SE454959B

SE454959B - Light arc welding process

Info

Publication number: SE454959B
Application number: SE8600509A
Authority: SE
Inventors: P Budai; U Lagerqvist
Original assignee: Esab Ab
Priority date: 1986-02-05
Filing date: 1986-02-05
Publication date: 1988-06-13
Also published as: SE8600509L; SE8600509D0

Abstract

The welding current is pulsed to give alternate arc periods. There are alternate arcing periods, during which some of the meltable electrode melts, and short circuited periods when molten materials is transferred to the workpiece. The power supply is controlled so that the current increases during the short circuited periods and reduces during the arcing period, when a known quantity of material has been melted, the current is reduced to a predetermined value. That value is maintained until the begining of the following short circuited period.

Description

454 959 10 15 20 25 30 35 2 av smält material från elektroden med jämna mellanrum, under kortslutningsperioderna, kommer i kontakt med arbetsstycket och kortsluter svetsströmkretsen, varefter dropparna avsnörs från elektroden till följd av att strömmen genom denna ökar och därmed också de magnetiska krafterna som verkar för att nypa av droppen. I spray- bågsområdet sker svetsningen i stället med hög svets- ström och bågspänning. I detta fall uppstår ingen kort- slutning utan små droppar frigörs fràn elektroden och "regnar" ned på arbetsstycket. 454 959 10 15 20 25 30 35 2 of molten material from the electrode at regular intervals, during the short-circuit periods, comes into contact with the workpiece and short-circuits the welding circuit, after which the droplets are disconnected from the electrode due to the current through it increasing and thus also the magnetic forces seems to pinch off the drop. In the spray arc area, welding takes place instead with a high welding current and arc voltage. In this case, no short circuit occurs but small drops are released from the electrode and "rain" down on the workpiece.

Området mellan kortbågsomrádet och spraybàgsomrâdet, d v s blandområdet, utnyttjas inte gärna idag eftersom droppövergången i detta område är orolig, kortslutnings- förloppet oregelbundet och de bildade dropparna stora.The area between the short arc area and the spray arc area, i.e. the mixing area, is not often used today because the drip transition in this area is anxious, the short-circuit process is irregular and the droplets formed are large.

Dropparna ger vidare upphov till mycket stänk och sprut, vilket betyder att förlusterna vid denna typ av svetsning är stora. Svetskvaliten blir heller inte så hög eftersom det är svårt att styra dropparna.The drops also give rise to a lot of splashes and splashes, which means that the losses in this type of welding are large. The welding quality is also not so high because it is difficult to control the drops.

Om man kunde lösa dessa problem skulle det emellertid vara fördelaktigt att utnyttja detta omrâde, eftersom svetsningen sker vid högre svetsström än i kortbågsom- rådet, vilket betyder att avsmältningen från elektroden blir större och därmed produktiviteten högre.If these problems could be solved, however, it would be advantageous to use this area, since the welding takes place at a higher welding current than in the short arc range, which means that the melting from the electrode will be greater and thus the productivity higher.

I sammanhanget kan det påpekas att försök har gjorts att utnyttja blandområdet genom kortpulssvetsning, d v s svetsning av samma typ som i spraybàgsomràdet där inga kortslutningar förekommer utan ljusbàgen är tänd hela tiden. Nackdelen med kortpulssvetsning är emellertid just att ljusbàgen är tänd hela tiden, vilket leder till en mycket varm smälta, vilket i sin tur betyder svårigheter att svetsa vertikalt uppåt med hög produktivitet.In this context, it can be pointed out that attempts have been made to utilize the mixing area by short-pulse welding, ie welding of the same type as in the spray arc area where no short circuits occur but the arc is lit all the time. However, the disadvantage of short pulse welding is precisely that the arc is lit all the time, which leads to a very hot melt, which in turn means difficulties in welding vertically upwards with high productivity.

