DE112014001441T5

DE112014001441T5 - Tadem-Warmdrahtsysteme

Info

Publication number: DE112014001441T5
Application number: DE112014001441.9T
Authority: DE
Inventors: Steven R. Peters; Andrew Peters
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2016-01-07
Also published as: JP2016509959A; CN105246633A; WO2014140764A2; WO2014140764A3; US20140263234A1

Abstract

Ein System und ein Verfahren werden bereitgestellt. In einigen Ausführungsformen enthält das System eine erste Stromversorgung (130), die einen ersten Schweißstrom ausgibt. Die erste Stromversorgung liefert den ersten Schweißstrom über einen Brenner (120) zu einem ersten Draht (140), um einen Lichtbogen zwischen dem ersten Draht und dem Werkstück zu erzeugen. Das System enthält außerdem eine erste Drahtzufuhrvorrichtung (150), die den ersten Draht zu dem Brenner (120) zuführt, und eine zweite Drahtzufuhrvorrichtung (155), die einen zweiten Draht (145) zu einem Kontaktrohr (125) zuführt. Das System enthält des Weiteren eine zweite Stromversorgung (135), die einen Erwärmungsstrom während eines ersten Betriebsmodus ausgibt und einen zweiten Schweißstrom während eines zweiten Betriebsmodus ausgibt. Das System enthält außerdem eine Steuereinheit (195), die die zweite Stromversorgung vom ersten Betriebsmodus zum zweiten Betriebsmodus umschaltet, um einen zweiten (nacheilenden) Lichtbogen zu erzeugen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung betreffen das Schweißen und Fügen, und betreffen insbesondere Tandem-Warmdrahtsysteme.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Im Zuge des technischen Fortschritts auf dem Gebiet des Schweißens sind die Anforderungen an den Schweißdurchsatz gestiegen. Darum sind verschiedene Systeme entwickelt worden, um die Geschwindigkeit von Schweißoperationen zu erhöhen, darunter auch Systeme, die mit mehreren Schweißstromversorgungen arbeiten, bei denen eine Stromversorgung verwendet wird, um einen Lichtbogen mit einer aufzehrbaren Elektrode zu erzeugen, um eine Schweißpfütze zu bilden, und eine zweite Stromversorgung verwendet wird, um im selben Schweißvorgang einen Fülldraht zu erwärmen. Zwar können diese Systeme die Geschwindigkeit oder Abscheidungsrate eines Schweißvorgangs erhöhen, doch die Stromversorgungen haben Beschränkungen hinsichtlich ihrer Funktion und ihrer Fähigkeit, die Wärmezufuhr zu variieren, um den Prozess, zum Beispiel Schweißen, Fügen, Plattieren, Aufbauen, Hartlöten usw., zu optimieren. Darum sind verbesserte Systeme erwünscht.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Um den Schweißvorgang mit Tandem-Warmdrahtsystemen zu verbessern, schlägt die Erfindung ein Schweißsystem nach Anspruch 1 und ein Schweißverfahren nach Anspruch 2 vor. Weitere Ausführungsformen können den Unteransprüchen entnommen werden und/oder werden aus der Beschreibung und/oder den Zeichnungen ersichtlich. Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten Systeme und Verfahren, in denen Stromwellenformen von mindestens einer Stromversorgung variiert werden, um eine gewünschte Wärmezufuhr zu erreichen, um einen Prozess, zum Beispiel Schweißen, Fügen, Plattieren, Aufbauen, Hartlöten usw., zu optimieren. In einigen Ausführungsformen enthält das System eine erste Stromversorgung, die einen ersten Lichtbogenschweißstrom ausgibt. Die erste Stromversorgung stellt den ersten Lichtbogenschweißstrom über einen Brenner an einen ersten Draht bereit, um einen Lichtbogen zwischen dem ersten Draht und dem Werkstück zu erzeugen. Das System enthält außerdem eine erste Drahtzufuhrvorrichtung, die den ersten Draht zu dem Brenner zuführt, und eine zweite Drahtzufuhrvorrichtung, die einen zweiten Draht zu einem Kontaktrohr zuführt. Das System enthält des Weiteren eine zweite Stromversorgung, die einen Erwärmungsstrom während eines ersten Betriebsmodus und einen zweiten Lichtbogenschweißstrom während eines zweiten Betriebsmodus ausgibt. Die zweite Stromversorgung liefert den Erwärmungsstrom oder den zweiten Lichtbogenschweißstrom über das Kontaktrohr an den zweiten Draht. Das System enthält außerdem eine Steuereinheit, die den ersten Betriebsmodus in der zweiten Stromversorgung initiiert, um den zweiten Draht auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen, und die zweite Stromversorgung vom ersten Betriebsmodus zum zweiten Betriebsmodus umzuschalten, um einen zweiten (nacheilenden) Lichtbogen zu erzeugen. Der nacheilende Lichtbogen erzeugt eine erhöhte Wärmezufuhr zu der Schmelzpfütze im Vergleich zu einer Wärmezufuhr, die durch den ersten Betriebsmodus bereitgestellt wird.
In einigen Ausführungsformen enthält das System eine erste Stromversorgung, die einen ersten Lichtbogenschweißstrom während eines ersten Betriebsmodus und einen ersten Erwärmungsstrom während eines zweiten Betriebsmodus ausgibt. Die erste Stromversorgung liefert den ersten Lichtbogenschweißstrom oder die erste Erwärmung über ein erstes Kontaktrohr zu einem ersten Draht. Das System enthält außerdem eine erste Drahtzufuhrvorrichtung, die den ersten Draht zu dem ersten Kontaktrohr zuführt, und eine zweite Drahtzufuhrvorrichtung, die einen zweiten Draht zu einem zweiten Kontaktrohr zuführt. Das System enthält des Weiteren eine zweite Stromversorgung, die einen zweiten Erwärmungsstrom während des ersten Betriebsmodus und einen zweiten Lichtbogenschweißstrom während des zweiten Betriebsmodus ausgibt. Die zweite Stromversorgung liefert den zweiten Erwärmungsstrom oder den zweiten Lichtbogenschweißstrom über das zweite Kontaktrohr zu dem zweiten Draht. Das System enthält außerdem einen Vorschubmechanismus, der eine Relativbewegung zwischen einem Werkstück und dem ersten Draht und dem zweiten Draht ermöglicht, so dass, während einer Bewegung in einer ersten Richtung, der erste Draht dem zweiten Draht relativ zu dem Werkstück vorauseilt, und während einer Bewegung in einer zweiten Richtung, der erste Draht dem zweiten Draht relativ zu dem Werkstück nacheilt. Das System enthält des Weiteren eine Steuereinheit, die den ersten Betriebsmodus während der ersten Richtung initiiert und automatisch zum zweiten Betriebsmodus umschaltet, wenn der Vorschubmechanismus von der ersten Richtung zu der zweiten Richtung umschaltet. Während des ersten Betriebsmodus erzeugt der erste Lichtbogenschweißstrom einen Lichtbogen zwischen dem ersten Draht und dem Werkstück, und der zweite Draht wird durch den zweiten Erwärmungsstrom auf eine gewünschte Temperatur erwärmt. Während des zweiten Betriebsmodus erzeugt der zweite Lichtbogenschweißstrom einen Lichtbogen zwischen dem zweiten Draht und dem Werkstück, und der erste Draht wird durch den ersten Erwärmungsstrom auf eine gewünschte Temperatur erwärmt. Es ist besonders bevorzugt, dass die gewünschte erste Temperatur auf oder nahe einer Schmelztemperatur des ersten Drahtes liegt, und wobei die gewünschte zweite Temperatur auf oder nahe einer Schmelztemperatur des zweiten Drahtes liegt, und/oder der Vorschubmechanismus zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung umschaltet, nachdem jeder Durchgang des Vorschubmechanismus vollendet ist, und/oder der Durchgang eine Füge- oder Plattierungsoperation ist, und/oder der erste Schweißstrom ein Schweißstrom ist, der einem Impulssprühtransferprozess, einem Surface-Tension-Transfer-Prozess oder einem Kurzschluss-Rückzugsschweißprozess entspricht, und wobei der zweite Schweißstrom ein Schweißstrom ist, der einem Impulssprühtransferprozess, einem Surface-Tension-Transfer-Prozess oder einem Kurzschluss-Rückzugsschweißprozess entspricht, und/oder die Steuereinheit den ersten Schweißstrom oder den zweiten Schweißstrom zwischen dem Impulssprühtransferprozess, dem Surface-Tension-Transfer-Prozess und dem Kurzschluss-Rückzugsschweißprozess umschaltet, um die Wärmezufuhr zu steuern, und/oder die zweite Stromversorgung vom Ausgeben des zweiten Erwärmungsstroms zum Ausgeben eines Schweißstroms während des ersten Betriebsmodus umschaltet, oder die erste Stromversorgung vom Ausgeben des ersten Erwärmungsstroms zum Ausgeben eines Schweißstroms während des zweiten Betriebsmodus umschaltet, um eine weitere Wärmezufuhr zu bestimmten Bereichen des Werkstücks vorzunehmen, und/oder die Bereiche mindestens eines von einer Seitenwand einer Fuge, einem Rand einer Plattierungsschicht und einem Rand einer Schweißschicht umfassen, und/oder die Steuereinheit von einem Einzellichtbogen-/Warmdrahtprozess zu einem Tandem-Lichtbogenprozess umschaltet, und/oder wobei, während des ersten Betriebsmodus, der erste Schweißstrom und der zweite Erwärmungsstrom synchronisiert werden, und der zweite Erwärmungsstrom um einen ersten gewünschten Phasenwinkel von dem ersten Schweißstrom verschoben wird, und wobei, während des zweiten Betriebsmodus, der zweite Schweißstrom und der erste Erwärmungsstrom synchronisiert werden, und der erste Erwärmungsstrom um einen zweiten gewünschten Phasenwinkel von dem zweiten Schweißstrom verschoben wird.
