DK172238B1 - Fremgangsmåde og apparat til TIG-svejsning - Google Patents

Description

DK 172238 B1 FREMGANGSMÅDE OG APPARAT TIL TIG-SVEJSNING Teknikkens standpunkt 5 Opfindelsen angår en fremgangsmåde til TIG-svejsning af den i krav 1’s indledning angivne art samt et apparat af den i krav 6's indledning angivne art.

TIG-lysbuesvejsning med vekselstrøm anvendes i stor ud-10 strækning til svejsning af metaller såsom aluminium og aluminiumslegeringer. Polariteten af strøm og spænding skifter traditionelt med 50 eller 60 Hz synkront med frekvensen på det forsyningsnet som svejsemaskinen er tilsluttet. I dag anvender man i stor udstrækning inverter-baseret strømkil-15 der, og en sådan svejsestrømkilde er også forudsætningen for nærværende opfindelse, idet det herved er muligt at indstille svejsemaskinen til andre frekvenser end de nævnte på den vekselstrøm som anvendes til at overføre effekten til lysbuen.

20 I svejseprocessen anvendes den positive halvperiode, dvs. når svejseelektrodens spænding er positiv i forhold til svejseemnet, til at fjerne og dermed rense svejseemnet for aluminium-oxid-hinden på overfladen af svejseemnet, og den 25 negative halvperiode anvendes til at opvarme svejseemnet, så der dannes et smeltebad. I den positive halvperiode vil ca. 1/3 af effekten afsættes i svejseemnet og ca. 2/3 af effekten afsættes i volframelektroden. I den negative halvperiode vil ca. 2/3 af effekten afsættes i svejseemnet og 30 ca. 1/3 af effekten afsættes i volframelektroden.

Ved skift af polaritet skal lysbuen gentændes. Dette sker let når der skiftes fra positiv til negativ polaritet, idet elektroden er varm og let emiterer elektroner, derimod er 35 det vanskeligt at skifte fra den negative polaritet til positiv polaritet. Dette skyldes dels at elektroden er varme- DK 172238 B1 2 re end smeltebadet, men også at ren aluminium ikke så let emiterer elektroner. Uddrivningsenergien for elektronerne for aluminium er meget høj, og på grund af at aluminiumoxid er elektrisk isolerende, må en sådan strømkilde nødven-5 digvis være udstyret med et kredsløb, der tilføres svejse kredsen en kortvarig impuls med høj spænding for at gentænde den positive halvperiode. Det er desuden nødvendigt at emitere elektronerne fra den aluminiumoxid som hele tiden dannes på aluminiumoverfladen på smeltebadet. Det betyder, 10 at den positive halvperiode kan kun tændes, hvis der findes aluminiumoxider inden for en bestemt radius fra den vol-framelektrode, som anvendes til at overføre strømmen til svejseemnet. Det er i øvrigt nødvendigt at smeltebadet er fuldstændigt renset for aluminiumoxid for at opnå en til-15 fredsstillende svejsekvalitet. For at kunne justere rense-virkningen så den passer til den pågældende svejseopgave, er mange svejsestrømkilder udstyret med et reguleringsorgan, hvormed det er muligt at indstille forholdet mellem den tid hvor polariteten på volframelektroden er positiv i 20 forhold til den tid, hvor polariteten er negativ. Med et sådant reguleringsorgan kan man regulere rensevirkningen.

Fra USA patent nr. 4.947.021 kendes en svejsemaskine, der anvender den foran forklarede kendte teknik.

25

Fra USA patent nr. 4.963.715 kendes en anden svejsemaskine til TIG-svejsning, hvor svejsemaskinen har et kredsløb, der kan detektere om lysbuen er gentændt i den positive periode eller ej. Gentændes lysbuen ikke, hæves tændspændingen 30 straks for at sikre gentænding af lysbuen.

