DE69929654T2

DE69929654T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen

Info

Publication number: DE69929654T2
Application number: DE69929654T
Authority: DE
Inventors: Richard New London Hutchison; James Appleton Uecker; Todd Appleton Holverson
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 1998-02-17
Filing date: 1999-02-12
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2019-02-13
Also published as: CA2260118C; EP0936019B1; US6653595B2; EP0936019A2; US6800832B2; DE69929654D1; JPH11267835A; US20020079302A1; US6326591B1; CA2260118A1; US20060163229A1; US20080006616A1; US20100006552A1; US20030085210A1; US20040238513A1; US6987243B2; EP0936019A3; US7598474B2; US6087626A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Fachgebiet der Schweißenergieversorgungen. Genauer betrifft sie Schweißenergieversorgungen und die Steuerung derselben zum Kurzschlussschweißen.
Es gibt viele Typen von Schweißenergieversorgungen und Schweißprozessen. Ein Schweißprozess wird als Kurzschlusstransferschweißen bezeichnet. Kurzschlusstransferschweißen besteht allgemein aus einem Wechsel zwischen einem Lichtbogenzustand und einem Kurzschlusszustand, ohne Lichtbogen. Während des Lichtbogenzustands schmilzt der Draht und während des Kurzschlusszustands schmilzt das Metall weiter und das geschmolzene Metall wird vom Ende des Drahtes zu dem Schweißbad transferiert. Das Metall, welches in einem Zyklus transferiert wird, wird hierin als Tropfen bezeichnet, ungeachtet der Größe oder der Form der Metallmenge, die transferiert wird.
Kurzschlusstransferschweißen hat viele Vorteile wie beispielsweise kürzere Bogenlänge und geringeres Schmelzen der Basisplatte. Jedoch hat Kurzschlusstransferschweißen Nachteile, wie beispielsweise verstärktes Spritzen.
Sowohl die Energiequellen-Topologie als auch das Steuerschema müssen beim Entwerfen einer Kurzschlusstransferschweißenergiequelle berücksichtigt werden. Die verwendete Energietopologie muss schnell genug sein, um eine rechtzeitige Antwort auf das gewählte Steuerschema zu haben. Die Steuerung sollte drei Betrachtungen berücksichtigen: Erstens muss die Bogenlänge richtig gesteuert werden. Zweitens muss die Burn-off-(oder Massendepositions-) Rate angemessen gesteuert werden. Eine unangemessene Burn-off-Rate wird zu erhöhtem Spritzen führen. Drittens wird Spritzen auch durch zu viel Leistung beim Trennen des Kurzschlusses, d. h. beim Übergang von einem Kurzschluss zu einem Lichtbogen, verursacht. Folglich muss die Leistung oder der Strom beim Trennen des Kurzschlusses ebenso kontrolliert werden. Auch muss detektiert werden, wenn der Kurzschluss getrennt wird. Einige Patente des Standes der Technik lehren nicht die Steuerung des Kurzschlusstransferschweißprozesses auf einer Kurzschluss-für-Kurzschluss-Basis. Solch eine Steuerung würde ein präziseres Steuern des Schweißprozesses bieten und wird helfen, das Spritzen zu reduzieren.
Eine übliche Energiequellentopologie des Standes der Technik verwendet sekundäre Schalter, um die Abgabe zu steuern. Während diese ein schnelles Steuern bieten, können sie relativ teuer sein oder können eine nicht ausreichende Spitzenstromkapazität aufweisen. Ferner kann das Schalten von starken Strömen Zuverlässigkeitsprobleme und Schaltverluste erhöhen. Beispiele von Patenten, die sekundäre Schalter haben, enthalten: US-A-4,469-933, US-A-4,485,293, US-A-4,544,826 und US-A-4,717,807.
Das Steuerschema in vielen Energieversorgungen des Standes der Technik verwendet die Bogenspannung, um zu bestimmen, ob die Bogenlänge richtig ist. Typischerweise, wenn die Bogenspannung geringer ist als ein Sollwert, wird die Bogenlänge als zu kurz bestimmt und wenn die Bogenspannung größer ist als der Sollwert, wird die Bogenlänge als zu lang bestimmt. Der Ausgangsstrom wird gesteuert, um entweder die Menge an transferiertem Metall zu erhöhen oder zu verringern, wodurch die Bogenlänge kontrolliert wird. Einige vorbekannte Kurzschlusstransferschweißpatente lehrten das Steuern der Massendepositions-(Burn-off) Rate durch Steuern der Schweißleistung durch „Totalisierung" der an den Bogen gelieferten Energie. Die Bogen- oder Schweißleistung ist eine Funktion des Bogenstromes und der Bogenspannung.
Jedoch ist die Burn-off-Rate auf einer Kurzschluss-für-Kurzschluss-Basis (d. h. für jeden gegebenen Kurschlusstransferschweißzyklus) überwiegend unabhängig von der Bogenspannung – sie ist überwiegend eine Funktion des Bogenstromes. Folglich sind die bekannten Steuerschemata, die Bogenleistung (oder Bogenenergie) zum Kontrollieren der Burn-off-Rate verwenden, komplex und ungenau. Beispiele solch komplexer und ungenauer Steuerschemata enthalten: US-A-4,866,247, US-A-4,897,523, US-A-4,954,691 und US-A-5,003,154. Einige dieser bekannten Patente lehren das Steuern der Leistung, wenn ein Kurzschluss gerade trennt, durch Vorhersagen des Trennens des Kurzschlusses. Sie vergleichen allgemein die Bogenspannung oder ihre erste Ableitung mit einem Schwellwert. Jedoch führen die Versuche des Standes der Technik zu verfehlten oder falschen positiven Kurzschlusstrennvorhersagen.
Entsprechend ist eine Kurzschlusstransferschweißenergieversorgung gewünscht, welche die Burn-off-Rate, vorzugsweise auf einer Kurzschluss-für-Kurzschluss-Basis, richtig steuert. Vorzugsweise sollte der Prozess so gesteuert werden, dass die Leistung reduziert wird, wenn der Kurzschluss gerade trennt. Auch sollte die verwendete Energiequelle ausreichend schnell sein, um auf die Steuerung zu antworten, aber nicht unangemessen teuer oder in dem Spitzenausgangsstrom limitiert sein.
Einer der Gründe von Instabilität in einem Kurzschlusstransferschweißprozess betrifft die exzessive Vorheizung des Drahtes. Variationen in der Draht/Schweißbad-Wechselwirkung, die durch Bedienerbewegungen oder/und hängende Schweißbadgeometrie verursacht ist, kann zu irregulärer Vorheizung des Drahtes aufgrund der I²·R Wärmeerzeugung führen. Zu starkes Vorheizen des Drahtes kann einen Anstieg der Schmelzrate des Drahtes zu einem Punkt verursachen, wo die geschmolzene Kugel in Folge des Übergangs von einem Kurzschluss zu einem Bogen sehr schnell wächst. Dieses schnelle Schmelzen, welches als Aufflackern bekannt ist, resultiert in einem schnellen Anwachsen der Bogenlänge mit einem entsprechenden Spannungsanstieg.
Das entgegengesetzte Extrem kann ebenso auftreten. Wenn eine unzureichende Vorheizung des Drahtes vorliegt, wird die Kurzschlussfrequenz sich erhöhen, da aufeinander folgende Bogenzeiten kürzer werden. Wenn Energie nicht schnell genug zugeführt wird, kann der Draht möglicherweise in dem Schweißbad einen „Stumpf" bilden. Das Endresultat eines solchen Wurzelreißens ist entweder ein explosives Kurzschlusstrennen oder ein aufrecht erhaltener Kurzschluss ohne Bogen (manchmal Nudelschweißen genannt). Über- und Untervorheizen treten häufig in einer zyklischen Weise auf. Bedauerlicherweise justieren die meisten bekannten Steuerungen nach dem Auftreten eines Stumpfes oder eines Aufflackerns. Zum Beispiel, wenn die Steuerung ein Abnehmen der Wärme bewirkt, um ein voran gegangenes Vorheizen zu kompensieren, wurde der Prozess bereits zu dem unterheizten Stadium hin durchlaufen. Folglich verschlimmert die Steuerung tatsächlich das Problem. Entsprechend ist es wünschenswert, einen Kurzschlusstransferschweißprozess zu haben, der das Vorheizen des Drahtes richtig kompensiert.
Es ist wünschenswert, ein konsistentes Zünden des Bogens in den meisten Schweißprozessen zu haben. Die Größe der Kugel an dem Ende des Drahtes (gebildet am Ende des letzten Schweißvorganges) ist ein signifikanter Faktor in der Bestimmung der Energiemenge, die zum Zünden des Bogens benötigt wird. Folglich sollte der Zustand des Drahtendes (Größe der Kugel) von dem vorangegangen Schweißprozess konsistent sein, um für ein konsistentes Zünden des Bogens zu sorgen.
Jedoch kann die Größe der Kugel zwischen dem Ein- bis Dreifachen des Durchmessers des Drahtes variieren, nachdem ein typischer Kurzschlusstransferschweißprozess beendet wurde. Früher schnitt ein Bediener manchmal das Ende des Drahtes ab, was die Kugel eliminierte, oder an einigen vorbekannten Roboterbogensprühsystemen wurde ein zusätzlicher Schritt vorgesehen, zum Abrichten oder Trimmen des Drahtes am Ende jedes Schweißprozesses und um sicher zu stellen, dass der Draht nicht zum Ende des Bogens an der geschweißten Verbindung erstarrt, siehe US-A-5,412,175. Obwohl dieses einen gleichförmigen Drahtdurchmesser zu Beginn des nächsten Schweißvorgangs produzieren kann, verschwendet es Zeit und der zusätzliche Schritt würde nicht benötigt, wenn der Draht einen konsistenten Durchmesser hätte, wenn jeder Schweißvorgang angehalten wird.
Im Stand der Technik gab es Versuche, das Beenden eines Schweißprozesses zu steuern. Eine BETA-MIG^® hat einen vorbestimmten „Krater" für die Stopps verwendet. Jedoch lieferte die BETA-MIG^® keine ausreichend schnelle Antwort oder ein adäquates Steuerschema, um die konsistente Kugelgröße zu produzieren, die zum Kurzschlusstransferschweißen gewünscht ist.
Ein anderes System des Standes der Technik liegt in dem Miller 60M^® gepulsten Sprühprozess, welcher einen Algorithmus aufweist, der die Ausgangspulsfrequenz reduziert, um sich mit dem Anhalten des Motors abzugleichen. Ein finaler Puls wird gesendet, welcher eine letzte Kugel von dem Draht wegbläst und den Bogen löscht. Jedoch wird dieses Verfahren nicht bei Prozessen wie dem Kurzschlusstransferschweißen arbeiten, die nicht genau die Frequenz der Ausgangsleistung steuern. Ferner kompensiert dieser Stand der Technik nicht in wünschenswerter Weise Irregularitäten in dem Prozess, wie beispielsweise unerwünschte Kurzschlüsse.
