DE112014003384T5

DE112014003384T5 - System und Verfahren zum Steuern der Wärmezufuhr in Tandem-Warmdrahtanwendungen

Info

Publication number: DE112014003384T5
Application number: DE112014003384.7T
Authority: DE
Inventors: Steven R. Peters
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2014-07-10
Publication date: 2016-04-28
Also published as: WO2015011535A3; WO2015011535A2; US9498838B2; US20150028012A1

Abstract

Es werden ein System (100) und ein Verfahren bereitgestellt. Das System (100) enthält eine hoch-intensive Energiequelle zum Erzeugen einer schmelzflüssigen Pfütze (112) auf einer Oberfläche eines Werkstücks (115) und eine Drahtzufuhrvorrichtung (150), die der schmelzflüssigen Pfütze (112) einen Draht (145) über ein Kontaktrohr (122, 125) zuführt. Das System (100) enthält außerdem eine Stromversorgung (130, 135), die einen ersten Erwärmungsstrom während eines ersten Betriebsmodus ausgibt und einen zweiten Erwärmungsstrom während eines zweiten Betriebsmodus ausgibt. Das System (100) enthält des Weiteren eine Steuereinheit (195), die den ersten Betriebsmodus in der Stromversorgung (130, 135) initiiert, um den Draht (145) auf eine Solltemperatur zu erwärmen, und die Stromversorgung (130, 135) von dem ersten Betriebsmodus zu dem zweiten Betriebsmodus umschaltet, um einen Mikrolichtbogen zu erzeugen. Der zweite Betriebsmodus stellt eine erhöhte Wärmezufuhr in die schmelzflüssige Pfütze (112) und/oder eine stärkere Bewegung der schmelzflüssigen Pfütze (112) relativ zum ersten Betriebsmodus bereit.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Schweißsystem nach Anspruch 1 und ein Schweißverfahren nach Anspruch 9. Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung betreffen Schweiß-, Füge-, Plattierungs-, Materialaufbau- und Hartlötanwendungen, und insbesondere Tandem-Warmdrahtsysteme.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Im Zuge der technischen Weiterentwicklung des Schweißens ist der Bedarf an einem höheren Schweißdurchsatz gestiegen. Aufgrund dessen sind verschiedene Systeme entwickelt worden, um die Geschwindigkeit von Schweißvorgängen zu erhöhen, darunter Systeme, die mehrere Schweißstromversorgungen verwenden, wobei eine Stromversorgung dafür verwendet wird, einen Lichtbogen in einer aufzehrbaren Elektrode zu erzeugen, um eine Schweißpfütze zu bilden, und eine zweite Stromversorgung dafür verwendet wird, einen Fülldraht im selben Schweißvorgang zu erwärmen. Obgleich diese Systeme die Geschwindigkeit oder Abscheidungsrate eines Schweißvorgangs erhöhen können, sind die Stromversorgungen in ihrer Funktion und Fähigkeit darauf beschränkt, die Wärmezufuhr zu variieren, um den Prozess, wie zum Beispiel Schweißen, Fügen, Plattieren, Materialaufbau, Hartlöten usw., zu optimieren. Darum sind verbesserte Systeme erwünscht.
