DE102016012933A1

DE102016012933A1 - Schweißsystem zum Wechselstromschweißen mit verringerten Schweißspritzern

Info

Publication number: DE102016012933A1
Application number: DE102016012933.6A
Authority: DE
Inventors: Judah Benjamin Henry; James E. Hearn
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2015-10-27
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2017-04-27
Also published as: US10179369B2; CN106607640B; JP2017080804A; JP6945290B2; CN106607640A; US20170113293A1

Abstract

Ein Schweißsystem umfasst eine Schweißenergiequelle, die einen Wechselstrom in einer gewählten Wellenform bereitstellt, mit einem Satz positiver und negativer Abschnitte, wobei der negative Abschnitt aus einer Spitzen-, Tailout- und Hintergrundphase besteht und der positive Abschnitt aus einer Spitze, einem Tailout- und Hintergrund besteht; wobei die Energiequelle einen rampenförmig ansteigenden Strom während der Abschnür- und Ablösephase bereitstellt, während der negativen Spitzen-, Tailour- und Hintergrundphase in einen Strom mit der Elektrode als negativen Pol schaltet und zu einem anschließenden positiven Elektrodenabschnitt schaltet, wobei der positive Abschnitt vor dem nächsten Kurzschlussereignis wiederholt werden kann.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Schweißsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gewisse Ausführungsformen betreffen elektrisches Lichtbogenschweißen. Insbesondere betreffen gewisse Ausführungsformen ein System zum Wechselstrom-(AC-)Schweißen mit verringerten Schweißspritzern. Ganz besonders betreffen gewisse Ausführungsformen ein Schweißsystem, das eine Energiequelle enthält, die einen Wechselstrom in einer ausgewählten Wellenform mit mehreren Phasen bereitstellt, wobei die Wellenform eine Abschnürstromphase mit der Elektrode als positiven Pol und eine Ablösephase, eine anschließende Spitzen-, Tailout- und Hintergrundphase negativer Polarität bereitstellt und vor dem nächsten Kurzschlussereignis in eine Phase mit der Elektrode als positiven Pol schaltet.
KURZDARSTELLUNG
Eine Ausführungsform des vorliegenden Schweißsystems umfasst eine Schweißenergiequelle, die einen Wechselstrom in einer gewählten Wellenform bereitstellt, mit einem Satz positiver und negativer Abschnitte, wobei der negative Abschnitt aus einer Spitzen-, Tailout- und Hintergrundphase besteht und der positive Abschnitt aus einer Spitze, einem Tailout und Hintergrund besteht; wobei die Energiequelle während der Abschnürphase einen rampenförmig ansteigenden Strom bereitstellt, während des negativen Abschnitts, der aus Spitzen-, Tailout- und Hintergrundphase besteht, in einen Strom mit der Elektrode als negativen Pol schaltet, und zu einem anschließenden Abschnitt mit der Elektrode als positiven Pol schaltet; wobei der positive Abschnitt vor dem nächsten Kurzschlussereignis wiederholt werden kann.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems ist die Wellenform eine Oberflächenspannungsübertragungswellenform.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems ist die Wellenform eine GMAW-Wellenform.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems enthält die Schweißenergiequelle einen Wellenformgenerator, der dazu ausgebildet ist, die gewählte Wellenform bereitzustellen, wobei der Wellenformgenerator dazu ausgebildet ist, ein Ende einer Kurzschluss-(d. h., Einschnürungs-)Bedingung auf der Basis zumindest eines von dv/dt, Scheinwiderstand oder einem Zeitgeber auf der Basis eines Vorhersagemodells zu erfassen, wobei die Energiequelle beim Erfassen des Endes des Kurzschlusses in den Strom mit der Elektrode als negativen Pol schaltet.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems stellt die Schweißenergiequelle den Abschnürstrom mit der Elektrode als positiven Pol bereit.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems enthält die Wellenform eine Ablösephase und wobei die Schweißenergiequelle einen Lichtbogen während der Ablösephase mit einem Strom mit der Elektrode als positiven Pol wieder entzündet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Systems schaltet die Wellenform nach der Ablösephase in einen Strom mit der Elektrode als negativen Pol, um eine Strahlkraft zu erzeugen, die imstande ist, ein fernliegendes Ende der Elektrode von einem Schmelzsumpf wegzuschieben.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems enthält die Wellenform ferner eine Hintergrundphase und Eintrittsphase vor der Abschnürphase, wobei die Hintergrundphase und Eintrittsphase die Elektrode als positiven Pol haben, wobei die Hintergrundphase eine höhere Amperezahl aufweist als die Eintrittsphase.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems stellt die Schweißenergiequelle während der Eintrittsphase einen Strom von etwa 20 Ampere bis etwa 40 Ampere bereit.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems stellt die Schweißenergiequelle während der Hintergrundphase negativer Polarität einen Strom im Bereich von etwa 40 bis 80 Ampere bereit.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems stellt die Schweißenergiequelle während der Hintergrundphase positiver Polarität einen Strom im Bereich von etwa 40 bis 80 Ampere bereit.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems stellt die Schweißenergiequelle während der Spitzenstromphase negativer Polarität einen Strom im Bereich von etwa 150 bis 350 Ampere bereit.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems stellt die Schweißenergiequelle einen Strom mit einem quadratischen Mittelwert (Root Mean Square – RMS) im Bereich von etwa 50 bis 300 Ampere bereit.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems hat jeder von dem einen Puls oder den mehreren Pulsen eine Dauer im Bereich von etwa 0,5 bis 2 Millisekunden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems tritt der negative Abschnitt nach der Abschnürphase auf und ist von der Abschnürphase durch eine Ablösephase getrennt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems enthält die negative Tailout-Phase ein zunehmendes Senken des Stroms mit der Elektrode als negativen Pol.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems enthält die Schweißgerätenergiequelle eine Steuerung in Verbindung mit einem Zustandsfunktionsgenerator, einen Digitalsignalprozessor in Verbindung mit dem Zustandsfunktionsgenerator, einen Inverter in Verbindung mit dem Digitalsignalprozessor, wobei der Inverter elektrisch mit einer Energiequelle, einem Schaltkreis und einem Stromreduzierelement verbunden ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Systems ist der Schaltkreis ein H-Brücken-Polaritätsschalter.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems ist der Zustandsfunktionsgenerator elektrisch mit mindestens einem von dem Brenner und dem Werkstück verbunden, um von diesem eine Spannungs- oder Stromrückmeldung zu erhalten.