Entsprechend ist eine Energiequelle und eine Steuerung wünschenswert, die einen Stoppalgorithmus bereitstellen, der die Größe der Kugel auf ungefähr den Drahtdurchmesser reduziert oder auf eine Größe, die das Durchführen von konsistenten Starts ermöglicht, d. h. nicht auf eine große Kugel, wenn der Prozess beendet wird. Dieser Prozess wird vorzugsweise sicherstellen, dass der Draht zum Bogenende nicht an der Schweißverbindung erstarrt. Auch sollte der Stoppalgorithmus vorzugsweise robust (d. h. geeignet sein, auch während Irregularitäten in dem Prozess zu funktionieren) und anpassbar an eine Vielfalt von Prozessen, wie z. B. MIG- Prozessen, Sprühprozessen, gepulsten Sprühprozessen, oder Kurzschlusstransferprozessen sein.
GB-A-2250357 offenbart einen Pulsschweißbrenner.
Entsprechend einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Schweißen durch Deponieren von Tropfen von geschmolzenem Metall am Ende eines verbrauchbaren Schweißdrahtes in ein Schweißbad bereitgestellt, wobei die Vorrichtung enthält:
Eine Energiequelle mit einer Stromabgabe in elektrischer Kommunikation mit dem Schweißdraht;
Rückkopplungsmittel zum Bereitstellen eines Echtzeitsignals, welches auf den Wärmeeintrag jedes Tropfens hinweist; und ein Mittel zum Steuern, welches an die Energiequelle gekoppelt ist und einen Rückkopplungseingang aufweist, der an die Rückkopplungsmittel gekoppelt ist, zum Steuern der Größe des Stromes, der für den Schweißdraht in Reaktion auf den Wärmeeintrag jedes Tropfens zur Verfügung gestellt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Rückkopplungsmittel ein die Abgabe repräsentierendes Signal umfasst; und
das Mittel zum Steuern Mittel zum Bestimmen der an den Draht abgegebenen Leistung und zum Bestimmen, wann das Trennen des Kurzschlusses in Reaktion auf die abgegebene Leistung bevorsteht, umfasst.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren geliefert zum Schweißen durch Deponieren von Tropfen von geschmolzenem Metall an dem Ende eines Schweißdrahtes in ein Schweißbad, enthaltend: Versorgen des Drahtes mit Strom;
Bereitstellen einer Rückkopplung, in Echtzeit, welche den Wärmeeintrag jedes Tropfens anzeigt; und
Steuern der Größe des Stromes, welcher für den Schweißdraht in Reaktion auf den Wärmeeintrag jedes Tropfens zur Verfügung gestellt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schritt des Bereitstellens der Rückkopplung das Bereitstellen eines Signals, welches die Abgabe repräsentiert, umfasst, und der Schritt des Steuerns ein Bestimmen der an den Draht abgegebenen Leistung und ein Bestimmen, wann die Trennung des Kurzschlusses in Reaktion auf die gelieferte Leistung bevorsteht, umfasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Rückkopplung ein Stromsignal, welches den Ausgang repräsentiert. Die Steuerung kann eine Änderungsrate der abgegebenen Energie bestimmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestimmt die Steuerung einen Wert V_c, definiert durch V_c = k·(dP/dt), wobei V_c ein berechneter Wert ist, k ein Skalar ist, und dP/dt die Ableitung der Leistung ist. Die Steuerung vergleicht V_c mit einem Schwellwert. In einer anderen Ausführungsform subtrahiert die Steuerung einen Wert, welcher auf die Änderungsrate des Ausgangsstromes reagiert, von der Änderungsrate der Ausgangsleistung. In einer anderen Ausführungsform nimmt die Steuerung die Ableitung eines Wertes, welcher auf die Änderungsrate der Ausgangsleistung reagiert, abzüglich dem Wert, der auf die Änderungsrate des Ausgangsstromes reagiert. Ferner bestimmt die Steuerung einen Wert V_c durch V_c = d/dt (k1·dP/dt – k2·di/dt), worin k1 ein Skalar ist, dP/dt die Ableitung der Ausgangsleistung ist, k2 ein Skalar ist und di/dt die Ableitung des Ausgangsstromes ist.
Die Steuerung kann in einer anderen Variante eine gewünschte Massendepositionsrate liefern, welche auf eine Drahtzufuhrgeschwindigkeit und einen Abstand von einer Spitze eines Drahtes zu einem Werkstück reagiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vergleicht die Steuerung einen Wert, welcher auf die Energie, die benötigt wird, um eine gegebene Menge von Draht zu deponieren, reagiert, mit einem Wert, welcher die Energiemenge repräsentiert, die in mindestens einem Teil von einem Schweißzyklus abgegeben wird, in einer anderen Ausführungsform. Die Steuerung bestimmt die Energie, welche in Übereinstimmung mit Q_req = k3·(R_dep·(H_m + (T_drop – T_amb)·C_P)·t_tot) benötigt wird, wobei Q_req die benötigte Energie ist, k3 ein Skalar ist, R_dep eine Drahtmassendepositionsrate ist, H_m eine latente Schmelzwärme für den Draht ist, T_drop die Temperatur des geschmolzenen Tropfens ist, T_amb die Umgebungstemperatur des Drahtes ist, C_p die Wärmekapazität des Drahtes ist und t_tot eine Zykluslänge ist. Die Steuerung bestimmt die abgegebene Energie entsprechend Q_wire = ((V_anode + WF + 3kT/2e)·I + I²·
·rho/A), wobei Q_wire die abgegebene Energie ist, V_anode der Anodenspannungsabfall ist, WF die Austrittsarbeit des den Draht enthaltenden Metalls ist, (3kT/2e) die thermische Energie von an den Draht stoßenden Elektronen ist, I der Ausgangsstrom ist,
der Abstand von der Kontaktspitze zum Bogen ist, rho der spezifische Widerstand des Drahtes ist und A die Querschnittsfläche des Drahtes ist.
Die Steuerung kann in einer anderen Ausführungsform eine Länge eines Überstandes bestimmen (d. h., die Länge des Drahtes, welche sich von der Kontaktspitze erstreckt). Der Überstand wird bestimmt durch Bereitstellen eines Bogenspannungssollwertes und Vergleichen des Bogenspannungssollwertes mit der Bogenspannung. Der Vergleichswert wird dann über die Zeit integriert. Der Integrant wird mit einem integrierten Brennratenfehler aufsummiert und die Summe wird mit bekannten Werten verglichen.
Eine weitere Ausführungsform enthält das Stoppen des Schweißprozesses. Der Status des Bogens wird überwacht und der Strom wird in Reaktion auf die Bildung eines Kurzschlusses erhöht. Dann, wenn der Kurzschluss aufgehoben ist, wird der Strom auf ein niedriges Stromniveau gefahren, sodass keine große Kugel an dem Ende des Drahtes gebildet wird. Dies wird wiederholt bis kein Kurzschluss auftritt und der Draht stoppt.
Eine weitere Ausführungsform sorgt dafür, dass die Drahtzufuhrgeschwindigkeit überwacht wird und dass das Stoppen des Prozesses beginnt, wenn die Drahtzufuhrgeschwindigkeit unter einen Schwellwert fällt. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Schweißprozess ein MIG-, Sprüh-, Pulssprüh-, Kugel- oder Kurzschlusstransferschweißprozess. In anderen Ausführungsformen wird der Bogen durch Überwachen der Bogenspannung überwacht.
Einzelne Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung werden nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 ein Diagramm ist, welches die Strom- und Spannungsabgabe für einen Kurzschlusstransferschweißzyklus zeigt;
2A und 2B Schaltpläne sind, welche einen Teil einer Steuerung zeigen, die bestimmt, wann der Kurzschluss vor dem Trennen steht;
3 ein Diagramm ist, welches die Strom- und Spannungsabgabe und ein Rückkopplungssignal, welches durch die Schaltungen der 2A und 2B erzeugt wurde, zeigt;
4 ein Schaltplan ist, welcher einen Teil einer Steuerung zeigt, die den Strombefehl festsetzt;
5 eine Querschnittsdarstellung einer Kontaktröhre und eines Schweißdrahtes ist;
6 ein Diagramm ist, welches die Drahtzufuhrgeschwindigkeit und die Ozillationsfrequenz für ein MIG-Kurzschlusstransferschweißsystem zeigt;
7 eine Schnittdarstellung des Überstandteiles eines Schweißdrahtes, welcher in einem MIG-Kurschlusstransferschweißsystem verwendet wird, ist;
8 ein Blockdiagramm eines MIG-Kurzschlusstransferschweißsystems ist; und
9 ein Schaltplan eines in der bevorzugten Ausführungsform verwendeten aktiven Stabilisators ist.
Hierin sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Kurzschlusstransferschweißprozesses (MIG) beschrieben. In dem Kurzschlusstransferschweißprozess wird eine Drahtelektrode mechanisch in die Schweißverbindung durch eine Drahtzufuhrvorrichtung mit einer relativ konstanten Rate zugeführt. Sie wird in der Schweißverbindung durch eine Reihe von alternierenden Kurzschluss- und Bogenvorgängen aufgezehrt. Dieser Prozess wird allgemein als Kurzschlussschweißen oder als Kurzschlusstransferschweißen bezeichnet. Allgemein enthält ein Schweißgerät, welches zum Kurzschlussschweißen verwendet wird, mindestens eine Energiequelle, eine Steuerung und eine Drahtzufuhrvorrichtung.
Der Kurzschlusstransferschweißprozess ist zyklisch. Ein Zyklus des Prozesses beginnt, wie hierin beschrieben, mit dem Beginn eines stationären Bogens, gefolgt von einem Kurzschlusszustand, und ist vervollständigt mit dem Beginn eines weiteren stationären Bogenzustands. Eine typische Zykluslänge ist zehn Millisekunden. Die Elektrode und ein Teil des Basismetalls werden während des Kurzschlusstransferschweißprozesses durch den Strom, welcher durch die Elektrode zur Schweißverbindung fließt, geschmolzen. Im Allgemeinen schmilzt ein Teil des Drahtmaterials während des Bogenzustands und wird während des Kurzschlusszustands transferiert.
8 ist ein Blockdiagramm eines MIG-Kurschlusstransferschweißsystems, welches die vorliegende Erfindung implementiert. Allgemein liefert eine Drahtzufuhrvorrichtung 801 einen Draht 802 durch einen Schweißbrenner 804 an eine Schweißverbindung 803. Eine Energiequelle 805 liefert Energie an den Schweißbrenner 804 und ein Werkstück 806. Eine Steuerung 807 enthält einen Mikroprozessor 808 (einen 80196 KC Mikroprozessor in der bevorzugten Ausführungsform, und einen DSP oder eine andere integrierte Schaltung in alternativen Ausführungsformen), ein A/D- und D/A-Interface, und eine analoge Schaltung 809. Eine Rückkopplung wird der Steuerung 807 durch Leitungen 811–813 geliefert. Steuersignale werden durch die Steuerung 807 auf Leitungen 814–816 geliefert. Die Steuerung 807 kann Teil der Energiequelle 805 sein, ein Teil der Drahtzufuhrvorrichtung 801, die Energiequelle 805 kann eine separate Steuerung aufweisen oder die Steuerung 807 kann direkt die Energiekonvertierung der Energiequelle 805 steuern.