BESCHREIBUNG
Um das Schweißen zu verbessern und die im vorliegenden Text angesprochenen Nachteile zu überwinden, werden ein Schweißsystem nach Anspruch 1 und ein Schweißverfahren nach Anspruch 9 beschrieben. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche. Zu beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gehören Systeme und Verfahren, bei denen Stromwellenformen mindestens einer Stromversorgung variiert werden, um eine gewünschte Wärmezufuhr zu erreichen, um Prozesse wie zum Beispiel Schweißen, Fügen, Plattieren, Materialaufbau, Hartlöten usw. zu optimieren. In einigen Ausführungsformen enthält das System eine hoch-intensive Energiequelle zum Erzeugen einer schmelzflüssigen Pfütze auf einer Oberfläche eines Werkstücks und eine Drahtzufuhrvorrichtung, die der schmelzflüssigen Pfütze einen Draht über ein Kontaktrohr zuführt. Das System enthält außerdem eine Warmdrahtstromversorgung, die einen ersten Erwärmungsstrom während eines ersten Betriebsmodus und einen zweiten Erwärmungsstrom während eines zweiten Betriebsmodus ausgibt. Die Warmdrahtstromversorgung gibt den ersten Erwärmungsstrom oder den zweiten Erwärmungsstrom an den Draht über das Kontaktrohr aus. Das System enthält des Weiteren eine Steuereinheit, die den ersten Betriebsmodus in der Warmdrahtstromversorgung initiiert, um den Draht auf eine Solltemperatur zu erwärmen, und dann die Warmdrahtstromversorgung von dem ersten Betriebsmodus zu dem zweiten Betriebsmodus umschaltet, um einen Mikrolichtbogen zu erzeugen, der zwischen dem Draht und dem Werkstück gebildet wird. Der zweite Betriebsmodus stellt eine erhöhte Wärmezufuhr in die schmelzflüssige Pfütze und/oder eine stärkere Bewegung der schmelzflüssigen Pfütze relativ zum ersten Betriebsmodus bereit. In einigen Ausführungsformen steuert die Steuereinheit die Dauer des Mikrolichtbogens während des zweiten Betriebsmodus. Der Mikrolichtbogen wird gelöscht, wenn der Ausgang der Warmdrahtstromversorgung abgeschaltet oder bis zu einem Punkt leistungsreduziert wird, an dem der Mikrolichtbogen nicht mehr aufrecht erhalten werden kann.
In einigen Ausführungsformen steuert die Steuereinheit eine Frequenz der Mikrolichtbögen während des zweiten Betriebsmodus durch Ändern eines anfänglichen Sollwertes des zweiten Erwärmungsstroms oder einer Anstiegsrate von dem anfänglichen Sollwert zu Stromwerten, die den Mikrolichtbögen entsprechen. Des Weiteren können einige Ausführungsformen einen Stromkreis zum Unterdrücken eines induzierten Stroms und/oder des Mikrolichtbogens enthalten, wenn die Warmdrahtstromversorgung ausgeschaltet oder leistungsreduziert wird, um den Mikrolichtbogen zu löschen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Schweißverfahrens ist ein zweiter Erwärmungsstrom ein gepulster Gleichstrom. Der gepulste Gleichstrom umfasst eine Reihe von Impulsen, wobei jeder Impuls einen Impulsstromwert hat. Die Impulse der Reihe von Impulsen sind durch einen Hintergrundstromwert getrennt, der niedriger ist als die Impulsstromwerte benachbarter Impulse der Reihe von Impulsen.