Eine andere Ausführungsform des vorliegenden Schweißsystems umfasst eine Schweißenergiequelle, die dazu ausgebildet ist, einer Elektrode einen Wechselstrom in einer gewählten Wellenform bereitzustellen; wobei die Elektrode verbrauchbar ist und wobei die Wellenform eine oder mehrere Phasen enthält, in welchen die Elektrode einen geschmolzenen Tropfen an ihrem freiliegenden Ende erzeugt, wobei ein Kurzschluss zwischen der Elektrode und dem Werkstück erfolgt, wenn sich der geschmolzene Tropfen von der Elektrode löst; wobei die Schweißenergiequelle dazu ausgebildet ist, den Kurzschluss zu erfassen und der Elektrode einen Spitzenstrom mit der Elektrode als negativen Pol nach der Übertragung des geschmolzenen Tropfens auf das Werkstück bereitzustellen; wobei die Schweißenergiequelle eine Strahlkraft erzeugt, die einen Sumpf, der durch den geschmolzenen Tropfen erzeugt wird, zum Werkstück schiebt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Wellenform eine Oberflächenspannungsübertragungswellenform.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Lichtbogenschweißprozess ein Gasmetall-Lichtbogenschweiß-(GMAW)Prozess sein, der zum Beispiel Argon und CO₂ als Abschirmgase oder CO₂ als solches verwendet. Die Schweißelektrode kann Stahl oder Edelstahl enthalten. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Hintergrundstrompegel etwa 70 Ampere sein, der Spitzenstrompegel kann etwa 330 Ampere sein und der Zwischenstrompegel kann etwa 210 Ampere sein. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die vordefinierte Pulsrate der wärmeerhöhenden Strompulse etwa 330 Hz sein und eine Drahtvorschubgeschwindigkeit des Lichtbogenschweißprozesses kann etwa 150 Inch pro Minute sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform, ein Schweißsystem zum Durchführen eines Lichtbogenschweißprozesses durch Erzeugen einer elektrischen Schweißwellenform, um eine Reihe von elektrischen Lichtbogenpulsen zwischen einer vorrückenden Schweißelektrode und einem Metallwerkstück zu erzeugen, wobei das System eine erste Konfiguration elektronischer Komponenten zum Erzeugen eines Wechselstroms enthält, wobei die erste Konfiguration elektronischer Komponenten den Wechselstrom in einer Hintergrundstromphase, einer Spitzenstromphase und einer Tailout-Stromphase der elektrischen Schweißwellenform bereitstellt, wobei die Hintergrundstromphase einen Hintergrundstrompegel bereitstellt, die Spitzenstromphase einen Spitzenstrompegel bereitstellt und die Tailout-Stromphase einen abnehmenden Tailout-Strompegel bereitstellt; sowie eine zweite Konfiguration elektronischer Komponenten zum Erzeugen einer Abschnürstromphase der elektrischen Schweißwellenform, wobei die Abschnürstromphase einen steigenden Abschnürstrompegel bereitstellt; und eine dritte Konfiguration elektronischer Komponenten zum Senken eines Strompegels der elektrischen Schweißwellenform am Ende der Hintergrundstromphase unter den Hintergrundstrompegel als Reaktion darauf, dass die Elektrode zum Werkstück kurzschließt, wobei die dritte Konfiguration elektronischer Komponenten einen Strom mit der Elektrode als positiven Pol anlegt, um den Lichtbogen nach Kurzschließen der Elektrode erneut zu zünden; und wobei die erste Konfiguration elektronischer Komponenten einen Strom mit der Elektrode als negativen Pol während der Spitzenstromphase bereitstellt.
Diese und andere Merkmale sowie Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Teilansicht eines Schweißsystems gemäß einer Ausführungsform;
1A ist eine schematische Teilansicht eines Schweißsystems gemäß einer anderen Ausführungsform, wo eine Gasquelle strömungstechnisch mit einem Brenner verbunden ist, um eine Gasabschirmung für einen Schweißvorgang bereitzustellen;
1B ist eine schematische Teilansicht eines Schweißsystems gemäß einer anderen Ausführungsform, wo eine Flussmittelquelle bereitgestellt ist;
2 ist ein Schaltdiagramm eines Schweißsystems gemäß einer Ausführungsform;
3 ist eine Veranschaulichung eines Zyklus einer elektrischen Lichtbogenschweißwellenform, die in einem Schweißsystem gemäß einer Ausführungsform verwendet wird;
4 ist eine Veranschaulichung von Stufen eines Lichtbogenschweißprozesses, der durch ein Schweißsystem gemäß einer Ausführungsform ausgeführt wird, während eines Zyklus, der in 3 dargestellt ist;
5 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Betrieb eines Schweißsystems gemäß einer Ausführungsform zeigt;
6 ist ein Funktionsblockdiagramm, das ein Schweißsystem gemäß einer Ausführungsform zeigt;
7 ist eine teilweise schematische Veranschaulichung einer Elektrode gemäß einer Ausführungsform, die Einzelheiten einer Strahlkraft zeigt, die durch einen Elektronenfluss von der Elektrode zum Schmelzsumpf an einem Werkstück erzeugt wird, der mit einer Wechselstromquellenwellenform erzeugt wird; und
8 ist eine teilweise schematische Veranschaulichung einer Elektrode ähnlich 7, die einen Elektronenfluss von einer Elektrode unter Verwendung einer Gleichstromquelle zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Schweißsystem 100 gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Das Schweißsystem 100 enthält allgemein eine Schweißenergiequelle 120, die elektrischen Strom für ein Gerät 140 bereitstellt, das zum Bilden einer Schweißnaht verwendet wird. Die Energiequelle 120 kann ein Steuergerät, das allgemein mit 130 angegeben ist, enthalten, mit einem Ausgang 132, wie einem Anzeigeschirm, LEDs oder einer anderen sichtbaren, hörbaren oder spürbaren Vorrichtung zum Übermitteln von Informationen zu einem Anwender oder einer anderen Vorrichtung. Die Energiequelle 120 kann auch einen Eingang 134 enthalten, der Befehle oder andere Informationen von einer außerhalb liegenden Quelle empfängt. Ein Eingang kann eine Verbindung zu einer anderen Maschine, einem Hängeregler oder Steuerungen am Gerät, wie Knöpfe, Schalter, Tastaturen und dergleichen sein. Ein Eingang von außenliegenden Quellen, einschließlich des Anwenders, können zum Wählen eines Schweißprozesses oder Anpassungseinstellungen verwendet werden, die beim Durchführen eines Schweißvorgangs verwendet werden, oder Einstellungen, die sich auf den bestimmten Verbrauchsstoff oder das Schweißgerät 140 beziehen.
Das Schweißgerät 140 kann ein Schweißbrenner 142 sein. Die Energiequelle 120 ist elektrisch mit einer Elektrode 150 verbunden, die durch das Gerät 140 bereitgestellt wird, einschließlich, ohne aber darauf beschränkt zu sein, einer verbrauchbaren Elektrode, wie eines vorrückenden Drahtes, Stabs oder dergleichen. Die Energiequelle 120 ist ferner durch eine Erdleitungskabelklemme 157 oder dergleichen mit einem Werkstück 210 verbunden, um einen Schweißstromkreis 150 zu bilden.
In dem in 1 dargestellten Beispiel ist ein Drahtvorschub, allgemein mit 170 angegeben, mit dem Brenner 142 verbunden, um Draht 172 von einer Drahtversorgung 174, wie einer Spule, einem Kasten oder einer anderen Packung durch den Brenner 142 an das Werkstück 210 abzugeben. Wie in 1A dargestellt, kann auch eine Gasquelle 180 bereitgestellt und strömungstechnisch mit dem Brenner verbunden sein, um eine Gasabschirmung für einen Schweißvorgang bereitzustellen, angegeben bei 182. 1B zeigt eine weitere Ausführungsform, wo eine Flussmittelquelle 190 für Unterpulver- oder andere Schweißvorgänge bereitgestellt ist, wo eine Flussmittelabgabe erforderlich ist. Es ist klar, dass verschiedene Komponenten aus den Ausführungsformen, die in den Figuren dargestellt sind, wie für eine bestimmte Anwendung erforderlich kombiniert oder untereinander getauscht werden können.
2 ist ein Schaltdiagramm, das Einzelheiten einer Energiequelle 120 gemäß der Erfindung zeigt. Eine vorrückende Elektrode 150, die zu einem Werkstück 210 vorgeschoben wird, ist schematisch mit den elektrischen Verbindungen zur Energiequelle 120 dargestellt. Eine beispielhafte Ausführungsform eines Systems 100 zum Erzeugen des elektrischen Schweißwellenformzyklus 300 (3). Das System 100 ist ein System vom Zustandsmaschinentyp, wie hier beschrieben. Das Lincoln Electric Power Wave^TM S400 System ist ein Beispiel eines Systems vom Zustandsmaschinentyp.
Das System 100 enthält ein Schweißprogramm 410, das auf einen zustandsbasierten Funktionsgenerator 420 geladen ist. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält der zustandsbasierte Funktionsgenerator 420 eine programmierbare Mikroprozessorvorrichtung. Das Schweißprogramm 410 enthält die Software-Anweisungen zum Erzeugen einer elektrischen Schweißwellenform 300. Das System enthält ferner einen Digitalsignalprozessor (DSP) 430, der betriebsbereit an den zustandsbasierten Funktionsgenerator 420 angeschlossen ist. Das System enthält auch eine Hochgeschwindigkeitsverstärkerinverter 440, der betriebsbereit an den DSP 430 angeschlossen ist.