Das bevorzugte Steuerschema verwendet ein Strombefehlssignal, um den Ausgangsstrom zu treiben. Das Befehlssignal weist mehrere Komponenten auf. Eine Komponente setzt das Langzeitstrom-Befehlsniveau (als Langzeitstrombefehl bezeichnet). Eine andere Komponente stellt den Strombefehl auf einer Echtzeit- oder einer Kurzschluss-für-Kurzschluss-Basis ein (als der Kurzschluss-für-Kurzschluss-Strom-Befehl bezeichnet).
Die Bogenspannungsrückkopplung wird verwendet, um zu bestimmen, ob die gewünschte Bogenlänge vorhanden ist und um den Langzeitstrom-Befehl einzustellen. Der Kurzschluss-für-Kurzschluss-Strom-Befehl wird aus einer Echtzeitbogenstromrückkopplung (anstelle der Leistung) abgeleitet und wird verwendet, um die Burn-off-Rate durch eine instantane-, oder Kurzschluss-für-Kurzschluss-Einstellung des Strombefehls zu steuern.
Das bevorzugte Steuerschema verwendet auch eine Funktion der zeitlichen Ableitung der Bogenleistung (abzüglich der zeitlichen Ableitung des Bogenstromes), um in Echtzeit zu detektieren, wann die Trennung des Kurzschlusses bevorsteht.
Ein Stopp-Algorithmus wird angewandt, welcher den Bogen auf einer Kurzschluss-für-Kurzschluss-Basis überwacht. Wenn der Prozess endet, wird ein sehr geringes Stromniveau geliefert, um die Bildung einer Kugel zu vermeiden. Jedoch wird, wenn ein Kurzschluss erzeugt wird (angezeigt durch einen Abfall in der Bogenspannung), nach dem niedrigen Stromniveau ein Energieimpuls geliefert, um den Kurzschluss aufzuheben. Wenn der Kurzschluss aufgehoben ist, wird wieder ein sehr kleiner Strom geliefert, um das Bilden einer großen Kugel zu vermeiden. Dies wird wiederholt, bis der Draht stoppt und der Prozess endet.
Die bevorzugte Ausführungsform verwendet eine Energiequelle, welche die Fähigkeit hat, ihren Ausgangsstrom sehr schnell, in der Größenordnung von 1000 Ampère/Millisekunde, zu ändern. Ein Beispiel dieses Typs von Energiequelle wäre ein Wechselrichterenergiequellensystem mit einer niedrigen Ausgangsimpedanz oder ein sekundärer Umschalter.
Die spezifische Energiequelle der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist ein Reihenresonanzkonverter, wie der, weicher in der US-Patentanmeldung Nr. 08/584,412, welche am 11. Januar 1996 eingereicht wurde und als „Switchable Power Supply With Electronically Controlled Output Curve And Adaptive Hot Start" betitelt ist, beschrieben ist, die hiermit mit Bezugnahme eingeschlossen wird. Die vorliegende Erfindung verwendet eine Steuerung (unten beschrieben), welche den Schweißprozess steuert und mit der Energiequelle zusammen wirkt. Die unten beschriebene Steuerung liefert einen Befehl, welcher die gewünschte Stromstärke angibt, an die Energiequelle. Die Energiequelle enthält ihre eigene Steuerung, welche die Energiequelle veranlasst, den gewünschten Strom zu liefern. In einer anderen Ausführungsform wird die Energiequelle durch eine externe Steuerung (die auch die hierin beschriebenen Bedienelemente implementiert) gesteuert. Der Reihenresonanzkonverter ist bevorzugt (aber nicht erforderlich), da er eine sehr schnelle Reaktion auf den gewünschten Strombefehl aufweist. Andere Ausführungsformen verwenden andere Typen von Energiequellen, einschließlich Wechselrichtern, phasengesteuerten und sekundären Schaltenergiequellen.
Die hierin beschriebene Erfindung enthält Algorithmen, welche durch den Mikroprozessor 808 und die analoge Schaltung 809 implementiert sind. Die Implementierung des Algorithmus vollständig durch diskrete Komponenten oder vollständig mit einem Mikroprozessor, DSP oder anderen integrierten Schaltkreisen, sind alternative Ausführungsformen. Die Algorithmen steuern den Schweißprozess durch Steuerung des Draht-Burn-Offs oder der Massendepositionsrate auf einer Kurzschluss-für-Kurzschluss-Basis. Die Draht-Burn-off-Rate wird durch Steuerung des Stromes auf einer Kurzschluss-für-Kurzschluss-Basis (oder Periode-für-Periode-Basis) gesteuert. Diese Kurzschluss-für-Kurzschluss-Stromsteuerung ist kombiniert mit der Stromsteuerung, die durch die Bogenspannung (um eine gewünschte Bogenlänge zu erhalten) gesetzt wird. Die Energiequelle und die Steuerung der bevorzugten Ausführungsform sind ausreichend schnell, um den gewünschten Strom in viel weniger als einem Schweißzyklus zu liefern.
Die Kurzschluss-für-Kurzschluss-Burn-off-Rate wird bei der bevorzugten Ausführungsform basierend auf einer Bogenstromrückkopplung gesteuert. Die Bogenspannung wird in der bevorzugten Ausführungsform nicht verwendet, um die Kurzschluss-für-Kurzschluss-Burn-off-Rate zu steuern, da die Draht-Burn-off-Rate viel mehr von dem Bogenstrom als von der Bogenspannung abhängt.
Folglich sind zwei Steuerschleifen in gleichzeitiger Verwendung, eine Bogenlängenschleife, welche eine Bogenspannung als Rückkopplung verwendet, um einen Langzeitstrombefehl zu setzen, und eine Draht-Burn-Off-Schleife, welche einen Bogenstrom als Rückkopplung verwendet, um einen Kurzschluss-für-Kurzschluss-Befehl zu setzen. Die zwei Schleifen sind in der bevorzugten Ausführungsform unterschiedlich gewichtet. Sowohl Bogenspannung als auch Bogenstrom werden verwendet, um in Echtzeit ein Kurzschlusstrennen zu detektieren und den Prozess zu beenden, wie nachfolgend beschrieben.
Es ist am einfachsten, die zur Implementierung der bevorzugten Ausführungsform verwendeten Schaltungen und Algorithmen zu verstehen, indem zunächst Bezug auf typische Ausgangspannungs- und Stromwellenformen, wie z. B. die in 1 dargestellten, genommen wird. Die gestrichelten Linien geben Zeitsegmente an, auf die als T_back in T_wet, T_rise1, T_rise2, T_dpdt, und T_hld Bezug genommen wird. Diese Zeitsegmente geben an, wann in der Stromwellenform durch den Algorithmus Änderungen hervorgerufen werden.
T_hld ist ein Bogenzustand, der am Ende des Trennens des Kurzschlusses beginnt. Der Strom wird auf einem Niveau gefordert, welches hoch genug ist, um das Ende des Drahtes während T_hld zu schmelzen. T_hld wird für eine Zeitdauer aufrechterhalten, die lang genug ist, sodass der Draht mit einer gewünschten Wärmemenge (oder Energie) beaufschlagt wird. Wenn T_hld endet, beginnt T_back.
T_back ist ein stationärer Bogenzustand. Während T_back ist der Strom auf einem Grundniveau, A_bk, welches ausreichend ist, um einen Bogen aufrecht zu erhalten. Jedoch ist der Grundstrom nicht von ausreichender Stärke um das Schmelzen des Drahtes schneller fortzuführen, als die Rate, mit welcher er in die Schweißverbindung zugeführt wird. Der Bogenzustand mit einem niedrigen Grundstrom endet, wenn die Spitze des Drahtes das Schweißbad kontaktiert, was durch das Ende der T_back- und den Anfang der T_wet-Zeit bezeichnet wird. Wenn der Kurzschluss nicht während T_back nach einer bestimmten Zeitdauer auftritt, wird der Strom auf ein sogar noch niedrigeres Grundniveau gesenkt, um sicher zu stellen, dass letztendlich ein Kurzschluss auftritt.
Das Ende des Bogenzustandes ist auch der Beginn des Kurzschlusszustandes. Dieser Übergang verursacht einen abrupten Abfall in der Ausgangsspannung. Der Algorithmus der bevorzugten Ausführungsform setzt den Beginn des Kurzschlusses als den Zeitpunkt, an welchem die Ausgangsspannung einen Schwellwert V_sht durchschreitet. Der Schwellwert wird durch einen Vergleicher bzw. Komparator gesetzt, welcher ein Spannungsrückkopplungssignal empfängt und seinen Ausgang an die Steuerung 807 liefert. Der Schwellwert kann sich in Abhängigkeit von der Drahtzufuhrgeschwindigkeit, von Drahtgröße und -Typ, und/oder anderen Schweißparametern ändern.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass ein hohes Stromniveau zu Beginn eines Kurzschlusses einen „Whiskerkurzschluss" verursachen kann. Ein „Whiskerkurzschluss" ist ein Kurzschluss von abnormer Kurzschlussdauer, da der anfängliche Kontaktpunkt zwischen dem Draht und dem Schweißbad nicht ausreichend ist, um die Stromstärke zu transportieren (d. h. er wirkt fast wie eine Sicherung, die durchbrennt). Folglich wird in der bevorzugten Ausführungsform der Strom normalerweise bei dem Start von jedem Kurzschluss verringert. Alternative Ausführungsformen verwenden die vorübergehende Verringerung des Stromes nicht.
Die Verringerung wird ausgeführt durch den Mikroprozessor 808, welcher den Strombefehl um einen Faktor Dip% an dem Onset des Kurzschlusses (d. h. dem Beginn von T_wet) ändert. Folglich ist der Strombefehl während T_wet (als A_wet bezeichnet) definiert als A_wet = A_bk·Dip%. Dip% ist typischerweise kleiner als eins (und so gering wie Null), um sicherzustellen, dass das geschmolzene Metall an dem Ende des Drahtes das Schweißbad benetzt. Jedoch kann Dip% auch größer als eins sein und kann von der Drahtzufuhrgeschwindigkeit abhängen. Das reduzierte (A_wet) Stromniveau wird aufrechterhalten für die Zeitdauer, die T_w _et bezeichnet wird, um sicherzustellen, dass das geschmolzene Metall an dem Ende des Drahtes in das Schweißbad transferiert.
Die Dauer von T_wet ist abhängig von der Größe der geschmolzenen Kugel und ist deshalb abhängig von der Drahtzufuhrgeschwindigkeit. Auch können Änderungen in dem Kontaktspitzen-zu-Erzeugnis-Abstand, die durch den Bediener in einem halbautomatischen Betriebsmodus hervorgerufen werden, Änderungen in der Größe der geschmolzenen Kugel von einer Kurzschlusssequenz zu der nächsten verursachen. Folglich reagiert die Dauer von T_wet auf die Drahtzufuhrgeschwindigkeit und Bedienerbewegungen.
Die Erfinder haben gelernt, dass allgemein die Größe der geschmolzenen Kugel mit der Dauer der vorherigen Bogenzeit korreliert werden kann. Je länger ein bestimmter Bogen dauert, desto größer ist die Menge an geschmolzenem Draht, die während des nächsten Kurzschlusses transferiert werden muss. Der Mikroprozessor 808 überwacht die Dauer jedes Bogens und vergleicht diese Dauer mit einer voreingestellten nominalen Bogendauer. Die Differenz zwischen den zwei Werten wird verwendet, um eine Änderung in der Länge von T_wet zu bewirken, genauer gesagt, entsprechend der bevorzugten Ausführungsform, wenn eine gegebene Bogensequenz den voreingestellten nominalen Wert überschreitet, wird T_wet um einen Betrag erhöht, der proportional zu der Differenz zwischen diesen ist. Der Algorithmus definiert T_WETNew als T_WETOld + WETtgain·(T_arcset – T_arcactual).