Diese und weitere Merkmale der beanspruchten Erfindung sowie Details veranschaulichter Ausführungsformen davon werden anhand der folgenden Beschreibung und Zeichnungen besser verstanden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben beschriebenen und/oder weitere Aspekte der Erfindung werden anhand einer ausführlichen Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen besser verstanden, in denen Folgendes zu sehen ist:
1 ist eine schaubildhafte Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Schweißsystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine vergrößerte Ansicht des Bereichs um den Brenner des Systems von 1;
3A–3D veranschaulichen beispielhafte Schweiß- und Warmdraht-Wellenformen, die in dem System von 1 verwendet werden können;
4 veranschaulicht beispielhafte Schweiß- und Warm-Wellenformen, die in dem System von 1 verwendet werden können;
5A und 5B veranschaulichen eine beispielhafte Anwendung, die durch das System von 1 ausgeführt werden kann;
6 veranschaulicht ein Blockschaubild eines beispielhaften Programms, das durch die Steuereinheit in dem System von 1 ausgeführt werden kann;
7 veranschaulicht eine beispielhafte Anwendung, die durch das System von 1 ausgeführt werden kann;
8 veranschaulicht ein Blockschaubild eines beispielhaften Programms, das durch die Steuereinheit in dem System von 1 ausgeführt werden kann.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nun im Folgenden unter Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sollen das Verständnis der Erfindung erleichtern und sind nicht dafür gedacht, den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken. Gleiche Bezugszahlen beziehen sich stets auf gleiche Elemente.
Eine beispielhafte Ausführungsform davon ist in 1 gezeigt, die ein System 100 zeigt. Das System 100 veranschaulicht eine ursprüngliche Tandem-Konfiguration, in der ein erstes System 102 als ein GMAW-System konfiguriert ist und ein zweites System 104 als ein Warmdraht konfiguriert ist. Wie unten noch ausführlich erläutert wird, können in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Funktionen eines oder beider dieser Systeme und der Ausrüstung darin nach Wunsch zwischen Warmdrahtprozess und Lichtbogenschweißprozess umgeschaltet werden. Zum Beispiel können in einigen Ausführungsformen die Stromversorgungen 130/135 sowohl als Lichtbogenschweißstromversorgungen als auch als Warmdrahtstromversorgungen fungieren. Jedoch werden die Funktionen dieser Systeme und der Ausrüstung darin der Klarheit halber in einer beispielhaften ursprünglichen Konfiguration beschrieben. Das System 102, das ein GMAW-System sein kann, enthält eine Stromversorgung 130, eine Drahtzufuhrvorrichtung 150 und eine Brennereinheit 120, die ein Kontaktrohr 122 für eine Schweißelektrode 140 enthält. Die Stromversorgung 130 stellt eine Schweißwellenform bereit, die einen Lichtbogen 110 zwischen der Schweißelektrode 140 und einem Werkstück 115 erzeugt. Die Schweißelektrode 140 wird einer durch den Lichtbogen 110 erzeugten Schmelzpfütze 112 mittels der Drahtzufuhrvorrichtung 150 über das Kontaktrohr 122 zugeführt. Zusammen mit der Bildung der Schmelzpfütze 112 überträgt der Lichtbogen 110 Tröpfchen des Schweißdrahtes 140 zu der Schmelzpfütze 112. Die Funktionsweise eines GMAW-Schweißsystems der im vorliegenden Dokument beschriebenen Art ist dem Fachmann vertraut und braucht hier nicht ausführlich beschrieben zu werden. Es ist anzumerken, dass zwar ein GMAW-System in Bezug auf gezeigte beispielhafte Ausführungsformen im Hinblick auf Füge- und Schweißanwendungen gezeigt und besprochen ist, dass aber beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch mit FCAW-, MCAW- und SAW-Systemen in Anwendungen verwendet werden können, die Fügen oder Schweißen, Plattierung, Aufbau, Hartlöten und Kombinationen davon usw. beinhalten. In 1 nicht gezeigt ist ein Schutzgassystem oder Unterpulver-Lichtbogen-Flussmittel-System, das gemäß bekannten Verfahren verwendet werden kann.
Das Warmdrahtsystem 104 enthält eine Drahtzufuhrvorrichtung 155, die einen Draht 145 zu der Schweißpfütze 112 über das Kontaktrohr 125 zuführt, das in der Brennereinheit 120 enthalten ist. Das Warmdrahtsystem 104 enthält außerdem eine Stromversorgung 135, die den Draht 145 über das Kontaktrohr 125 widerstandserwärmt, bevor der Draht 145 in die Schmelzpfütze 112 eintritt. Die Stromversorgung 135 erwärmt den Draht 145 auf eine gewünschte Temperatur, zum Beispiel auf eine oder nahe einer Schmelztemperatur des Drahtes 145. Auf diese Weise leitet das Warmdrahtsystem 104 weiteres Verbrauchsmaterial zu der Schmelzpfütze 112. Das System 100 kann auch ein Bewegungssteuerungs-Teilsystem enthalten, das eine Bewegungssteuereinheit 180 enthält, die mit einem Roboter 190 wirkverbunden ist. Die Bewegungssteuereinheit 180 steuert die Bewegung des Roboters 190. Der Roboter 190 ist mit dem Werkstück 115 wirkverbunden (zum Beispiel mechanisch daran befestigt), um das Werkstück 115 in der Richtung 111 zu bewegen, so dass sich die Brennereinheit 120 (mit den Kontaktrohren 120 und 125) effektiv an dem Werkstück 115 entlang bewegt. Natürlich kann das System 100 auch so konfiguriert sein, dass die Brennereinheit 120 anstelle des Werkstücks 115 bewegt werden kann.
Wie allgemein bekannt ist, verwenden Lichtbogenerzeugungssysteme, wie zum Beispiel GMAW, hohe Strompegel zum Erzeugen des Lichtbogens 110 zwischen dem vorangeschobenen Schweißverbrauchsmaterial 140 und der Schmelzpfütze 112 auf dem Werkstück 115. Um dies zu bewerkstelligen, können viele verschiedene Lichtbogenschweißstromwellenformen verwendet werden, zum Beispiel Stromwellenformen wie zum Beispiel Konstantstrom, Impulsstrom usw.
2 zeigt eine nähere Ansicht eines beispielhaften Schweißvorgangs der vorliegenden Erfindung. Wie zu sehen ist, sind Kontaktrohre 122 und 125 in die Brennereinheit 120 integriert (die ein beispielhafter GMAW/MIG-Brenner sein kann). Das Kontaktrohr 122 ist elektrisch von dem Kontaktrohr 125 innerhalb der Brennereinheit 120 isoliert, um eine Stromübertragung zwischen den Verbrauchsmaterialien während des Prozesses zu verhindern. Das Kontaktrohr 122 liefert mittels des Lichtbogens 110 ein Verbrauchsmaterial 140 zu der Schmelzpfütze 112 (d. h. der Schweißpfütze), wie allgemein bekannt ist. Des Weiteren wird der Schmelzpfütze 110 das Warmdraht-Verbrauchsmaterial 145 durch die Drahtzufuhrvorrichtung 155 über das Kontaktrohr 125 zugeführt. Es ist anzumerken, dass die Kontaktrohre 120/125 zwar in einer einzelnen integrierten Einheit gezeigt sind, dass diese Komponenten aber auch separat sein können.
Wie in 1 veranschaulicht, kann eine Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 zur Steuerung des Betriebes der Stromversorgungen 130 und 135 verwendet werden, um die jeweiligen Ströme zu steuern oder zu synchronisieren. Darüber hinaus kann die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 auch zur Steuerung von Drahtzufuhrvorrichtungen 150 und 155 verwendet werden. In 1 ist die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 außerhalb der Stromversorgungen 130 und 135 gezeigt, aber in einigen Ausführungsformen kann die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 innerhalb mindestens einer der Schweißstromversorgungen 130 und 135 oder mindestens einer der Drahtzufuhrvorrichtungen 150 und 155 angeordnet sein. Zum Beispiel kann mindestens eine der Stromversorgungen 130 und 135 ein Master sein, der den Betrieb der anderen Stromversorgungen und der Drahtzufuhrvorrichtungen steuert. Während des Betriebes steuert die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 (die jede beliebige Art von CPU, Schweißsteuereinheit oder dergleichen sein kann) das Ausgangssignal der Schweißstromversorgungen 130 und 135 und der Drahtzufuhrvorrichtungen 150 und 155. Diese kann mit einer Reihe von Möglichkeiten erreicht werden. Zum Beispiel kann die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 Echtzeit-Rückmeldungsdaten, zum Beispiel Lichtbogenspannung V₁, Schweißstrom I₁, Erwärmungsstrom I₂, Abfühlspannung V₂ usw., von den Stromversorgungen verwenden, um sicherzustellen, dass die Schweißwellenform und die Erwärmungsstromwellenform von den jeweiligen Stromversorgungen ordnungsgemäß synchronisiert werden. Des Weiteren kann die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 Echtzeit-Rückmeldungsdaten, zum Beispiel Drahtzufuhrgeschwindigkeit usw., von den Drahtzufuhrvorrichtungen 150 und 155 steuern und empfangen. Alternativ kann auch eine Master-Slave-Beziehung verwendet werden, wobei eine der Stromversorgungen zur Steuerung des Ausgangssignals der anderen verwendet wird.
Die Steuerung der Stromversorgungen und Drahtzufuhrvorrichtungen kann mit einer Anzahl von Methodologien erreicht werden, einschließlich der Verwendung von Zustandstabellen oder Algorithmen, die die Stromversorgungen so steuern, dass ihre Ausgangsströme für einen stabilen Betrieb synchronisiert werden. Zum Beispiel kann die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 eine parallele zustandsbasierte Steuereinheit enthalten. Parallele zustandsbasierte Steuereinheiten sind in den Anmeldungen Nr. 13/534,119 und 13/438,703 besprochen, der hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen werden. Dementsprechend werden parallele zustandsbasierte Steuereinheiten nicht ausführlich besprochen.
