgeberschaltung könnte die Abtastung rücksetzen und zu Beginn eines vorgegebenen Schweißzyklus halten und dann periodisch den Sollwertbefehl in der Leitung 382 aktualisieren.
Die Steuereinheit 300 wird vorzugsweise betätigt, um die Frequenz der Spritzereignisse in adaptiver Echtzeit bei einer gewünschten Frequenz zu halten. Das erfolgt durch das Steuern der Lichtbogenspannung oder eines anderen Sollwerts oder Ausgangs der Energieversorgung für die Schweißvorrichtung 310 durch eine Spritzerereignissteuerung 400. Diese Steuerungsanordnung ersetzt die weiter oben beschriebene Anordnung, bei der die Spritzspannung oder ein anderer Parameter periodisch ermittelt und dann eine kurze Zeitlang als Regelschaltungsrückmeldung zum Steuern des Schweißvorgangs der Schweißvorrichtung 310 verwendet wird. Durch Verwendung der adaptiven Spritzerereignissteuerung 400 werden Spritzereignisse E auf der Leitung 340 auf der Leitung 402 an eine Berechnungsstufe 412 übermittelt. In dieser Stufe wird ein Taktgenerator 414 verwendet, um eine Frequenz von Spritzereignissen zu jeder gegebenen Zeit während des Betriebs der Schweißvorrichtung 310 zu schaffen. Die Frequenz von Spritzereignissen wird mit einer eingestellten Frequenz von Spritzereignissen verglichen, die in einen Block 420 mit einer Ausgangsleitung 422 eingegeben werden. Ein Fehlersignal in der Leitung 412a zeigt die Abweichung der tatsächlichen Frequenz von Spritzereignissen von der Gewünschte Frequenz von Spritzereignissen an. Mit einer Steuervorrichtung oder -routine 430, die als Spannungssteuerung gezeigt ist, wird die Sollwertsteuerung 360 derart eingestellt, daß die Frequenz von Spritzereignissen auf einer gewählten Anzahl im Bereich von 10–30 Spritzereignissen pro Sekunde und vorzugsweise von 20 Spritzereignissen pro Sekunde gehalten wird.
Die Steuereinheit 300 weist zwei Betriebsarten auf. In einer Betriebsart wird periodisch die Spritzspannung oder ein anderer Parameter ermittelt, wie im oberen Abschnitt von 8 und in 8A gezeigt, und es wird die ermittelte Spritzspannung als Lichtbogenspannung der Schweißvorrichtung 310 aufrechterhalten. Das ist lediglich eine Näherung an die Erfindung und kann verwendet werden, indem die Spritzspannung oder ein anderer Parameter bei jedem Zyklus eines Schweißverfahrens oder periodisch ermittelt wird. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung werden keine Änderungen in der S-Kurve während der kurzen Zeit zwischen der Aktualisierung des Sollwertes der Energieversorgung angenommen.
Gemäß der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird die Schweißvorrichtung 310 derart von der adaptiven Spritzereignissteuerung 400 gesteuert, daß bei der Schweißvorrichtung eine Lichtbogenspannung oder ein anderer Parameter so eingestellt ist, daß eine gewünschte Frequenz von Spritzereignissen aufrechterhalten wird. In der Praxis weist das Fehler- oder Steuerungskorrekturbefehlssignal auf der Linie 412a eine bestimmte Hysterese auf, insbesondere wenn die Frequenz der Spritzereignisse niedriger als die gewählte Frequenz der Spritzereignisse ist. Dieser Bereich ist weniger kritisch, wenn die Frequenz der Spritzereignisse pro Sekunde größer als die gewählte Frequenz ist, beispielsweise von 20 Ereignissen pro Sekunde. Die spätere Bedingung findet sich auf der vertikaleren Schräge der S-Kurve 100.
Das Ablaufschema oder Blockschaltbild in 8 soll den Vorgang zum Steuern der Schweißvorrichtung 310 unter Verwendung der vorliegenden Erfindung entweder mit der „Spritzspannung" oder mit einem anderen Sollwert nach der Bestimmung mit der vorliegenden Erfindung oder mit einem speziellen Wert für die Frequenz der Spritzereignisse ebenfalls gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen. Die beiden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, periodische Aktualisierung oder adaptive Steuerung, sind schematisch offenbart. Jedes System kann gesondert betrieben werden und kann mit verschiedenen Steuerungsvorrichtungen ausgeführt werden, beispielsweise mit festverdrahteten Schaltungen, Mikroprozessoren, Computern oder PID-Reglern. In der Praxis führt ein Mikroprozessor die Schritte aus, die in bezug auf das in 8 und 8A gezeigte Schema erläutert sind.
Das bei der praktischen Umsetzung der Erfindung bevorzugte Verfahren ist in dem Ablaufschema oder Schema gemäß 8 erläutert; jedoch offenbart 9 eine andere Methode zur Verwendung der Daten der Kurve 100 nach der Darstellung in 4. Für jeden Gleichstrom-Schweißvorgang wird durch Einstellen der Lichtbogenspannung und Ermitteln der Anzahl von Spritzereignissen pro Sekunde bei dieser Spannung eine neue Kurve geschaffen. Das erfolgt bei der bevorzugten Ausführungsform in der in Zusammenhang mit 8 erläuterten Weise, indem die Lichtbogenspannung inkrementell in kleinen Schritten, beispielsweise von 0,2 Volt pro Sekunde, vermindert wird und der Computer dann die Spritzereignisse mißt. Dieser Detektierungsvorgang kann in einer Vielzahl von Programmen ausgeführt werden, die nicht Teil der Erfindung sind, jedoch auf das Erkennungsschema der negativen Spitzen, d.h. negativen Spitzen von mehr als 1–2 Volt, negativen Spitzen im Bereich von 1–6 Volt usw., eingestellt werden können. Die Schaffung von Spannungslinien und die Detektierung von Abweichungen in den Lichtbogenspannungslinien sind sowohl analog als auch digital üblich.
Bei der in 9 gezeigten Steuerung 500 wird die S-Kurve 100 für einen speziellen spannungsgesteuerten Schweißvorgang generiert und in einem geeigneten Funktionsgeber 502 aufgezeichnet, der ein PROM mit einem digitalen Ausgang 504 sein könnte, der durch den Spannungspegel an einem analogen Eingang 506 gesteuert wird. Der Eingang ist die durchschnittliche Lichtbogenspannung in Leitung 312c gemäß der Angabe in der in 8 gezeigten Ausführungsform der Erfindung oder dem tatsächlich eingestellten Lichtbogenspannung der Schweißvorrichtung 310 an einem Leseeingang 508. Das Spannungssignal auf der Leitung 312 wird von dem Spannungsmittelwertbildungsnetzwerk 312b gemittelt, so daß sich ein fester Spannungspegel ohne Rauschen oder Ereignisse ergibt. Die digitalen Informationen oder Daten in der Leitung 504 sind die Spritzereignisse pro Sekunde für die Spannung am Eingang 506, die entweder mit der gemittelten Lichtbogenspannung auf der Leitung 312c oder mit der Spannungseinstellung der Schweißvorrichtung gemessen werden, die auf der gestrichelten Leitung 508 erscheint. Dieses digitale Ausgabewort wird mit einem Referenzwert 512 verglichen, der in der Praxis auf 20 Spritzereignisse pro Sekunde eingestellt ist. Ein digitales Wort, das einen Fehler repräsentiert, wird zu einer Leitung 514 übertragen und wird zu einer Spannungssteuerung 520 ähnlich der Spannungssteuerung 360 in 8 geführt. Durch einen Spannungsausgang 522 wird die Spannung der Schweißvorrichtung geregelt, um den Fehler in der Leitung 514 zu korrigieren. Bei der in 9 gezeigten Ausführung der Erfindung wird die Steuereinheit 500 ähnlich der in 8 dargestellten ersten Ausführung der Erfindung verwendet. Der Unterschied liegt darin, daß die S-Kurve im voraus konstruiert wurde und in einem PROM oder einem anderen Funktionsgeber verwendet wird, um eine Frequenz von Spritzereignissen für eine von der Schweißvorrichtung benutzte spezielle Spannung zu schaffen. In 9 ist der Funktionsgeber oder PROM 502 zum Betrieb der Schweißvorrichtung befestigt. Dieser Vorgang ist keine bevorzugte Verwendung der vorliegenden Erfindung und liegt bei dem Konzept der konstanten Spritzspannung gemäß der vorliegenden Erfindung lediglich nahe. Der Mikroprozessor erzeugt die S-Kurve für jeden Schweißzyklus und lädt die Kurve für den spezifischen Schweißzyklus in den PROM 502.