Ulempen ved de ovennævnte teknikker er, at det ikke er muligt at opretholde en stabil lysbue under varierende svejsevilkår. Således tager ingen af de nævnte teknikker dyna-35 misk hensyn til den varierende mængde af aluminiumoxid på smeltebadets overflade og forsøger derfor at opretholde en DK 172238 B1 3 lysbue, selvom der ikke forekommer aluminiumoxid på smeltebadets overflade.

Fordele ved opfindelsen 5

Ved at gå frem som angivet i krav 1's kendetegnende del kan man opnå en mere stabil lysbue, og dermed en bedre svejsekvalitet, end ved de kendte svejseprocesser. Opfindelsen har derfor til formål at anvise en svejsefremgangsmåde og 10 en svejsemaskine, hvormed man får optimal svejsekvalitet, hvilket har meget stor praktisk betydning.

Det har nemlig vist sig, at selv om man indstiller svejsemaskinen på en rimelig andel rensning, kan der under et 15 svejseforløb ske det, at behovet for rensning reduceres, fordi overfladen ikke er så oxideret som forventet. Dette kan f.eks. ske hvis man svejser på et sted, hvor der har været svejst tidligere, eller ved at elektroden holdes stille eller bevæges meget langsomt. Følgen heraf vil nor-20 malt være, at den positive halvperiode ikke tændes hver gang, og der fås en ustabil energitilførsel til smeltebadet.

Opfindelsen forudsætter således at svejsestrømkilden er 25 indrettet således at polariteten af svejsestrømmen er kontrolleret fra en styreenhed ved hjælp af et eller flere signaler, således at det er muligt at regulere frekvensen og AC-balancen, dvs. forholdet mellem den tid hvor polariteten på volframelektroden er positiv i forhold til den 30 tid, hvor den er negativ.

Ifølge opfindelsen registrerer man altså om lysbuen tændes i den positive periode. Sker dette, foregår svejsningen altså ganske normalt, og styrekredsløbet ifølge opfindelsen 35 vil ikke træde i funktion. Hvis den positive periode derimod ikke tændes, afkortes perioden, idet der straks skif- DK 172238 B1 4 tes til negativ polaritet. Princippet er således: Kan der ikke etableres en lysbue i den positive periode, er det fordi der ikke er behov for rensning, og så er der ingen grund til at vente med at skifte til negativ polaritet.

5

Den stabiliserende virkning og den dermed øgede svejsekvalitet opnås således ved at sørge for en mere konstant energitilførsel til lysbuen end ved kendte svejseprocesser.

10 Krav 2-5 angiver fordelagtige fremgangsmåder ved TIG-svejs- ning for opnåelse af forbedret lysbuestabilitet og optimal svej sekvalitet.

Opfindelsen angår også en TIG-svejsemaskine som angivet i 15 krav 6's kendetegnende del, der på enkel måde sikrer en optimal svejsekvalitet ved varierende mængde oxid på overfladen af det emne, der skal svejses.

Krav 7, 8, 9 og 10 anviser fordelagtige udførelsesformer 20 for svejsemaskinens elektroniske styrekredsløb.

Tegningen

Opfindelsen forklares herefter nærmere under henvisning til 25 tegningen, idet fig. 1 viser svejsespænding og svejsestrøm som funktion af tiden for en kendt svejsestrømkilde, 30 fig. 2 viser svejsespænding og svejsestrøm som funktion af tiden ifølge opfindelsen, 1 3 viser en foretrukken udførelsesform for en styreenhed ifølge opfindelsen, 35 fig. 4 viser en anden foretrukken udførelsesform for en DK 172238 B1 5 styreenhed ifølge opfindelsen, og fig. 5 viser et impulsdiagram for svejsestrømmen.

5 Beskrivelse af udførelseseksemplerne

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen forklares herefter nærmere under henvisning til tegningens fig. 1 og 2. Fig. 1 viser øverst svejsespændingen som funktion af tiden og ne-10 derst svejsestrømmen som funktion af tiden, og således som det ser ud i en kendt svejsemaskine, uden anvendelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen. Figuren viser seks spændingsperioder nummereret 1-6 med tilhørende strømperioder.