Wenn T_wet abgeschlossen ist, wird ein Ansteigen des Stromes befohlen. Dieser Teil der Stromwellenform wird als T_RISE1 bezeichnet. Die Anstiegsrate, R₂ Ampère/Millisekunde ist in 3, die Strom- und Spannungssignale zeigt, dargestellt. R₂ wird durch den Mikroprozessor 808 gesteuert und kann mit der Drahtzufuhrgeschwindigkeit variieren. R₂ wird ausgewählt, um eine Rate zu sein, die sicherstellt dass das Stromniveau den Wert erreicht, der notwendig ist, um die Einschnürung der geschmolzenen Grenzschicht zwischen dem Draht und dem Schweißbad innerhalb der Zeitdauer zu initiieren, die zum Transfer der geschmolzenen Kugel durch Oberflächenspannungseffekte erforderlich ist.
Die Einschnürung der Grenzfläche bezieht sich auf die geschmolzene Säule, welche eine Querschnittsfläche erreicht, die kleiner ist als die nominale Querschnittsfläche des festen Drahtes. Diese Einschnürung ist eine Funktion sowohl von Oberflächenspannungskräften und der Lorentzkraft, durch welche eine weitere Reduktion der Fläche durch das magnetische Feld erzeugt wird, welches den Stromfluss durch diese Grenzflächenregion begleitet.
Die Stromstärke steigt an (mit der R₂-Rate) bis der Strom auf ein Niveau L befohlen wird. Beim Erreichen dieses Niveaus, befiehlt die Steuerung 807 einen Stromanstieg mit einer Rate R₃, welche geringer ist als R₂. Diese Rate des Stromanstiegs wird beibehalten, bis die Steuerung 807 bestimmt, dass ein Trennen des Kurzschlusses bevorsteht. Das Ereignis des Trennens des Kurzschlusses, d. h. der Übergang von einem Kurzschluss zu einem Bogen, kann der heftigste Teil des Prozesses sein und kann den überwiegenden Teil der Spritzer verursachen.
Die explosive Natur dieses Ereignisses wird in der bevorzugten Ausführungsform reduziert durch Verringerung der Stromstärke vor oder bei dem Trennen des Kurzschlusses, wodurch die Energiedichte beschränkt wird. Eine frühe Detektion des Einschnürvorgangs ist vorteilhaft, da das Stromniveau dann vor dem Trennen des Kurzschlusses reduziert wird und dadurch das Spritzen reduziert wird. Auch die Konsistenz, mit welcher das Kurzschlusstrennen vorhergesagt werden kann, ist wichtig, um das Spritzen effektiv zu reduzieren.
Die vorliegende Erfindung verwendet mehr Information, als von der Spannungswellenform allein erhalten werden kann, um schnell und konsistent den Einschnürvorgang zu detektieren. Die Grenzfläche zwischen dem Draht und dem Schweißbad wird verwendet, um das bevorstehende Kurzschlusstrennen zu detektieren. Aufgrund des hohen Stromniveaus und der relativ kleinen Querschnittsfläche ist dies eine Region hoher Energiedichte. Der Widerstand der Grenzflächenregion beginnt anzusteigen, sobald die Einschnürung auftritt und die Querschnittsfläche abnimmt. Dieser Anstieg des Widerstandes wird einen entsprechenden Anstieg der Energiedichte in dieser Region verursachen. Leistung = I²·R und R = (spezifischer Widerstand·d
/Pi·r₂), wobei d
die Länge der Einschnürregion und r der Radius der Einschnürregion ist. Folglich, wenn sich der Radius der Einschnürregion Null annähert, nähert sich die Energiedichte unendlich.
In einer Ausführungsform der Erfindung verwendet die Steuerung 807 die erste Ableitung der Leistung, dP/dt, um das kurzschlusstrennende Ereignis in Echtzeit zu detektieren. Jedoch kann der Stromanstieg während der Zeitdauer T_RISE1 verursachen, dass die Leistungsableitungshardware den maximalen Ausgangsspannungspegel erreicht und dort für eine Zeitdauer verbleibt. Die langsame Erholung der Hardwareschaltung macht die Detektion einer gegebenen Schwellwertspannung, welche das Fortschreiten des Einschnürereignisses anzeigt, schwierig.
Dieses Problem wird in einer anderen Ausführungsform gelöst durch Subtrahieren einer richtig skalierten Größe, welche mit der zeitlichen Rate der Stromänderung in Beziehung steht. Das Signal, welches zum Detektieren des Einschnürvorganges verwendet wird, ist eine Steuerschaltungsspannung V_c, wie sie durch die Hardware der bevorzugten Ausführungsform implementiert ist. V_c ist ein berechneter Wert und kann unter Verwendung einer digitalen Schaltung abgeleitet werden. Dieses Signal ist V_c = (k₁dP/dt – k2·di/dt) (wobei k₁ und k₂ Skalare sind). Die Steuerung 807 bestimmt, dass das Einschnüren begonnen hat, wenn V_c über ein Niveau, V_Threshold, ansteigt. V_Threshold ist ein Schwellwert, der mit den Schweißbedingungen, wie z. B. der Drahtzufuhrgeschwindigkeit, dem Drahttyp oder der Drahtgröße variieren kann.
Die Verwendung der skalierten Subtraktion reduziert das Schwingen in V_c, sodass V_c nicht die Hardware sättigt. In einer Ausführungsform ist es dem Mikroprozessor 808 ermöglicht, das Vergleichersignal, welches anzeigt, dass V_Threshold erreicht wurde, zu akzeptieren. Jedoch ist V_c immer noch größer V_Threshold während der T_wet-Dauer und kurz danach. Folglich erfasst die Steuerung 807 den Vergleicherausgang nicht bis nach einer Verzögerung, Dly1, von dem Beginn von T_Rise. Die Verzögerung ist abhängig von der Schweißbedingung einstellbar. Eine alternative Ausführungsform verwendet eine andere Skalierung und eine andere Hardware (ohne die skalierte Subtraktion).
Die oben beschriebenen Ausführungsformen arbeiten viel besser als der Stand der Technik, aber entsprechend der bevorzugten Ausführungsform wird eine nochmals frühere Detektion der Kurzschlusstrennung zur Verfügung gestellt. In der bevorzugten Ausführungsform bestimmt die Steuerung 807 die Ableitung der gesamten vorstehend definierten Größe. Folglich ist in der bevorzugten Ausführungsform V_c = d/dt (dP/dt – a·di/dt) und ist in 3 aufgetragen. Wieder, wenn V_c V_Threshold durchschreitet, bestimmt die Steuerung 807 in Echtzeit, dass die Trennung des Kurzschlusses bevorsteht. Alternativen enthalten die Verwendung anderer Funktionen von dP/dt, die Verwendung von Funktionen von dV_c/dt anstelle von oder mit dP/dt, sowie die Verwendung von dR/dt, oder Ableitungen höherer Ordnung von diesen Parametern, oder anderen Funktionen von diesen Parametern, und Kombinationen davon.
Spannungs- und Stromrückkopplungssignale werden verwendet, um ein Leistungsrückkopplungssignal zu erhalten. In der bevorzugten Ausführungsform wird die Spannungsrückkopplung erhalten von dem Pistolenkopf zu der Erdungsklemme an dem Werkstück. Die Stromrückkopplung wird vorzugsweise unter Verwendung eines Stromwandlers gefühlt, beispielsweise eines LEM, in Reihe mit dem Stromausgang, jedoch in der Energiequelle angeordnet. Andere Rückkopplungsorte können verwendet werden.
Nun Bezug nehmend auf die 2A und 2B, ist ein Teil einer Analogschaltung 809, die verwendet wird, um das Signal „V_c" zu erzeugen, welches von dem Mikroprozessor 808 verwendet wird, um zu bestimmen, wann die Trennung des Kurzschlusses bevorsteht, gezeigt. Die Bogenspannung wird den Leitungen 301 und 302 zur Verfügung gestellt. Die Bogenspannung wird skaliert und vorgefiltert durch den Operationsverstärker A6-1 und die zugeordnete Schaltung, Widerstände R94 und R95 (200K Ohm), R96 und R97 (10K Ohm), R98 (10K Ohm), R67 und R68 (10K Ohm) und Kapazitäten C57 und C58 (0,001μF). Das Spannungssignal wird weiter gefiltert und skaliert durch einen Operationsverstärker A6-2 und Widerstände R45 (11K Ohm), R46 (33,2K Ohm), R47 und R48 (10K Ohm), und Kapazitäten C28 und C40 (0,001μF). Dies liefert ein rauscharmes Signal von ein 1 Volt/10 Bogen-Volt. Die Größe des Spannungssignals wird durch einen Operationsverstärker A6-3 und Verstärkungswiderstände R64 (10K Ohm) und R63 (0–500K Ohm) eingestellt. Dieses Signal wird auf einer Leitung 307 einer Vervielfacherstufe (nachfolgend mit Bezug auf 2B beschrieben) zur Verfügung gestellt.
In ähnlicher Weise wird ein Stromrückkopplungssignal auf der Leitung 303 empfangen, wobei 1 Volt 100 Ampere entspricht. Das Stromsignal wird skaliert und vorgefiltert durch Operationsverstärker A3-1 und seine zugeordnete Schaltung, Widerstände R16 (10K Ohm), R17 (10K Ohm), R40 und R41 (20K Ohm), Induktivitäten L1 (1000μH) und L2 (188μH), und Kapazitäten C24 und C23 (0,001μF). Das Stromsignal wird dann weiter gefiltert und skaliert durch einen Operationsverstärker A3-2 und seine zugeordnete Schaltung, Widerstände R26 (10K Ohm), R27 (33,2K Ohm) und R30 (10K Ohm), und Kapazitäten C14 und C16 (0,001μF). Dies liefert ein rauscharmes Signal von 1 Volt/100 Stromampère. Dieses Signal wird nach dem Skalieren durch Widerstände R25 (10K Ohm) und R32 (0–50K Ohm) auf der Leitung 308 einem Vervielfacher zur Verfügung gestellt, welcher nun mit Bezug auf 2B beschrieben wird.
Ein Vervielfacher U1, dargestellt in 2B, empfängt die Spannungs- und Stromsignale auf den Leitungen 308 und 307 und stellt einen Ausgang bereit, welcher die Leistung in dem Draht während des Kurzschlusses (oder zu allen Zeiten während welchen die Rückkopplung aktiv ist) repräsentiert. Das Leistungssignal wird durch einen Widerstand R42 (1K Ohm) einem Operationsverstärker A2 zur Verfügung gestellt, welcher durch ein Paar von Kapazitäten C36 (0,068μF) und C27 (0,0022μF), und einen Widerstand R22 (51,1K Ohm) konfiguriert ist, um die Ableitung des Leistungssignals (dP/dt) vorzunehmen. Folglich ist der Ausgang des Operationsverstärkers A2, welcher auf der Leitung 313 zur Verfügung gestellt ist, ein Signal, welches die Ableitung der Leistung (dP/dt) in der Leitung während des Kurzschlusses (oder zu anderen Zeiten, zu denen die Schaltung aktiv ist) repräsentiert.