Diese und andere Merkmale der beanspruchten Erfindung sowie Details von veranschaulichten Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung und der folgenden Zeichnungen besser verstanden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und/oder weitere Aspekte der Erfindung werden anhand der ausführlichen Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen verständlicher, in denen Folgendes dargestellt 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;
3 veranschaulicht eine beispielhafte Schweißwellenform und beispielhafte Warmdrahtwellenformen, die in dem System von 1 verwendet werden können;
4 veranschaulicht beispielhafte Warmdrahtwellenformen, die in dem System von 1 verwendet werden können;
5 veranschaulicht ein Blockschaubild eines beispielhaften Programms, das durch die Steuereinheit in dem System von 1 ausgeführt werden kann;
6A veranschaulicht ein Schaubild eines beispielhaften Induktionsstromunterdrückungskreises, der in dem System von 1 verwendet werden kann; und
6B veranschaulicht Differenzen bei den Absenkzeiten basierend darauf, ob der Unterdrückungskreis von 6A verwendet wird oder nicht;
6C veranschaulicht ein Schaubild eines beispielhaften Mikrolichtbogenunterdrückungskreises, der in dem System von 1 verwendet werden kann;
7 veranschaulicht einen beispielhaften Übergang von einem Kurzschlusszustand zu einer Mikrolichtbogenphase und dann zu einer vollständigen Lichtbogenphase für einen Warmdrahtprozess gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 veranschaulicht eine beispielhafte Erwärmungsstromwellenform gemäß der vorliegenden Erfindung; und
9 veranschaulicht eine beispielhafte Erwärmungsstromwellenform gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es werden nun im Folgenden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. Die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sollen das Verstehen der Erfindung unterstützen 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 das System 100 zeigt. Das System 100 veranschaulicht eine Tandem-Warmdrahtkonfiguration, die ein Hochintensitäts-Energiesystem 102 und ein Warmdrahtsystem 104 enthält. Das Hochintensitäts-Energiesystem 102, das in der beispielhaften Ausführungsform von 1 als ein GMAW-System konfiguriert ist, erwärmt das Werkstück 115, um eine schmelzflüssige Pfütze 112, d. h. eine Schweißpfütze, zu erzeugen. Obgleich das Hochintensitäts-Energiesystem 102 als ein GMAW-System veranschaulicht ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese beispielhafte Ausführungsform beschränkt, und in anderen beispielhaften Ausführungsformen kann das Hochintensitäts-Energiesystem 102 ein WIG-, PAW-, Laserschweiß-, FCAW-, MCAW- oder SAW-System sein. Des Weiteren können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Anwendungen wie Fügen/Schweißen, Plattieren, Materialaufbau, Hartlöten, Kombinationen davon usw. verwendet werden. Natürlich ist die Schweißelektrode bei WIG und PAW keine aufzehrbare Elektrode, und bei einem Laserschweißsystem wird anstelle eines Lichtbogens ein Laserstrahl dafür verwendet, das Werkstück 115 zu erwärmen, um die Pfütze 112 zu erzeugen.
Wir wenden uns 1 zu, in der die beispielhafte GMAW-Ausführungsform veranschaulicht ist. Das System 102 enthält eine Stromversorgung 130, eine Drahtzufuhrvorrichtung 150 und eine Brennereinheit 120, die ein Kontaktrohr 122 für eine aufzehrbare Schweißelektrode (Draht) 140 enthält. Die Stromversorgung 130 gibt eine Schweißwellenform aus, die einen Lichtbogen 110 zwischen der Schweißelektrode 140 und dem Werkstück 115 erzeugt. Die Schweißelektrode 140 wird der durch den Lichtbogen 110 erzeugten schmelzflüssigen Pfütze 112 durch die Drahtzufuhrvorrichtung 150 über das Kontaktrohr 122 zugeführt. Zusammen mit dem Erzeugen der schmelzflüssigen Pfütze 112 transferiert der Lichtbogen 110 Tröpfchen des Schweißdrahtes 140 zu der schmelzflüssigen Pfütze 112. Die Funktionsweise eines GMAW-Schweißsystems der im vorliegenden Text beschriebenen Art ist dem Fachmann vertraut und braucht im vorliegenden Text nicht im Detail beschrieben zu werden. In 1 nicht gezeigt ist ein Schutzgassystem oder ein Unterpulver-Lichtbogensystem, das gemäß bekannten Verfahren verwendet werden kann.