In 10 wird die in der Leitung 336 oder 312a in 8 und in 9 auftretende Lichtbogengrobspannung zu einem Software-Programm 550 geführt, um negative Spitzen oder Abweichungen in einem Einstellbereich vorzugsweise von 6–10 Volt, jedoch größer als 7–10 Volt, zu messen. Wie in 31 gezeigt, wird die Lichtbogenspannung vorzugsweise vor der Verarbeitung digitalisiert. Jede dieser Spitzen oder Abweichungen wird detektiert und in einer Leitung 552, die den Eingang eines Mikroprozessorabschnitts 560 bildet, als digitaler Impuls übertragen. In dem gleichen Mikroprozessor wird das Programm 550 ausgeführt. Durch ein geeignetes Zeitsignal oder einen inneren Taktgeber 562 des Mikroprozessors kann der Mikroprozessor eine digitale Ausgabe auf einer Leitung 564 erzeugen, das die tatsächliche Frequenz der Spritzereignisse in Ereignissen pro Sekunde ist. Diese tatsächliche Frequenz wird von einem Komparator 570 an einem Eingang 572 mit einer gewählten Frequenz verglichen, die in der Praxis 20 Ereignisse pro Sekunde darstellt. Der Fehler in der Leitung 574 wird von einer Steuervorrichtung oder Steuereinheit 580 zum Regulieren der Lichtbogenspannung der Schweißvorrichtung 310 durch eine Leitung 582 verwendet. Auf einer Leitung 584 erscheint ein Signal, das die tatsächliche Spannung zu der Steuereinheit 580 darstellt. Bei dieser Ausführung der Erfindung wird die Frequenz der Spritzereignisse gemessen, und die gemessene Frequenz wird mit der gewünschten Frequenz verglichen, um die Lichtbogenspannung der Schweißvorrichtung zu steuern.
Die Ereignisdetektierungsschaltungen oder -programme 338 und 550 detektieren negative Spitzen in der Lichtbogenspannung. In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Spritzereignisse Spitzen, die eine relativ geringe Größe aufweisen, um sie von tatsächlichen Kurzschlußübergangsspitzen zu unterscheiden. Kurzschlüsse fallen bis fast auf null Volt ab und verbleiben unter 7–10 Volt, bis der Kurzschluß unterbrochen wird. Diese Zeit beträgt generell mehr als 500 μs. Zur Unterscheidung der Spitzen von tropfenförmigem Übergangskurzschluß müssen die Spitzen größer als 7–10 Volt über Null sein, d.h. über der Kurzschlußspannung. Zur Detektierung solcher negativer Spitzen steht eine Vielzahl von Software-Programmen zur Verfügung. Eine repräsentative Art von Programmen ist schematisch in den 11 und 11A dargestellt. In 11 ist die Lichtbogengrobspannung in den Leitungen 312a oder 336 zu der Schaltung oder dem Programm 600 geführt, um Ereignisse E zu ermitteln. Ein solches Programm umfaßt eine Routine oder eine Schaltung 610 zur Detektierung einer negativen Spitze. Diese Schaltung ist ein dv/dt-Detektor, der eine positive Ausgabe oder eine bestätigende Antwort in der Ausgangsleitung 612 erzeugt, wenn eine negative Spitze detektiert wird. Gleichzeitig wird das Signal in der Leitung 600a zu einem Pegeldetektor geleitet, der eine Minimalschwellschaltung oder ein Programm 620 und eine Maximalschwellschaltung oder ein Programm 622 jeweils mit Ausgängen 620a, 622a geleitet. Die Maximalschwelle ist auf 6–10 Volt eingestellt. Das Maximum wird von den Meßausrüstungen und der Klarheit des Ereignisses E gesteuert. Wie weiter unten erläutert wird, kann das Ereignis jede negative Spitze über 1–2 Volt bei einer niedrigen Frequenz unter 30 sein. Diese Ausgaben sind beide eine Logik 1, wenn die negative Spitze innerhalb eines vorgewählten negativen Abfalles liegt, der als Abfall zwischen 1 und 6 Volt Gleichspannung angegeben ist. Natürlich können diese Werte reguliert werden, solange sie zwischen Spritzereignissen und den negativen Spitzen unterscheiden, die mit dem tropfenförmigen Übergang, vorübergehenden Kurzschlüssen oder tatsächlichen Kurzschlüssen zusammenhängen. Kurzschlüsse weisen eine Breite von mindestens 500 μs auf und stürzen bis auf etwa Null ab. Diese werden nicht als Ereignisse detektiert, die in 11A gezeigt sind, obwohl sie in anderen Detektoranordnungen als Spritzereignisse detektiert werden. Ein Gatter 630 detektiert, wenn ein Spritzereignis auftritt. Dadurch wird zusammen damit, daß in der durch den Ausgang in der Leitung 612 dargestellten Weise eine negative Spitze vorliegt, ein Gatter 640 gesteuert. Das Gatter 640 erzeugt ein digitales Signal in den Leitungen 340 oder 552 zwecks Anzeige, daß ein Ereignis detektiert wurde.