Det har visat sig att orsaken till de ovannämnda problemen är att droppen av smält material påverkas av en uppåtriktat kraft i ljusbàgen, vilken kraft är proportionell mot svetsströmmens storlek. När droppen växer och ljusbågens längd minskar ökar strömmen, vilket i sin tur leder till att den uppàtriktade kraften ökar 10 15 20 25 30 35 454 959 3 och att droppen växer till ännu mer utan att komma i kontakt med arbetsstycket. Risken finns då att droppen exploderar p g a överhettning utan att någon kortslutning har åstadkommits. I de fall då droppen kortsluter svets- strömkretsen är avsnörningskrafterna stora och droppen blir svär att styra, vilket leder till mycket stänk och sprut. Genom att dra ned strömmen när dropparna har nått en viss storlek minskas emellertid den uppàtriktade kraften pà droppen, vilken då kan kortsluta svetsström- kretsen. Pà detta sätt åstadkommes ett regelbundet kort- slutningsförlopp med droppar med likformig och bestämd storlek, vilket möjliggör kortbågssvetsning med högre svetsströmmar.It has been found that the cause of the above-mentioned problems is that the drop of molten material is affected by an upward force in the arc, which force is proportional to the magnitude of the welding current. As the droplet grows and the length of the arc decreases, the current increases, which in turn leads to the upward force increasing and the droplet growing to even more without coming into contact with the workpiece. There is then a risk that the droplet explodes due to overheating without any short circuit being caused. In cases where the drip short-circuits the welding circuit, the capping forces are large and the drip becomes difficult to control, which leads to a lot of splashes and splashes. However, by drawing down the current when the droplets have reached a certain size, the upward force on the droplet is reduced, which can then short-circuit the welding current circuit. In this way, a regular short-circuit process is achieved with droplets of uniform and fixed size, which enables short-arc welding with higher welding currents.

Tidpunkten för minskningen av strömmen bestäms genom att tidpunkten för en ljusbágsperiods början detekteras och att strömmen minskas vid en förutbestämd tidpunkt därefter. Alternativt kan svetsströmmen integreras efter kortslutningsperiodens slut, varvid strömmen minskas när integralen nått ett visst bestämt värde. Droppen kommer då alltid att ha hunnit få en viss storlek, efter- som avsmältningen är proportionell mot svetsströmmen.The time for the reduction of the current is determined by detecting the time for the beginning of an arc period and that the current is reduced at a predetermined time thereafter. Alternatively, the welding current can be integrated after the end of the short-circuit period, whereby the current is reduced when the integral has reached a certain determined value. The droplet will then always have had time to reach a certain size, since the melting is proportional to the welding current.

Ett annat alternativ är att under ljusbägsperioden känna av när bågspänningen blir orolig, d v s innehåller hög- frekventa komponenter, och då pà samma sätt som ovan minska strömmen. Ändamålet med uppfinningen är att ytterligare för- bättra verkan av strömminskningen och detta ändamål uppnås genom att strömmen ökas en kort tidsperiod före den momentana minskningen av strömmen. Därigenom åstadkom- mes en form av fjäderverkan, som påskyndar droppens kontakt med arbetsstycket, för droppen.Another alternative is to detect during the arc period when the arc voltage becomes disturbed, ie contains high-frequency components, and then in the same way as above reduce the current. The object of the invention is to further improve the effect of the current reduction and this object is achieved by increasing the current for a short period of time before the instantaneous reduction of the current. Thereby a form of spring action is provided, which accelerates the contact of the drop with the workpiece, for the drop.

Föreliggande uppfinning avser också en anordning av den inledningsvis beskrivna typen, vid vilken regleren- heten innefattar organ för fastställande av när en viss mängd elektrodmaterial har smälts och korrigeringsorgan, som är anordnade att påverka reglerenhetens reglersignal pà sådant sätt att en minskning av svetsströmmen åstad- kommes, när en viss mängd elektrodmaterial har smält. 454 959 10 15 20 25 30 35 4 Anordningen utmärkes av att organet för fastställande av när en viss mängd elektrodmaterial har smälts är anordnat att innan den förutbestämda mängden elektrod- material har smälts avge en signal till korrigerings- organen, som är anordnade att under inverkan av denna signal påverka reglerenhetens utsignal på sådant sätt att en ökning av svetsströmmen åstadkommes.The present invention also relates to a device of the type initially described, in which the control unit comprises means for determining when a certain amount of electrode material has melted and correction means, which are arranged to influence the control signal of the control unit in such a way that a reduction of the welding current is achieved. , when a certain amount of electrode material has melted. 454 959 10 15 20 25 30 35 4 The device is characterized in that the means for determining when a certain amount of electrode material has melted is arranged that before the predetermined amount of electrode material has melted, it emits a signal to the correction means, which are arranged to of this signal affect the output signal of the control unit in such a way that an increase of the welding current is achieved.