Das Warmdrahtsystem 104 enthält eine Drahtzufuhrvorrichtung 155, die der Schweißpfütze 112 einen Fülldraht 145 über das Kontaktrohr 125 zuführt, das in der Brennereinheit 120 enthalten ist. Das Warmdrahtsystem 104 enthält außerdem eine Stromversorgung 135, die den Fülldraht 145 über das Kontaktrohr 125 widerstandserwärmt, bevor der Draht 145 in die schmelzflüssige Pfütze 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 in diesem beispielhaften System ein zusätzliches Verbrauchsmaterial zu der schmelzflüssigen Pfütze 112. Das System 100 kann außerdem ein Bewegungssteuerungsteilsystem 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 so in der Richtung 111 zu bewegen, 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, arbeiten Lichtbogengenerierungssysteme, wie zum Beispiel GMAW, mit hohen Strompegeln zum Generieren des Lichtbogens 110 zwischen dem sich voranschiebenden Schweißverbrauchsmaterial 140 und der schmelzflüssigen Pfütze 112 auf dem Werkstück 115. Zu diesem Zweck können viele verschiedene Lichtbogenschweißstromwellenformen verwendet werden, beispielsweise Stromwellenformen wie 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. In einigen Ausführungsformen kann, wenn ein Laser dafür verwendet wird, die schmelzflüssige Pfütze 112 zu erzeugen, auf eine hoch-intensive Lichtbogenenergiequelle verzichtet werden. Jedoch können in Hybridlasersystemen sowohl ein Laser als auch eine hoch-intensive Lichtbogenenergiequelle verwendet werden.
Eine Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 kann zur Steuerung des Betriebes der Stromversorgungen 130 und 135 verwendet werden, um zum Beispiel 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.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, ist der Lichtbogen 110 relativ zur Vorschubrichtung vorauseilend positioniert. 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, der den Draht 145 auf eine gewünschte Temperatur erwärmt. Wie in 2 gezeigt, wird der Warmdraht 145 in dieselbe Schweißpfütze 112 eingeleitet 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 dieselbe 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. 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 in den Draht 145 eingespeisten Gesamtleistung, der Materialart usw. Was auch Faktoren beim Bestimmen einer gewünschten Distanz zwischen den Drähten 140 und 145 sind.
Durch die Hinzufügung des Drahtes 145 wird mehr Verbrauchsmaterial 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. In einigen Ausführungsformen, die weiter unten noch besprochen werden, enthält der Warmdrahterwärmungsprozess das Bilden von „Mikrolichtbögen” von beschränkter Dauer. Ein Mikrolichtbogen ist ein elektrischer Lichtbogen, der entsteht, wenn ein widerstandserwärmter Draht über einen Punkt hinaus erwärmt wird, an der Verbindung schmilzt, wobei ein Lichtbogen von minimaler Plasmalänge entsteht. Lässt man ihn gewähren, erzeugt der Lichtbogen signifikant mehr Wärme und wächst rasch zu einem vollen Lichtbogenbildungszustand heran. Wie in 7 gezeigt, reicht der Strom durch den Draht 145 nicht aus, um den Draht 145 bei 702 zu schmelzen, und der Draht 145 steht in Kontakt mit dem Werkstück 115, ohne dass ein Lichtbogen entsteht. Wenn der Strom erhöht wird, so beginnt der Strom den Draht 145 zu schmelzen, wie bei 704 gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt steht der Draht 145 nach wie vor in Kontakt mit dem Werkstück 115, und es gibt immer noch keine Lichtbogenbildung. Wenn der Strom weiter erhöht wird, so schmilzt die Spitze des Warmdrahtes 145 und unterbricht den Kontakt mit dem Werkstück 115, um einen Lichtbogen zu bilden, wie in 706 gezeigt. Weil der Lichtbogen bei 706 immer noch in seiner Anfangsphase ist, wird er als ein Mikrolichtbogen angesehen (siehe 712). Wenn der Lichtbogen nicht gelöscht wird, so wächst er zu einem vollen Lichtbogen 714, wie bei 708 und 710 gezeigt, und der Übergang von einem Mikrolichtbogen 712 zu einem vollen Lichtbogen 714 kann sich sehr rasch vollziehen. Wenn jedoch das Ausgangssignal der Warmdrahtstromversorgung 135 schnell genug abgeschaltet (oder reduziert) wird, so ist alles, was der Nutzer sieht, der Mikrolichtbogen. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird der Lichtbogen während des Warmdrahtvorgangs in der Mikrolichtbogenphase 712 gehalten, indem man den Erwärmungsstrom abschaltet oder reduziert, wodurch sich der Draht 145 in die Pfütze 112 zurückschieben kann, bevor der Lichtbogen die volle Lichtbogenphase 714 erreicht und die zusätzliche Wärme des Lichtbogens die Schweißzone überhitzt. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Dauer, die Amplitude und/oder die Frequenz der Mikrolichtbögen nach Wunsch dafür verwendet werden, der Schweißpfütze 112 Wärme hinzuzufügen, die Raupenform zu verbessern, den Einbrand zu verstärken und/oder die Schweißpfütze 112 zu bewegen oder zu rühren. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können signifikante Abscheidungsraten bei beträchtlich weniger Wärmezufuhr erreichen als bekannte Tandem-MIG-Schweißverfahren.