Ferner wird auch die Ableitung des Signals, welches den Strom (auf der Leitung 310) repräsentiert, vorgenommen. Speziell ein Operationsverstärker A5-1 und die zugehörige Schaltung, ein Paar von Kapazitäten C33 (0,068μF), und C37 (0,0022μF) von 2B, ein Widerstand R81 (30,1K Ohm) und eine Zenerdiode D11 (4,7V) sind so konfiguriert, dass die Abgabe des Operationsverstärkers A5-1 ein Signal ist, welches die erste Ableitung des Stromes (di/dt) in dem Draht während eines Kurzschlusses (oder zu anderen Zeiten, zu denen die Schaltung aktiv ist) repräsentiert. Das Stromableitungssignal wird skaliert unter Verwendung eines Operationsverstärkers A5-2 und einer Vielzahl von Skalierwiderständen R82 (10K Ohm) und R62 (0–50K Ohm).
Die Signale, welche die Ableitung der Leistung und die Ableitung des Stromes repräsentieren, werden dem Operationsverstärker A5-3 durch einen Widerstand R35 (10K Ohm) bzw. dem Widerstand R43 (10K Ohm) zur Verfügung gestellt. Der Operationsverstärker A5-3 wird konfiguriert durch ein Paar von Widerständen R84 (10K Ohm) und R83 (10K Ohm), um eine Abgabe bereitzustellen, welche die Differenz zwischen der Ableitung der Leistung und der Ableitung des Stromes (dP/dt – a·di/dt) während eines Kurzschlusses (oder zu jeder Zeit, zu welcher die Rückkopplung aktiv ist) repräsentiert.
Diese Differenz wird schließlich an einen Operationsverstärker A5-4 abgegeben, welcher konfiguriert ist durch ein Paar von Kapazitäten C29 (330pF) und C56 (0,022μF), Widerstände R44 (100K Ohm) und R85 (1K Ohm) und eine Zenerdiode D9 (4,7 V), um eine Ableitung vorzunehmen. Eine Diode und ein 100K Ohm Widerstand an dem Ausgang von A5-4 hindern den Ausgang daran, negativ zu werden. Folglich repräsentiert das Signal auf Leitung 312 die Ableitung der Differenz zwischen der Ableitung der Leistung und der Ableitung des Stromes während eines Kurzschlusses (V_c = d/dt{dP/dt – a·di/dt}). Dies ist das Signal, welches mit dem Schwellwert V_Threshold verglichen wird. V_Threshold ein Wert, welcher durch den Mikroprozessor 808 gesetzt wird, und, in der bevorzugten Ausführungsform, abhängig von der Drahtzufuhrgeschwindigkeit, Drahtgröße oder -Typ oder anderen Parametern variiert.
Eine Auftragung des Signals auf der Leitung 312 ist in 3 zusammen mit dem Bogenstrom und -Spannung dargestellt. V_Threshold ist als eine gestrichelte Linie dargestellt. Der Kurzschluss beginnt, wenn die Spannung abrupt abfällt. Die Steuerung bestimmt, dass eine Trennung des Kurzschlusses bevorsteht, wenn d/dt {dP/dt – a·di/dt} die gestrichelte Linie (V_Threshold) durchschreitet. Folglich wird eine Technik zum Detektieren, wann die Trennung des Kurzschlusses bevorsteht, offenbart, durch Identifizierung eines Parameters, welcher zu einer vorhersagbaren Zeit vor der Trennung des Kurzschlusses auftritt.
Die meisten Schweißgeräte haben einen Ausgangsstabilisator. Die relativ große Induktivität eines typischen Ausgangsstabilisators wird den Abfall der Stromabgabe „verlangsamen", sodass, selbst wenn der Strom auf ein niedriges Niveau befohlen wird, wenn die Trennung des Kurzschlusses bevorsteht, der momentane Ausgangsstrom vor der Trennung des Kurzschlusses nicht ausreichend reduziert wird. Folglich schließt ein Aspekt der Erfindung einen „aktiven" Ausgangsstabilisator ein, um dabei zu helfen, den Ausgangsstrom nach der Detektion der Trennung des Kurzschlusses schnell nach unten zu bringen.
Allgemein enthält, wie in 9 dargestellt, der aktive Stabilisator einen Ausgangsstabilisator 901 und ein Paar von Spulen 902, welche um einen gemeinsamen Kern mit einem Hauptstabilisator 901 gewunden sind. Ein Paar von Schaltern 906 und 907 sind in Reihe mit jeder der Spulen 902, zusammen mit einem Paar von Dioden. Eine DC-Quelle 908 und ein Paar von Kapazitäten 909 und 910 sind parallel zu den Spulen 902 und den Schaltern 906 und 907 geschaltet. Die Schalter 906 und 907 werden durch eine Steuerung 905 gesteuert, sodass in den Spulen 902 ein Strom zum Erzeugen eines Flusses fließt, welcher dem Fluss, der durch den Ausgangsstrom erzeugt wird, entgegenwirkt. Dies kehrt das Feld in dem Stabilisator 901 teilweise oder vollständig um und der Ausgangsstrom fällt schnell ab. Der aktive Stabilisator wird durch die Steuerung 905 gezündet, nachdem der dP/dt -Schaltkreis bestimmt, dass die Trennung des Kurzschlusses bevorsteht oder bereits erfolgt. Folglich fällt der Ausgangsstrom schnell ab, wenn die Kurzschlusstrennung detektiert wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung eine viel bessere Kurzschlusstrenndetektion liefert als der Stand der Technik, ist es noch möglich, dass entweder eine Kurzschlusstrennung nicht detektiert wird oder dass die Detektion fälschlicherweise positiv ist. Dementsprechend wird ein Sicherheitsnetz zur Verfügung gestellt für den Fall, dass die dP/dt-Detektion der bevorstehenden Trennung des Kurzschlusses nicht richtig arbeitet.
Wenn die dP/dt-Schaltung einen Kurzschluss detektiert, wird der aktive Stabilisator gezündet, der Strom wird reduziert, die dP/dt-Detektionsschaltung wird zurück gesetzt und die Ausgangsspannung wird überwacht, um zu bestimmen, ob der Kurzschluss tatsächlich trennt. Wenn nach einer vorbestimmten Zeitdauer der Kurzschluss nicht trennt (angezeigt durch die Bogenspannung, die am Durchschreiten des Schwellwertes scheitert) wird ein Strombefehl geliefert, welcher verursacht, dass der Strom mit einer festen Rate auf einen Wert ansteigt, welcher die Trennung des Kurzschlusses beabsichtigt. Nachfolgende Trennrampen können schnellere Stromanstiegsbefehle haben. Ferner wird, da die dP/dt-Schaltung zurückgesetzt wurde, dP/dt immer noch mit einem Schwellwert verglichen, um zu detektieren, wann die Trennung des Kurzschlusses bevorsteht. Jedoch wird der Schwellwert für die nachfolgenden Vergleiche erhöht, um den erhöhten Strom aufgrund der Erhöhung des Leistungsniveaus zu kompensieren. Wenn der neue Schwellwert durchschritten wird, werden die obigen Befehle wiederholt. Folglich wird ein Sicherheitsnetz für falsche Positivmeldungen bereitgestellt.
Ein Schutz gegen das Versagen des Detektierens einer Kurzschlusstrennung wird ebenfalls zur Verfügung gestellt. Die Bogenspannung wird überwacht und wenn die Bogenspannung anzeigt, dass ein Kurzschluss getrennt wurde, rückt die Steuerung 807 den Strombefehl zum nächsten Teil der Wellenform vor.
Wie oben beschrieben, ist ein anderer Aspekt dieser Erfindung die Fähigkeit, die Bogenlänge zu steuern. Dies unterstützt den Kurzschlusstransferprozess darin, konsistent stabil zu sein. Die bevorzugte Ausführungsform verwendet die Bogenspannung, um die Bogenlänge zu kontrollieren, da es eine direkte Korrelation zwischen der Bogenlänge und der Bogenspannung gibt. Allgemein wird die Bogenspannung mit einem Sollwert verglichen. Die Bogenlänge wird als länger oder kürzer als eine gewünschte Länge bestimmt, basierend darauf, ob die Bogenspannung höher oder niedriger als der Sollwert ist.
Ferner wird eine Rückkopplung bezüglich des Wärmeeintrages in den Draht, welcher der Burn-off-Rate entspricht, von einem Stromrückkopplungssignal abgeleitet. Die Wechselwirkung der zwei Rückkopplungsschleifen-Spannung für die Bogenlänge und Strom für die Burn-off-Rate liefert dieses Steuerschema mit einem stabilen Bogen.
Die spezifische Ausgangsschaltung, welche die Bogenlängensteuerung durchführt, ist in 4 dargestellt. Eine instantane Spannungsrückkopplung (V_fbk) und ein Spannungssollwert (V_set) werden einem Differenz-Verstärker A401 zur Verfügung gestellt. V_set wird durch den Mikroprozessor 808, welcher zur Implementierung des Steuerschemas verwendet wird, geliefert. Eine Vielzahl von Widerständen R402–R405 (100K Ohm) liefern die gewünschte Verstärkung.
Der Ausgang des Operationsverstärkers A401 wird einem Operationsverstärker A410 durch einen Schalter U301 zur Verfügung gestellt. Der Schalter U301 trennt den Ausgang des Operationsverstärkers A401 von dem Eingang des Operationsverstärkers A410, wenn die OCV einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, der durch einen Operationsverstärker A310 und ein Paar von Widerständen R311 (100K Ohm) und R312 (68,1K Ohm), gesetzt ist.
Der Operationsverstärker A410 ist zusammen mit einem Paar von Widerständen R411 (1K Ohm), R412 (0–100K Ohm), einem Schalter U303 und einer Kapazität C302 (6μF) konfiguriert, um ein Integrator zu sein. Der Schalter U303 wird durch eine Kapazität C305 (1μF), einen Widerstand R306 (47,5K Ohm) und eine Diode D307 gesteuert, um den Integrator A410 schnell zu löschen.
Ein Schalter 413 wird in einem Bogenzustand geschlossen und wird in einem Kurzschlusszustand geöffnet. Ein Schalter 413, zusammen mit einem Schalter 439 wird durch einen Operationsverstärker A440 gesteuert. Der Operationsverstärker A440 bestimmt zusammen mit einem Widerstand R440 (619K Ohm) und einem Widerstand R443 (10K Ohm), wann ein Bogen oder ein Kurzschluss vorliegt. Eine Diode D353 wird verwendet, um die Schaltung in Standbymodus zurückzusetzen. Ohne den Schalter 413 würde der Spannungsfehler von dem Integrator A410 während eines Bogenausfalls, welcher schnell das Maximum erreicht, die Stabilität des Prozesses nachteilig beeinflussen. Folglich wird, wenn ein Bogenausfall auftritt, der Ausgang des Operationsverstärkers A410 effektiv von der Steuerschaltung entfernt.