I det följande skall uppfinningen beskrivas genom utföringsexempel under hänvisning till bifogade rit- ningar. Fig la och lb är diagram, som visar svetsströmmen I respektive bàgspänningen U, som funktion av tiden t vid svetsning i blandomràdet enligt teknikens stånd- punkt och enligt sättet för föreliggande uppfinning.In the following, the invention will be described by means of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Figs. 1a and 1b are diagrams showing the welding current I and the arc voltage U, respectively, as a function of the time t when welding in the mixing range according to the prior art and according to the method of the present invention.

Fig 2 är ett blockschema och visar en kraftförsörjnings- enhet och organ för reglering av denna i överensstämmelse med sättet enligt uppfinningen.Fig. 2 is a block diagram showing a power supply unit and means for regulating it in accordance with the method according to the invention.

Fig la visar således svetsströmmen I som funktion av tiden t och fig lb visar bågspänningen U också som funktion av tiden t. I den vänstra delen av de båda diagrammen visas svetsförloppet för svetsning i bland- omràdet enligt teknikens ståndpunkt, medan i den högra delen visas svetsförloppet vid svetsning enligt före- liggande uppfinning. Vid tiden tk i den vänstra delen av diagrammen inträffar en kortslutning. Bågspänningen U sjunker då till nästan noll under det att svetsströmmen I stiger enligt ett förutbestämt mönster. Vid tiden ta avsnörs en droppe, varvid bågen tänds igen och båg- spänningen U stiger väsentligen momentant till ett värde över det värde den hade när kortslutningen inträffade.Fig. 1a thus shows the welding current I as a function of the time t and Fig. 1b also shows the arc voltage U as a function of the time t. the welding process during welding according to the present invention. At the time tk in the left part of the diagrams, a short circuit occurs. The arc voltage U then drops to almost zero while the welding current I rises according to a predetermined pattern. At the time of taking a drop, the arc is switched on again, and the arc voltage U rises substantially momentarily to a value above the value it had when the short circuit occurred.

Härefter påbörjas bildandet av en ny droppe, under det att bàgspänningen U och svetsströmmen I minskar. Bild- ningen tar emellertid lång tid och avståndet till tid- punkten tkl för nästa kortslutning varierar och kan inte förutsägas.Thereafter, the formation of a new drop begins, while the arc voltage U and the welding current I decrease. However, the formation takes a long time and the distance to the time tkl for the next short circuit varies and can not be predicted.

I den högra delen visas svetsförloppet vid svetsning enligt föreliggande uppfinning. Pâ samma sätt som i lO 15 20 25 30 35 454 959 5 den vänstra delen antas en kortslutning inträffa vid tiden tk. Bågspänningen U sjunker då till noll medan svetsströmmen I stiger. Vid tiden ta avsnörs en droppe, varvid bågspänningen U ökar till ett värde över värdet före kortslutningen, varefter den liksom strömmen I minskar. Det nya vid svetsförloppet enligt föreliggande uppfinning är att strömmen vid tiden tm minskas till ett bestämt värde, exempelvis till ett värde som är ca 50% av värdet före minskningen eller till en bestämd därpå tkl, tal absolut nivå, och hålls vid detta värde till den följande kortslutningen inträffar vid tidpunkten varvid strömmen åter ökar för att vid tidpunkten nà samma värde som vid ta. Genom denna minskning av strömmen kommer kortslutningarna att inträffa med regel- bundna intervaller. Föreliggande uppfinning åstadkommer således en periodisering av kortslutningarna, vilket leder till högre produktivitet och stabilare svetsförlopp.The right part shows the welding process during welding according to the present invention. In the same way as in the left part, a short circuit is assumed to occur at the time tk. The arc voltage U then drops to zero while the welding current I rises. At the time ta is dropped a drop, whereby the arc voltage U increases to a value above the value before the short circuit, after which it, like the current I, decreases. The novelty of the welding process according to the present invention is that the current at the time tm is reduced to a certain value, for example to a value which is about 50% of the value before the reduction or to a certain thereafter tkl, number absolute level, and is kept at this value to the the following short-circuit occurs at the time at which the current increases again in order to at the time reach the same value as at ta. Due to this reduction in current, the short circuits will occur at regular intervals. The present invention thus provides a periodization of the short circuits, which leads to higher productivity and more stable welding processes.