Zum Beispiel werden in einigen beispielhaften Systemen mindestens zwei Verbrauchsmaterialien 140/145 in derselben Pfütze 112 verwendet, zum Beispiel GMAW, FCAW, MCAW, SAW usw. In diesen beispielhaften Ausführungsformen kann während der meisten Schweißbetriebsmodi eine sehr hohe Abscheidungsrate erreicht werden, und zwar mit einer Verringerung der Wärmezufuhr von bis zu 35% gegenüber einem vergleichbaren Tandemsystem. 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 und einem Warmdraht erreichen. Andere beispielhafte Ausführungsformen haben eine Abscheidungsrate von mindestens 35 lb/h.
In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die mindestens zwei Verbrauchsmaterialien verwenden, kann jedes der Verbrauchsmaterialien (beispielsweise die Drähte 140 und 145) das gleiche sein, insofern, als sie die gleiche Zusammensetzung, den gleichen Durchmesser usw. haben. Jedoch können diese Drähte in anderen beispielhaften Ausführungsformen verschieden sein. Zum Beispiel können die Drähte verschiedene Durchmesser, Drahtzufuhrgeschwindigkeiten und Zusammensetzungen haben, so wie es für den speziellen Vorgang gewünscht wird. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann die Drahtzufuhrgeschwindigkeit für den vorauseilenden Draht 140 eine andere sein als 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.
Darüber hinaus kann, weil Drähte mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen 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.
3 zeigt beispielhafte Stromwellenformen für den Lichtbogenschweißstrom und den Warmdrahterwärmungsstrom, die aus den Stromversorgungen 130 bzw. 135 ausgegeben werden können. Zum Beispiel kann die beispielhafte Lichtbogenschweißwellenform 201, zum Beispiel eine GMAW-Schweißwellenform, von der Stromversorgung 130 ausgegeben werden. Die Schweißwellenform 201 verwendet Stromimpulse 202 zum Unterstützen des Transfers von Tröpfchen von dem Draht 140 zu der Pfütze 112 über den Lichtbogen 110. Die Stromimpulse 202 sind durch Hintergrundpegel 210 eines niedrigeren Strompegels getrennt als die Impulse 202. Die in 3 gezeigte Lichtbogenschweißwellenform 201 ist beispielhaft und repräsentativ und soll keine Einschränkung darstellen. Zum Beispiel kann die Lichtbogenschweißwellenform jene sein, die für gepulsten Sprühtransfer, Impulsschweißen, Kurzlichtbogentransfer, Oberflächenspannungstransfer(STT)-Schweißen, Kurzschluss-Rückzugsschweißen, Konstantstrom (oder Nahe-Konstantstrom), Konstantspannung usw. verwendet wird. Des Weiteren kann die Lichtbogenschweißwellenform eine Wechselstromwellenform sein. Natürlich ist die Elektrode bei WIG- und PAW-Systemen nicht aufzehrbar und wird nicht zu der Pfütze transferiert, wie zum Beispiel in einem GMAW-Prozess. Des Weiteren kann mit einem Laser anstelle einer Schweißwellenform die Intensität des Lasers mit der Warmdrahtwellenform gesteuert und koordiniert werden.