3A–C zeigen beispielhafte Stromwellenformen für den Lichtbogenschweißstrom und den Warmdrahtstrom, die von den Stromversorgungen 130 bzw. 135 ausgegeben werden können. 3A zeigt eine beispielhafte Lichtbogenschweißwellenform 201 (zum Beispiel GMAW-Wellenform), die Stromimpulse 202 verwendet, um den Transfer von Tröpfchen von dem Draht 140 zu der Pfütze 112 über den Lichtbogen 110 zu unterstützen. Natürlich ist die gezeigte Lichtbogenschweißwellenform beispielhaft und repräsentativ und soll nicht einschränkend sein. Zum Beispiel kann die Lichtbogenschweißstromwellenform jene sein, die für gepulsten Sprühtransfer, Impulsschweißen, Kurzlichtbogentransfer, Surface Tension Transfer(STT)-Schweißen, Kurzschluss-Rückzugsschweißen usw. verwendet wird. Die Warmdrahtstromversorgung 135 gibt eine Stromwellenform 203 aus, die ebenfalls eine Reihe von Impulsen 204 hat, um den Draht 145 durch Widerstandserwärmung zu erwärmen, wie oben allgemein beschrieben wurde. Die Stromimpulse 202 und 204 sind um einen Hintergrundpegel 210 bzw. 211 getrennt, der einen geringeren Strompegel hat als ihre jeweiligen Impulse 202 und 204. Wie allgemein zuvor beschrieben, wird die Wellenform 203 verwendet, um den Draht 145 auf eine gewünschte Temperatur, zum Beispiel auf oder nahe seine Schmelztemperatur, zu erwärmen, und verwendet die Impulse 204 und den Hintergrund, um den Draht 145 durch Widerstandserwärmung zu erwärmen. Wie in 3A gezeigt, werden die Impulse 202 und 204 von den jeweiligen Stromwellenformen synchronisiert, so dass sie miteinander phasengleich sind. In dieser beispielhaften Ausführungsform werden die Stromwellenformen so gesteuert, dass die Stromimpulse 202/204 eine ähnliche, oder die gleiche, Frequenz haben und miteinander phasengleich sind, wie gezeigt. Wie oben besprochen, besteht der Effekt des gleichzeitigen, d. h. phasengleichen, Pulsierens der Impulse 202 und 204 darin, den Lichtbogen 110 in Richtung des Drahtes 145 und weiter über die Schweißpfütze 112 zu ziehen. Überraschenderweise wurde entdeckt, dass das Herstellen einer Phasengleichheit der Wellenformen einen stabilen und gleichmäßigen Betrieb erzeugt, wobei der Lichtbogen 110 nicht nennenswert durch den durch die Wellenform 203 erzeugten Erwärmungsstrom gestört wird.
3B zeigt Wellenformen aus einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform wird die Erwärmungsstromwellenform 205 so gesteuert oder synchronisiert, dass die Impulse 206 um einen konstanten Phasenwinkel Θ phasenungleich zu den Impulsen 202 sind. In einer solchen Ausführungsform wird der Phasenwinkel so gewählt, dass ein stabiler Betrieb des Prozesses sichergestellt ist, und dass sichergestellt ist, dass der Lichtbogen in einem stabilen Zustand gehalten wird. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt der Phasenwinkel Θ im Bereich von 30 bis 90 Grad. In anderen beispielhaften Ausführungsformen beträgt der Phasenwinkel 0 Grad. Natürlich können auch andere Phasenwinkel verwendet werden, um einen stabilen Betrieb zu erhalten, und sie können im Bereich von 90 bis 270 Grad liegen, während in anderen beispielhaften Ausführungsformen der Phasenwinkel im Bereich von 0 und 180 Grad liegt
3C zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei der Warmdrahtstrom 207 mit der Schweißwellenform 201 so synchronisiert wird, dass die Warmdrahtimpulse 208 dergestalt phasenungleich sind, dass der Phasenwinkel Θ etwa 180 Grad zu den Schweißimpulsen 202 beträgt und nur während des Hintergrundabschnitts 210 der Wellenform 201 auftritt. In dieser Ausführungsform haben die jeweiligen Ströme ihre Spitzen nicht gleichzeitig. Das heißt, die Impulse 208 der Wellenform 207 beginnen und enden während der jeweiligen Hintergrundabschnitte 210 der Wellenform 201.
4 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform von Stromwellenformen der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist der Warmdrahtstrom 403 ein Wechselstrom, der mit dem Schweißstrom 401 (zum Beispiel in einem GMAW-System) synchronisiert wird. In dieser Ausführungsform werden die positiven Impulse 404 des Erwärmungsstroms mit den Impulsen 402 des Stroms 401 synchronisiert, während die negativen Impulsen 405 des Erwärmungsstroms 403 mit den Hintergrundabschnitten 406 des Schweißstroms synchronisiert werden. Natürlich kann in anderen Ausführungsformen die Synchronisation entgegengesetzt sein, indem die positiven Impulse 404 mit dem Hintergrund 406 synchronisiert werden und die negativen Impulse 405 mit den Impulsen 402 synchronisiert werden. In einer weiteren Ausführungsform gibt es einen Phasenwinkel zwischen dem gepulsten Schweißstrom und dem Warmdrahtstrom. Durch Verwendung einer Wechselstromwellenform 403 kann der Wechselstrom (und somit das magnetische Wechselfeld) dafür verwendet werden, das Stabilisieren des Lichtbogens 110 zu unterstützen. Natürlich können auch andere Ausführungsformen verwendet werden, ohne vom Wesen oder Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Lichtbogenschweißstrom eine Konstant- oder Nahe-Konstantstromwellenform sein. In solchen Ausführungsformen kann ein Erwärmungs-Wechselstrom 403 verwendet werden, um die Stabilität des Lichtbogens aufrecht zu erhalten. Die Stabilität wird durch das sich konstant verändernde Magnetfeld von dem Erwärmungsstrom 403 erreicht. Es ist anzumerken, dass die 3A–3C und 4 zwar die beispielhaften Wellenformen als Gleichstrom-Schweißwellenformen zeigen, dass die vorliegende Erfindung aber nicht in dieser Hinsicht beschränkt ist, da die Impulswellenformen auch Wechselstrom sein können. Weitere Informationen und Systeme in Bezug auf Tandem-Warmdrahtschweißen finden sich in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung Nr. 13/547,649, der hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Impulsbreite der Schweiß- und Warmdrahtimpulse die gleiche. Jedoch können die jeweiligen Impulsbreiten in anderen Ausführungsformen verschieden sein. Wenn zum Beispiel eine GMAW-Impulswellenform mit einer Warmdrahtimpulswellenform verwendet wird, so liegt die GMAW-Impulsbreite im Bereich von 1,5 bis 2,5 Millisekunden, und die Warmdrahtimpulsbreite liegt im Bereich von 1,8 bis 3 Millisekunden, und die Warmdrahtimpulsbreite ist größer als die der GMAW-Impulsbreite.
Es ist anzumerken, dass der Erwärmungsstrom zwar in den beispielhaften Ausführungsformen als ein gepulster Strom gezeigt ist, dass aber für einige beispielhafte Ausführungsformen der Erwärmungsstrom eine konstante Leistung sein kann. Der Warmdrahtstrom kann auch eine gepulste Erwärmungsleistung, eine Konstantspannung, ein Ausgang mit absteigender Flanke und/oder ein Joules/Zeit-basierter Ausgang sein.
Wie im vorliegenden Text erläutert, müssen, insofern beide Ströme gepulste Ströme sind, sie synchronisiert werden, um einen stabilen Betrieb sicherzustellen. Es gibt viele Verfahren, die verwendet werden können, um dies zu erreichen, einschließlich der Verwendung von Synchronisationssignalen. Zum Beispiel kann die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 (die beispielsweise in eine oder beide Stromversorgungen 135/130 integriert sein kann) ein Synchronisationssignal zum Starten der gepulsten Lichtbogenspitze in einer ersten Stromversorgung einstellen und kann außerdem die gewünschte Startzeit für die Warmdrahtimpulsspitze (und/oder einen zweiten Lichtbogenimpuls in einigen Ausführungsformen) in einer zweiten Stromversorgung einstellen. Wie oben erläutert, werden in einigen Ausführungsformen die Impulse für ein gleichzeitiges Starten synchronisiert, während in anderen Ausführungsformen das Synchronisationssignal den Start der Impulsspitze für den Warmdrahtstrom (und/oder einen zweiten Lichtbogenimpuls) einige Zeit nach der Lichtbogenimpulsspitze der ersten Stromversorgung einstellen kann; die Zeitdauer wäre ausreichend, um den gewünschten Phasenwinkel für den Betrieb zu erhalten
In den oben besprochenen Ausführungsformen ist der Lichtbogen 110 relativ zur Vorschubrichtung vorauseilend positioniert. Dies ist in jeder der 1 und 2 gezeigt. Das liegt daran, dass der Lichtbogen 110 dafür verwendet wird, den gewünschten Einbrand in dem oder in den Werkstücken zu erreichen. Das heißt, der Lichtbogen 110 wird verwendet, um die Schmelzpfütze 112 zu erzeugen und den gewünschten Einbrand in dem oder in den Werkstücken zu erreichen. Dann folgt auf den ersten Lichtbogenprozess der Warmdrahtprozess (und/oder ein zweiter Lichtbogenprozess). Durch die Hinzufügung des Warmdrahtprozesses wird mehr Verbrauchsmaterial 145 zu der Pfütze 112 geleitet, und zwar ohne die zusätzliche Wärmezufuhr eines weiteren Schweißlichtbogens, wie zum Beispiel in einem traditionellen Tandem-MIG-Prozess, in dem mindestens zwei Lichtbögen verwendet werden. Jedoch kann in einigen Ausführungsformen ein zweiter Lichtbogenprozess für einen beschränkten Zeitraum vom Draht 145 wünschenswert sein. Mit beiden Konfigurationen können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung signifikante Abscheidungsraten bei erheblich weniger Wärmezufuhr als bekannte Tandem-Schweißverfahren erreichen.
Wie in 2 gezeigt, wird der Warmdraht 145 in dieselbe Schweißpfütze 112 eingeführt wie der Lichtbogen 110, aber er eilt dem Lichtbogen um eine Distanz D nach. In einigen beispielhaften Ausführungsformen liegt diese Distanz im Bereich von 5 bis 20 mm, und in anderen Ausführungsformen liegt diese Distanz im Bereich von 5 bis 10 mm. Natürlich können auch andere Distanzen verwendet werden, solange der Draht 145 in dieselben Schmelzpfütze 112 geleitet wird wie die, die durch den vorauseilenden Lichtbogen 110 erzeugt wird. Jedoch sind die Drähte 140 und 145 in derselben Schmelzpfütze 112 abzuscheiden, und die Distanz D soll so gewählt sein, dass es nur minimale magnetische Interferenz mit dem Lichtbogen 110 durch den Erwärmungsstrom gibt, der zum Erwärmen des Drahtes 145 verwendet wird (oder einem zweiten Lichtbogen, wie in einigen Ausführungsformen). Im Allgemeinen richtet sich die Größe der Pfütze 112, in die der Lichtbogen 110 und der Draht 145 zusammen gerichtet werden, nach der Schweißgeschwindigkeit, den Lichtbogenparametern, der Gesamtleistung in den Draht 145, der Materialart usw., was auch Faktoren beim Bestimmen einer gewünschten Distanz zwischen den Drähten 140 und 145 sind.