Der Ausgang des Integrators A410 wird (wenn der Schalter 413 geschlossen ist) einem Summieranschluss eines Operationsverstärkers A419 zur Verfügung gestellt. Eine Mehrzahl von Widerständen R420–423 (10K Ohm) liefern die geeignete Skalierung. Der Summieranschluss des Operationsverstärkers A419 empfängt auch ein Signal, welches einen Basisbefehl anzeigt, der die allgemeine Form des in 3 dargestellten Stromes aufweist. Diese zwei Eingaben werden verwendet, um die Langzeitkomponente des Strombefehls zu setzen. Der Basisbefehl wird von dem Mikroprozessor 808 durch einen Operationsverstärker A425 zur Verfügung gestellt.
Der Rest der Steuerschaltung wird nun nachstehend beschrieben, nach einer Erläuterung der Kurzschluss-für-Kurzschluss-, Stromrückkopplung-basierten Steuerung.
Ein von der Stromrückkopplung abgeleitetes Steuersignal, welches dem Wärmeeintrag in den Draht und der Burn-off-Rate entspricht, liefert die Kurzschluss-für-Kurzschluss-Steuerung. Die Kurzschlüss-für-Kurzschluss-Steuerung schließt die Überwachung des Wärmeeintrages in den Draht ein. Bei gegebener bestimmter Information betreffend den Typ des Drahtes, welcher in die Schweißung aufgezehrt wird, wird die Rate, mit welcher Wärme in den Draht eingebracht werden muss, um die Burn-off-Rate beizubehalten, berechnet.
Einige Patente des Standes der Technik „totalisieren" den Wärmeeintrag in die Schweißung durch Integration des gesamten Leistungseintrages über die Zeit und Vergleichen dieses Wertes mit einem vorbestimmten Wert. Dies erfordert die Eingabe sowohl des Spannungs- als auch des Stromrückkopplungssignals für die Leistungsberechnung. Jedoch zeigt eine Analyse der Physik, die in das Schmelzen des Drahtes involviert ist, dass der Burn-Off des Drahtes unabhängig von der Bogenspannung ist. Der Wärmeeintrag pro Sekunde in den Draht ist gegeben durch die folgende Gleichung: Q_wire/sec = [(V_anode + W.F. + 3kT/2e)·I(t) + I²(t)
·ρ /A], wobei:

V_anode: = Anodenspannungsabfall
W.F.: = Austrittsarbeit des Metalls
3kT/2e: = thermische Energie der auf den Draht stoßenden Elektronen
: = Kontaktspitze zu Bogen
ρ: = spezifischer elektrischer Widerstand des Metalls
A: = Querschnittsfläche des Drahtes
I(t): = momentaner Strom

Von diesen Gleichungen kann gesehen werden, dass die Schmelzrate des Drahtes ausschließlich in Form von I (t) ausgedrückt werden kann, unabhängig von V (t). Der erste Term dieser Gleichung gilt nur in dem Bogenmodus des Prozesses, während der zweite Term sowohl für den Bogen- als auch den Kurzschlussmodus anwendbar ist.
Der Energiebetrag, welcher zum Schmelzen eines Drahtes gegebener Größe und Typs mit einer festen Zufuhrrate erforderlich ist, kann mit der folgenden Gleichung bestimmt werden: Qreq = Rdep (Hm + (Tdrop – Tamb)·Cp)·ttot, wobei:

R_dep: = Drahtmassendepositionsrate
H_m: = latente Schmelzwärme des Drahtes
T_drop: = Temperatur des geschmolzenen Tropfens
T_amb: = Umgebungstemperatur des Drahtes
C_p: = Wärmekapazität des Drahtes
t_tot: = mittlere Periode einer Kurzschluss/Bogensequenz

Die bevorzugte Ausführungsform verwendet die Physik des Bogens, um sicherzustellen, dass der Energieeintrag, welcher zum Aufrechterhalten des Schmelzen des ankommenden Drahtes in einer gleichmäßigen Weise abgegeben wird. Das bedeutet, dass Variationen der Zufuhrrate aufgrund von Bedienerbewegungen berücksichtigt werden und dass die momentane Burn-off-Rate eingestellt werden wird. Die zum Erreichen dieser Steuerung (Implementierung dieser Gleichungen) verwendete Schaltung ist in 4 dargestellt und ist Teil der Analogschaltung 809.
Das Stromrückkopplungssignal (I_fbk) wird von dem Besselfilter A3-2 in 2 auf der Leitung 309 zur Verfügung gestellt. Dieses Signal ist mit beiden Eingängen eines Vervielfachers U424 verbunden, um eine Ausgangsgröße proportional zu I²(t) zu erhalten. Das I²(t) Signal wird dann durch ein Paar von verstärkungsbestimmenden Widerständen R431 (1K Ohm) und R432 (0–100K Ohm) eines Verstärkers A430 skaliert, um eine Darstellung des resistiven Heizens in dem Draht zu erzeugen. Die Verstärkung des Verstärkers A430 wird dem Widerstand des Drahtüberstandes gleichgesetzt. Die Abgabe des Verstärkers A430 wird einem Summierknoten zur Verfügung gestellt, wo sie zu zwei anderen Komponenten addiert werden wird.
Die Stromrückkopplungseingabe I_fbk wird ebenso einem Verstärker A435 zur Verfügung gestellt. Der Verstärker A435 hat eine Verstärkung, welche durch ein Paar von Widerständen R436 (5K Ohm) und R437 (0–10K Ohm) gesetzt wird und V_anode + W.F. + 3kT/2e repräsentiert. Dies ist der Koeffizient des Bogen-Beitrages zu dem Draht – Wärmeeintrag in der vorstehenden Q_wire – Gleichung.
Der Ausgang des Verstärkers A435 wird durch einen analogen Schalter U439 in den Summierknoten geschaltet. Der Schalter 439 stellt sicher, dass dieser Teil des Wärmeeintrags nur während eines Bogens und nicht während eines Kurzschlusses geliefert wird. Das Spannungsrückkopplungssignal (V_FBK) wird einem Vergleicher A440 zur Verfügung gestellt. Widerstände R440 (619K Ohm) und R443 (10K Ohm) und die Verwendung eines Signals von dem Mikroprozessor 808 werden für die Bogen/kein Bogen-Bestimmung verwendet. Folglich wird der Ausgang des Verstärkers A435 nur während eines Bogens dem Summierknoten zur Verfügung gestellt.
Die dritte Eingabe an den Summierknoten ist eine durchschnittlich erforderliche Wärmeeingabe oder Burn-off-Rate J_set, welche von dem Mikroprozessor 808 kommt. J_set ist ein vorbestimmter Wert eines erforderlichen Leistungseintrags in den Draht, um den Abbrand mit einer gegebenen Zufuhrrate aufrecht zu erhalten. Ihr Wert ist zufuhrratenabhängig und wird durch den Mikroprozessor 808 eingestellt, wenn die Drahtzufuhrgeschwindigkeit eingestellt wird. J_set wird einem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers A350 zur Verfügung gestellt, welcher Skalierwiderstände R351 (10K Ohm) und R352 (20K Ohm) hat.
Die momentane Wärmeeintragsrate, welche von den Ausgangsgrößen der Verstärker A430 und A435 bestimmt wird, werden mit der erforderlichen durchschnittlichen Eintragsrate J_set durch einen Verstärker A446 und eine Mehrzahl von Widerständen R447, R448, R450 und R454 (10K Ohm) verglichen.
Die Ausgangsgröße des Verstärkers A446 wird durch einen analogen Schalter 451 zur Verfügung gestellt, um mögliche Starteinschwingprobleme zu vermeiden. Der Schalter 451 wird durch den Mikroprozessor 808 gesteuert, um zum Schweißen geschlossen und für ein Standby offen zu sein. Die Differenzen der momentanen Wärmeraten von dem Verstärker A446 werden durch einen Operationsverstärker A452, Widerstände R453 (0– 100K Ohm), R343 (4,75K Ohm) und R342 (100K Ohm) und eine Kapazität C454 (6μF) integriert. Der integrierte Wert wird durch einen Operationsverstärker A460 und Widerstände R462 (0–100K Ohm), R340 (10K Ohm) und R341 (10K Ohm) skaliert, um ein Befehlskorrektursignal zu erzeugen, welches den Strombefehl in einem Versuch, eine konstante Burn-off-Rate (oder Massendepositionsrate) des Drahtes aufrecht zu erhalten, einstellt. Dies repräsentiert einen Teil der momentanen oder Kurzschluss-für-Kurzschluss-Steuerung, wie sie oben allgemein beschrieben ist.
Dieser Korrekturbefehl wird einem Summieroperationsverstärker A419 durch Widerstand R422 und ein Paar von Operationsverstärkern A320 und A324 zur Verfügung gestellt. Der Operationsverstärker A320 und Widerstände R321 und R322 (10K Ohm) invertieren das Signal. Der Operationsverstärker A324 hat eine einstellbare Verstärkung, welche durch ein Paar von Schaltern U327 und U328 und Widerstände R323 (10K Ohm), R325 (10K Ohm) und R329 (0–100K Ohm) gesteuert wird. Der Schalter U327 wird durch einen Operationsverstärker A333 gesteuert, welcher den Schalter U327 während eines Bogens öffnet. Der Schalter U32 wird durch U303 während des Standby geschlossen. Folglich wird eine Mehrzahl von Verstärkungsfaktoren bereitgestellt.
Der Grundbefehl wird dem Operationsverstärker A419 durch einen Widerstand R421 zur Verfügung gestellt und das integrierte Spannungsfehlersignal wird durch einen Widerstand R420 bereitgestellt. Der Ausgang eines Operationsverstärkers A419 wird einem Operationsverstärker A467 zur Verfügung gestellt. Der Operationsverstärker A467 führt zusammen mit Widerständen R468 (10K Ohm), R470 (10K Ohm) und einer Kapazität C310 (270pF) den modifizierten Befehl auf seine richtige Polarität zurück. Eine Diode D311, ein Widerstand R465 (10K Ohm) und ein Operationsverstärker A309 bestimmen den Minimalstrombefehl-Ausgang.
Ein anderer Aspekt dieser Erfindung ist es, eine Gesamtstabilität für den Kurzschluss-Bogen-Prozess durch Steuern des Vorheizens des Drahtes zu liefern. Die Erfinder haben bestimmt, dass der MIG-Prozess intrinsisch oszillatorisch ist. Die Oszillationen sind von niedriger Frequenz, typischerweise in dem Bereich zwischen 2 und 10 Hz. Sie resultieren aus einem ungleichmäßigen Vorheizen des Drahtes, das oft entweder durch Punktheizen oder durch den Bediener, welcher die Bodenlänge oder die Überstandlänge ändert, verursacht wird, wie unten beschrieben.
Der Strom wird in den meisten MIG-Schweißsystemen zu einem Schweißdraht 501 durch ein dynamisches Interface innerhalb einer Kontaktröhre 502, wie in 5 dargestellt, transferiert. Ein Kontaktbereich 504 ist eine Region hoher Stromdichte aufgrund der relativ kleinen Fläche des Stromflusses. Diese Region hoher Stromdichte hat das Potenzial, ein Punktheizen in dem Draht zu erzeugen.