Der DSP 430 erhält seine Anweisungen vom zustandsbasierten Funktionsgenerator 420 und steuert den Hochgeschwindigkeitsverstärkerinverter 440. Der Hochgeschwindigkeitsverstärkerinverter 440 transformiert eine Hochspannungseingangsenergie 441 in eine Niederspannungs-Schweißausgangsenergie gemäß Steuersignalen vom DSP 430. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt der DSP 430 zum Beispiel Steuersignale 435 bereit, die einen Zündwinkel (Zeitpunkt einer Schalteraktivierung) für den Hochgeschwindigkeitsverstärkerinverter 440 festlegen, um verschiedene Phasen einer elektrischen Schweißwellenform zu erzeugen.
Die Ausgänge 442 und 443 des Hochgeschwindigkeitsverstärkerinverters 440 sind betriebsbereit mit einer Schweißelektrode 150 bzw. einem Werkstück 210 verbunden, um einen Schweißstrom bereitzustellen, der einen elektrischen Lichtbogen EA zwischen der Elektrode 150 und dem Werkstück 210 bildet. Das System 100 enthält auch eine Spannungs- und Stromrückkopplungskapazität 470, die eine Spannung zwischen der Elektrode 150 und dem Werkstück 210 fühlt und die Strom fühlt, der durch den Schweißstromkreis fließt, der durch die Elektrode 150, das Werkstück 210 und den Hochgeschwindigkeitsverstärkerinverter 440 gebildet wird. Der gefühlte Strom und die Spannung werden vom zustandsbasierten Funktionsgenerator 420 zum Erfassen eines Kurzschlusses der Elektrode 150 zum Werkstück 210 (d. h., eines Kurzschlusszustands) und zum Erfassen, wann eine geschmolzene Metallkugel davorsteht, von der Elektrode 150 abgeschnürt zu werden (d. h., eines Kurzschlussaufhebungszustands), verwendet.
Das System 100 enthält vorzugsweise einen Stromreduktionsschalter 482, der unten ausführlicher beschrieben ist. Das Stromreduzierelement 480 ist betriebsbereit zwischen den Ausgängen 442 und 443 des Hochgeschwindigkeitsverstärkerinverters 440 verbunden. Das Stromreduzierelement 480 ist auch betriebsbereit an den DSP 430 angeschlossen. Wenn eine Kurzschlussbedingung zwischen der Elektrode 150 und dem Werkstück 210 eintritt, befielt der DSP 430 dem Stromreduzierelement 480 über ein Steuersignal 436, den Strompegel durch den Schweißstromkreis unter einen vordefinierten Hintergrundstrompegel zu ziehen. Wie zum Beispiel dargestellt, kann das Stromreduzierelement 480 Schalter 482A und 482B und einen Widerstand 484 enthalten, die zusammenarbeiten, um selektiv einen Widerstand 484 in der betriebsbereiten Schaltung hinzuzufügen, um den Strom zur Elektrode 150 zu reduzieren. In ähnlicher Weise, wenn ein Kurzschlussaufhebungszustand, hier auch als Ablösung bezeichnet, eintritt (d. h., eine geschmolzene Metallkugel wird vom fernliegenden Ende der Elektrode 150 abgeschnürt), befiehlt der DSP 430 dem Stromreduzierelement 480, den Strompegel durch den Schweißstromkreis unter einen vordefinierten Hintergrundstrompegel zu ziehen. Die Steuerung der Polarität, d. h., das Anlegen eines Stroms mit der Elektrode als positiven Pol oder mit der Elektrode als negativen Pol, kann durch eine Polaritätssteuerung reguliert werden, die allgemein mit 490 angegeben ist. Zum Beispiel kann die Polaritätssteuerung 490 einen H-Brückenpolaritätsschalter 492 oder eine andere geeignete Festkörperzustandskomponente oder programmierbare Steuerung enthalten, die imstande ist, die Strompolarität zu steuern.
3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Zyklus 300 einer elektrischen Schweißwellenform 305, die in einem Lichtbogenschweißprozess 200 verwendet wird. 4 zeigt die verschiedenen Stufen (A–E) des Lichtbogenschweißprozesses über den Zyklus 300 unter Verwendung der elektrischen Schweißwellenform von 3, wobei das Verhältnis zwischen einer Schweißelektrode 150 und einem Metallwerkstück 210 gezeigt wird. Während eines Lichtbogenschweißprozesses stellt das Schweißsystem 100 einen elektrischen Strom in einer gewählten Wellenform 305 bereit, um die elektrischen Lichtbogenpulse zu erzeugen. Im Allgemeinen wiederholt sich der Zyklus 300 periodisch während des Lichtbogenschweißprozesses, um die resultierende Schweißnaht zu erzeugen. Der Zyklus 300 kann sich jedoch ohne dieselbe Anzahl von Pulsen und möglicherweise ohne bestimmte Phasen innerhalb des Zyklus 300 wiederholen, wie in der Folge ausführlicher beschrieben ist.
Der Zyklus 300 der elektrischen Schweißwellenform 305 enthält eine Hintergrundstromphase 310 positiver Polarität, die einen Hintergrundstrompegel 311 positiver Polarität bereitstellt, eine positive Abschnürstromphase 320, die einen monoton zunehmenden Abschnürstrompegel 321 bereitstellt, eine Spitzenstromphase 330 negativer Polarität, die einen Spitzenstrompegel 331 negativer Polarität bereitstellt, und eine negative Tailout-Stromphase 340, die einen abnehmenden Tailout-Strompegel 341 bereitstellt.
Während der Hintergrundstromphase 310 positiver Polarität wird ein elektrischer Lichtbogen EA zwischen der Elektrode 150 und dem Werkstück 210 aufrechterhalten, um eine geschmolzene Metallkugel 220 an einem fernliegenden Ende 155 der Elektrode 150 zu erzeugen (siehe Stufe A in 4). In Stufe B schließt die geschmolzene Metallkugel 220, die noch mit der Elektrode 150 verbunden ist, zum Werkstück 210 kurz. Wenn der Kurzschluss eintritt, wird der Lichtbogen EA ausgelöscht und der Strompegel der Wellenform 305 fällt unter den Hintergrundstrompegel 311 auf einen Strompegel 312, wodurch die geschmolzene Kugel 220 in einen Sumpf auf dem Werkstück 210 eintreten kann. Gemäß einer Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist, stellt das Schweißsystem 100 beim Kurzschließen und Ablösen einer geschmolzenen Metallkugel 220 der Elektrode 150 einen Strom mit der Elektrode als negativen Pol bereit.
Während der Abschnürstromphase 320 positiver Polarität wird der Strompegel der Wellenform 305 monoton über den Hintergrundstrompegel 311 erhöht (steigt z. B. rampenförmig), wodurch der steigende Abschnürstrompegel 321 bereitgestellt wird, der die kurzgeschlossene geschmolzene Metallkugel 220 veranlasst, sich vom fernliegenden Ende der Elektrode 150 in den Sumpf des Werkstücks 210 abzuschnüren, wie in Stufe C von 4 dargestellt ist. Wenn die geschmolzene Metallkugel 220 unmittelbar davorsteht, sich von der Elektrode 150 abzuschnüren, wird der Strompegel der Wellenform 305 wieder unter den Hintergrundstrompegel 311 auf einen Strompegel 314 gesenkt, um Schweißspritzer zu vermeiden, und ein Lichtbogen EA wird wieder zwischen der Wellenlänge 150 und dem Werkstück 210 errichtet.
Sobald der Lichtbogen EA wiedererrichtet ist, tritt die Wellenform 305 in die Spitzenstromphase 330 negativer Polarität. Während der Spitzenstromphase 330 negativer Polarität wird der Strompegel der Wellenform 305 erhöht und bei dem Spitzenstrompegel 331 negativer Polarität gehalten. Gemäß einer Ausführungsform ist der Spitzenstrompegel 331 negativer Polarität typischerweise der höchste Strompegel der Wellenform 305 und errichtet einen Lichtbogen EA ausreichender Stärke zwischen der Elektrode 150 und dem Werkstück 210, um mit der Bildung einer nächsten geschmolzenen Metallkugel 220 am fernliegenden Ende der Elektrode 150 zu beginnen.