För att ytterligare förstärka inverkan av ström- minskningen kan man, såsom tidigare nämnts, öka strömmen precis före strömminskningen, varvid åstadkommas en fjäderverkan pà droppen. Detta visas med en streckad linje i den högra delen av diagrammen.In order to further amplify the effect of the current reduction, it is possible, as previously mentioned, to increase the current just before the current reduction, whereby a spring effect is produced on the drop. This is shown by a dashed line in the right part of the charts.

I det följande skall en anordning för styrning av svetsförloppet enligt föreliggande uppfinning beskrivas under hänvisning till fig 2, som är ett blockschema.In the following, a device for controlling the welding process according to the present invention will be described with reference to Fig. 2, which is a block diagram.

I den övre delen av figuren visas de kraftförsörjnings- och regulatorenheter som normalt används vid kortbágs- svetsning. I den nedre, med en streckad linje omslutna delen av figuren visas schematiskt de enheter som er- fordras för utökad kortbàgssvetsning i blandomràdet enligt föreliggande uppfinning. Delen för normal kort- bàgssvetsning innefattar en kraftförsörjningsenhet l, vars plusutgâng är kopplad till ett kontaktmunstycke 2, som omsluter en svetselektrod 2a, och vars minusutgång är kopplad till ett arbetsstycke 3, en spänningsstyrd strömregulator 4, en adderare 5 och en processregulator 6, vilken innefattar ett inställningsorgan 6a för in- 4 l0 15 20 25 30 35 5 4 959 6 ställning av önskad spänningsarbetspunkt. vid normal kortbågssvetsning avkännes bågspänningen Ubåge mellan kontaktmunstycket 2 och arbetsstycket 3 och matas in i processregulatorn 6. Processregulatorn omvandlar spänningen Ubàge till ett spänningsbörvärde Ubör som matas in på adderarens 5 plusingång 7. Vidare mätes strömmen Ibåge i svetsströmkretsen och en mot strömmen Ibåge proportionell spänning U1 matas till adderarens 5 minusingång 8. Adderaren 5 avger en regler- signal AU, vilken är skillnaden mellan Ubör och U1, till strömregulatorn 4, vilken styr kraftförsörjnings- enheten l i enlighet med signalen AU.The upper part of the figure shows the power supply and regulator units that are normally used in short arc welding. The lower part of the figure, enclosed in a dashed line, schematically shows the units required for extended short arc welding in the mixing area according to the present invention. The part for normal short arc welding comprises a power supply unit 1, the positive output of which is connected to a contact nozzle 2, which encloses a welding electrode 2a, and the negative output of which is connected to a workpiece 3, a voltage controlled current regulator 4, an adder 5 and a process regulator 6, comprises a setting means 6a for setting the desired voltage operating point. in normal short arc welding, the arc voltage U-arc is sensed between the contact nozzle 2 and the workpiece 3 and is fed into the process controller 6. is fed to the negative input 8 of the adder 5 The adder 5 emits a control signal AU, which is the difference between Ubör and U1, to the current controller 4, which controls the power supply unit 1 in accordance with the signal AU.