For at opnå tænding i de positive perioder startes hver pe-15 riode med en tændspændingsimpuls 7, der er højere end både svejsespændingen og tomgangsspændingen på svejsestrømkilden. Sådanne midler til at gentænde lysbuen i den positive periode er almindelig kendte, og vil derfor ikke blive nærmere omtalt. I de tre første perioder ses det, at der sker 20 korrekt gentænding både i den positive del og i den negative del af hver periode. Svejsespænding og svejsestrøm er derfor hel normal og som ønsket.

Ved 4. og 5. periode sker der ingen gentænding i den posi-25 tive periode, og svejsestrømmen er derfor 0 i hele den positive periode og svejemaskinen står med fuld tomgangsspænding. Dette medfører reduceret effekttilførsel til lysbuen og dermed til smeltebadet. Man får således en reduceret lysbuestabilitet.

30

Ved den 6. periode opnås korrekt gentænding af den positive periode og svejseforløbet er atter helt normalt.

Fig. 2 viser svejsespændingen og svejsestrømmen som funk-35 tion af tiden, når der anvendes en fremgangsmåde ifølge opfindelsen, f.eks. ved at der anvendes en af de senere om- DK 172238 Bl 6 talte svejsestrømkilder. På fig. 2 vises de samme seks perioder som på fig. 1, og man ser, at der i den positive del af 4. og 5. periode ikke sker gentænding, hvorfor den positive periode afkortes, således at den tid hvor strømmen er 5 0 afkortes.

Hvis man sørger for, at den positive periodes længde afkortes øjeblikkeligt, når det er konstateret, at lysbuen ikke gentændes, kan man direkte på fig. 2 se, at man får en rae-10 get ensartet effektilførsel til lysbuen.

Med fremgangsmåde ifølge opfindelsen kan man således opnå en markant forbedring af lysbuestabiliteten.

15 Det vil for stabiliteten af lysbuen være en fordel, at den negative periodes længde holdes i det væsentlige konstant når den positive periode afkortes samt at svejsestrømmens frekvens ligeledes holdes i det væsentlige konstant, når den positive periode afkortes.

20

Af fig. 2's strømkurve fremgår det, at der i perioder hvor der ikke sker gentænding af lysbuen i den positive del af perioden, kan blive tale om, at der sker en mindre ændring i tilførslen af energi til lysbuen i forhold til den energi 25 der tilføres under sædvanlige svejseforhold, dvs. når der sker normal gentænding, hvorfor det kan være en fordel at korrigere svejsestrømmens størrelse, så effekten der tilføres holdes i det væsentlige konstant, idet dette giver den maksimale lysbuestabilitet.

30

Det har i praksis vist sig muligt at opnå den ønskede virkning med fremgangsmåden ifølge opfindelsen med forskellige udførelsesformer af svejsemaskiner. Herefter forklares to udførelsesformer, nemlig en analog løsning opbygget af dis-35 krete komponenter vist på fig. 3 og en hardware-løsning, hvor den tilhørende software er vist på fig. 4 og 5.

DK 172238 B1 7 På fig. 3 angiver 10 en inverter-baseret svejsemaskine af kendt art og som fungerer efter den fremgangsmåde der blev forklaret i forbindelse med fig. 1. Svejsemaskinen eller svejsestrømkilden 10 modtager sædvanlig 3-faset vekselstrøm 5 11 fra et forsyningsnet, og effekten føres til en AC-DC-om- sætter 12, sædvanligvis en 3-faset ensretter. DC-udgangsef-fekten herfra føres til en DC-AC-omsætter 13, hvis udgangsspænding er vist som firkantimpulser, f.eks. med en frekvens af størrelsesordenen 50 kHz. Udgangseffekten føres 10 til en svejsetransformer 14 og videre en AC-DC-omsætter 15. Dermed har man opnået et ønsket DC-spændingsniveau under anvendelse af en minimal størrelse transformer 14, så man undgår de sædvanligvis meget store og tunge svejsetransformere.