Nach der Spitzenstromphase 330 negativer Polarität tritt die Wellenform 305 in die Tailout-Stromphase 340 negativer Polarität. Während der Tailout-Stromphase 340 negativer Polarität sinkt der Strompegel der Wellenform 305 auf den negativen Hintergrundstrompegel 341, wodurch der abnehmende Tailout-Strompegel bereitgestellt wird. In dem dargestellten Beispiel wird die Tailout-Abnahme exponentiell durchgeführt (3). Der Strom der Wellenform 305 gibt Wärme an die Schweißnaht ab.
Nach dem negativen Hintergrundstrompegel 341 tritt der positive Polaritätsabschnitt ein und stellt den Strom positiver Polarität bereit. Während des positiven Polaritätsabschnitts wird zumindest ein wärmeerhöhender Strompuls erzeugt, der einen Zwischenstrompegel 351 bereitstellt, dessen Amplitude zwischen dem Hintergrundstrompegel 311 und dem Spitzenstrompegel 331 negativer Polarität liegt. Der wärmeerhöhende Strompuls kann innerhalb des positiven Polaritätsabschnitts periodisch wiederholt werden, bis der nächste Kurzschluss zwischen der geschmolzenen Metallkugel 220 und dem Werkstück 210 eintritt, wobei zu diesem Zeitpunkt der Lichtbogen EA ausgelöscht wird und der Strompegel der Wellenform 305 unter den Hintergrundstrompegel 311 auf einen Strompegel 312 gesenkt wird, so dass die nächste geschmolzene Metallkugel 220 in den Sumpf des Werkstücks 210 eintreten kann (Stufe B).
Die wärmeerhöhenden Strompulse 350 dienen zum Wiedererwärmen des Sumpfes und der umgebenden Fläche, um ein Eindringen zu erhöhen. Eine solche Wärmeerhöhung, die durch die wärmeerhöhenden Strompulse 350 bereitgestellt wird, kann zum Beispiel beim Schweißen einer offenen Wurzelverbindung erwünscht sein, um für ein besseres Eindringen zu sorgen, ohne die Fluidität des Sumpfes zu erhöhen. Die wärmeerhöhenden Pulse haben keine so große Amplitude, um Tropfen über den Lichtbogen zu transferieren, und keine so weite Pulsbreite, um das Schweißsystem über dem Kurzlichtbogen zu einem tropfenförmigen Werkstoffübergang zu zwingen. Auch hier wird im Allgemeinen der Zyklus 300 periodisch während des Lichtbogenschweißprozesses wiederholt, um die resultierende Schweißnaht zu erzeugen. Der Zyklus 300 kann jedoch ohne dieselbe Anzahl von wärmeerhöhenden Pulsen 350 wiederholt werden und möglicherweise ohne die Abschnürstromphase 320, wenn es zu keinem Kurzschluss kommt.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Wellenform 305 zum Durchführen eines Oberflächenspannungstransferprozesses (STT) verwendet, wobei der geschmolzene Tropfen am Ende der Elektrode 150 gebildet wird und in ein Werkstück 210 oder den Schweißsumpf eintritt. In anderen Ausführungsformen verlässt man sich nicht auf den STT-Prozess, um die Raupe zu ziehen, und die Raupe wird vom fernliegenden Ende durch die elektromagnetischen Kräfte ausgestoßen, die am elektrischen Lichtbogen EA erzeugt werden. Die hier beschriebenen Ausführungsformen können in jedem Schweißprozess verwendet werden, einschließlich MIG/MAG, GMAW, SMAW, FCMAW und dergleichen.
Unter Bezugnahme auf 3 stellt eine Energiequelle 120 einen Hintergrundstrompegel 311 positiver Polarität während der Hintergrundstromphase 310 positiver Polarität bereit. Unter Bezugnahme auf 2, enthält eine Eintrittsphase ein Öffnen eines Schalters 482, wie in der Folge ausführlicher beschrieben ist, um einen Widerstand zu erhöhen und den Strom zum Tropfen zu verringern. Der Tropfen tritt in das Werkstück oder einen Schmelzsumpf, der durch vorangehenden Tropfen gebildet wurde. Die Amperezahl der Eintrittsphase ist im Allgemeinen geringer als der Hintergrundstrom und variiert abhängig von der besonderen Hardware, d. h., dem Werkstückmaterial, Elektrodenmaterial und der Energiequelle. In dem dargestellten Beispiel liegt die Amperezahl im Bereich von etwa 20 Ampere bis etwa 40 Ampere. Die Dauer der Eintrittsphase kann variieren, so dass ausreichende Zeit für einen Eintritt des Tropfens in den Sumpf oder das Werkstück zur Verfügung steht. Nach dem Eintritt wird der Schalter geschlossen, um den Widerstand zu senken und die Strompegel stufenweise zu erhöhen, um mit der Abschnürphase zu beginnen. Wie besprochen, enthält die Abschnürphase ein Erhöhen des Stroms, und dem geschmolzenen Tropfen abzuschnüren und ihn aus dem fernliegenden Ende der Elektrode 150 auszustoßen.
Als ein Beispiel ist der Lichtbogenschweißprozess gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Gas-Metall-Lichtbogenschweiß-(GMAW)Prozess, der Argon und Kohlendioxid als Abschirmgase verwendet, die in einem STT-Prozess angewendet werden. Der Hintergrundstrompegel 311 ist etwa 70 Ampere, der Spitzenstrompegel 331 ist etwa 330 Ampere und der Zwischenstrompegel 351 ist etwa 210 Ampere. Die Pulsbreite eines einzelnen wärmeerhöhenden Pulses 350 ist etwa 1 Millisekunde und kann etwa alle 3 Millisekunden bis zu drei bis sechs Pulse während der Hintergrundstromphase 310 wiederholt werden. Die Periode des Zyklus 300 ist etwa 15 Millisekunden.
6 zeigt ein Funktionsblockdiagramm einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines Systems 600 zum Erzeugen der elektrischen Schweißwellenform 305 von 1. Das System 600 stellt eine Energieerzeugungskapazität durch eine Wechselstromenergiequelle 610 und eine modulierende Wellenform-Erzeugungs- und Formungskapazität 620 zum Erzeugen einer modulierenden Wellenform 305' bereit. Das System 600 stellt auch eine Kurzschlusserfassungs- und Vorwarnungserfassungs-(Antizipation einer Kurzschlussaufhebung)Kapazität bei einem Kurzschlussdetektor/Kurzschlussaufhebungsantizipator 630 bereit um zu erfassen, wann eine Kurzschlussbedingung zwischen der Elektrode 150 und dem Werkstück 219 eintritt, und zu antizipieren, wann eine Kurzschlussbedingung unmittelbar vor einer Beendigung steht (Kurzschlussaufhebungsbedingung), da eine geschmolzene Metallkugel (z. B. 220) in den Sumpf auf dem Werkstück 210 abgeschnürt wird.
Eine modulierende Wellenform 305', die durch die modulierende Wellenform-Erzeugungs- und Formungskapazität 620 erzeugt wird, wird zum Modulieren der Stromerzeugungskapazität 610 verwendet, die der Elektrode 150 und dem Werkstück 210 elektrischen Strom in der Form der elektrischen Schweißwellenform 305 bereitstellt. Die modulierende Wellenform-Erzeugungs- und Formungskapazität 620 enthält eine periodische Basiswellenformerzeugungskapazität 621. 3 und 4 zeigen beispielhafte Ausführungsformen von Abschnitten der modulierenden Wellenform 305', wie sie von den verschiedenen Kapazitäten des Systems 600 von 6 erzeugt werden. 3 zeigt einen periodischen Basiswellenformzyklus 300, der von der periodischen Basiswellenformerzeugungskapazität 621 erzeugt wird. Die periodische Basiswellenformerzeugungskapazität 621 stellt periodisch die Erzeugung der Hintergrundstromphase 310, der Spitzenstromphase 330 und der Tailout-Stromphase 340 der modulierenden Wellenform 305' bereit.