Wie oben beschrieben, kann, weil mindestens zwei Verbrauchsmaterialien 140/145 in derselben Pfütze 112 verwendet werden, eine sehr hohe Abscheidungsrate erreicht werden, und zwar mit einer Verringerung der Wärmezufuhr von bis zu 35% gegenüber einem vergleichbaren Tandemsystem während der meisten Schweißbetriebsmodi. Dies bietet signifikante Vorteile gegenüber Vollzeit-Tandem-MIG-Schweißsystemen, die eine sehr hohe Wärmezufuhr in das Werkstück haben. Zum Beispiel können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf einfache Weise mindestens 23 lb/h Abscheidungsrate mit der Wärmezufuhr eines einzigen Lichtbogens erreichen. Andere beispielhafte Ausführungsformen haben eine Abscheidungsrate von mindestens 35 lb/h.
In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Drähte 140 und 145 jeweils die gleichen, insofern, als sie die gleiche Zusammensetzung, den gleichen Durchmesser usw. haben. Jedoch können die Drähte in anderen beispielhaften Ausführungsformen verschieden sein. Zum Beispiel können die Drähte verschiedene Durchmesser, Drahtzufuhrgeschwindigkeiten und Zusammensetzungen haben, so wie es für die spezielle Operation gewünscht wird. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Drahtzufuhrgeschwindigkeit für den vorauseilenden Draht 140 höher als die für den Warmdraht 145. Zum Beispiel kann der vorauseilende Draht 140 eine Drahtzufuhrgeschwindigkeit von 450 ipm haben, während der nacheilende Draht 145 eine Drahtzufuhrgeschwindigkeit von 400 ipm hat. Darüber hinaus können die Drähte verschiedene Größen und Zusammensetzungen haben.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Kombination des Lichtbogens 110 und des Warmdrahtes 145 (oder eines zweiten Lichtbogens vom Draht 145) verwendet werden, um die Wärmezufuhr zu der Schweißablagerung im Einklang mit den Anforderungen und Einschränkungen der konkret auszuführenden Operation ausgleichen. Zum Beispiel kann die Wärme aus dem vorauseilenden Lichtbogen 110 für Verbindungsanwendungen erhöht werden (oder ein zweiter Lichtbogen vom Draht 145 kann wenn nötig verwendet werden), wo die Wärme aus dem Lichtbogen (oder den Lichtbögen) hilft, den Einbrand zu erhalten, der erforderlich ist, um die Werkstücke zu verbinden, und der Warmdraht 145 wird, wenn er nicht in einem Lichtbogenmodus verwendet wird, hauptsächlich verwendet, um die Fuge auszufüllen. Jedoch kann in Plattierungs- oder Materialaufbauprozessen die Warmdraht-Drahtzufuhrgeschwindigkeit vergrößert werden, um eine Verdünnung zu minimieren und den Materialaufbau zu erhöhen.
Darüber hinaus kann, weil verschiedene chemische Zusammensetzungen des Drahtes verwendet werden können, eine Schweißfuge erzeugt werden, die verschiedene Schichten aufweist, was herkömmlicherweise durch zwei separate Durchgänge erreicht wird. Der vorauseilende Draht 140 kann die erforderliche chemische Zusammensetzung haben, die für einen herkömmlichen ersten Durchgang erforderlich ist, während der nacheilende Draht 145 die chemische Zusammensetzung haben kann, die für einen herkömmlichen zweiten Durchgang erforderlich ist. Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsformen mindestens einer der Drähte 140/145 ein mit einem Kern versehener Draht sein. Zum Beispiel kann der Warmdraht 145 ein mit einem Kern versehener Draht sein, der einen Pulverkern aufweist, der ein gewünschtes Material in die Schweißpfütze ablagert.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen wurden das System 102 und seine Komponenten, zum Beispiel die Stromversorgung 130, als ein Lichtbogenschweißsystem beschrieben, und das System 104 und seine Komponenten, zum Beispiel die Stromversorgung 135, wurden vor allem als ein Warmdrahtsystem beschrieben. Jedoch können in einigen Ausführungsformen die Funktionen dieser Systeme vertauscht werden. Das heißt, das System 104 kann als ein Lichtbogenschweißsystem fungieren, und das System 102 kann als ein Warmdrahtsystem fungieren. In solchen Ausführungsformen trifft die im vorliegenden Dokument gegebene Beschreibung des Systems 102, sofern sie sich auf ein Lichtbogenschweißsystem bezieht, auch auf das System 104 zu, wenn sich das System 104 im Schweißmodus befindet, und die im vorliegenden Dokument gegebene Beschreibung des Systems 104, sofern sie sich auf ein Warmdrahtsystem bezieht, trifft auch auf das System 102 zu, wenn sich das System 102 im Warmdrahtmodus befindet.
Wie oben besprochen, erlaubt der Warmdraht/GMAW-Tandemprozess Abscheidungsraten gleich denen eines Vollzeit-Tandem-GMAW-Betriebes, aber mit einer Wärmezufuhr näher an der eines Einzellichtbogenprozesses. Aufgrund der geringeren Wärmezufuhr ist der Warmdraht/GMAW-Tandemprozess ein Prozess mit geringem Einbrand. Oft, wenn ein Prozess mit geringem Einbrand an einen früheren Schweißdurchgang oder einen sonstigen Vorsprung auf dem Substrat stößt, überbrückt das Schweißmetall die Fuge, wodurch eine Leerstelle entsteht. Um das zu vermeiden, kann der Brenner über den betreffenden Fugenbereich gehalten werden, um die Wärmezufuhr zu dem Fugenbereich zu erhöhen. Jedoch verlängert dies die erforderliche Zeit, um den Prozess, zum Beispiel Fügen, Plattierung usw., auszuführen, was ineffizient ist.
In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erfolgt der erhöhte Einbrand während des Arbeitens durch Erhöhen der Wärmezufuhr von der Stromversorgung, die die Warmdrahtoperation ausführt. In der beispielhaften Ausführungsform von 1 gibt die Stromversorgung 135 des Systems 100 eine Erwärmungsstromwellenform an den Draht 145 aus. Zum Beispiel kann die Erwärmungsstromwellenform eine der oben besprochenen Wellenformen 203, 205, 207 oder 403 oder eine andere Wellenform sein. Wenn sich die Brennereinheit 120 über einen Bereich bewegt, der eine höhere Wärmezufuhr erfordert als die, die durch die Kombination aus Lichtbogen 110 und Warmdraht 145 bereitgestellt wird, so kann die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 (oder eine andere Vorrichtung) den Betrieb der Stromversorgung 135 von dem des Erwärmens des Drahtes 145 zu einem Lichtbogenschweißvorgang umschalten, d. h. einen zweiten Lichtbogen hinzufügen. indem das Ausgangssignal der Stromversorgung 135 von einem Erwärmungsstrom zu einem Lichtbogenschweißstrom umgeschaltet wird. Zum Beispiel kann der Lichtbogenschweißstrom ein Prozess mit hoher Wärmezufuhr sein, wie zum Beispiel ein Impulssprühtransfer, oder kann ein Prozess mit relativ niedriger Wärmezufuhr sein, wie zum Beispiel ein Kurzlichtbogentransfer, ein Surface Tension Transfer(STT)-Schweißen, ein Kurzschluss-Rückzugsschweißen usw. Es ist anzumerken, dass zwar die Kurzlichtbogenprozesse (Kurzlichtbogentransfer, STT, Kurzschluss-Rückzugsschweißen) eine niedrigere Wärmezufuhr haben als der Impulssprühprozess, aber die Kurzlichtbogenprozesse haben immer noch eine höhere Wärmezufuhr als der Warmdrahtprozess. Außerdem (oder als Alternative) kann die Drahtzufuhrgeschwindigkeit erhöht werden, um die Wärmezufuhr zu fokussieren.
Durch Umschalten von einem Erwärmungsstrom zu einem Lichtbogenschweißstrom während des Arbeitens wird der Prozess in den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung (zum Beispiel Plattieren, Fügen usw.) nicht verlangsamt. Die Fugen- oder Plattierungsbereiche, die zusätzliche Wärmezufuhr verlangen, können im Voraus identifiziert und in die Steuereinheit 195 eingegeben werden, so dass die Steuereinheit 195 automatisch nach Bedarf die Funktion der Stromversorgung 135 von einer Erwärmungsoperation zu einem Lichtbogenschweißvorgang umschalten kann. Zum Beispiel veranschaulicht 5A eine Schweißfuge 510, die durch die Werkstücke 115A und 115B erzeugt wird. Das System 100 ist so konfiguriert, dass die Brennereinheit 120 ein Muster P von einer Seitenwand 515A der Schweißfuge 510 zu der anderen Seitenwand 515B webt (siehe I, II und III), während sich die Brennereinheit 120 entlang der Schweißfuge 510 bewegt (siehe Pfeil). Die Webeaktion P kann durch den Roboter 190 (siehe 1) oder einen mechanischen Oszillator (nicht gezeigt) ausgeführt werden, wie dem Fachmann bekannt ist.
In dieser beispielhaften Ausführungsform, wie in 5B veranschaulicht, erfordert die Schweißfuge 510 eine hohe Wärmezufuhr an den Seitenwänden 515A, 515B für ein ordnungsgemäßes Verschmelzen mit den Seitenwänden 515A, 515B. Sobald sich jedoch die Brennereinheit 120 von den Seitenwänden fort bewegt, reicht die Wärmezufuhr von einem Warmdraht/GMAW-Tandem für eine ordnungsgemäße Schweißnaht aus. Darum ist das System 100 so konfiguriert, dass die Stromversorgung 135 einen Erwärmungsstrom an den Draht 145 ausgibt, wenn sich die Brennereinheit 120 von den Seitenwänden 515A und 515B fort bewegt hat, und einen Lichtbogenschweißstrom ausgibt, wenn sich die Brennereinheit 120 an einer Seitenwand 515A, 515B befindet. Wenn die Stromversorgung 135 einen Lichtbogenschweißstrom ausgibt, so gibt die Brennereinheit 120 zwei Lichtbögen aus, da der Lichtbogenschweißstrom der Stromversorgung 135 einen zweiten Lichtbogen zwischen dem Draht 145 und den Werkstücken 115A, 115B erzeugt. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Brennereinheit 120 über eine zuvor festgelegte Dauer an den Seitenwänden 515A, 515B bleiben, um sicherzustellen, dass ein ordnungsgemäßes Verschmelzen an den Seitenwänden 515A, 515B stattfindet. Die Dauer kann zum Beispiel auf einer zuvor festgelegten Schweißzeit t_W oder auf einer zuvor festgelegten Schweißzykluszählung c_W, zum Beispiel einer Spitzenimpulszählung, der Schweißwellenform basieren.