Delen för styrning av svetsförloppet enligt före- liggande uppfinning vid svetsning i blandområdet inne- fattar en kortslutningsdetektor 9, vilken är ansluten till en tids och logikkrets 10, vilken i sin tur är förbunden dels med processregulatorn 6 dels med tre strömställare lla, llb och llc. I denna del ingår dessutom en dämpare 12, vars utgång är ansluten till en inver- terare 13 och till strömställaren llc. Vidare är inver- terarens 13 utgång förbunden med strömställaren lla och strömställaren llb så kopplad att den inte har någon inverkan när den ligger till. Alla strömställarnas lla, llb, llc andra pol är ansluten till en ingång på adderaren 5. vid styrning av svetsförloppet vid utökad kort- bågssvetsning enligt föreliggande uppfinning sker styr- ningen på samma sätt som vid normal kortbágssvetsning tills en ljusbågständning detekteras av kortslutnings- detektorn 9. När kortslutningsdetektorn 9 har detekterat en ljusbågständning avger den en signal till tids- och logikkretsen, i vilken en räknare börjar räkna. När räknaren har nått ett visst förutbestämt värde, d v s när en viss tid har förlupit efter ljusbàgständningen, avger tids- och logikkretsen lO en làssignal till process- regulatorn 6. Denna làssignal medför att processregulatorns 6 utsignal Ubör*låses vid det värde det för ögonblicket n GW 10 15 20 25 30 35 454 959 7 har. Tids- och logikkretsen styr vidare strömställaren lla till ett slutet läge. En mot svetsströmmen Ibâge proportionell spänning Ul pàföres dà dämparen 12, vilken kan bestå av en spänningsdelare, och dämpas till ett förutbestämt värde. Den dämpade spänningen inverteras därefter av inverteraren 13, varefter den pàföres adder- aren 5 som en korrigeringssignal, vilken medför att svetsströmmen minskas till ett önskat värde. Svetsströmmen hålls vid detta låga värde tills kortslutningsdetektorn 9 detekterar en kortslutning. Tids- och logikkretsen 10 tar då bort låssignalen från processregulatorn 6, vilken därefter styr svetsförloppet på samma sätt som vid normal kortbågssvetsning. Tids- och logikkretsen tillser vidare att strömställaren lla öppnas och att den i tids- och logikkretsen ingående räknare nollställes.The part for controlling the welding process according to the present invention when welding in the mixing area comprises a short-circuit detector 9, which is connected to a time and logic circuit 10, which in turn is connected partly to the process controller 6 and partly to three switches 11a, 11b and 11c. . This part also includes a damper 12, the output of which is connected to an inverter 13 and to the switch 11c. Furthermore, the output of the inverter 13 is connected to the switch 11a and the switch 11b so connected that it has no effect when it is on. The second pole of all the switches 11a, 11b, 11c is connected to an input of the adder 5. In controlling the welding process in extended short arc welding according to the present invention, the control takes place in the same way as in normal short arc welding until an arc ignition is detected by the short circuit detector 9. When the short-circuit detector 9 has detected an arc ignition, it emits a signal to the time and logic circuit in which a counter starts counting. When the counter has reached a certain predetermined value, i.e. when a certain time has elapsed after the lighting, the time and logic circuit 10 emits a lock signal to the process controller 6. This lock signal causes the output signal of the process controller 6 to be locked at the value currently GW 10 15 20 25 30 35 454 959 7 har. The time and logic circuit further controls the switch 11a to a closed position. A voltage U1 proportional to the welding current Ibâge is then applied to the attenuator 12, which may consist of a voltage divider, and is attenuated to a predetermined value. The attenuated voltage is then inverted by the inverter 13, after which it is applied to the adder 5 as a correction signal, which causes the welding current to be reduced to a desired value. The welding current is kept at this low value until the short-circuit detector 9 detects a short-circuit. The time and logic circuit 10 then removes the locking signal from the process controller 6, which then controls the welding process in the same way as in normal short arc welding. The time and logic circuit further ensures that the switch 11a is opened and that the counter included in the time and logic circuit is reset.

I det fall då strömmen ökas precis före neddragningen av strömmen för åstadkommande av den tidigare omnämnda “fjädereffekten" styr tids- och logikkretsen 10 ström- ställarna på sådant sätt att strömställaren llc slutes när räknaren har nått ett förutbestämt värde, vilket är mindre än det värde vid vilket làssignalen avges till processregulatorn. Den mot svetsströmmen Ibáge proportionella spänningen Ul dämpas då av dämparen 12, och pàföres adderaren 5. Korrigeringssignalen tillföres som en positiv signal till adderaren 5, vilket medför att AU blir större och att strömregulatorn 4 kommer att styra kraftförsörjningenheten l till att avge en större svetsström.In the case where the current is increased just before the reduction of the current to produce the previously mentioned "spring effect", the time and logic circuit 10 controls the switches in such a way that the switch 11c closes when the counter has reached a predetermined value, which is less than that value. The voltage U1 proportional to the welding current Ibáge is then attenuated by the attenuator 12, and applied to the adder 5. The correction signal is applied as a positive signal to the adder 5, which causes AU to become larger and the current regulator 4 to control the power supply. to emit a larger welding current.