Die modulierende Wellenform-Erzeugungs- und Formungskapazität 620 enthält auch eine Abschnürstromphasen-Erzeugungskapazität 622. 3 zeigt den periodischen Basiswellenformabschnitt 300 mit der Abschnürstromphase 320. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Abschnürstromphase 320 mit dem periodischen Basiswellenformabschnitt 300 unter Verwendung einer Signalsummierungskapazität 623 der modulierenden Wellenform-Erzeugungs- und Formungskapazität 620 summiert werden.
Die modulierende Wellenform-Erzeugungs- und Formungskapazität 620 enthält einen negativen Polaritätsabschnitt mit Spitzen-, Tailout- und Hintergrundstrom-Erzeugungskapazität 624A. 3 zeigt den negativen Polaritätsabschnitt mit Spitze 330, Tailout 340 und Hintergrund bei Pegel 341.
Die modulierende Wellenform-Erzeugungs- und Formungskapazität 620 enthält ferner einen positiven Polaritätsabschnitt mit Spitzen-, Tailout- und Hintergrundphase, bezeichnet als wärmeerhöhende Pulserzeugungskapazität 624B. 3 zeigt ferner den positiven Polaritätsabschnitt mit den wärmeerhöhenden Pulsen 350, der nach dem negativen Polaritätsabschnitt eingeschaltet wird. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die wärmeerhöhenden Pulse 350 während der Hintergrundstromphase 310 mit einer Signalschaltungskapazität 625 der modulierenden Wellenform-Erzeugungs- und Formungskapazität 620 eingeschaltet werden.
Die modulierende Wellenform-Erzeugungs- und Formungskapazität 620 enthält auch eine Sub-Hintergrundstrompegel-Erzeugungs-(Stromreduzierungs-)Kapazität 626. 3 zeigt die periodische Basiswellenform mit einem Sub-Hintergrundstrom-Eintrittsabschnitt 312. Ein weitere Sub-Hintergrundstromabschnitt kann beim Erfassen auftreten.
Die resultierende modulierende Wellenform 305' wird zum Modulieren der Energieerzeugungskapazität 610 verwendet, um die tatsächlichen Strompegel (311, 312, 314, 321, 331, 341, 351) der verschiedenen Abschnitte der elektrischen Schweißwellenform 305 zur Elektrode 140 und dem Werkstück 210 bereitzustellen, wie in 1 und 2 dargestellt. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff ”Strompegel” auf eine Stromamplitude, die im Wesentlichen stetig ist, aber einige Variationen aufgrund der etwas unbeständigen Eigenschaft bei der Erzeugung einer elektrischen Schweißwellenform haben kann.
Während eines Schweißprozesses, der das System 600 verwendet, überwacht die Kurzschlussdetektions- und Kurzschlussaufhebungsantizipationskapazität 630 Strom und Spannung an der Elektrode 150 und dem Werkstück 210 und erfasst, wann eine Kurzschlussbedingung zwischen der Elektrode 150 und dem Werkstück 210 eintritt, und antizipiert auch, wann die Kurzschlussbedingung vor einer Beendigung steht (Kurzschlussaufhebungsbedingung). Wenn ein Kurzschluss eintritt, zieht die Sub-Hintergrundpegelkapazität 627 sofort als Reaktion auf das Erfassen der Kurzschlussbedingung den Strompegel der Wellenform 305 unter den Hintergrundstrompegel 311 auf einen Strompegel 312, so dass eine geschmolzene Metallkugel in einem Sumpf auf dem Werkstück 210 eintreten kann, wie hier zuvor beschrieben. Dann legt die Abschnürstromphasen-Erzeugungskapazität 622 den monoton steigenden Abschnürstrompegel 621 an die Wellenform 305 an.
Wenn eine Kurzschlussaufhebungsbedingung antizipiert wird (d. h., die geschmolzene Metallkugel steht unmittelbar davor, vom fernliegenden Ende der Elektrode abgeschnürt zu werden), zieht die Sub-Hintergrundstrompegelkapazität den Strompegel der Wellenform 305 als Reaktion auf eine Antizipation der Kurzschlussaufhebungsbedingung wieder unter den Hintergrundstrompegel 311 auf den Strompegel 314, um Schweißspritzer zu vermeiden. Gemäß einer Ausführungsform stellt eine Neuzündungskapazität 629 einen Strompegel 314 mit der Elektrode als positiven Pol bereit, um den elektrischen Lichtbogen mit mehr Stabilität und weniger Schweißspritzern wieder zu entzünden.
Ferner wird eine Zeitgeberkapazität 627 der Wellenform-Erzeugungs- und Formungskapazität 620 ausgelöst. Die Zeitgeberkapazität 627 zählt über die Zeitsegmente abwärts, die von der negativen Spitzenstromphase 330 und der Tailout-Stromphase 340 eingenommen werden, bis die Wellenform 305 zum positiven Polaritätsabschnitt schaltet, der bei der positiven Spitzenstromphase 350 beginnt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Zeitgeberkapazität 627 mit dem Zeitmaß vorprogrammiert, das zwischen der Kurzschlussaufhebungsbedingung, dem Eintritt in den negativen Abschnitt und dem folgenden Zeitmaß vor dem Eintritt in den positiven Polaritätsabschnitt beginnt. Sobald die Zeitgeberkapazität 627 die Abwärtszählung beendet, was anzeigt, dass die Hintergrundstromphase 310 positiver Polarität erreicht ist, wird die Signalschaltungskapazität 625 ausgelöst, um den positiven Polaritätsabschnitt der Wellenform 305 zu wiederholen, bis eine nächste Kurzschlussbedingung erfasst ist. Die Pulsamplitude und -dauer können im Voraus oder abhängig von der Art des Werkstücks oder dem Elektrodenmaterial passend gewählt werden. In dem dargestellten Beispiel werden Pulse bei einer Rate von etwa 333 Hz mit einer Drahtvorschubgeschwindigkeit von etwa 150 Inch pro Minute in Verbindung mit einem Stahlwerkstück mit einer Dicke von etwa 0,045 Inch angelegt. Optional, für dünnwandige Werkstücke oder Werkstückmaterialien, die für eine Wärmezufuhr empfindlicher sein können, wie Aluminium, kann eine höhere Steuerung einer Wärmezufuhr durch Schalten zu einem wärmeerhöhenden Puls mit der Elektrode als negativen Pol erhalten werden.
Die verschiedenen Funktionskapazitäten des Systems 600 von 6 können unter Verwendung von Konfigurationen elektronischer Komponenten implementiert werden, die analoge und/oder digitale elektronische Komponenten enthalten können. Solche Konfigurationen elektronischer Komponenten können zum Beispiel Pulsgeneratoren, Zeitgeber, Zähler, Gleichrichter, Transistoren, Inverter, Oszillatoren, Schalter, Transformatoren, Wellenformer, Verstärker, Zustandsmaschinen, Digitalsignalprozessoren, Mikroprozessoren und Mikrosteuerungen enthalten. Abschnitte solcher Konfigurationen können programmierbar sein, um eine Flexibilität in der Implementierung bereitzustellen. Verschiedene Beispiele solcher Konfigurationen elektronischer Komponenten finden sich in US Patent Nr. 4,972,064 , US Patent Nr. 6,051,810 , US Patent Nr. 6,498,321 und in der US Patentanmeldung Seriennummer 11/861,379, von welchen jedes in seiner Gesamtheit hier zum Zwecke der Bezugnahme zitiert wird.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das System 600 eine erste Konfiguration elektronischer Komponenten, um die Hintergrundstromphase 310, die Spitzenstromphase 330 und die Tailout-Stromphase 340 der elektronischen Schweißwellenform 305 zu erzeugen. Das System 600 enthält ferner eine zweite Konfiguration elektronischer Komponenten, um die Abschnürstromphase 320 der elektrischen Wellenform 305 zu erzeugen. Das System 600 enthält ferner eine dritte Konfiguration elektronischer Komponenten, um den elektrischen Lichtbogen mit einem Strom mit der Elektrode als positiven Pol erneut zu zünden. Das System 600 enthält auch eine vierte Konfiguration elektronischer Komponenten, um zumindest einen wärmeerhöhenden Strompuls 350 der elektrischen Schweißwellenform 305 während der Hintergrundstromphase 310 zu erzeugen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das System 500 auch eine fünfte Konfiguration elektronischer Komponenten, um den Strompegel der elektrischen Schweißwellenform 305 am Ende der Hintergrundstromphase 310 als Reaktion auf einen Kurzschluss der Elektrode zum Werkstück unter den Hintergrundpegel zu senken, so dass der Tropfen in das Werkstück 210 oder einen Schmelzsumpf 230 eintreten kann. Das System 200 enthält ferner eine ähnliche Konfiguration elektrischer Komponenten, um den Strompegel der elektrischen Schweißwellenform 305 am Ende der Abschnürstromphase 320 in Antizipation einer Ablösung des Tropfens von der Elektrode 150 unter den Hintergrundstrompegel zu senken.