Die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195, der Roboter 190 und/oder der mechanische Oszillator können so vorkonfiguriert sein, dass das Umschalten der Stromversorgung 135 von dem bzw. zu dem Schweißstrom am richtigen Zeitpunkt stattfindet, d. h. wenn sich die Brennereinheit 120 an den Seitenwänden 515A, 515B befindet. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen das Timing des Webemusters P (oder die Abmessungen der Schweißfuge 510) in dem mechanischen Oszillator oder dem Roboter 190 vorkonfiguriert sein, und das System 100 kann so kalibriert werden, dass auf der Basis des Webemusters bekannt ist, wann sich die Brennereinheit 120 an den Seitenwänden 515A, 515B befindet. Der mechanische Oszillator oder der Roboter 190 kann dann ein Signal an die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 senden, dass sich die Brennereinheit 120 an einer Seitenwand 515A, 515B befindet (oder sich von der Seitenwand 515A, 515B entfernt befindet), so dass die Steuereinheit 195 zweckmäßige Maßnahmen ergreifen kann. In anderen Ausführungsformen kann die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 so eingerichtet werden, dass anstelle eines Signals von dem Roboter 190 oder dem mechanischen Oszillator der Erwärmungsstrom über einen zuvor festgelegten Erwärmungszeitraum t_H (oder über eine zuvor festgelegte Erwärmungsstromzykluszählung C_H, zum Beispiel eine Anzahl von Spitzenimpulsen) ausgegeben wird, bevor für eine zuvor festgelegte Zeit t_W oder Zykluszählung c_W zu dem Schweißstrom umgeschaltet wird. Das Timing der Steuereinheit 195 wird dann mit dem Webemuster vom Roboter 190 oder dem mechanischen Oszillator synchronisiert. In weiteren Ausführungsformen kann die Steuereinheit 195 dafür konfiguriert sein, die Seitenwände 515A, 515B zum Beispiel unter Verwendung der Lichtbogenspannung V₁ oder eines sonstigen Rückmeldungs-Eingangssignals abzufühlen.
6 veranschaulicht ein beispielhaftes Programm 600, das durch die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 (oder eine sonstige Vorrichtung) implementiert werden kann, um das Ausgangssignal der Stromversorgung 135 zu steuern, um das Umschalten zwischen dem Schweißprozess 602 und dem Erwärmungsprozess 604 auszuführen. Vor Beginn des Prozesses wird die ursprüngliche Konfiguration in die Steuereinheit 195 eingegeben, so dass die Steuereinheit 195 dann das Verarbeitungsprogramm 600 bei dem zweckmäßigen Prozess 602 oder 604 starten kann. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 195 dafür konfiguriert sein, den Prozess zu initiieren, während die Brennereinheit 120 an einer Seitenwand 515A oder 515B positioniert ist. Natürlich kann der Prozess auch mit dem Brenner 120 in einer anderen Position in der Schweißfuge 510 initiiert werden. Wenn sich die Brennereinheit 120 an einer Seitenwand befindet, so muss die Stromversorgung 135 ein Lichtbogenschweißstromsignal ausgeben, um die ordnungsgemäße Wärmezufuhr für diesen Prozess zu erhalten. Die Position der Brennereinheit 120 wird mit einem Vorschubpositionierungsprozess 606 überwacht, zum Beispiel anhand von Signalen, die von dem Roboter 190 und/oder dem mechanischen Oszillator oder einer sonstigen Vorrichtung empfangen wurden. Wenn sich die Brennereinheit 120 an einer Seitenwand befindet, so initiiert der Vorschubpositionierungsprozess 606 den Schritt 607, der ein Signal sendet, um den Lichtbogenschweißprozess 602 zu starten (siehe Schritt 603A) und den Erwärmungsprozess 604 zu stoppen (siehe Schritt 605B). Sobald der Lichtbogenschweißprozess 602 begonnen hat, geht die Steuereinheit 195 zu Schritt 610 und überprüft den Synchronisationsimpuls, der anzeigt, dass die Stromversorgung 130 einen Lichtbogenschweißstrom-Spitzenimpuls, zum Beispiel einen Spitzenimpuls 202 (siehe 3), für ihren Lichtbogenschweißprozess initiiert hat. Natürlich kann auch ein anderer Abschnitt der Lichtbogenschweißstromwellenform der Stromversorgung 130 für Synchronisationszwecke verwendet werden, wie zum Beispiel die fallende Flanke des Spitzenimpulses usw. Sobald das Synchronisationssignal empfangen wird, geht die Steuereinheit 195 zu Schritt 615 und wartet eine zweckmäßige Zeit auf der Basis des gewünschten Phasenwinkels Θ, bevor ein Lichtbogenschweißstromimpuls der Stromversorgung 135 bei Schritt 620 initiiert wird. In einigen Ausführungsformen wird, je nach der Art der Lichtbogenschweiß- und Erwärmungsstromwellenformen, das Synchronisationssignal eventuell nicht benötigt. Nach dem Halten des Spitzenschweißstrompegels über einen zuvor festgelegten Zeitraum bei Schritt 622 und dem Inkrementieren eines Zählers C um eins wird bei Schritt 624 der Lichtbogenschweißstrom von der Stromversorgung 135 auf einen Hintergrundstrompegel gesenkt. Bei Schritt 626 wird der Hintergrundpegel über eine zuvor festgelegte Dauer gehalten, bevor zu Schritt 630 gegangen wird, wo der Zähler C überprüft wird, um festzustellen, ob er kleiner als ein zuvor festgelegter Zählwert c_W ist. Wenn ja, so geht die Steuereinheit 195 zu Schritt 620 zurück, wo der nächste Lichtbogenschweiß-Spitzenimpuls von der Stromversorgung 135 initiiert wird. Wenn der Zählwert C mindestens so groß ist wie c_W, so beginnt die Steuereinheit 195 den Erwärmungsstromprozess 604 (siehe Schritt 605A). Wenn die Brennereinheit 120 zu irgend einer Zeit während des Lichtbogenschweißprozesses 602 das Ende ihres Bewegungsweges erreichen sollte, was durch den Vorschubpositionierungsprozess 606 bei Schritt 608 überwacht wird, die Steuereinheit will, so stoppt der Lichtbogenschweißprozess 602 natürlich sofort (siehe Schritt 603B). Es ist anzumerken, dass die Lichtbogenschweißphase der Stromversorgung 135 jede beliebige gewünschte Dauer haben kann. Zum Beispiel kann der Lichtbogenschweißstrom von der Stromversorgung 135 die gesamte Zeit ausgegeben werden, die sich die Brennereinheit 120 an einer Seitenwand 515A, 515B befindet, oder nur einen Teil der Zeit. Des Weiteren kann der Lichtbogenschweißstrom von der Stromversorgung 135 initiiert werden, bevor die Brennereinheit 120 eine Seitenwand erreicht, und/oder kann um einen Zeitraum verlängert werden, nachdem sich die Brennereinheit 120 von der Seitenwand fort bewegt hat. Des Weiteren kann die Dauer des Lichtbogenschweißstromprozesses 602 von der Stromversorgung 135 anstatt auf eine zuvor festgelegte Anzahl von Zyklen c_W auch auf einen zuvor festgelegten Zeitraum t_W gestützt werden; d. h. in Schritt 630 kann die Steuereinheit 135 einen Zeitmesser anstelle des Zählers C überprüfen.
Wenn die Steuereinheit den Erwärmungsprozess 604 bei Schritt 605A beginnt, so überwacht die Lichtbogenunterdrückungsüberwachungsroutine 660 die Spannung V₂ (siehe 1). Während des Lichtbogenschweißprozesses 602 liegt die Spannung V₂ der Stromversorgung 135 im Bereich von 14 bis 40 Volt. Wenn der Draht 145 kurzgeschlossen wird und die Stromversorgung 135 einen Erwärmungsstrom ausgibt, so ähnelt der Betriebsstrompegel dem Lichtbogenschweißmodus, aber die Spannung V₂ beträgt 1 bis 12 Volt, weil das System nicht den Katoden/Anoden-Abfall aufweist. Darum kann eine Spannung von 13 Volt oder mehr bedeuten, dass der Lichtbogen nicht erloschen ist. Dementsprechend bestimmt die Lichtbogenunterdrückungsroutine 660 auf der Basis einer zuvor festgelegten Spannung V_H, die zum Beispiel auf 13 Volt eingestellt werden kann, ob die Stromversorgung 135 gestoppt werden und der Draht 145 einen Kurzschluss zu der Schweißpfütze 112 herstellen soll oder ob der Erwärmungsstromzyklus begonnen werden soll, indem zu Schritt 640 gegangen wird. Wenn die Spannung V_H mindestens 13 Volt beträgt, so wird die Stromversorgung 135 gestoppt, bis sich der Draht 145 mit der Pfütze 112 kurzgeschlossen hat, was zum Beispiel durch einen Zeitmesser oder einen Abfühlmechanismus, wie zum Beispiel einen Drehmomentsensor in der Drahtzufuhrvorrichtung 155, bestimmt wird. Natürlich können entsprechend dem System und/oder dem Prozess auch andere Werte für V_H verwendet werden. Sobald die Spannung V_H unter der Spannung V_H liegt, geht die Steuereinheit zu Schritt 640. Jedoch überwacht die Lichtbogenunterdrückungsroutine 660 sogar während des Erwärmungsstromzyklus die Spannung V₂ und stoppt die Stromversorgung 135, um den Lichtbogen an dem Draht 145 zu unterdrücken, wenn die Spannung V₂ über V_H liegt.