Spritzereignisse im engsten Sinne lasen sich mit vielen Verfahren detektieren, wie sie beispielsweise in 11 gezeigt sind. Das Ereignis ist ein negativer Abfall von etwa 1 bis 6–10 Volt. Wenn der von der Schaltung dv/dt gemäß 11 detektierte negative Abfall größer als etwa 6–7 Volt beträgt, dann gilt die Spitze als Kurzschluß. Dieses Konzept ist befriedigend; ein alternatives Programm oder Unterprogramm 650 detektiert jedoch Spritzereignisse und entfernt dabei tiefe Spitzen nur, wenn diese tiefen Spitzen tatsächlich Kurzschlüsse sind und auf weniger als etwa 10 Volt ab stürzen. Das ist in 11A gezeigt. Das Programm 650 detektiert die grobe Ausgangsspannung an der Leitung 312a oder der Leitung 336, damit sich ein Grobspannungssignal an der Leitung 652 und ein durchschnittliches Spannungssignal in der Leitung 654 am Ausgang eines mittelwertbildenden Netzwerkes 656 ergibt. Das Netzwerk 656 weist eine Zeitkonstante auf, die wesentlich größer als 500 μs ist. Die durchschnittliche Spannung in der Leitung 654 wird durch einen Summenpunkt 658 zu dem Grobspannungssignal in der Leitung 652 addiert. Die detektierten negativen Spitzen werden durch einen Schwellwertdetektor 660 geführt, der in Stufe 662 auf 1 Volt und in Stufe 664 auf 6–10 Volt eingestellt ist, und der ein Ausgangsgatter 666 steuert. Eine negative Spitze von mehr als 1 Volt und weniger als 6 Volt ergibt an einem Ausgang 668 des Netzwerkes 660 eine Logik 1. Dieses Ausgangssignal ist die erste Eingabe in das Gatter 640, das in den 11 und 11A gezeigt ist. Die andere Eingabe in das Gatter 640 ist ein Ausgang 672 eines Kurzschlußdetektors 670 mit Blick auf die Grobspannung auf der Leitung 652. Wenn die negative Senke oder Abfall auf einen Pegel von weniger als etwa 10 Volt erfolgt, wird ein Kurzschluß detektiert, der zu einer Logik 0 in dem Ausgang 672 führt. Dadurch wird das Gatter 640 gesperrt, indem angezeigt wird, daß die negative Spitze tatsächlich ein Kurzschluß ist. Mithin ist der Ausgang des Programms 650 ein Spritzereignis E zur Verwendung bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung. Die Detektoren in den 11 und 11A blicken auf die Grobspannungslinie, die auf Grund der Begrenzung der Empfindlichkeit oder der Kalibrierung kleine Spitzen besitzen kann. Wenn die kleinen Spitzen in 3 wirklich vorübergehende Kurzschlüsse sind, ist das für die Erfindung unerheblich.
Bei der grundlegenden Erfindung wird auch die eingestellte Lichtbogenspannung der Schweißvorrichtung bestimmt, die zu einer speziellen Frequenz von Spritzereignissen bei einem speziellen Gleichstrom-Lichtbogenschweißvorgang führt. Das erfolgt lediglich durch Mittelwertbildung der Spritzereignisse, Mittelwertbildung der Frequenz der Spritzereignisse und dann durch Regulierung der Schweißvorrichtung auf eine vorgewählte Frequenz der Spritzereignisse. Die Erfindung wird in verschiedener Weise zur Steuerung des Gleichstrom-Lichtbogenschweißens verwendet, indem die Frequenz der Spritzereignisse als steuernder Parameter anstelle von nur der Spannung und/oder des Stroms verwendet wird. Natürlich kann die Spannungssteuerung verwendet werden, wenn die Spritzspannung für einen speziellen Kurzschlußzyklus, der sich nicht ändert, ermittelt wurde. Das gilt nicht als konstante Spannungssteuerungsanordnung, sondern als Spannungsanordnung, welche die Spannung auf der Spritzspannung hält und als Betriebsweise mit „konstanter Spritzspannung" bezeichnet wird.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 12 dargestellt, in der das Steuerungssystem und das Verfahren 700 eine Steuereinheit 702 zum Steuern der Lichtbogenspannung einer Schweißvorrichtung 710 umfassen. Ein am besten in den 11, 11A, 29 und 29A dargestellter Ereignisdetektor 338 (550) verwendet die grobe Lichtbogenspannung in der Leitung 336, die auch die Leitung 312a ist, um immer dann, wenn ein detektiertes Spritzereignis oder eine negative Spitze vorliegt, der ein Spritzereignis bildet, ein Ereignissignal E in der Leitung 340 zu erzeugen. Durch eine Ereignisfrequenzschaltung oder ein Unterprogramm 720, der/das am besten in 13 gezeigt ist, wird eine tatsächliche Frequenz von Spritzereignissen als Spritzereignisse pro Sekunde in einer Leitung 722 geschaffen. Diese tatsächliche Frequenz wird zu einem Eingang eines Fehlerpunktes oder Verstärkers 730 geleitet, der in der durch die Eingabeleitung 732 angegebenen Weise auch die eingestellte oder gewählte Frequenz empfängt. Diese Frequenz wird auf eine gewählte Frequenz reguliert, beispielsweise auf annähernd 20 Spritzereignisse pro Sekunde. Der Punkt 730 liefert eine Fehlerausgabe in der Leitung 734 zur Steuerung der Spannung der Schweißvorrichtung durch die Steuereinheit 702 mit einem Ausgang 702a. Das ist ein Eingang zu einem Fehlerpunkt 740. Der andere Eingang ist die mittlere Lichtbogenspannung in der Leitung 312c. Der Ausgang des Fehlerpunktes 740 ist eine Leitung 742, welche die Lichtbogenspannung der Energieversorgung oder der Schweißvorrichtung 710 steuert. Durch Anwendung des Systems oder Verfahrens 700 wird die Energieversorgung der Schweißvorrichtung auf einer Lichtbogenspannung gehalten, welche die auf der Leitung 732 eingegebene eingestellte oder gewählte Frequenz der Spritzereignisse aufweist. Die Regelschaltungssteuerung der Lichtbogenspannung erfolgt durch die Frequenz der Spritzereignisse. Das ist in der Schweißtechnik neuartig und erzeugt die Ergebnisse, die mit einer standardmäßigen, mit konstantem Gleichstrom betriebenen Schweißvorrichtung nicht zu erhalten sind.
Wie in 12 erwähnt, wird die Frequenz der Spritzereignisse mit der Schaltung oder der Routine 720 bestimmt, wobei diese Schaltung oder diese Software-Routine in 13 gezeigt ist. Die Frequenz der Spritzereignisse, wie sie mit der Schaltung oder der Routine 720 gemessen wird, umfaßt einen Vorwärtszähler 750, der in der Leitung 340 Zählimpulse oder Ereignissignale E empfängt. Diese Ereignisse E werden gezählt, und die Gesamtzahl erscheint in der Leitung 752. Der Gesamtzählwert wird bei Empfang eines Taktimpulses in der Leitung 756 in dem Register 754 gespeichert. Der gespeicherte Zählwert wird zu einem laufenden Register 760 übertragen, das den bisherigen Zählwert in ein vorhergehendes Zählwertregister 762 einspeichert. Durch Abzug des Zählwertes in dem Register 762 von dem Zählwert in dem Register 760 mit Hilfe eines Subtraktionsprogramms oder einer Software-Routine 770 erscheint die Zählwertdifferenz als Frequenz in der Leitung 722. Diese Frequenz ist die tatsächliche Frequenz der Spritzereignisse, die in der bei den bisherigen Systemen und Verfahren erläuterten Weise mit der gewählten Frequenz verglichen wird.