Die erste bis fünfte Konfiguration elektronischer Komponenten brauchen nicht unbedingt voneinander unabhängig sein, sondern können gewisse elektronische Komponenten teilen. Zum Beispiel können gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung viele der elektronischen Komponenten der ersten Konfiguration dieselben sein wie viele der elektronischen Komponenten in der dritten Konfiguration. Ebenso können viele der elektronischen Komponenten der vierten Konfiguration dieselben sein wie viele der elektronischen Komponenten der fünften Konfiguration. Andere gemeinsame Komponenten sind ebenso gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich.
Die funktionelle Implementierung, die in 6 dargestellt ist, zeigt eine beispielhafte Ausführungsform. Andere Ausführungsformen sind ebenso möglich. Zum Beispiel kann gemäß einer anderen Ausführungsform die Abschnürstromphase 320 durch eine Signalschaltungskapazität 625 in die modulierende Wellenform 305' geschaltet werden, anstatt durch die Signalsummierungskapazität 623 summiert zu werden. Ebenso können die wärmeerhöhenden Pulse 250 durch die Signalsummierungskapazität 623 zur modulierenden Wellenform 305' summiert werden, anstatt über die Signalschaltungskapazität 625 zu dieser geschaltet zu werden. Andere modifizierte Ausführungsformen sind ebenso möglich, die zum Erzeugen der elektrischen Schweißwellenform 305 von 1 oder zu ähnlichen Wellenformen mit zumindest einem wärmeerhöhenden Strompuls während einer Hintergrundstromphase führen.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens 500 zum Durchführen eines Wechselstromlichtbogenschweißprozesses unter Verwendung der Komponenten und Kapazität von System 200 und einer Wellenform wie jener, die in 3 dargestellt ist. In Schritt 510 wird ein Strom positiver Polarität bereitgestellt und zu einem Hintergrundstrompegel 311 geregelt, um einen elektrischen Lichtbogen EA zwischen einer Elektrode 150 und einem Werkstück 210 aufrechtzuerhalten, wodurch eine geschmolzene Metallkugel 220 am fernliegenden Ende 155 der Elektrode 150 erzeugt wird. In Schritt 520 wird der Strom unter den Hintergrundstrompegel 311 gesenkt, zum Beispiel durch Hinzufügen eines Widerstands zum Schweißstromkreis als Reaktion darauf, dass die geschmolzene Metallkugel 220 zum Werkstück 210 kurzschließt und den elektrischen Lichtbogen EA auslöscht. Die Abnahme im Strompegel wird aufrechterhalten, so dass die geschmolzene Metallkugel 220 in einen Sumpf auf dem Werkstück 210 eintreten kann. In Schritt 530 wird der Ausgangsstrompegel automatisch über den Hintergrundstrompegel 311 erhöht, um ein Abschnüren der geschmolzenen Metallkugel 220 vom fernliegenden Ende 155 der Elektrode 150 zu bewirken. Wie besprochen, kann die Erhöhung als lineare Funktion durchgeführt werden, um den Strom rampenförmig zu erhöhen, bis ein Ablösen in 535 antizipiert wird.
In Schritt 540 wird der Ausgangsstrompegel unter den Hintergrundstrompegel 311 gesenkt, wenn die geschmolzene Metallkugel 220 vom fernliegenden Ende 155 der Elektrode 150 auf das Werkstück 210 abgeschnürt ist, wodurch ein elektrischer Lichtbogen EA zwischen der Elektrode 150 und dem Werkstück 210 mit einem Strom mit der Elektrode als positiven Pol erneut gezündet wird. In Schritt 550 wird die Polarität auf eine Elektrode als negativen Pol geändert und der Ausgangsstrompegel wird als Reaktion auf die Wiedererrichtung eines elektrischen Lichtbogens EA auf einen Hintergrundstrompegel 311 der Wellenform 305 erhöht. In Schritt 560 erfolgt ein Übergang zum Abschnitt positiver Polarität, wodurch eine nächste geschmolzene Metallkugel 220 am fernliegenden Ende 155 der Elektrode 150 bereitgestellt wird. In Schritt 570, falls zusätzliche Wärme erforderlich ist, wird Schritt 575 durchgeführt, um einen wärmeerhöhenden Puls bei einem Zwischenstrompegel 351, der zwischen dem Hintergrundstrompegel 311 und dem Spitzenstrompegel 331 liegt, bei einer vordefinierten Pulsrate nach Bedarf anzulegen, bis ein nächster Kurzschluss zwischen der nächsten geschmolzenen Metallkugel 220 erzeugt wird. Wenn in Schritt 580 der Lichtbogenschweißprozess nicht beendet ist, kehrt der Prozess zu Schritt 520 zurück, andernfalls endet er.
Gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen erzeugt ein Bereitstellen einer Wechselstromquelle in einer Wellenform 305 einen elektrischen Lichtbogen EA mit einem Elektronenfluss wie in 7 dargestellt. Auf diese Weise legt das System 100 eine Strahlkraft 710, angegeben durch Pfeile, entsprechend dem Elektronenfluss an, die relativ zur Elektrode 150 diffus ist. Wie dargestellt, strahlt der Elektronenfluss von der Elektrode 150 und dem geschmolzenen Tropfen 220 in radialen Bögen nach unten, die mit dem Werkstück in zunehmend größeren Abständen von einem Mittelpunkt der Elektrode in Kontakt gelangen. Auf diese Weise legt das System 100 während der Lichtbogenphasen die Strahlkraft 710 an den darunterliegenden Schweißsumpf P und eine gleichförmiger verteilte, nach außen gerichtete Kraft an den geschmolzenen Tropfen 220 an, während sich dieser von der Elektrode 150 löst. Die Strahlkraft 710 schiebt den geschmolzenen Metalltropfen 220 in den Sumpf P und drängt den Sumpf von der Elektrode mit einer gleichförmigen Kraftverteilung nach außen, was zu einer besseren Raupenform führt, wenn sich das geschmolzene Schweißmaterial erhärtet. Das stabilere Elektronenflussmuster und die resultierende Strahlkraft verringern ferner die Wahrscheinlichkeit von Schweißspritzern durch Anlegen gleichförmiger Kräfte, während sich der Tropfen löst und in den Sumpf P überführt wird, und auch durch Verringern der Instabilitäten, die bewirken können, dass der Schwanz des Tropfens während der Wiederentzündung des Lichtbogens explodiert. Im Gegensatz dazu führt ein Anlegen eines Gleichstroms (DC) mit derselben Wellenform 305 zu einem fokussierten Elektronenfluss und einer konzentrierten Kraft, wie in 8 dargestellt. Die erzeugten Kräfte stoßen den Tropfen zurück und können ungleichförmig oder instabil sein, so dass der resultierende Schmelzsumpf P unregelmäßig ist oder keine gewünschte Form im gehärteten Zustand hat. Praktisch gesagt, Defekte im Raupenerscheinungsbild können eine anschließende maschinelle Bearbeitung erfordern oder, wenn die Raupe ineffektiv ist, kann die Schweißnaht neu gemacht werden müssen.