Bei Schritt 640 wartet die Steuereinheit 195 auf das Synchronisationssignal, das anzeigt, dass die Stromversorgung 130 einen Lichtbogenschweißstrom-Spitzenimpuls, zum Beispiel einen Spitzenimpuls 202, initiiert hat. Wie zuvor, kann auch ein anderer Abschnitt der Lichtbogenschweißstromwellenform der Stromversorgung 130 für Synchronisationszwecke verwendet werden, wie zum Beispiel die fallende Flanke des Spitzenimpulses usw. Sobald das Synchronisationssignal empfangen wurde, wartet die Steuereinheit 195 eine zweckmäßige Zeit auf der Basis des gewünschten Phasenwinkels Θ, bevor sie einen Erwärmungsstromimpuls bei Schritt 650 initiiert. Zum Beispiel kann der Erwärmungsstromimpuls der Impuls 204, 206 oder 208 sein, wie in 3 gezeigt. In einigen Ausführungsformen ist das Synchronisationssignal in Abhängigkeit von der Art der Schweiß- und Erwärmungsstromwellenformen eventuell nicht nötig.
Nach dem Halten des Spitzenerwärmungsstrompegels über einen zuvor festgelegten Zeitraum bei Schritt 652 wird der Erwärmungsstrom von der Stromversorgung 135 bei Schritt 654 auf einen Hintergrundstrompegel gesenkt. Bei Schritt 656 wird der Hintergrunderwärmungsstrompegel über einen zuvor festgelegten Zeitraum gehalten, bevor die Steuereinheit 195 zu Schritt 650 geht und ein neuer Erwärmungsstromzyklus begonnen wird. Der Erwärmungsstromzyklus wird fortgesetzt, bis der Zyklus bei Schritt 605B gestoppt wird, weil sich entweder die Brennereinheit 120 an einer Seitenwand 515A, 515B befindet (Schritt 607) oder die Brennereinheit 120 das Bewegungsende erreicht hat (Schritt 608).
In dem oben beschriebenen Programm 600 wird angenommen, dass der Roboter 190 und/oder ein mechanischer Oszillator die Seitenwandpositions- und Bewegungsende-Signale bereitstellen. Jedoch können auch andere Signale, die die Nähe der Brennereinheit 120 zur Seitenwand 515A und/oder zur Seitenwand 515B anzeigen, verwendet werden, um den Schweißstromprozess 602 und/oder den Erwärmungsstromprozess 604 zu initiieren. Zum Beispiel kann ein Signal auf der Basis der Lichtbogenspannung V₁ verwendet werden, um anzuzeigen, wenn sich die Brennereinheit 120 nahe einer Seitenwand 515A, 515B befindet, oder das System kann ähnlich dem Lichtbogenschweißprozess 602 mit der Erwärmungsstromwellenform synchronisiert werden, und die Prozesse können auf der Basis dessen umgeschaltet werden, ob ein zuvor festgelegter Zeitraum t_H oder ein zuvor festgelegter Zykluszählung c_H, zum Beispiel die Anzahl der Spitzenerwärmungsstromimpulse, erreicht wurde. Des Weiteren ist der Erwärmungsstromprozess 604 in der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform Gleichstrom, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und ein polaritätsvariabler Erwärmungsstrom, zum Beispiel die Wellenform 403 von 4, kann mit den entsprechenden Modifizierungen an den Programmschritten des Erwärmungsstromprozesses 604 verwendet werden. Des Weiteren verwenden die beispielhaften oben besprochenen Ausführungsformen Impulswellenformen für den Lichtbogenschweißstromprozess 602 und den Erwärmungsstromprozess 604. Jedoch kann die vorliegende Erfindung jede beliebige Art von Schweißstrom, solange er eine höhere Wärmezufuhr erbringt als ein Warmdrahterwärmungsstrom, und jede beliebige Art von Erwärmungsstrom verwenden. Zum Beispiel können die Lichtbogenschweiß- und Erwärmungswellenformen sinusförmig, dreieckig, abgerundet-rechteckig usw. sein. Des Weiteren ist in den oben besprochenen Ausführungsformen die Erwärmungsstromwellenform während des Prozesses gleich geblieben. Jedoch können in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Form oder Art, Amplitude, Nullversatz, Impulsbreiten und Phasenwinkel des Erwärmungsstroms oder andere Parameter des Erwärmungsstroms nach Wunsch geändert werden, um die Wärmezufuhr zu steuern. Gleichermaßen können Form oder Art, Amplitude, Nullversatz, Impulsbreiten und Phasenwinkel der Lichtbogenschweißstrom oder andere Parameter des Erwärmungsstroms nach Wunsch geändert werden, um die Wärmezufuhr zu steuern. Zum Beispiel kann der Lichtbogenschweißstromprozess 602 das wahlweise Wechseln zwischen einem Schweißprozess mit hoher Wärmezufuhr, wie zum Beispiel einem Impulssprühprozess, und einem Schweißprozess mit relativ geringerer Wärmezufuhr, wie zum Beispiel Kurzlichtbogentransfer, STT, Kurzschluss-Rückzugsschweißen usw., enthalten, um den Prozess, zum Beispiel Fügen, Plattieren usw., zu optimieren.
Des Weiteren betreffen die oben besprochenen beispielhaften Ausführungsformen zwar das Steuern der Wärmezufuhr für eine Fügeanwendung und insbesondere das Erhöhen der Wärmezufuhr an den Seitenwänden einer Schweißfuge, doch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann auch zur Steuerung der Wärmezufuhr in anderen Anwendungen, wie zum Beispiel Plattierungsanwendungen, verwendet werden, in denen eine höhere Wärmezufuhr benötigt wird, um eine Verbindung zum Rand einer Plattierungsschicht herzustellen, die in einem früheren Durchgang abgeschieden wurde. Des Weiteren braucht das Steuern der Wärmezufuhr nicht auf Anwendungen beschränkt zu sein, die Seitenwände und Schweiß- oder Plattierungsränder betreffen. Zum Beispiel kann die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 (oder eine sonstige Vorrichtung) von dem Warmdrahterwärmungsstromprozess zu einem Lichtbogenschweißstromprozess umschalten, um die Temperatur der Schweißpfütze 112 auf einem gewünschten Wert zu erhalten. Zum Beispiel kann die Temperatur der Schweißpfütze 112 vom Sensor 117 in die Steuereinheit 195 eingegeben werden (siehe 1). Auf der Basis der Rückmeldung vom Sensor 117 kann die Steuereinheit 195 die Temperatur der Schweißpfütze 112 (oder eines Bereichs neben der Schweißpfütze 112) auf einem gewünschten Wert halten, wie oben besprochen. Der Sensor 117 kann von einer Art sein, die einen Laser- oder Infrarotstrahl verwendet, der in der Lage ist, die Temperatur eines kleinen Bereichs, wie zum Beispiel die Schweißpfütze 112 oder einen Bereich um die Schweißpfütze 112 herum, zu detektieren, ohne die Schweißpfütze 112 oder das Werkstück 115 zu berühren. Natürlich können auch andere Verfahren zur Steuerung des Umschaltens von einem Warmdrahterwärmungsstromprozess zu einem Schweißstromprozess verwendet werden, wie zum Beispiel ein zeitbasierter Schaltvorgang (ein Umschalten alle paar ms) oder ein distanzbasierter Schaltvorgang (ein Umschalten alle paar cm), um die Wärmezufuhr in den Prozess zu steuern.
In den oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen wurde die Stromversorgung, die den Erwärmungsstrom steuert, auf der Basis einer gewünschten Wärmezufuhr zu einem Schweißstromprozess umgeschaltet. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht nur auf das Regeln der Wärmezufuhr durch Ändern der Funktion einer Warmdrahtstromversorgung beschränkt. In einigen Ausführungsformen können die Funktionen der Schweißstromversorgung und der Warmdrahtstromversorgung umgeschaltet werden, um den Prozess zu optimieren. Zum Beispiel, wie oben besprochen, eilt der Lichtbogen dem Warmdraht in den beispielhaften Warmdraht-Tandemanwendungen voraus (siehe 2). In herkömmlichen Systemen sind die Stromversorgungen nicht in der Lage, Funktionen umzuschalten. Das heißt, die Schweißstromversorgung kann nur eine Schweißstromwellenform ausgeben, und die Warmdrahtstromversorgung kann nur eine Erwärmungsstromwellenform ausgeben. Dadurch kann die Vorschubrichtung mit Bezug auf den Brenner 120 in herkömmlichen Systemen nicht umgekehrt werden. Zum Beispiel geht in 2 der Betrieb von rechts nach links, wobei der Lichtbogen 110 vorauseilt und der Warmdraht 145 nacheilt. Damit das System den Betrieb nach Vollendung seines Durchgangs fortsetzen kann, muss entweder die Brennereinheit 120 wieder nach links außen für den nächsten Durchgang umpositioniert werden, oder die Ausrichtung der Brennereinheit 120 mit Bezug auf den Brenner (Lichtbogen) und den Warmdraht muss physisch umgekehrt werden, um von links nach rechts zu gehen. Jede Herangehensweise bedeutet, dass wertvolle Zeit verloren geht, was den Prozess ineffizient macht.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Lichtbogen- und Warmdrahtfunktionen während des Arbeitens für die jeweiligen Stromversorgungen 130 und 135 umgeschaltet werden, ohne die Konfiguration der Brennereinheit 120 physisch umkehren oder das System umpositionieren zu müssen. 7 veranschaulicht eine Plattierungsoperation, in der Bänder von Plattierungen nebeneinander abgeschieden werden. Die Plattierungsoperation kann zum Beispiel durch das in 1 veranschaulichte System ausgeführt werden. Der Versatz von einem Durchgang zum nächsten kann automatisch durch den Roboter 190 (oder eine sonstige mechanische Vorrichtung) eingestellt werden oder manuell durch einen Bediener erfolgen. Für jeden Durchgang kann die Brennereinheit 120 durch den Roboter 190 (oder einen mechanischen Oszillator) in einem Webemuster oszilliert werden, ähnlich wie es oben beschrieben wurde (siehe 5A). Wie in 7 veranschaulicht, hat das System einen ersten Durchgang 701 in Richtung 702 vollendet und führt einen zweiten Durchgang 703 in Richtung 704 aus. Im ersten Durchgang 701 war der Draht 140 der vorauseilende Draht (Lichtbogen). Auf diese Weise veranlasste die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 (oder eine sonstige Vorrichtung) die Stromversorgung 130, den Lichtbogenschweißstrom während des ersten Durchgangs 701 an den Draht 140 auszugeben. Zum Beispiel kann die Lichtbogenschweißstromwellenform eine der Wellenformen in den 3A–3C und 4 (oder eine andere Schweißwellenform) sein. Des Weiteren war während des ersten Durchgangs 701 der Draht 145, der dem Draht 140 nacheilte, der Warmdraht, und die Steuereinheit 195 veranlasste die Stromversorgung 135, eine Erwärmungsstromwellenform an den Draht 145 auszugeben, zum Beispiel eine der Warmdrahtstromwellenformen in den 3A–3C und 4 (oder eine andere Erwärmungsstromwellenform).