15 DC-effekten føres herefter til en DC-AC-omsætter 16, der er udformet som en styrbar inverter-kobling, hvis udgangsfrekvens kan reguleres f.eks. fra 5 Hz til 500 Hz.

20 De elektroniske styrekredsløb og målekredsløb i omsætterne er sædvanligvis indrettet således, at strømstyrken og frekvensen løbende overvåges, og kredsløbene kan således øjeblikkeligt registrere, hvis der ikke løber svejsestrøm i svejsekredsløbet 17 mellem udgangen 17' og 17'', hvor 25 f.eks. udgangen 17' er volframelektroden i en TIG-svejseanordning og 17'' er den elektriske leder, der føres til svejseemnet. Svejsestrømkilden er herudover sædvanligvis udstyret med reguleringsmidler, hvormed det er muligt at indstille forholdet mellem den tid, hvor polariteten på 30 vol fr amelektroden er positiv i forhold til den tid, hvor polariteten er negativ, så svejseoperatøren selv kan indstille rensevirkningen.

Til udøvelsen af fremgangsmåden ifølge opfindelsen er der 35 tilføjet et styrekredsløb 20, som via en ledning 21 af taster om der er sket gentænding i den positive periode eller DK 172238 B1 8 ej. Er der sket gentænding, griber styrekredsløbet 20 ikke ind i svejsefunktionen. Er der derimod ikke sket gentænding, griber styrekredsløbet 20 ind og sender et signal via ledningen 22, hvilket signal øjeblikkeligt sørger for at 5 svejsespændingen skifter fra positiv til negativ spænding, jfr. forklaringen i forbindelse med fig. 2.

Styrekredsløbet 20 omfatter en oscillator 29 med frekvensindstillingsorganer 30, således at en regulerbar sav-10 takspænding tilledes komparatoren 28, hvortil der også føres et balancesignal fra et balancereguleringsorgan 31. Hermed frembringes den styrespænding, der sørger for at skifte svejsespændingen i den styrbare inverter 16. Udgangssignalet fra komparatoren 28 føres dels til et logisk 15 kredsløb 25 som indgår i en latch-kobling 24 og dels til et logisk kredsløb 32.

Ledningen 21 er via en komparator 23 ført til den anden indgang på latch-koblingen 24. Komparatoren 23 er for ni-20 veauindstilling tilkoblet en referencespænding, som kan være indstillelig.

Styrekredsløbet 20 fungerer således: Kommer der et signal via ledningen 21 og komparatoren 23 frem til latch-koblin-25 gen 24, er dette et tegn på, at der ikke er sket gentænding i den positive periode, og det logiske kredsløb 32 omstilles straks, så der via ledningen 22 sker en omkobling af svejsespændingen. Er der intet signal fra komparatoren 23 bliver latch-koblingen 24 stående i sin grundstilling og 30 styresignalet fra komparatoren 28 passerer via ledningen 33 direkte til det logiske kredsløb 32, og der sker således først en omkobling af svejsespændingen fra positiv til negativ polaritet, når svejsestrømmen har forløbet så længe, som indstillingsorganerne 30, 31 har fastlagt.

35 På fig. 4 og 5 er vist et logisk funktionsskema for en DK 172238 B1 9 software-løsning. I stedet for et diskret opbygget styrekredsløb indsættes der en mikroprocessor-baseret styreenhed, som er passende programmeret i et passende programmeringssprog, så det logiske funktionsskema i fig. 4 følges.

5

Fig. 5 viser tidsmæssigt omstillingen mellem svejsespændingen, idet t pos angiver den tidsperiode hvor svejsespændingen er positiv og t ne^ angiver den tidsperiode, hvor svejsespændingen er negativ.

10 t pos = 1 - (100 -. B) f 100

t - 1 . B

neg — - 15 f 100 hvor f = frekvens [Hz] og B = balance [%] 20 Hermed omstilles den elektroniske switch i inverter-koblin-gen 16 ved hjælp af mikroprocesseren efter den samme funktion, som bliver forklaret i forbindelse med tegningens fig. 2 og 3.