Den ovan visade utföringsformen av anordningen för kortbågssvetsning är naturligtvis bara ett exempel och många modifieringar kan göras inom ramen för de efter- följande patentkraven. Tidpunkten för minskningen av strömmen kan t ex bestämmas på många olika sätt. Tids- och logikkretsen kan innehålla en integrator, vilken integrerar svetsströmmen, varvid tidpunkten för minsk- ningen för strömmen bestäms av när den integrerade strömmen har nått ett visst värde. Ett annat alternativ 10 454 959 8 är att tids- och logikkretsen känner av när svetsströmmen har minskat till ett visst värde. Ett ytterligare alter- nativ är att ha en detektor som känner av när bågspänn- ingen blir "orolig", d v s när den innehåller högfrekventa komponenter, och då avger en signal för strömminskning.En annan tänkbar modifiering är att vid tidpunkten för strömminskningen koppla bort processregulatorn helt och hållet och att via dämparen och strömställaren llc koppla en spänningssignal av önskad storlek till adderaren S. Slutligen kan naturligtvis strömregulatorn vara ström- styrd eller strömregulatorn ersättas med en spännings- regulator eller regleringen utföras med en kombination av ström och spänning. lKThe above-shown embodiment of the device for short arc welding is of course only an example and many modifications can be made within the scope of the following claims. The time for the reduction of the current can, for example, be determined in many different ways. The time and logic circuit may contain an integrator, which integrates the welding current, the time of the reduction of the current being determined by when the integrated current has reached a certain value. Another alternative is that the time and logic circuit senses when the welding current has decreased to a certain value. An additional alternative is to have a detector that detects when the arc voltage becomes "anxious", ie when it contains high-frequency components, and then emits a signal for current reduction. Another possible modification is to disconnect the process controller at the time of the current reduction. completely and via the attenuator and switch llc to connect a voltage signal of the desired size to the adder S. Finally, of course, the current regulator can be current-controlled or the current regulator can be replaced with a voltage regulator or the regulation is performed with a combination of current and voltage. lK

Claims

10 15 20 25 30 454 959 CLAIMS

1. An arc welding method between a fusible electrode and a workpiece, the welding comprising alternating arc periods during which electrode material is melted, and short circuit periods during which molten material is transferred from the electrode to the workpiece, in which manner the power supply to the electrode and the workpiece is controlled in such a way that the welding current increases during the short-circuit periods and decreases during the arc periods, whereby the welding current decreases substantially momentarily to a predetermined value when a certain amount of molten material has formed during an arc period, and is maintained at this new value until the beginning of the following short-circuit period. , characterized in that the current is increased for a short period of time before said instantaneous reduction of the current is achieved.

Arc welding device, comprising a device for controllably feeding a fusible electrode (2a) to a welding site, a controllable power source (1), and a control unit (4, 5, 6) for regulating the power source depending on the welding process , which includes alternating arc periods during which electrode material is melted, and short-circuit periods during which molten material is transferred from the electrode to a workpiece (3), such that the welding current increases during the short-circuit periods and decreases during the arc periods, the control unit comprising means (10) for determining when a certain amount of electrode material has melted and correction means (11a, 11b, 11c, 12, 13), which are arranged to influence the control signal of the control unit in such a way that a reduction of the welding current is achieved, when a certain amount of electrode material has melted, characterized in that the means (10) for determining when a certain amount of electrode material has melted is ano arranged that before the predetermined amount of electrode material has been melted, it emits a signal to the correction means (11a, 11b, 11c, 12, 13), which are arranged to influence the output signal of the control unit in such a way that a increase in welding current is achieved. IN!