Um die Vorteile der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem standardmäßigen Schweißvorgang mit konstanter Spannung darzustellen, zeigen die 14A–14C (konstante Spannung) und die 15A–15C (konstante Spritzspannung) Schweißraupen unter Verwendung einer Elektrode L50, die von der Lincoln Electric Company vertrieben wird, mit einem Durchmesser von 0,045 Zoll, einer Drahtzuführgeschwindigkeit von 400 Zoll pro Minute und einer Auftragslaufgeschwindigkeit von 12 Zoll pro Minute. Die 14A und 15A wiesen eine Fugentiefe von 0,098 Zoll mit einem elektrischen Drahtvorstand von 0,6821 Zoll auf. Die Raupen 780 und 780a in dem Beispiel mit konstanter Spannung gemäß 14A zeigen einen leichten Anstieg oder Höcker. Die Raupe 780 ist in der in 15A gezeigten Raupe mit konstanter Spritzersteuerung im allgemeinen konvex. In den 14B und 15B wurde die Fugentiefe auf 0,193 erhöht, und das Drahtende betrug 0,7767. Die mit einem Schweißvorgang mit konstanter Spannung hergestellte Raupe 782 weist das ausgeprägte konvexe Oberteil auf, das mit einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfin dung, das als Steuerung „mit konstanter Spritzspannung" bezeichnet wird, in der Raupe 782a nicht geschaffen wird. Als dritter Vergleich wurde bei den in den 14C, 15 gezeigten Beispielen die Fuge auf 0,282 Zoll mit einem Drahtende von 0,8661 vergrößert. Bei diesen Beispielen ist der Unterschied zwischen der bei Verwendung der vorliegenden Erfindung entstandenen Schweißraupe (15C) und bei Verwendung der Betriebsweise mit konstanter Spannung (14C) ausgeprägt. Der gleiche Vergleich war festzustellen, wenn Schweißdrähte mit verschiedenen Formen und Konstruktionen verwendet wurden. Durch Verwendung der vorliegenden Erfindung und Steuerung der Lichtbogenspannung auf eine spezielle Anzahl von Ereignissen pro Sekunde erhält man eine Schweißraupe mit gleichbleibend hoher Qualität. Das Oberteil ist flach bis konkav, und die Einbrandtiefe ist groß. Wie in den 14A–C und den 15A–C gezeigt, ändert sich die Schweißkontur, wenn beim Schweißen mit konstanter Spannung das Drahtende größer wird, und führt zu die Spannung erhöhenden Klümpchen und Einbrandkerben. Wenn jedoch beim Schweißen mit konstanter Spritzspannung gemäß der vorliegenden Erfindung das Drahtende größer wird, weist die Schweißraupe die gleiche konkave Kontur, den gleichen Kontaktwinkel mit dem Schweißsubstrat, die gleiche Wärmeeinwirkungszone und die gleiche Einbrandtiefe auf. Des weiteren war die Schlacke an allen Schweißraupen entlang der Mitte der Raupe zentriert. Bei Verwendung der vorliegenden Erfindung befanden sich nur eine kleine Menge an Staub und keine Spritzer auf der Oberfläche der Schweißraupen. Wurde ein Schweißvorgang mit konstanter Spritzspannung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, wurde festgestellt, daß das Ergebnis des Vorgangs nicht von dem elektrischen Drahtvorstand abhing.
Als weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung wurde auch festgestellt, daß sich die Qualität der Schweißraupe nicht ändert, wenn die Zusammensetzung des Schutzgases modifiziert wird. Um diesen Vorteil herauszustellen, wurden spannungsgesteuerte Schweißungen unter Verwendung einer Vielzahl von Schutzgasen vorgenommen. Durch inkrementelle Verminderung der Lichtbogenspannung wurden die jeweils in den 16–19 gezeigten S-Kurven 800–806 geschaffen. Mit diesen S-Kurven wurde erkannt, daß sich die Spritzspannung bei einer gewählten Frequenz der Spritzereignis se von 20 Ereignissen pro Sekunde ändert. Bei 5 % Kohlendioxid nach der Darstellung in 16 betrug die Spritzspannung 810 26,5 Volt Gleichstrom. Durch Erhöhung des Kohlendioxids auf 10 % erhöhte sich die Spritzspannung 812 in 17 auf 27,5 Volt Gleichstrom. In 18 betrug die Spritzspannung 813, wenn 15 % Kohlendioxid verwendet wurde, 28 Volt Gleichstrom. In einem letzten, in 19 gezeigten Beispiel betrug das Kohlendoxid in dem Schutzgas 20 %, und die Spritzspannung betrug 28,5 Volt Gleichstrom. Bei allen diesen Beispielen änderte sich die Spritzspannung mit der Zusammensetzung des Schutzgases. Jedoch war die elementare Schweißpraxis unter Verwendung der vorliegenden Erfindung bei den verschiedenen Spritzspannungen gleichbleibend, einheitlich und wiederholbar. Die tatsächlichen Querschnitte der Schweißraupe unter Verwendung der vorliegenden Erfindung mit den verschiedenen Schutzgasen sind in den 21–24 gezeigt und entsprechen jeweils denen mit den Schutzgasen gemäß den 16–19. Die Raupen 822, 824, 826 und 828 sind alle an den Oberteilen 822a, 824a, 826a und 828a generell flach oder etwas konvex und weisen große Einbrandtiefe 822b, 824b; 826b und 828b auf. Mithin wirken sich Änderungen bei dem Schutzgas nicht wahrnehmbar auf die Schweißraupe aus, wenn die vorliegende Erfindung verwendet wird.
Die Kurve 820 in 20 ist eine Kurve, die den Spritzspannungen 812–816 entspricht und zeigt, daß sich die Spritzspannung bei verschiedenen Schutzgasen automatisch ändert, wenn die vorliegende Erfindung zur Steuerung der Lichtbogenspannung des Schweißverfahrens verwendet wird. Das ist nur ein weiteres Beispiel für einen Parameter, der die Spritzspannung und mithin die Lichtbogenspannung zur Steuerung des Verfahrens mit konstanter Spritzspannung ändert, so daß das Endergebnis unabhängig von Änderungen der Gaszusammensetzung, des Drahtvorstands und anderer Parameter eine gleichmäßige Schweißraupe ist. Dadurch wird eine äußerst vorteilhafte Steuerungsanordnung für das Gleichstrom-Lichtbogenschweißen vorgestellt, so daß die Schweißraupe unabhängig von Änderungen des Drahtes, Änderungen der Gaszusammensetzung, Änderungen des Drahtvorstands usw. beständig bleibt. Zur Erfüllung dieser Aufgabe wurde kein anderes Verfahren entwickelt. Gleiche Beständigkeit und gleiche Vorteile wurden festgestellt, wenn die vorliegende Erfindung zur Steuerung der Ausgang anderer Lichtbogenschweißverfahren verwendet wird, beispielsweise des Impulsschweißens.