25 Fig. 5 viser med fuldt optrukken streg det tidsmæssige forløb af svejsespændingen, når svejsningen foregår normalt, dvs. med fuld gentænding både i den positive og den negative periode, og fig. 5 viser med punkteret streg det tidsmæssige forløb af svejsespændingen når gentænding i den po-30 sitive periode udebliver, og omstillingen af svejsespændingen sker ifølge det logiske funktionsdiagram i fig. 4, eller styrekredsløbet 20 i fig. 3.

35

Claims (10)

1. Fremgangsmåde til TIG-svejsning af metaller, såsom aluminium og aluminiumslegeringer, med vekselstrøm med en 5 svejsemaskine (10), der er indrettet således, at polariteten af svejsestrømmen (17) mellem en elektrode (17') og et svejseemne (17'') er kontrolleret af en elektrisk styreenhed, der også er indrettet således, at det kontinuerligt måles, om lysbuen er tændt eller ej, og idet svejsemaski-10 nens strømkilde (11) omfatter en styrbar inverter (16) samt midler til at gentænde lysbuen i den positive periode, dvs. når svejseelektroden har positiv spænding i forhold til svejseemnet, kendetegnet ved, at den positive periodes længde afkortes, hvis lysbuen ikke gentændes i den 15 positive periode.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den positive periodes længde afkortes øjeblikkeligt, når det er konstateret, at lysbuen ikke gentændes i 20 den positive periode.

3. Fremgangmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at den negative periodes længde holdes i det væsentlige konstant, når den positive periode afkortes. 25

4. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at svejsestrømmens frekvens holdes i det væsentlige konstant, når den positive periode afkortes. 30

5. Fremgangsmåde ifølge krav 3 eller 4, kendetegnet ved, at strømværdien af svejsestrømmen korrigeres på en sådan måde, at den effekt, der tilføres svejseemnet holdes i det væsentlige konstant, når den 35 positive periode ikke gentændes. DK 172238 B1 11

6. TIG-inverterbaseret svejsemaskine til at udføre fremgangsmåden ifølge krav 1 og af den art, der omfatter en styrbar inverterstrømkilde og et elektronisk styrekredsløb (20), der løbende aftaster svejsemaskinens styreenhed for 5 at konstatere, om lysbuen er tændt eller ej, kende tegnet ved, at styrekredsløbet (20) er indrettet til at styre svejsemaskinens inverter (16) således, at den positive periodes længde afkortes, hvis lysbuen ikke gentændes, når svejseelektroden (17') har positiv polaritet i 10 forhold til svejseemnet (17'').

7. Svejsemaskine ifølge krav 6, kendetegnet ved, at det elektroniske styrekredsløb (20) omfatter en oscillator (29) og midler (30) til regulering af oscillato- 15 rens frekvens, samt midler (31) til regulering af balancen, dvs. forholdet mellem hvornår svejsespændingen er positiv og negativ.

8. Svejsemaskine ifølge krav 7, kendetegnet 20 ved, at styrekredsløbet omfatter et logisk kredsløb (25, 32), der er indrettet således, at styresignaler for indstilling af balancen forbikobles (33), og føres direkte til inverteren (16), når styrekredsløbet har konstateret, at lysbuen er gentændt i den positive periode. 25

9. Svejsemaskine ifølge krav 6, kendetegnet ved, at styrekredsløbet (20) omfatter en mikroprocessor med lager, hvori der er indlagt et styreprogram, der er indrettet til at styre mikroprocessoren, så den kontinuerligt 30 overvåger svejsemaskinens styreenhed og giver signal hertil om at afkorte den positive periode, hvis mikroprocessoren konstaterer, at lysbuen ikke er gentændt i den positive periode. 35

10. Svejsemaskine ifølge et hvilket som helst af kravene 6- 9, kendetegnet ved, at den omfatter midler, der DK 172238 B1 12 er indrettet til at måle eller beregne den effekt, der tilføres svejseemnet, samt at regulere størrelsen af denne.