Zusammenfassend umfasst eine erste Ausführungsform des vorliegenden Schweißsystems eine Schweißenergiequelle, die einen Wechselstrom in einer gewählten Wellenform bereitstellt, mit einem Satz positiver und negativer Abschnitte, wobei der negative Abschnitt aus einer Spitzen-, Tailout- und Hintergrundphase besteht und der positive Abschnitt aus einer Spitze, einem Tailout- und Hintergrund besteht; wobei die Energiequelle einen rampenförmig ansteigenden Strom während der Abschnür- und Ablösephase bereitstellt, während der Spitzen-, Tailout- und Hintergrundphase zu einem Strom mit der Elektrode als negativen Pol schaltet und zu einem anschließenden Abschnitt mit der Elektrode als positiven Pol schaltet; wobei der positive Abschnitt vor dem nächsten Kurzschlussereignis wiederholt werden kann.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems ist die Wellenform eine Oberflächenspannungsübertragungswellenform.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems ist die Wellenform eine GMAW-Wellenform.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems enthält die Schweißenergiequelle einen Wellenformgenerator, der dazu ausgebildet ist, die gewählte Wellenform bereitzustellen, wobei der Wellenformgenerator dazu ausgebildet ist, ein Ende einer Kurzschluss-(d. h., Einschnürungs-)Bedingung auf der Basis zumindest eines von dv/dt, Scheinwiderstand oder einem Zeitgeber auf der Basis eines Vorhersagemodells zu erfassen, wobei die Energiequelle beim Erfassen des Endes des Kurzschlusses in den Strom mit der Elektrode als negativen Pol schaltet.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems stellt die Schweißenergiequelle den rampenförmig ansteigenden Strom mit der Elektrode als positiven Pol bereit.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems enthält die Wellenform eine Ablösephase und wobei die Schweißenergiequelle einen Lichtbogen während der Ablösephase mit einem Strom mit der Elektrode als positiven Pol wieder entzündet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Systems schaltet die Wellenform nach der Ablösephase in einen Strom mit der Elektrode als negativen Pol, um eine Strahlkraft zu erzeugen, die imstande ist, ein fernliegendes Ende der Elektrode von einem Schmelzsumpf wegzuschieben.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems enthält die Wellenform ferner eine Hintergrundphase und Eintrittsphase vor der Abschnürphase, wobei die Hintergrundphase und Eintrittsphase die Elektrode als positiven Pol haben, wobei die Hintergrundphase eine höhere Amperezahl aufweist als die Eintrittsphase.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems stellt die Schweißenergiequelle während der Eintrittsphase einen Strom von etwa 20 Ampere bis etwa 40 Ampere bereit.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems stellt die Schweißenergiequelle während der Hintergrundphase einen Hintergrundstrom im Bereich von etwa 50 bis 75 Ampere bereit.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems stellt die Schweißenergiequelle während der einen Strom im Bereich von etwa 100 bis 250 Ampere bereit.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems hat jeder von dem einen Puls oder den mehreren Pulsen eine Dauer im Bereich von etwa 0,5 bis 2 Millisekunden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems tritt der Abschnitt negativer Polarität nach der Abschnürphase auf und ist von der Abschnürphase durch eine Ablösephase getrennt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems enthält die negative Tailout-Phase ein zunehmendes Senken des Stroms mit der Elektrode als negativen Pol.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems enthält die Schweißgerätenergiequelle eine Steuerung in Verbindung mit einem Zustandsfunktionsgenerator, einen Digitalsignalprozessor in Verbindung mit dem Zustandsfunktionsgenerator, einen Inverter in Verbindung mit dem Digitalsignalprozessor, wobei der Inverter elektrisch mit einer Energiequelle, einem Schaltkreis und einem Stromreduzierelement verbunden ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Systems ist der Schaltkreis ein H-Brücken-Polaritätsschalter.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Systems ist der Zustandsfunktionsgenerator elektrisch mit mindestens einem von dem Brenner und dem Werkstück verbunden, um von diesem eine Spannungs- oder Stromrückmeldung zu erhalten.
Eine andere Ausführungsform des vorliegenden Schweißsystems umfasst eine Schweißenergiequelle, die dazu ausgebildet ist, einer Elektrode einen Wechselstrom in einer gewählten Wellenform bereitzustellen; wobei die Elektrode verbrauchbar ist und wobei die Wellenform eine oder mehrere Phasen enthält, in welchen die Elektrode einen geschmolzenen Tropfen an ihrem freiliegenden Ende erzeugt, wobei ein Kurzschluss zwischen der Elektrode und dem Werkstück erfolgt, wenn sich der geschmolzene Tropfen von der Elektrode löst; wobei die Schweißenergiequelle dazu ausgebildet ist, das Ablösen/den Kurzschluss zu erfassen und der Elektrode einen Spitzenstrom mit der Elektrode als negativen Pol nach der Übertragung des geschmolzenen Tropfens auf das Werkstück bereitzustellen; wobei die Schweißenergiequelle dazu ausgebildet ist, nach Übertragung des Tropfens den Strom von einem mit der Elektrode als positiven Pol zu jenem mit der Elektrode als negativen Pol zu schalten; wobei die Schweißenergiequelle eine Strahlkraft erzeugt, die einen Sumpf, der durch den geschmolzenen Tropfen erzeugt wird, zum Werkstück schiebt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Wellenform eine Oberflächenspannungsübertragungswellenform.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Lichtbogenschweißprozess ein Gasmetall-Lichtbogenschweiß-(GMAW)Prozess sein, der zum Beispiel Argon und CO₂ als Abschirmgase oder CO₂ als solches verwendet. Die Schweißelektrode kann Stahl oder Edelstahl enthalten. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Hintergrundstrompegel etwa 70 Ampere sein, der Spitzenstrompegel kann etwa 330 Ampere sein und der Zwischenstrompegel kann etwa 210 Ampere sein. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die vordefinierte Pulsrate der wärmeerhöhenden Strompulse etwa 330 Hz sein und eine Drahtvorschubgeschwindigkeit des Lichtbogenschweißprozesses kann etwa 150 Inch pro Minute sein.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf gewisse Ausführungsformen beschrieben wurde, ist Fachkundigen klar, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifizierungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren Umfang abzuweichen. Daher soll die Erfindung nicht auf die besondere offenbarte Ausführungsform beschränkt sein, sondern die Erfindung soll alle Ausführungsformen enthalten, die im Umfang der beiliegenden Ansprüche liegen.
Bezugszeichenliste

100: Schweißsystem
120: Schweißenergiequelle
130: Steuergerät
132: Ausgang
134: Eingang
140: Gerät
142: Schweißbrenner
150: Elektrode
155: Ende
157: Erdleitungskabelklemme
170: Drahtvorschub
172: Draht
174: Drahtversorgung
180: Gasquelle
182: Schweißvorgang
190: Flussmittelquelle
210: Werkstück
219: Werkstück
220: Metallkugel
230: Schmelzsumpf
300: Schweißwellenformzyklus
305: Wellenform
310: Hintergrundstromphase
311: Hintergrundstrompegel
312: Strompegel
314: Strompegel
320: Abschnürstromphase
321: Abschnürstrompegel
330: Spitzenstromphase
331: Spitzenstromphase
333: Hz
340: Tailout-Strompegel
341: Tailout-Strompegel
350: Strompulse
351: Zwischenstrompegel
410: Schweißprogramm
420: Funktionsgenerator
430: Digitalsignalprozessor (DSP)
435: Steuersignal
436: Steuersignal
440: Hochgeschwindigkeitsverstärkerinverter
441: Hochspannungseingangsenergie
442: Ausgang
443: Ausgang
470: Stromrückkopplungskapazität
480: Stromreduzierelement
482: Stromreduktionsschalter
482A: Schalter
482B: Schalter
484: Widerstand
490: Polaritätssteuerung
500: Verfahren
510: Schritt
520: Schritt
530: Schritt
535: Ablösen
540: Schritt
550: Schritt
560: Schritt
570: Schritt
575: Schritt
580: Schritt
600: System
610: Wechselstromenergiequelle
620: Formungskapazität
621: Basiswellenformerzeugungskapazität
622: Abschnürstromphasen-Erzeugungskapazität
623: Signalsummierungskapazität
624A: Erzeugungskapazität
624B: Pulserzeugungskapazität
625: Signalschaltungskapazität
626: Sub-Hintergrundstrompegel-Erzeugungs-(Stromreduzierungs-)Kapazität
627: Sub-Hintergrundpegelkapazität
629: Neuzündungskapazität
630: Kurzschlussdetektor/Kurzschlussaufhebungsantizipator
710: Strahlkraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4972064 [0065]
US 6051810 [0065]
US 6498321 [0065]

Claims

Schweißsystem, umfassend eine Schweißenergiequelle, die einen Wechselstrom in einer gewählten Wellenform mit einer Abschnür- und Ablösephase positiver Polarität bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wellenform-Abschnitt negativer Polarität aus einer negativen Spitzenstromphase, einer negativen Tailout-Phase, einer negativen Hintergrundphase besteht und ein anschließender Abschnitt positiver Polarität aus einer positiven Spitzenstromphase, einer positiven Tailout-Stromphase, einer positiven Hintergrundphase besteht und die Energiequelle einen rampenförmig ansteigenden Strom während der positiven Abschnür- und Ablösephase bereitstellt.