Probleme können auch auftreten, wenn es eine Störung in dem Prozess gibt, welche eine Periode höheren Stromflusses in dem Draht erzeugt. Zum Beispiel kann eine Bedienerbewegung vorübergehend die Drahtlieferrate erhöhen und dadurch zusätzlichen Strom zum Schmelzen des Drahtes erfordern. Wenn zusätzlicher Strom geliefert wird, wird in dem Draht ein heißer Punkt (hot spot) erzeugt. Dieses Punktheizen verursacht in diesem bestimmten Teil des Drahtes einen Anstieg des Widerstands. Dieser erhöhte Widerstand verstärkt weiter den I²·R Wärmeeintrag in den Draht in dieser Region, wenn der Strom in folgenden Kurzschluss- und Bogensequenzen weiter fließt. Das Endresultat ist ein Bereich örtlich begrenzter Erwärmung in dem Draht. Wenn dieser Bereich das Schweißbad erreicht, wird die Drahtmenge, welche auf einen Kurzschluss folgend geschmolzen wird, größer als gewöhnlich sein.
Der Draht kann in extremen Fällen übermäßig zurück schmelzen und in einem Aufflackern des Bogens, welches von dem Bediener wahrnehmbar ist, resultieren. Dieses Aufflackern beeinträchtigt die gesamte Stabilität des Prozesses und ist unerwünscht. Ferner resultiert die lange Bogenzeit, welche durch das Punktheizen verursacht ist, in einer langen Übergangszeit des Drahtes zurück zu dem Schweißbad. Während dieser Übergangszeit ist der Strom niedrig (A_bk) und deshalb ist das I²·R-Heizen am Kontaktbereich in der Kontaktröhre niedrig. Dies erzeugt einen relativ kalten Punkt in dem Draht, welcher sich zu dem Schweißbad hinbewegt. Wenn diese kalte Region des Drahtes das Schweißbad erreicht, verringert sich die Größe der geschmolzenen Kugel, die nach dem Trennen des Kurzschlusses gebildet wird. Ferner verringert sich die in dem Bogenmodus verbrachte Zeit. Diese Zeitverschiebung von dem Bogen zu dem Kurzschluss erhöht das gesamte I²·R-Heizen des Drahtes. Dieses erhöhte I²·R-Heizen erzeugt einen örtlich begrenzten heißen Punkt in dem Draht nahe der Kontaktröhre und bringt den Zyklus zurück zum Anfang. Folglich kann dieser Prozess in seiner Natur zyklisch sein.
Die Frequenz dieses zyklischen Phänomens steht in Beziehung zu einer Anzahl von Faktoren. Die Wichtigsten unter diesen sind die Überstandlänge (503 in 5) und die Drahtzufuhrgeschwindigkeit. Die Grundfrequenz der Oszillation wird durch das Inverse der Übergangszeit von einer Sektion des Drahtes, welche gleich der Länge des Überstandes ist und sich mit einer Geschwindigkeit gleich der Drahtzufuhrgeschwindigkeit bewegt, repräsentiert. Daten, welche diese Beziehung für einen 1-Zoll (2,5 cm) Überstand demonstrieren, sind in 6 dargestellt. Es sollte erwähnt werden, dass höhere Harmonische dieser Grundfrequenz denkbarerweise angeregt werden könnten.
Kurzschlusssteueralgorithmen des Standes der Technik können allgemein nicht auf ein solches „Vorheizen" einstellen, solange es nicht die Bogenspannung/Bogenlänge ändert. Wenn sich jedoch das Problem in dieser Weise selbst manifestiert, ist es zu spät, um das Ergebnis zu ändern. Folglich wird die fortgeschrittene Kenntnis des Wärmeeintrages in das Ende des Drahtes verwendet, um Schwankungen in vorheizenden Teilen des Drahtes zu kompensieren.
Der Leistungseintrag in dem Bogen kann richtig geregelt werden, um die Flacker- und Stumpfbildungszyklen zu vermeiden, wenn der Zustand des Drahtes, welcher dem Bogen ausgesetzt sein wird, bekannt ist. Der Zustand des Endes des Drahtes kann aus seiner Stromführungsgeschichte bestimmt werden. Eine Information betreffend die Überstandlänge wird verwendet, sodass man in der Zeit die richtige Distanz zurückgehen kann, um korrekt zu ermitteln, wie viel Strom ein Segment des Drahtes (d. h. ein kleiner linearer Teil des Drahtes) geführt hat.
Die Länge des Überstandes wird bestimmt durch Summieren des Ausgangs des Spannungsfehlerintegrators A410 durch einen Widerstand R476 (10K Ohm) mit dem Ausgang des Jset-Fehler-Operationsverstärkers A460 durch einen Widerstand R477 (10K Ohm) durch einen Operationsverstärker A480, welcher einen Widerstand R478 (20K Ohm), einen Widerstand R481 (10K Ohm) und eine Kapazität C482 (5,6μF) aufweist.
Der Ausgang des Operationsverstärkers A480 bildet eine relativ lineare Funktion, wenn sie mit dem Überstand als die unabhängige Variable aufgetragen wird. Die inverse Funktion liefert eine lineare Beziehung zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers A480 und dem momentanen Drahtüberstand in Längeneinheiten. Die Steigung und der Achsenabschnitt dieser Linie kann in dem Mikroprozessor 808 für eine gegebene Drahtgröße, -typ, -zufuhrgeschwindigkeit, etc., gespeichert werden. Folglich ist die gesamte Information, die benötigt wird, um den Drahtüberstand zu bestimmen, für den Mikroprozessor 808 für einen gegebenen Schweißzustand verfügbar.
Der Wärmeeintrag in den Draht wird bestimmt, indem der Drahtüberstand als eine Reihe von kleinen Segmenten (siehe 7) behandelt wird. Der I²·R-Wärmeeintrag in jedes Segment wird gefunden durch das Nehmen von mehreren Proben der I²·R-Abgabe am Verstärker 430 und Aufsummieren von diesen über eine Zeitdauer, die geringer ist als die Kurzschluss-Bogenperiode (Zyklusprozess). Diese Summe repräsentiert dann den Wärmeeintrag in jedes Segment entlang des Überstandes. Ein Feld speichert die Wärmeeintragsinformation, sodass eine kumulative Summe für jedes Segment aufrechterhalten wird. Das Segment, welches die Wärmeeintragsinformation für das Ende des Drahtes enthält, wird bestimmt durch Zurückgehen in der Zeit um einen Betrag, welcher auf dem Überstand, wie er durch den Ausgang des Operationsverstärkers A480 gemessen wird, basiert. Die Höhe der Summe des Drahtendsegmentes wird in dieser Ausführungsform verwendet, um die Amplitude des Stromniveaus während der Bogendauer zu bestimmen. Die Summe wird mit einem vorbestimmten Wärmeniveau verglichen und die Stärke des Stromes während des Bogens wird proportional zu dem momentanen Fehler erhöht oder verringert. Andere Aspekte der Stromwellenform, wie z. B. Hldt, Anstiegsrate oder R₁ könnten in anderen Ausführungsformen verwendet werden, um den Bogenwärmeeintrag basierend auf der Wärme an dem Ende des Drahtes zu steuern.
Ein anderer Aspekt dieser Erfindung ist die Bereitstellung eines Stopp-Algorithmus welcher die Bildung einer großen Kugel an dem Ende des Drahtes nicht erlaubt. Dies wird unter Verwendung des Mikroprozessors 808 geleistet. Speziell wird ein Stoppsignal von dem Mikroprozessor 808 empfangen (z. B., wenn der Benutzer den Prozess beendet). Der Mikroprozessor 808 befiehlt dann dem Motor anzuhalten. Eine Rückkopplung von der Drahtzufuhrvorrichtung 801, abgeleitet von einem Tachometer, erlaubt dem Mikroprozessor, die Drahtzufuhrgeschwindigkeit zu bestimmen. Der Mikroprozessor 808 erlässt einen Befehl für eine niedrige konstante Geschwindigkeit bis eine vorbestimmte Drahtzufuhrgeschwindigkeit erreicht ist (ungefähr 200 Zoll pro Minute – 500 cm pro Minute in der bevorzugten Ausführungsform). Alternativ werden, nach dem Empfang des Stoppbefehls, die Prozessparameter heruntergefahren, bis die Drahtzufuhr 75 Zoll pro Minute (188 cm pro Minute) erreicht. Wenn die vorbestimmte Drahtzufuhrgeschwindigkeit erreicht ist, sendet die Steuerung 807 spezielle Strombefehle an die Energiequelle.
Die Steuerung 807 überwacht die Bogenspannung, und wenn ein Kurzschluss detektiert wird (angezeigt durch einen Abfall in der Bogenspannung), wird ein Stromanstieg befohlen (ähnlich zu der Antwort auf den normalen Schweißprozess). Wenn die Bogenspannung den vorbestimmten Schwellwert erreicht (und damit anzeigt, dass der Kurzschluss getrennt wurde), wird der Befehl zum Ansteigen des Stromes beendet und ein sehr geringer Strom (0–10 Ampère in der bevorzugten Ausführungsform) wird befohlen. Mit einem sehr niedrigen Strom tritt eine sehr kleine Kugelbildung auf. Folglich, wenn der Draht nicht weiter vorrückt und nicht das Schweißbad berührt, wird am Ende des Drahtes keine große Kugel gebildet.
Wenn jedoch der Draht fortfährt vorzurücken, und das Schweißbad berührt, oder das Schweißbad zurückfließt und berührt, wird die Routine wiederholt und wiederum wird keine große Kugel an dem Draht zurückgelassen. Dieser Algorithmus wiederholt sich fortlaufend, bis der Draht anhält und eine große Kugel nicht gebildet wird. Es sollte erwähnt werden, dass dieser Algorithmus nicht viel Draht verbraucht, da große Kugeln nicht gebildet werden. Deshalb kann dieser Prozess nicht aktiviert werden, bis sehr wenig Drahtvorschub erwartet wird.
In der bevorzugten Ausführungsform werden die Spannungen, die verwendet werden, um zu bestimmen, ob der Draht kurz geschlossen ist oder nicht, referenziert auf den Strom, welcher durch den Draht fließt. Folglich, wenn ein mittleres Spannungsniveau detektiert wird und die gewählte Stromhöhe niedrig ist, dann wurde der Kurzschluss getrennt. Jedoch kann dieselbe Bogenspannung bei einem gewählten hohen Stromniveau anzeigen, dass der Kurzschluss noch andauert, und dass der Draht lediglich heiß wird. Folglich wird der Spannungsschwellwert durch den Mikroprozessor 808 angepasst, basierend auf dem gewählten Stromniveau.
Eine Alternative ist es, ein Stoppsignal von dem Mikroprozessor 808 an die Leistungsquelle 805 zu liefern, welches eine Minimalstromeinstellung während der Stoppzeit außer Kraft setzt (der Minimalstrom wird für eine Anzahl von Niedrigstromanwendungen eingestellt, in welchen der Bogen in Gefahr ist, ausgelöscht zu werden). Dann erlaubt die Steuerung 807 der Energiequelle, mit ihrer Konstantspannungs-(CV-)steuerung fortzufahren, befiehlt jedoch eine viel geringere Spannung und der Bogenzeitstrom wäre naturgemäß geringer. Andere Alternativen schließen das Steuern des Bremsens des Drahtzufuhrmotors, zusammen mit der elektrischen Abgabe der Energiequelle, ein. Dieser Aspekt der Erfindung wird leicht an andere Prozesse als Kurzschlusstransferschweißen, wie z. B. Bogensprühprozesse, und mit anderen Steuerschemata angepasst.