Die vorliegende Erfindung betrifft das Konzept zur Steuerung einer Lichtbogenschweißmaschine durch Verwendung der Frequenz der Spritzereignisse, die bei verschiedenen Arten des Lichtbogenschweißens einschließlich von Verfahren auftreten, die in Spannung, Strom und Impulsen gesteuert werden. Ferner ist die universelle Ausführung der vorliegenden Erfindung in den 25–26 dargestellt, wo ähnliche Teile und Schaltungen oder Software-Programme die gleichen Nummern tragen. Diese drei Steuerungssysteme oder Steuereinheiten und das Verfahren zur Verwendung derselben sind zum Zweck der Aufnahme von zusätzlichen Merkmalen der Erfindung und von erläuterndem Material zwecks Darstellung der enormen Universalität der Erfindung offenbart. 25 zeigt eine Steuereinheitssystem 900. „Steuereinheitssystem" und „Steuereinheit" sind untereinander austauschbar verwendete Begriffe zur Beschreibung der Erfindung, welche die Steuerung eines Ausgangsparameters eines Lichtbogenschweißverfahrens betrifft, um die Frequenz der Spritzereignisse auf einem spezifischen Wert zu halten. Diese Aufgabe wird von dem Steuereinheitssystem 900 erfüllt, indem eine Parametersteuerungsvorrichtung oder eine Steuereinheit 902 zur Energieversorgung 904 verwendet wird, mit der Gleichstromenergie dem Schweißverfahren über die Elektrode 20 und das Werkstück 22 zugeführt wird, wobei dieses Schweißverfahren einen Spannungsdetektor 312 aufweist, um in der Leitung 312a eine Grobspannung zum Zwecke der Detektierung von Spritzereignissen bereitzustellen. Da die Steuereinheit den Ausgang der Energieversorgung 904 durch Steuerung von Strom, Spannung oder Impulsen steuern kann, ist die Steuereinheit 902 als einen Lichtbogeneingang in einer Leitung 904a aufweisend dargestellt, der von dem Nebenschluß 904b in der Ausgangsschaltung der Schweißvorrichtung erhalten wird. Die Lichtbogengrobspannung in der Leitung 312a wird in der in den 11, 1A 29 und 29A dargestellten Weise von dem Ereignisdetektor 906 verarbeitet, um Spritzereignisse im engen Sinne oder weiten Sinne zu detektieren, wobei diese Ereignisse von der Ereignisfrequenzschaltung oder Unterprogramm 908 verarbeitet werden, wie am besten durch 13 dargestellt ist. Dadurch wird eine Frequenz der Spritzereignisse am Eingang des Komparators 910 bereitgestellt, um die Frequenz der Spritzereignisse in dem Schweißverfahren mit einer gewählten Frequenz der Spritzereignisse zu vergleichen, die als Block 912 angegeben ist und auf der Leitung 912a erscheint. Ein Steuerungskorrekturbefehlssignal wird am besten in der Leitung 910a generiert, und dieses Signal wird von der Steuereinheit 902 zum Regulieren der Ausgang der Energieversorgung 904 um den Wert des Befehlssignals in einer Leitung 914 verwendet. Mit der Steuereinheit 900 und dem Verfahren zur Verwendung dieser Steuereinheit wird der Ausgang der Gleichstrom-Schweißvorrichtung auf einem Pegel gehalten, der entweder Strom, Spannung oder Impulsformen oder eine Frequenz darstellt, um adaptiv die gewünschte Frequenz der Spritzereignisse zu ergeben.
In manchen Fällen ist die optimale Frequenz der Spritzereignisse auf Grund von Veränderungen in einem Parameter verschieden. Wenn sich die Zuführgeschwindigkeit des Drahtes erhöht, erhöht sich die Spannung zur Aufrechterhaltung der gewünschten Schweißnaht, so daß die als Sollwert zu verwendende Frequenz der Ereignisse E kleiner wird. Diese Änderung in dem Sollwert der Frequenz, die sich auf Änderungen in einem gegebenen Parameter gründet, erfolgt adaptiv durch eine Addition zu der Steuereinheit in der in 25A gezeigten Weise. Ein Sensor 916 detektiert einen Parameter, um ein repräsentatives Signal in einer Leitung 916a zu erzeugen, wobei ein Fehlerverstärker 918 dieses Signal mit einem Referenzsignal in einer Leitung 916a vergleicht. Durch die Spannung oder den Spannungspegel in einer Leitung 918a wird die Einstellung der gewählten Frequenz in dem Block 912 geändert. Der Sensor 916 könnte eine analoge Vorrichtung oder eine digitale Vorrichtung sein, beispielsweise eine Verweistabelle in einem Programm oder PROM, wenn das Verfahren digital ist. Durch manuelle Regulierung des Sensors 916 bei verschiedenen Parametern kann die normale Steuerung der gewählten Frequenz ersetzt werden. Dieses adaptive Konzept könnte bei allen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden.
Eine ähnliche Steuereinheit 920 ist in 26 gezeigt. Bei einer Energieversorgung 922 wird der Ausgang durch eine Steuervorrichtung 924 gesteuert, die als einen Spannungseingang auf einer Leitung 924a und einen Stromeingang auf der Leitung 924b aufweisend gezeigt ist. Der Ausgang der Schweißvorrichtung wird von der Ener gieversorgung 922 gemäß dem Befehlssignal auf der Leitung 910a an dem Ausgangskomparator 910 gesteuert. Bei der Steuereinheit 920 gemäß 26 wird eine andere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung verwendet. Die Steuervorrichtung 924 wird durch eine Eingangsschaltung, der als ein Funktionsblock 930 mit einem Ausgang 932 zur Initiierung der Stromversorgung 922 bei einem gegebenen Anfangspegel für den Steuerparameter angegeben ist, manuell auf einen gewünschten Ausgangsparameter eingestellt. Die Eingabe von dem Block gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein „gespeicherter" Parameterwert oder -pegel, wobei dieser „gespeicherte" Wert der Wert bei dem vorherigen Schweißzyklus, der vorherigen Verschiebung oder einer nächsten vorherigen Betätigung der Steuereinheit 920 ist. Auf diese Weise wird die Steuereinheit 920 mit dem in der Vergangenheit festgestellten allgemeinen Ausgangsparameter zur Steuerung der Frequenz der Spritzereignisse oder mit einer gewünschten Frequenz oder gewählten Frequenz auf historischer Basis ausgelöst. Die Steuereinheitssysteme oder Steuereinheiten 900, 920 werden vorzugsweise zur Steuerung der Lichtbogenspannung verwendet; jedoch verändert sich der während des Schweißverfahrens verwendete Ausgangsparameter zur Regulierung der Frequenz der Spritzereignisse auf die gewünschte Frequenz mit der von der Schweißvorrichtung verwendeten Betriebsweise. Es wurde festgestellt, daß die Frequenz der Spritzereignisse im üblichen Bereich von 10–30 Spritzereignissen pro Sekunde auf die gewöhnlichen Schweißverfahren anwendbar ist. Es ist vorstellbar, daß bei spezialisierten Lichtbogenschweißverfahren immer noch unter Verwendung der vorliegenden Erfindung eine andere Frequenz der Spritzereignisse gewählt werden könnte, wobei diese Erfindung grundsätzlich das Konzept des Detektierens von Spritzereignissen, des Ermittelns der Frequenz der Spritzereignisse und dann des Regulierens des Ausgangs einer Schweißvorrichtung ist, um unabhängig von Veränderungen in dem Draht, Qualitäten des Drahtes und des Schutzgases und von anderen die Qualität der entstehenden Schweißnaht steuernden Parametern eine beständige Leistung des Schweißverfahrens zu erhalten. Ein Betriebspunkt von weniger als 10 Spritzereignisen pro Sekunde läßt sich schwerer regulieren, so daß die Schweißvorrichtung bei der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mit 10–30 Ereignissen pro Sekunde gesteuert wird. In speziel len Situationen wird eine niedrigere Frequenz der Spritzereignisse als Betriebspunkt verwendet. Das läßt sich insbesondere bei hohen Zuführgeschwindigkeiten des Drahtlaufes längs des Werkstücks anwenden. Mithin liegt der Steuerungspunkt bei einer gewählten Frequenz von weniger als 30 Ereignissen pro Sekunde in seinem weitesten Sinne und im Bereich von 10–30 Ereignissen pro Sekunde in seinem engeren Sinne. Zum Ausgleich von hohen Geschwindigkeiten wird die bevorzugte Verwendung von 20 Ereignissen pro Sekunde auf einen Sollwert im Bereich von 12–15 Ereignissen pro Sekunde vermindert. Mithin liegt die bevorzugte Frequenz bei einem Sollwert im Bereich von 12–20 Ereignissen pro Sekunde.