Schweißsystem nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt positiver Polarität vor dem nächsten Kurzschlussereignis mehrere Male wiederholt werden kann.
Schweißsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wellenform eine Oberflächenspannungsübertragungswellenform ist.
Schweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schweißenergiequelle einen Wellenformgenerator enthält, der dazu ausgebildet ist, die gewählte Wellenform bereitzustellen, wobei der Wellenformgenerator dazu ausgebildet ist, das Ende einer Kurzschlussbedingung auf der Basis zumindest eines von dv/dt, Scheinwiderstand oder einem Zeitgeber auf der Basis eines Vorhersagemodells zu erfassen, wobei die Energiequelle nach dem Ende des Kurzschlusses in die Phase mit der Elektrode als negativen Pol schaltet.
Schweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schweißenergiequelle die Abschnürphase mit der Elektrode als positiven Pol bereitstellt.
Schweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wellenform eine Ablösephase enthält und wobei die Schweißenergiequelle einen Lichtbogen während der Ablösephase mit einem Strom mit der Elektrode als positiven Pol wieder entzündet.
Schweißsystem nach Anspruch 6, wobei die Wellenform nach der Ablösephase in einen Strom mit der Elektrode als negativen Pol schaltet, der ausgebildet ist, ein fernliegendes Ende der Elektrode von einem Schmelzsumpf wegzuschieben.
Schweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Wellenform ferner eine Hintergrundphase und Eintrittsphase vor der Abschnürphase enthält, wobei die Hintergrundphase und Eintrittsphase die Elektrode als positiven Pol haben, wobei die Hintergrundphase eine höhere Amperezahl aufweist als die Eintrittsphase.
Schweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schweißenergiequelle während der Eintrittsphase einen Strom von etwa 20 Ampere bis etwa 40 Ampere bereitstellt, und/oder wobei die Schweißenergiequelle während der Hintergrundphase einen Hintergrundstrom im Bereich von etwa 20 bis 100 Ampere bereitstellt; und/oder wobei die Schweißenergiequelle während der Spitzenstromphase einen Strom im Bereich von etwa 150 bis 350 Ampere bereitstellt.
Schweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei jeder von dem mindestens einen der Pulse positiver Polarität eine Dauer im Bereich von etwa 0,5 bis 2 Millisekunden hat.
Schweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Schweißgerätenergiequelle eine Steuerung in Verbindung mit einem Zustandsfunktionsgenerator, einen Digitalsignalprozessor in Verbindung mit dem Zustandsfunktionsgenerator, einen Inverter in Verbindung mit dem Digitalsignalprozessor enthält, wobei der Inverter elektrisch mit einer Energiequelle, einem Polaritätsschaltkreis und einem Stromreduzierelement verbunden ist, wobei der Schaltkreis ein H-Brücken-Polaritätsschalter sein kann.
Schweißsystem nach Anspruch 11, wobei der Zustandsfunktionsgenerator elektrisch mit mindestens einem von dem Brenner und dem Werkstück verbunden ist, um von diesem eine Spannungs- oder Stromrückmeldung zu erhalten.
Schweißsystem, umfassend: a. eine Schweißenergiequelle, die dazu ausgebildet ist, einer Elektrode einen Wechselstrom in einer gewählten Wellenform bereitzustellen; b. wobei die Elektrode verbrauchbar ist und wobei die Wellenform zumindest eine Phase enthält, in welcher die Elektrode einen geschmolzenen Tropfen an ihrem freiliegenden Ende erzeugt, wobei ein Kurzschluss zwischen der Elektrode und dem Werkstück erfolgt, wenn sich der geschmolzene Tropfen von der Elektrode löst; c. wobei die Schweißenergiequelle dazu ausgebildet ist, den Kurzschluss zu erfassen und der Elektrode einen Spitzenstrom mit der Elektrode als negativen Pol nach der Übertragung des geschmolzenen Tropfens auf das Werkstück bereitzustellen; d. wobei die Schweißenergiequelle dazu ausgebildet ist, vor der nächsten Abschnürphase den Strom von einer Elektrode als negativen Pol zu einer Elektrode als positiven Pol zu schalten. e. wobei die Schweißenergiequelle eine Strahlkraft erzeugt, der das fernliegende Ende der Elektrode vom Sumpf wegschiebt.
Schweißsystem nach Anspruch 13, wobei die Schweißenergiequelle dazu ausgebildet ist, nach der Ablösephase den Strom von einer Elektrode als positiven Pol zu einer Elektrode als negativen Pol zu schalten.
Schweißsystem zum Durchführen eines Lichtbogenschweißprozesses durch Erzeugen einer elektrischen Schweißwellenform, um eine Reihe von elektrischen Lichtbogenpulsen zwischen einer vorrückenden Schweißelektrode und einem Metallwerkstück zu erzeugen, wobei das System umfasst: eine erste Konfiguration elektronischer Komponenten zum Erzeugen eines Wechselstroms, wobei die erste Konfiguration elektronischer Komponenten den Wechselstrom in einem Satz positiver und negativer Abschnitte bereitstellt, wobei der negative Abschnitt aus einer Spitzen-, Tailout- und Hintergrundphase besteht und der positive Abschnitt aus einer Spitzen-, Tailout- und Hintergrundphase besteht; eine zweite Konfiguration elektronischer Komponenten zum Erzeugen einer Abschnürstromphase der elektrischen Schweißwellenform, wobei die Abschnürstromphase einen steigenden Abschnürstrompegel bereitstellt; und eine dritte Konfiguration elektronischer Komponenten zum Senken eines Strompegels der elektrischen Schweißwellenform unter den Hintergrundstrompegel am Ende der Hintergrundstromphase als Reaktion darauf, dass die Elektrode zum Werkstück kurzschließt, wobei die dritte Konfiguration elektronischer Komponenten einen Strom mit der Elektrode als positiven Pol anlegt, um den Lichtbogen nach Kurzschließen der Elektrode erneut zu zünden; und wobei die erste Konfiguration elektronischer Komponenten eine Spitze mit der Elektrode als negativen Pol nach dem Kurschlussablösen bereitstellt; des Weiteren vorzugsweise umfassend: eine vierte Konfiguration elektronischer Komponenten zum Erzeugen zumindest eines wärmeerhöhenden Strompulses positiver Polarität der elektrischen Schweißwellenform nach dem negativen Abschnitt; und/oder eine fünfte Konfiguration elektronischer Komponenten zum Senken eines Strompegels der elektrischen Schweißwellenform am Ende der Abschnürstromphase unter den Hintergrundstrompegel in Antizipation einer Aufhebung des Kurschlusses der Elektrode am Werkstück.