Im zweiten Durchgang 703 wird der Draht 145 zum vorauseilenden Draht. Zu diesem Zeitpunkt schaltet die Steuereinheit 195 automatisch (d. h. während des Arbeitens) den Betrieb der Stromversorgung 135 von einem Erwärmungsstromprozess zu einem Lichtbogenschweißstromprozess um, so dass die Stromversorgung 135 eine Schweißstromwellenform ausgibt, zum Beispiel eine der Schweißstromwellenformen in den 3A–3C und 4 (oder eine andere Schweißwellenform). In der Regel (aber nicht unbedingt) ist die Schweißstromwellenform die gleiche wie die, die durch die Stromversorgung 130 im ersten Prozess verwendet wird. Umgekehrt fungiert der Draht 140, weil er nun der nacheilende Draht ist, als der Warmdraht, und die Steuereinheit 195 schaltet automatisch das Ausgangssignal der Stromversorgung 130 von einer Lichtbogenschweißstromwellenform zu einer Erwärmungsstromwellenform um. Auf diese Weise gibt die Stromversorgung 130 während des zweiten Durchgangs eine Erwärmungsstromwellenform aus, zum Beispiel eine der Warmdrahtstromwellenformen in den 3A–3C und 4 (oder eine andere Erwärmungsstromwellenform). In der Regel, aber nicht unbedingt, ist die Erwärmungsstromwellenform die gleiche wie die, die durch die Stromversorgung 135 im ersten Prozess verwendet wird. Auf diese Weise schaltet die Steuereinheit 195 entsprechend der Vorschubrichtung die Operationen der Stromversorgungen 130, 135 um. Des Weiteren kann das System in einigen beispielhaften Ausführungsformen entsprechend den Erfordernissen für die Fuge von einem Tandemlichtbogen- zu einem Lichtbogen/Warmdrahtprozess umschalten. Wenn zum Beispiel kann, wenn die Fuge schmal ist, ein Tandem-Lichtbogenprozess wünschenswert sein. Jedoch kann es für einen Bereich, wo es einen großen Spalt gibt, wünschenswert sein, zu einer Kombination von Lichtbogen und Warmdraht umzuschalten. Wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen kann die Umschaltung während des Arbeitens entsprechend den Erfordernissen für die Fuge stattfinden.
8 veranschaulicht ein beispielhaftes Programm 800, das in der Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 für das Steuern der Stromversorgungen 130 und 135 implementiert werden kann. Natürlich kann sich die Programmierung in jeder der Stromversorgungen 130 und 135 (oder einer sonstigen Vorrichtung) befinden. Das Programm 800 bezieht sich auf Warmdraht-Tandemprozesse, die mehrere Durchgänge haben, in denen sich der Lichtbogen und der Warmdraht zunächst für einen bestimmten Durchgang in einer bestimmten Richtung bewegen und dann für den nächsten Durchgang in der entgegengesetzten Richtung bewegen. Zum Beispiel kann sich das Programm 800 auf eine aus mehreren Durchgängen bestehende Plattierungsoperation beziehen, wie sie zum Beispiel in 7 veranschaulicht ist, oder eine Füge-Operation, wie sie zum Beispiel in 5B veranschaulicht ist. Wie in 8 veranschaulicht, empfängt das Programm 800 das anfängliche Vorschubrichtungssignal 804 des Brenners und des Warmdrahtes. Das anfängliche Vorschubrichtungssignal 804 kann eine Eingabe vom Bediener sein oder kann automatisch zum Beispiel durch den Roboter 190 auf der Basis der ursprünglichen Konfiguration des Systems bestimmt werden. Das Vorschubrichtungssignal 804 wird durch die Steuereinheit 195 bei Schritt 802 überprüft. Auf der Basis der Vorschubrichtung bestimmt die Steuereinheit, welcher der Drähte der vorauseilende Draht (Lichtbogen) ist und welcher der nacheilende Draht (Warmdraht) ist. Zum Beispiel ist für die Rechts-nach-links-Richtung von 2 der Draht 140 der vorauseilende (Lichtbogen), und der Draht 145 ist der nacheilende (Warmdraht). Darum geht das Programm 800 für ein Vorschubsignal 804, das dem Draht 140 entspricht, der vorauseilt, zu Schritt 810, wobei in Schritt 810A die Stromversorgung 130 veranlasst wird, einen Schweißprozess auszugeben. Zum Beispiel kann Schritt 810A ein Programm initiieren, das den Schweißstrom 201 von 3 oder den Schweißstrom 401 von 4 ausgibt. Natürlich ist der Schweißprozess nicht auf die beispielhaften Ausführungsformen der 3 und 4 beschränkt und kann jeder beliebige gewünschte Schweißprozess sein, wie zum Beispiel Impulssprühtransfer, Kurzlichtbogentransfer, STT, Kurzschluss-Rückzugsschweißen usw. Des Weiteren kann Schritt 810A ein Programm initiieren, das Schweißprozesse nach Wunsch umschalten kann, wie zum Beispiel vom Impulssprühtransfer zum Kurzlichtbogentransfer, um die Wärmezufuhr zu steuern, oder aus einem sonstigen Grund. In Schritt 810B wird die Stromversorgung 135 veranlasst, einen Erwärmungsstromprozess auszugeben. Zum Beispiel kann Schritt 810B ein Programm initiieren, das den jeweiligen Erwärmungsstrom 203, 205 oder 207 aus den 3A bis 3C oder den Erwärmungsstrom 403 von 4 ausgibt. Natürlich ist der Erwärmungsprozess nicht auf die beispielhaften Ausführungsformen in den 3 und 4 beschränkt und kann jeder beliebige gewünschte Erwärmungsprozess sein, der den Warmdraht auf eine gewünschte Temperatur erwärmt. Des Weiteren kann Schritt 810B ein Programm initiieren, das zwischen einem Lichtbogenschweißprozess und einem Erwärmungsprozess umschaltet, um die Wärmezufuhr zu steuern, oder aus einem anderen Grund. Zum Beispiel kann Schritt 810B ein Programm initiieren, das dem Programm 600 von 6 ähnelt, um ein ordnungsgemäßes Verschmelzen beispielsweise mit einer zuvor abgeschiedenen Schweißnaht oder Plattierungsschicht, einer Schweißfugenseitenwand usw. sicherzustellen. Natürlich kann es sein, dass entsprechenden Modifizierungen am Programm 600 vorgenommen werden müssen, um die verschiedenen Anforderungen für die verschiedenen Prozesse zu berücksichtigen, zum Beispiel die Anforderungen von Plattieren im Vergleich zu Fügen usw. Zum Beispiel kann der Vorschubpositionierungsprozess 606 so programmiert werden, dass er nur das „An-der-Seitenwand”-Signal sendet, wenn sich die Brennereinheit 120 auf der Seite neben dem vorherigen Plattierungsdurchgang befindet.
Sobald die Steuereinheit 195 den entsprechenden Prozess in Schritt 810 initiiert, prüft die Steuereinheit 195 auf ein Signal 806, dass das System einen Durchgang (Schweißnaht, Plattierung, Materialaufbau usw.) vollendet hat, zum Beispiel den Plattierungsdurchgang 702 oder 704, wie in 7 veranschaulicht. Das Ende des Durchgangssignals 806 kann manuell oder automatisch durch das System (zum Beispiel die Steuereinheit 195, den Roboter 190 usw.) auf der Basis beispielsweise einer ursprünglichen Konfiguration des Systems, zweckmäßiger Sensoren usw. initiiert werden. Wenn das Signal 806 nicht vorliegt, setzt die Steuereinheit 195 den Lichtbogenschweißprozess (Schritt 810A) und den Erwärmungsprozess (Schritt 810B) von Schritt 810 fort. Wenn das Ende des Durchgangssignals 806 vorliegt, so prüft die Steuereinheit 195 in Schritt 814 auf ein Signal 808, um festzustellen, ob der Prozess anhalten sollte. Das Prozessende-Signal 808 kann manuell oder automatisch durch das System (zum Beispiel die Steuereinheit 195, den Roboter 190 usw.) auf der Basis beispielsweise einer ursprünglichen Konfiguration des Systems, zweckmäßiger Sensoren usw. initiiert werden. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 195 (oder eine sonstige Vorrichtung) mit der Anzahl der Durchgänge konfiguriert sein, die für einen bestimmten Prozess erforderlich ist. Sobald das System die konfigurierte Anzahl der Durchgänge erreicht, wird das Prozessende-Signal 808 an das Programm 800 gesendet. Natürlich kann alternativ (oder zusätzlich), und ähnlich dem „Bewegungsende”-Signal 608, der „Prüfen-auf-Prozessende”-Schritt 814 so programmiert werden, dass er den Prozess jederzeit anhält, wenn die Brennereinheit 120 das Bewegungsende erreicht hat.
Wenn das Prozessende-Signal 808 nicht vorliegt, so schaltet die Steuereinheit 195 automatisch die Funktionen des Systems 102 und 104 für den nächsten Durchgang um, der in der entgegengesetzten Vorschubrichtung ausgeführt wird. Zum Beispiel bewegt sich in unserer beispielhaften Ausführungsform das System so, dass der Draht 145 vorauseilt (Lichtbogen) und der Draht 140 nacheilt (Warmdraht). Somit geht das Programm 800 zu Schritt 820, wo in Schritt 820A die Stromversorgung 130 veranlasst wird, einen Erwärmungsprozess auszugeben, und in Schritt 826 wird die Stromversorgung 135 veranlasst, einen Lichtbogenschweißprozess auszugeben. Die Funktionen in den Schritten 820 bis 822 ähneln den jeweiligen Funktionen in den Schritte 810 bis 812, außer dass die Stromversorgung 135 den Lichtbogenschweißprozess ausgibt und die Stromversorgung 130 den Erwärmungsprozess (oder einen modifizierten Erwärmungs- oder Lichtbogenschweißprozess) ausgibt. Darum werden diese Funktionen in diesen Schritten nicht weiter besprochen. Wenn das Prozessende-Signal 808 in Schritt 824 nicht vorliegt, so wiederholt die Steuereinheit die Schritte 810 bis 814 (d. h. der nächste Durchgang). Die Steuereinheit 195 schaltet dann zwischen den Schritten 810–814 und den Schritte 820–824 für jeden anschließenden Durchgang um, bis das Prozessende-Signal 808 vorliegt. Wenn das Signal 808 vorliegt, stoppt der Prozess (siehe Schritt 830).