Zwar ist die Erfindung insbesondere bei der adaptiven Steuerung des Ausgangsparameters anwendbar, um die Frequenz der Spritzereignisse aufrechtzuerhalten, es wurde jedoch festgestellt, daß die rein adaptive Ausführung der Erfindung unnötig ist, um den Vorteil der Steuerung des Ausgangsparameters auf eine spezifische Frequenz der Spritzereignisse zu erhalten. Wenn der Ausgang der Lichtbogenschweißmaschine beispielsweise periodisch auf Zeiten von weniger als etwa 1 Minute reguliert wird, ändern sich Schwankungen in den Schweißparametern, welche sich auf die Qualität der Schweißnaht auswirken, während einer solchen kurzen Zeit gewöhnlich nicht sehr stark. Folglich wird der Ausgang der Schweißvorrichtung als eine Ausgestaltung der Erfindung periodisch auf einen Parameter zur Steuerung der Gewünschte Frequenz der Spritzereignisse eingestellt. Danach wird der Ausgangsparameter bis zur nächsten Regulierung in dem Ausgangsparameter aufrechterhalten. Es wurde festgestellt, daß eine periodische Einstellung der Lichtbogenschweißmaschine, da sich die Parameter nicht schnell ändern, die Aufgabe der vorliegenden Erfindung erfüllt und gleichwertig einer adaptiven Funktionsweise ist. Bei der adaptiven Funktionsweise gilt die Reaktion der Schweißvorrichtung generell als augenblicklich, obwohl sie eigentlich nicht augenblicklich ist. Dieser adaptive Aktualisierungszeitraum kann verlängert werden, jedoch ist das Verfahren der Natur nach immer noch adaptiv, obwohl er nur periodisch reguliert wird. Diese Ausgestaltung der Erfindung ist in 27 dargestellt, in der ein Steuerungssystem oder eine Steuereinheit 950 die Elemente der Steuereinheit oder des Steuerungssystems 900 und des Steuerungssystems 920 unter Hinzufügung einer Schaltung oder Unterprogramms 952 zur Mittelwertbildung der Frequenz der Spritzereignisse umfaßt. Die Mittelwertfrequenz in der Leitung 552a wird mit der gewählten Frequenz der Spritzereignisse verglichen, die von einem Block 954 angezeigt wird und in der Leitung 954a erscheint. Durch Vergleich der mittleren Frequenz der Spritzereignisse mit der gewünschten Frequenz der Spritzereignisse an einem Komparator 956 wird in einer Leitung 960 ein Befehlssignal generiert, und dieses Signal wird zu einer Steuereinheit 962 geleitet. Dieses Befehlssignal steuert den zur Aufrechterhaltung der gewünschten Funktionsweise des Lichtbogenschweißverfahrens verwendeten Ausgangsparameter. Gemäß der Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei der das adaptive Verfahren periodisch betätigt wird, empfängt ein Abtast- und Haltenetzwerk oder eine -vorrichtung 964 das Befehlssignal auf der Leitung 960 und übermittelt dieses Befehlssignal bei Eingang eines Signals von einer Aktualisierungseinstellvorrichtung 966 an die Energieversorgung 904. Diese Aktualisierungseinstellvorrichtung überträgt lediglich das Befehlssignal als digitales Wort von der Steuereinheit 962 zum Eingang der Stromversorgung als analoges Signal zur Aufrechterhaltung des Ausgangsparameters der Stromversorgung auf einem Pegel, der zum Regulieren der Frequenz der Spritzereignisse notwendig ist. Die Ausgangsstufe des Abtast- und Haltenetzwerkes 964 umfaßt einen Digital-Analog-Wandler. Gemäß der dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird die Aktualisierungseinstellvorrichtung 966 von einem Eingang 968 gesteuert, der bewirkt, daß die Aktualisierung zu einem spezifischen Zeitpunkt eintritt. Dieser Zeitpunkt wird durch den Einstellzeitpunkt für die Schweißvorrichtung, die Startzeit für die Verschiebung oder den Beginn eines gegebenen Schweißzyklus angezeigt. Des weiteren kann die Aktualisierungseinstellvorrichtung 966 periodisch von einem Oszillator gepulst werden, der auf eine gegebene Zeit t eingestellt ist, wobei diese Zeit in der Praxis weniger als 60 Sekunden beträgt. Auf diese Weise wird die Schweißvorrichtung periodisch auf den gewünschten Parameter reguliert, vorzugsweise auf die Spannung, um die gewünschte Frequenz der Spritzereignisse aufrechtzuerhalten.
Bei der vorliegenden Erfindung werden die Spritzereignisse E gemessen. Diese Ereignisse sind die Spannungsspitzen in dem Funktionsbereich zwischen dem in den 1 und 1A gezeigten sprühregenartigen Übergang und dem in den 2 und 2A gezeigten tropfenförmigen Übergang. In der Praxis werden die Ereignisse E detektiert und ergeben eine Frequenz der Spritzereignisse, wobei diese Frequenz zur Steuerung der Schweißvorrichtung mit einem Ausgangsparameter verwendet wird, der eine gewünschte oder gewählte Frequenz ergibt. Die gewählte Frequenz beträgt 10–30 Ereignisse pro Sekunde (vorzugsweise 20 Ereignisse pro Sekunde) und ist schematisch als die in 28 gezeigte Spannungslinie 980 dargestellt. Bei dieser niedrigen Frequenz werden mit der bevorzugten Ausführung nur Spritzereignisse als kurze negative Spitzen detektiert, d.h. Spitzen 72a und 72b. Es wurde festgestellt, daß bei dieser niedrigen Frequenz einige wenige tropfenförmige Spitzen 32a und isolierte anfängliche oder vorübergehende Kurzschlüsse 32b oder tatsächliche Kurzschlüsse 32c auftreten können. Ein vorübergehender Kurzschluß 32b tritt ein, wenn der Draht vorübergehend das Werkstück berührt und einen raschen Abfall in Richtung zu null Volt bewirkt, d.h. zwischen 7–10 Volt. Ein Kurzschluß 32b weist bei einer niedrigen Spannung (d.h. 7–10 Volt) zum tatsächlichen Metallübergang mit einem elektrischen Quetschwirkung eine längere Dauer auf. Eine Linie 980 wird mit 20 Ereignissen pro Sekunde festgestellt; mithin liegt sie nicht im tropfenförmigen Bereich, wo Spitzen 32a mehr als 50–100 mal pro Sekunde auftreten, oder in dem Kurzschlußbereich, wo Kurzschlüsse 32b mehr als etwa 150 mal pro Sekunde auftreten. Bei einem Betrieb mit 10–30 Ereignissen pro Sekunde sind die (tatsächlichen oder vorübergehenden) Kurzschlüsse oder tropfenförmige Störungen sporadisch und nur zufällig. Mithin wurde festgestellt, daß mit der Erfindung die tatsächlichen Ereignisse, die den größten Prozenzsatz der negativen Störungen bilden, sowie die zufällige kurzschlußartige oder tropfenförmige Auslösung detektiert werden können. Im weitesten Sinne sind das alles Spritzereignisse, die zur praktischen Umsetzung der Erfindung verwendet werden. Das Spritzereignis E ist jede negative Spitze unter einer Spannung von beispielsweise 1–2 Volt. Auf diese Weise ist es uninteressant zu wissen, ob vorübergehende Kurzschlüsse lediglich als kleine Spitzen auftreten.