Claims

Vorrichtung zum Schweißen durch Deponieren von Tropfen von geschmolzenem Metall am Ende eines verbrauchbaren Schweißdrahtes (802) in ein Schweißbad, enthaltend: eine Energiequelle (805) mit einem Stromausgang in elektrischer Verbindung mit dem Schweißdraht; Rückkopplungsmittel (811, 812, 813) zum Bereitstellen eines Echtzeitsignales, welches den Wärmeeintrag in jeden Tropfen anzeigt; und ein Mittel zum Steuern (807), welches mit der Energiequelle gekoppelt ist und einen Rückkopplungseingang aufweist, welcher mit den Rückkopplungsmitteln gekoppelt ist, zum Steuern der Höhe des Stromes, welcher an den Schweißdraht abgegeben wird in Reaktion auf den Wärmeeintrag in jeden Tropfen, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückkopplungsmittel ein Signal enthält, welches die Abgabe repräsentiert; und das Mittel zum Steuern ein Mittel zum Bestimmen der an den Draht gelieferten Leistung und zum Bestimmen, wann der Kurzschluss vor der Trennung steht in Reaktion auf die gelieferte Leistung, enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Steuern (807) ein Mittel zum Bestimmen einer Änderungsrate der Ausgangsleistung enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Mittel zum Steuern (807) Mittel zum Bestimmen eines Wertes V_c, definiert durch V_c = k·(dp/dt) enthält, wobei k ein Skalar und dp/dt die Ableitung der Leistung ist und wobei das Mittel zum Steuern Mittel zum Vergleichen von V_c mit einem Schwellwert enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Schwellwert abhängig ist von mindestens einem von Drahtzufuhrgeschwindigkeit, Drahtgröße oder Drahttyp.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel zum Steuern (807) Mittel zum Subtrahieren eines auf die Rate der Änderung des Ausgangsstromes reagierenden Wertes von der Rate der Änderung der Ausgangsleistung enthält.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel zum Steuern (807) Mittel zum Bestimmen eines Wertes V_c, definiert durch V_c = k1·(dp/dt) – k2·(di/dt), enthält, wobei k1 ein Skalar, dp/dt die Ableitung der Ausgangsleistug, k2 ein Skalar und di/dt die Ableitung des Ausgangsstromes ist, und wobei das Mittel zum Steuern Mittel zum Vergleichen von V_c mit einem Schwellwert enthält.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rückkopplungsmittel (811, 812, 813) ein Spannungssignal enthält, welches die Ausgangsspannung repräsentiert, und das Mittel zum Steuern (807) Mittel zum Summieren einer Differenz zwischen dem Spannungssignal und einem Spannungssollwert über die Zeit, und Mittel zum Steuern des Stromes in Reaktion auf diese Summe, wobei die Bogenlänge auf eine gewünschte Länge gesteuert wird, enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Mittel zum Summieren nur über die Zeit summiert, wenn ein Bogen existiert.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei das Mittel zum Steuern (807) ferner Mittel zum Summieren einer Differenz zwischen dem Spannungssignal und einem Spannungssollwert über die Zeit, wenn ein Bogen existiert, und Mittel zum Steuern des Stromes in Reaktion auf diese Summe, wobei die Bogenlänge auf eine gewünschte Länge gesteuert wird, enthält.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel zum Steuern Mittel zum Bereitstellen einer gewünschten Massendepositionsrate, reagierend auf eine Drahtzufuhrgeschwindigkeit und einen Abstand von einer Spitze des Drahtes (802) zu einem Werkstück (806), enthält.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel zum Steuern (807) Mittel zum Vergleichen eines Wertes, welcher auf die Energie, die zum Schmelzen einer gegebenen Menge von Draht (802) benötigt wird, reagiert, mit einem Wert, welcher den Energiebetrag, welcher in einem vollständigen Schweißzyklus oder in mindestens einem Teil eines Schweißzyklus abgegeben wird, repräsentiert, enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Mittel zum Steuern (807) Mittel zum Bestimmen der benötigten Energie enthält oder der Schritt des Steuerns die benötigte Energie bestimmt gemäß: Qreq = k3·(Rdep (Hm + (Tdrop – Tamb)·Cp)·ttot),wobei Q_req die benötigte Energie ist, k3 ein Skalar ist, R_dep eine Drahtmassendepositionsrate ist, Hm eine latente Schmelzwärme für den Draht (802) ist, T_drop die Temperatur des geschmolzenen Tropfens ist, T_amb die Umgebungstemperatur des Drahtes ist, C_p die Wärmekapazität des Drahtes ist, und t_tot eine Zykluslänge ist, und das Mittel zum Steuern Mittel zum Bestimmen der gelieferten Energie gemäß Q_wire = ((V_anode + WF + 3kT/2e)·I + I²·
·rho/A) enthält, wobei Q_wire die gelieferte Energie ist, V_anode der Anodenspannungsabfall ist, WF die Austrittsarbeit des Metalls, welches den Draht enthält, ist, (3kT/2e) die thermische Energie der auf den Draht auftreffenden Elektronen ist, I der Ausgangsstrom ist,
der Kontaktspitze-zu-Bogen-Abstand ist, rho der spezifische Widerstand des Drahtes ist und A die Querschnittsfläche des Drahtes ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel zum Steuern (807) Mittel zum Bestimmen einer Länge eines Überstands aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel zum Steuern (807) Mittel zum Bestimmen des Wärmeeintrages in den Draht (802) und Vergleichen des Wärmeeintrags mit einem vorbestimmten Wärmeniveau aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Mittel zum Steuern (807) Mittel zum Summieren eines Wertes, welcher I²·R repräsentiert, über die Zeit aufweist, wobei I der Strom und R der Widerstand des Drahtes ist, für eine Vielzahl von Orten entlang des Drahtes (802) und zum Vergleichen der Summe des Ortes an dem Ende des Drahtes mit einem vorbestimmten Wärmeniveau.
Verfahren zum Schweißen durch Deponieren von Tropfen von geschmolzenem Metall an dem Ende eines Schweißdrahtes (802) in ein Schweißbad, enthaltend: Liefern von Strom an den Draht; Liefern einer Rückkopplung, in Echtzeit, welche den Wärmeeintrag in jedem Tropfen anzeigt; und Steuern der Höhe des Stromes, welcher an den Schweißdraht in Reaktion auf den Wärmeeintrag in jeden Tropfen, geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Lieferns der Rückkopplung das Liefern eines Signals, welches die Abgabe repräsentiert, einschließt und der Schritt des Steuerns das Bestimmen der Leistung, welche an den Draht abgegeben wurde und das Bestimmen, wann der Kurzschluss vor der Trennung steht, in Reaktion auf die gelieferte Leistung, einschließt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Steuerns das Bestimmen einer Änderungsrate der Ausgangsleistung einschließt.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei der Schritt des Steuerns das Bestimmen eines Wertes V_c = k·(dp/dt) einschließt, wobei k ein Skalar und dp/dt die Ableitung der Leistung ist, und wobei die Steuerung V_c mit einem Schwellwert vergleicht.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schwellwert abhängig ist von mindestens einem von Drahtzufuhrgeschwindigkeit, Drahtgröße oder Drahttyp.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei der Schritt des Steuerns das Subtrahieren eines Wertes, welcher auf die Änderungsrate des Ausgangsstromes reagiert, von der Rate der Änderung der Ausgangsleistung, enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei der Schritt des Steuerns das Bestimmen eines Wertes V_c = k1·(dp/dt) – k2·di/dt einschließt, wobei k1 ein Skalar ist, dp/dt die Ableitung der Ausgangsleistung ist, k2 ein Skalar ist, und di/dt die Ableitung des Ausgangsstromes ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei der Schritt des Bereitstellens der Rückkopplung das Bereitstellen eines Spannungssignals, welches die Ausgangsspannung repräsentiert, einschließt und der Schritt des Steuerns einen Schritt des Summierens einer Differenz zwischen dem Spannungssignal und einem Spannungssollwert über die Zeit, und einen Schritt des Steuerns des Stromes in Reaktion auf diese Summe, wobei die Bogenlänge auf eine gewünschte Länge gesteuert wird, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Schritt des Summierens das Summieren nur über die Zeit aufweist, wenn der Bogen existiert.
Verfahren nach Anspruch 22 oder Anspruch 23, wobei der Schritt des Steuerns ferner einen Schritt des Summierens einer Differenz zwischen dem Spannungssignal und einem Spannungssollwert über die Zeit, wenn ein Bogen existiert, und einen Schritt des Steuerns des Stromes in Reaktion auf diese Summe, wobei die Bogenlänge auf eine gewünschte Bogenlänge gesteuert wird, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 24, wobei der Schritt des Steuerns das Bereitstellen einer gewünschten Massendepositionsrate in Reaktion auf eine Drahtzufuhrgeschwindigkeit und einen Abstand einer Spitze des Drahtes (802) zu einem Werkstück (809) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 25, wobei der Schritt des Steuerns das Vergleichen eines Wertes, welcher auf die benötigte Energie zum Schmelzen einer gegebenen Menge von Draht reagiert, mit einem Wert, welcher den Betrag der Energie, die in einem vollständigem Schweißzyklus oder in mindestens einem Teil eines Schweißzyklus abgegeben wird, repräsentiert, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei der Schritt des Steuerns das Bestimmen der benötigten Energie umfasst gemäß: Q_req = k3·(R_dep(H_m·(T_drop – T_amb)·C_p)·t_tot), wobei Q_req die benötigte Energie ist, k3 ein Skalar ist, R_dep eine Massendepositionsrate ist, H_m eine latente Schmelzwärme für den Draht ist, T_drop die Temperatur des geschmolzenen Tropfens ist, T_amb die Umgebungstemperatur des Drahtes ist, C_p die Wärmekapazität des Drahtes ist und t_tot eine Zykluslänge ist, und das Mittel zum Steuern Mittel zum Bestimmen der gelieferten Energie gemäß Q_wire = ((V_anode + WF + 3kT/2e)·I + I²·
·rho/A) enthält, wobei Q_wire die gelieferte Energie ist, V_anode der Anodenspannungsabfall ist, WF die Austrittsarbeit des Metalls, welches den Draht aufweist, ist, (3kT/2e) die thermische Energie der Elektronen, welche auf den Draht auftreffen, ist, I der Ausgangsstrom ist,
der Kontaktspitze-zu-Bogen-Abstand ist, rho der spezifische Widerstand des Drahtes ist, und A die Querschnittsfläche des Drahtes ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 27, wobei der Schritt des Steuerns das Bestimmen einer Länge eines Überstandes umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 28, wobei der Schritt des Steuerns das Bestimmen des Wärmeeintrages in dem Draht und Vergleichen des Wärmeeintrages mit einem vorbestimmten Wärmeniveau umfasst.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Schritt des Steuerns einen Schritt des Summierens eines Wertes, welcher I²·R repräsentiert, über die Zeit, wobei I der Strom und R der Widerstand des Drahtes ist, für eine Vielzahl von Orten entlang des Drahtes, und des Vergleichens der Summe für den Ort an dem Ende des Drahtes mit einem vorbestimmten Wärmeniveau umfasst.