Es ist anzumerken, dass zwar in den gezeigten beispielhaften Ausführungsformen ein GMAW-System mit Gleichstrom und polaritätsvariablen Warmdrahtstromwellenformen gezeigt und besprochen ist, dass aber beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch mit FCAW-, MCAW- und SAW-Systemen in Anwendungen verwendet werden können, die Fügen/Schweißen, Plattieren, Hartlöten und Kombinationen davon usw. beinhalten.
Obgleich die Erfindung speziell mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Dem Fachmann ist klar, dass verschiedene Änderungen in Form und Details daran vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung, wie durch die folgenden Ansprüche definiert, abzuweichen.
Bezugszeichenliste

100: System
102: erstes System
104: zweites System
110: Lichtbogen
111: Richtung
112: Schmelzpfütze
115: Werkstück
115A: Werkstück
115B: Werkstück
117: Sensor
120: Brennereinheit oder Kontaktrohr
122: erstes Kontaktrohr
125: zweites Kontaktrohr
130: erste Stromversorgung
135: zweite Stromversorgung
140: erster Draht oder Schweißelektrode
145: zweite Draht
150: erste Drahtzufuhrvorrichtung
155: Drahtzufuhrvorrichtung
180: Bewegungssteuereinheit
190: Roboter
195: Steuereinheit
201: Lichtbogenschweißwellenform
202: Impulse
203: Wellenform
204: Impulse
205: Wellenform
206: Impulse
207: Warmdrahtstrom
208: Warmdrahtimpulse
210: Hintergrundabschnitte
401: Schweißstrom
402: Impulse
403: Warmdrahtstrom
404: positive Impulse
405: negative Impulse
406: Hintergrund
510: Schweißfuge
515A: Seitenwand
515B: Seitenwand
600: beispielhaftes Programm
602: Schweißprozess
603A: Schritt
603B: Schritt
604: Erwärmungsprozess
605A: Schritt
605B: Schritt
606: Positionierungsprozess
608: Schritt
615: Schritt
620: Schritt
622: Schritt
624: Schritt
640: Schritt
650: Schritt
654: Schritt
660: Lichtbogenunterdrückungsüberwachungsroutine
701: erster Durchgang
702: Richtung
703: zweiter Durchgang
704: Richtung
800: beispielhaftes Programm
802: Schritt
804: Vorschubsignal
806: Durchgangssignal
808: Prozesssignal
810: Schritt
810A: Schritt
810B: Schritt
812: Schritt
814: Schritt
820: Schritt
820A: Schritt
820B: Schritt
822: Schritt
824: Schritt
C: Zähler
I₁: Schweißstrom
I₂: Erwärmungsstrom
STT: Surface Tension Transfer
V₁: Lichtbogenspannung
V₂: Abfühlspannung
Θ: Phasenwinkel
I: erste Richtung
II: zweite Richtung

Claims

Schweißsystem, wobei das System Folgendes umfasst: eine erste Stromversorgung (130), die einen ersten Schweißstrom während eines ersten Betriebsmodus und einen ersten Erwärmungsstrom während eines zweiten Betriebsmodus ausgibt, wobei die erste Stromversorgung (130) den ersten Schweißstrom oder die erste Erwärmung über ein erstes Kontaktrohr (122) zu einem ersten Draht (140) bereitstellt; eine erste Drahtzufuhrvorrichtung (150), die den ersten Draht zu dem ersten Kontaktrohr zuführt; eine zweite Drahtzufuhrvorrichtung (155), die einen zweiten Draht (145) zu einem zweiten Kontaktrohr (125) zuführt; eine zweite Stromversorgung (135), die einen zweiten Erwärmungsstrom während des ersten Betriebsmodus und einen zweiten Schweißstrom während des zweiten Betriebsmodus ausgibt, wobei die zweite Stromversorgung (135) den zweiten Erwärmungsstrom oder den zweiten Schweißstrom über das zweite Kontaktrohr zu dem zweiten Draht (125) bereitstellt; einen Vorschubmechanismus, der eine Relativbewegung zwischen einem Werkstück und dem ersten Draht und dem zweiten Draht erlaubt, so dass, während der Bewegung in einer ersten Richtung (I), der erste Draht dem zweiten Draht relativ zu dem Werkstück vorauseilt und, während der Bewegung in einer zweiten Richtung (II), der erste Draht dem zweiten Draht relativ zu dem Werkstück nacheilt; und eine Steuereinheit (195), die den ersten Betriebsmodus während der ersten Richtung initiiert und automatisch zum zweiten Betriebsmodus umschaltet, wenn der Vorschubmechanismus von der ersten Richtung zu der zweiten Richtung umschaltet, wobei, während des ersten Betriebsmodus, der erste Schweißstrom einen Lichtbogen zwischen dem ersten Draht und dem Werkstück erzeugt und der zweite Draht durch den zweiten Erwärmungsstrom auf eine gewünschte erste Temperatur erwärmt wird, und wobei, während des zweiten Betriebsmodus, der zweite Schweißstrom einen Lichtbogen zwischen dem zweiten Draht und dem Werkstück erzeugt und der erste Draht durch den ersten Erwärmungsstrom auf eine gewünschte zweite Temperatur erwärmt wird.
Verfahren zum Schweißen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Zuführen eines ersten Drahtes zu einem ersten Kontaktrohr; Zuführen eines zweiten Drahtes zu einem zweiten Kontaktrohr; Bereitstellen eines ersten Lichtbogenschweißstroms während eines ersten Betriebsmodus zu dem ersten Draht über das erste Kontaktrohr; Bereitstellen eines ersten Erwärmungsstroms während eines zweiten Betriebsmodus zu dem ersten Draht über das erste Kontaktrohr; Bereitstellen eines zweiten Erwärmungsstroms während des ersten Betriebsmodus über das zweite Kontaktrohr zu dem zweiten Draht; Bereitstellen eines zweiten Lichtbogenschweißstroms während des zweiten Betriebsmodus über das zweite Kontaktrohr zu dem zweiten Draht; Bereitstellen einer Relativbewegung zwischen einem Werkstück und dem ersten Draht und dem zweiten Draht, so dass, während einer Bewegung in einer ersten Richtung, der erste Draht dem zweiten Draht relativ zu dem Werkstück vorauseilt, und während einer Bewegung in einer zweiten Richtung, der erste Draht dem zweiten Draht relativ zu dem Werkstück nacheilt; Initiieren des erste Betriebsmodus während der ersten Richtung; und automatisches Umschalten zum zweiten Betriebsmodus, wenn die Relativbewegung von der ersten Richtung zu der zweiten Richtung umschaltet, wobei, während des ersten Betriebsmodus, der erste Lichtbogenschweißstrom einen ersten Lichtbogen zwischen dem ersten Draht und einer Schmelzpfütze auf dem Werkstück erzeugt, und der zweite Draht durch den zweiten Erwärmungsstrom auf eine gewünschte Temperatur erwärmt wird, und wobei, während des zweiten Betriebsmodus, der zweite Lichtbogenschweißstrom einen zweiten Lichtbogen zwischen dem zweiten Draht und der Schmelzpfütze auf dem Werkstück erzeugt und der erste Draht durch den ersten Erwärmungsstrom auf eine gewünschte Temperatur erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die gewünschte erste Temperatur auf oder nahe einer Schmelztemperatur des ersten Drahtes liegt, und wobei die gewünschte zweite Temperatur auf oder nahe einer Schmelztemperatur des zweiten Drahtes liegt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, das des Weiteren Folgendes umfasst: Umschalten zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung bei Vollendung jedes Durchgangs der Relativbewegung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bevorzugt nach Anspruch 4, wobei der Durchgang eine Füge- oder Plattierungsoperation ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der erste Schweißstrom ein Schweißstrom ist, der einem Impulssprühtransferprozess, einem Surface-Tension-Transfer-Prozess oder einem Kurzschluss-Rückzugsschweißprozess entspricht, und wobei der zweite Schweißstrom ein Schweißstrom ist, der einem Impulssprühtransferprozess, einem Surface-Tension-Transfer-Prozess oder einem Kurzschluss-Rückzugsschweißprozess entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bevorzugt nach Anspruch 6, das des Weiteren Folgendes umfasst: Umschalten des ersten Schweißstroms oder des zweiten Schweißstroms zwischen dem Impulssprühtransferprozess, dem Surface-Tension-Transfer-Prozess und dem Kurzschluss-Rückzugsschweißprozess, um die Wärmezufuhr zu steuern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, das des Weiteren Folgendes umfasst: Umschalten vom Ausgeben des zweiten Erwärmungsstroms zum Ausgeben eines Schweißstroms während des ersten Betriebsmodus oder vom Ausgeben des ersten Erwärmungsstroms zum Ausgeben eines Schweißstroms während des zweiten Betriebsmodus, um eine weitere Wärmezufuhr zu bestimmten Bereichen des Werkstücks vorzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Bereiche mindestens eines von einer Seitenwand einer Fuge, einem Rand einer Plattierungsschicht und einem Rand einer Schweißschicht umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, das des Weiteren Folgendes umfasst: Umschalten eines Einzellichtbogen-/Warmdrahtprozesses zu einem Tandem-Lichtbogenprozess auf der Basis der Erfordernisse einer Fuge.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, das des Weiteren Folgendes umfasst: während des ersten Betriebsmodus, Synchronisieren des ersten Schweißstroms und des zweiten Erwärmungsstroms, und Verschieben des zweiten Erwärmungsstroms von dem ersten Schweißstrom um einen ersten gewünschten Phasenwinkel, und während des zweiten Betriebsmodus, Synchronisieren des zweiten Schweißstroms und des ersten Erwärmungsstroms, und Verschieben des ersten Erwärmungsstroms von dem zweiten Schweißstrom um einen zweiten gewünschten Phasenwinkel.