Wenn eine Schaltung verwendet wird, wie er in 29 gezeigt ist, werden die große Anzahl von Ereignissen und die sehr wenigen Kurzschlüsse oder tropfenförmigen Übergänge, die bei solch einer niedrigen Frequenz der Ereignisse sporadisch auftreten können, alle als Spritzereignisse detektiert. Ein dv/dt-Detektor 990 ist auf den Betrieb mit einer hohen Frequenz eingestellt, beispielsweise auf 40 kHz. In der Praxis wird der dv/dt-Detektor als ein Ereignis E aufweisend detektiert, wenn die abgetastete Spannung minus die vorher abgetastete Spannung, dividiert durch die Abtastzeit, größer als eine Zahl wie beispielsweise 10 ist. Dieser Detektor ignoriert in der Praxis Spitzen von weniger als 1–2 Volt durch die Wahl der Abtastzeit. Der Detektor 990 detektiert alle negativen Spitzen in der Linie 980 gemäß 2. Als Alternative erfolgt der Ausschluß von kleineren Senken, die nicht auf ein Ereignis E kommen, durch eine Bereichsunterscheidungsschaltung 992, wo die mittlere Spannung an einem Block 994 mit der Grobspannung in einer Leitung 996 an dem Knotenpunkt 998 verglichen wird. Eine Spitze, der größer als ein eingestellter Betrag von 1–2 Volt ist, wird von einem Block 1000 detektiert, um den dv/dt-Detektor 990 durch ein Signal in einer Leitung 1000a freizuschalten. Bei der zur praktischen Umsetzung der Erfindung verwendeten niedrigen Frequenz treten nur einige wenige Störungen auf, die keine Spritzereignisse im engen Sinne sind. Praktisch sind diese Nichtereignisse bei dieser niedrigen Frequenz für die Erfindung belanglos, und alle negativen Spitzen werden als Spritzereignis detektiert.
Eine Modifizierung des in FIGUR gezeigten Systems zur Detektierung von Spritzereignissen ist in 29A offenbart, wo die Lichtbogenspannung V_a mit einem Netzwerk 994 mit einer Zeitkonstante von mehr als 1,5 Millisekunden gemittelt wird, um die mittlere Lichtbogenspannung V_av zu erhalten, die an einem Knotenpunkt 998a mit der Lichtbogengrobspannung verglichen wird. Eine Schwellwertschaltung 1010 ermittelt, ob die detektierte Spitze in einer Leitung 998b größer als eine Schwellspannung V_t ist. Wenn der Schwellwert überschritten ist, wird ein Spritzereignis E detektiert. In diesem System ist ein Spritzereignis als eine negative Spitze unter dem Schwellwert definiert, der eine Dauer von mehr als 1,5 Millisekunden aufweist. Dadurch werden Spitzen detektiert, die in 30 als Spritzereignisse gezeigt sind. Folglich wird mit den auf der Zeit und einer Schwellspannung beruhenden Spritzereignissen der zufällige Kurzschluß 32c detektiert, wie er in 29B gezeigt ist. Wenn der in 29A gezeigte Ereignisdetektor verwendet wird, werden die zufälligen vorübergehenden Kurzschlüsse 32b als Spritzereignisse und tropfenförmige Übergangs-Ereignisse detektiert.
Bei den Ausführungsformen der Erfindung wird die in der Schaltung A gezeigte Lichtbogengrobspannung V_a von einem Tiefpulspilter gefiltert, das in 29A als Filter F gezeigt ist. Das Filter beseitigt die hohe Frequenz über 10 kHz und wird in den verschiedenen Ausführungen verwendet, um das Spritzereignis E als eindeutige negative Störung darzustellen, wie sie in Schaltung B gezeigt ist. Das gefilterte Ereignis E läßt sich entweder an der Vorderkante oder der Hinterkante von einem dv/dt-Detektor leicht detektieren.
In 30 ist eine Form einer Linie 980 konstruiert, d.h. die Linie 980a, um zu zeigen, daß die Spitze 32a, der als tropfenförmige Störung identifiziert ist, eigentlich ein anfänglicher oder vorübergehender Kurzschluß 32b sein kann, den die Instrumente nicht als Kurzschluß lesen können. Durch diese fehlende Kalibrierung ergibt sich bei einem vorübergehenden Kurzschluß 32b die Gestalt einer bloßen Spitzen 32a. Tatsächlich können die meisten Spritzereignisse in Wirklichkeit vorübergehende Kurzschlüsse sein, die als kleine Spitzen in einer geringen Anzahl ohne Auswirkung auf die Erfindung erscheinen. Bei Verwendung des Detektors 990 werden diese kleineren Unterschiede in den Spritzereignissen außer Acht gelassen.
Die vorliegende Erfindung wurde in Verbindung mit mehreren Blockschaltbildern erläutert, wie sie bei der praktischen Umsetzung der Erfindung verwendet werden. Diese Blockschaltbilder betreffen Programmfunktionen, die ein Mikroprozessor ausführt und digital vornimmt. Es liegt innerhalb des Umfangs der Erfindung, die Steuerungen entweder analog oder digital oder durch Kombination beider auszuführen. In denjenigen Fällen, in denen der Eingang zur Energieversorgung analog sein soll und das Verfahren digital ausgeführt wird, umfaßt der E/A-Bus des Mikroprozessors oder der digitalen Schaltungen einen Digital-Analog-Wandler gemäß standardmäßiger Steuerungstechnik. Ein solcher Wandler wird an der Ausgangsstufe des Abtast- und Haltenetzwerkes 964 verwendet.
In der Praxis wird die Lichtbogenspannung, die in der in den 1, 2 und 3 gezeigten Weise analysiert wird, zwecks Verarbeitung der Erfindung mit der bereits erläuterten Software digitalisiert. Diese Umwandlung der Lichtbogenspannung ist in 31 gezeigt, in der die Lichtbogengrobspannung durch einen Spannungsteiler 1020 hindurch geleitet wird, der eine Skala von 0–10 Volt an einer Leitung 1022 aufweist, die mit einem Isolierungsverstärker 1024 mit einem Filter zur Beseitigung von hohen Frequenzen über 10 kHz verbunden ist. Ein standardmäßiger Analog-Digital-Wandler 1030 mit einer Abtastfrequenz von 1–2 kHz liest die Lichtbogenspannung als Reihe von Worten in einer Leitung 1032 zwecks Verarbeitung durch einen Mikroprozessor 1034 ab. Der Mikroprozessor verrichtet die Funktionen derart, daß das Befehlssignal gegeben wird, das benötigt wird, um den Ausgang der Schweißvorrichtung auf einer Stufe zu halten, welche die gewünschte Frequenz der Spritzereignisse liefert. Der Mikroprozessor mittelt die Lichtbogenspannung, wie sie für die praktische Umsetzung der Erfindung benötigt wird.
Es wurde gezeigt, daß mehrere Ereignisdetektoren ausgewählte Teile verwenden. Sie alle detektieren negative Spitzen von mehr als etwa 1 Volt, jedoch von weniger als etwa 6 Volt. Es liegt innerhalb des weiten Umfangs der Erfindung, daß alle negativen Spitzen gezählt werden, die größer als ein Pegel von beispielsweise 1,2 Volt sind, da im allgemeinen keine große Spitzen auftreten, wenn die Frequenz im Bereich von 10–30 Ereignissen pro Sekunde liegt. Es liegt innerhalb des Umfangs der Erfindung, daß die verschiedenen Teile in den dargestellten Kombinationen verwendet werden, um die Aufgaben der Erfindung zu erfüllen. Es können Teile von verschiedenen Steuerungssystemen in verschiedenen Kombinationen verwendet werden, um die Erfindung praktisch umzusetzen.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Gleichstrom-Lichtbogenschweißprozesses, wobei ein Schweißdraht (20) in Richtung eines Werkstückes (22) angenähert wird, während eine Bogenspannung zwischen dem annähernden Draht (20) und dem Werkstück (22) angelegt wird, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: (a) Erfassen von Spritzerereignissen in dem Schweißprozess; die Spritzerereignisse aus kleinen negativen Senken oder Spitzen mit einer negativen Größe von 1–10 Volt bestehen, gekennzeichnet durch (b) Bestimmen der Echtzeitrate von Spritzerereignisse; (c) Auswählen der gewünschten Rate von Spritzerereighisse; und (d) Einstellen des Pegels eines Steuerungsparameters, um die Rate von Spritzerereignisse der gewünschten Rate anzupassen.
Verfahren zur Steuerung eines Gleichstrom-Lichtbogenschweißprozesses in Echtzeit nach Anspruch 1, wobei das Verfahren aufweist: in Schritt (a) Erfassen von Spritzerereignissen in der Bogenspannung; in Schritt (d) Einstellen der Bogenspannung, um die Echtzeitrate von Spritzerereignisse der gewünschten Rate anzupassen.
Verfahren zur Steuerung eines Schweißspiels eines Gleichstrom-Lichtbogenschweißprozesses nach Anspruch 1, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: (c) Bestimmen des Pegels eines Steuerungsparameters bei dem die Rate von Spritzerereignisse bei einer gewählten, gewünschten Rate ist; und (d) Steuerung des Parameters während des Arbeitsspiels bei dem vorbestimmten Pegel.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren aufweist (a) Messen der Rate von Spritzerereignisse; und in Schritt (b), Einstellen des Ausgabesteuerungsparameters, um die gemessene Rate von Spritzerereignisse bei einer Rate im Bereich von weniger als ungefähr 30, vorzugsweise 10–30 Spritzerereignisse pro Sekunde beizubehalten.
Verfahren zur Steuerung eines Gleichstrom-Lichtbogenschweißprozesses in Echtzeit nach Anspruch 1, wobei das Verfahren aufweist: in Schritt (a), Erfassen negativer Spitzen in der Bogenspannung von über 1–2Volt; in Schritt (c), Auswählen der gewünschten Rate von negativen Spitzen zu einem Wert von weniger als 30 Spitzen pro Sekunde.
Verfahren zur Steuerung eines Schweißspiels eines Gleichstrom-Lichtbogenschweißprozesses nach Anspruch 3, wobei das Verfahren aufweist: in Schritt (a), Erfassen negativer Spitzen größer als 1-2Volt in dem Schweißprozess.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren die Schritte ausfweist: (a) Messen der Rate negativer Spitzen größer als 1–2Volt; und (b) Einstellen des Ausgabesteuerungsparameters, um die gemessene Rate bei einer Rate von weniger als 30 Spitzen pro Sekunde beizubehalten.
Verfahren zur Steuerung eines Gleichstrom-Lichtbogenschweißprozesses nach Anspruch 1, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: (a) Filtern der Bogenspannung zum Entfernen des Hochfrequenz-Rauschens; (b) Bestimmen der Echtzeitrate von Spritzerereignisse in der gefilterten Spannung; (c) Auswählen einer gewünschten Rate von Spritzerereignissen; und (d) Einstellen der Ausgabe des Schweißers um die Echtzeitrate der gewünschten Rate anzupassen.
Vorrichtung zur Steuerung eines Gleichstrom-Lichtbogenschweißers, wobei die Vorrichtung aufweist: Mittel zum Erkennen von Spritzerereignissen in der Bogenspannung; die Spritzerereignisse aus kleinen negativen Senken oder Spitzen mit einer negativen Größe von 1–10Volt bestehen, gekennzeichnet durch Mittel zum Erfassen einer Ist-Rate; Mittel zum Vergleichen der Ist-Rate von Spritzerereignisse mit einer gewählten, gewünschten Ereignisrate; und Mittel zum Einstellen des Schweißers, um die Ist-Rate der gewählten Rate anzupassen.
Vorrichtung zur Steuerung eines Gleichstrom-Lichtbogenschweißers nach Anspruch 9, wobei die negativen Senken oder Spitzen eine negative Größe größer als 1–2Volt in der Bogenspannung haben.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Steuerungsvorrichtung aufweist: Mittel zum Erkennen von Spritzerereignissen in der Bogenspannung; Mittel zum Bestimmen der Echtzeitrate von Sprtizerereignissen; Mittel zum Auswählen einer gewünschten Rate von Spritzerereignissen; und Mittel zum Einstellen der Ausgabe des Schweißers, um die Echtzeitrate von Spritzerereignissen der gewünschten Rate anzupassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die Steuerungsvorrichtung aufweist: Mittel zum Messen der Rate von Spritzererignissen; und Mittel zum Einstellen des Ausgabesteuerungsparameters, um die gemessene Rate von Spritzerereignissen bei einer Rate im Bereich von weniger als ungefähr 30, vorzugsweise 10–30 Spritzerereignissen pro Sekunde beizubehalten.
Vorrichtung nach einem der Anspruche 9 bis 12, wobei die Steuerungsvorrichtung aufweist: Mittel zum Erfassen negativer Spitzen größer als 1-2Volt in der Bogenspannung; Mittel zum Bestimmen der Echtzeitrate der negativen Spitzen; Mittel zum Auswählen einer gewünschten Rate negativer Spitzen in dem Bereich von weniger als ungefähr 30, vorzugsweise 10–30 Spitzen pro Sekunde; und Mittel zum Einstellen der Ausgabe, um die Echtzeitrate der negativen Spitzen der gewünschten Rate anzupassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Steuerungsvorrichtung aufweist: Mittel zum Messen der Rate negativer Spitzen größer als 1-2Volt; und Mittel zum Einstellen des Ausgabesteuerungsparameters, um die gemessene Rate von weniger als 30 negativen Spitzen pro Sekunde beizubehalten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei die Steuerungsvorrichtung aufweist: Mittel zum Filtern der Bogenspannung zum Entfernen eines Hochfrequenzrauschens; Mittel zum Bestimmen der Echtzeitrate von Spritzerereignissen in der gefilterten Spannung; Mittel zum Auswählen einer gewünschten Rate von Spritzerereignissen; und Mittel zum Einstellen der Ausgabe des Schweißers, um die Echtzeitrate der gewünschten Rate anzupassen.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei ein Schweißdraht (20) einem Werkstück (22) angenähert wird, während eine Bogenspannung zwischen dem annähernden Draht (20) und dem Werkstück (22) angelegt wird.