Für die Warmdrahtstromwellenform, die dafür verwendet wird, den Draht 145 zu erwärmen, gelten keine Einschränkungen; sie kann ein Stabilzustandsstrom (zum Beispiel zur Verwendung in Laser-Warmdrahtsystemen), ein gepulster Gleichstrom (zum Beispiel zur Verwendung in Warmdraht-Tandemsystemen), ein polaritätsvariabler Strom (zum Beispiel für WIG- und SAW-Systeme) usw. sein. Zum Beispiel kann, wie in 3 veranschaulicht, die Warmdrahtstromversorgung 135 eine Erwärmungsstromwellenform 203 ausgeben, die eine Reihe von Impulsen 204 haben kann, die durch einen Hintergrundstrom 211 eines geringeren Strompegel getrennt sind, um den Draht 145 durch Widerstandserwärmung zu erwärmen. Der Spitzenwert der Impulse 204 und/oder des Hintergrundstroms 211 kann nach Wunsch beispielsweise auf der Basis des Drahttyps und -durchmessers, des Schweißprozesstyps (zum Beispiel Plattieren, Fügen, Materialaufbau usw.), des Typs der hoch-intensiven Wärmequelle, der Drahtzufuhrgeschwindigkeit, der Soll-Drahttemperatur usw. justiert werden. In einigen Ausführungsformen, wie in 3 gezeigt, können die Impulse 202 und 204 von den jeweiligen Stromwellenformen so synchronisiert werden, dass sie phasengleich zueinander sind, d. h. mit einem Phasenwinkel ⊝ von null. In vielen Warmdraht-Tandemsystemen ist ein Phasenwinkel von null, d. h. ohne Versatz, wünschenswert, wenn es um Lichtbogenstabilität geht. Jedoch kann in anderen Ausführungsformen ein Versatz wünschenswert sein. Zum Beispiel können die Impulse 202 und 204 um einen beliebigen gewünschten Phasenwinkel verschoben werden, um die gewünschte Stabilität für den Lichtbogen 110 zu erreichen, oder aus irgendeinem anderen Grund (siehe Impuls 204' von Wellenform 203'). Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen der Phasenwinkel ⊝ in Abhängigkeit vom Typ der hoch-intensiven Wärmequelle, vom Typ der Schweißwellenform, sonstigen Schweißparametern, der Lichtbogenstabilität usw. im Bereich von 30 bis 270 Grad liegen. Natürlich können in Abhängigkeit vom System auch andere Phasenwinkel verwendet werden. Des Weiteren werden in einigen Ausführungsformen die Impulse 202 und 204 (204) nicht synchronisiert. Zum Beispiel können der Schweißstrom 201 und der Erwärmungsstrom 203 (203') unabhängig voneinander gesteuert werden.
In der in 3 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform werden die Stromwellenformen so gesteuert, dass die Stromimpulse 202/204 (204') eine ähnliche oder die gleiche Frequenz haben. In einigen Ausführungsformen kann sich, wenn sich die Lichtbogenschweißstromfrequenz ändert, die Erwärmungsstromfrequenz entsprechend ändern. Gleichermaßen kann in einigen Ausführungsformen gewünschtenfalls die Lichtbogenschweißfrequenz so eingestellt werden, dass sie der Erwärmungsstromfrequenz folgt. Jedoch brauchen die Frequenzen der Schweißwellenform und der Warmdrahtwellenform nicht die gleichen sein. In einigen Ausführungsformen sind die Frequenzen verschieden. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen die Schweißwellenform eine höhere Frequenz haben als die Erwärmungswellenformfrequenz, und in einigen Ausführungsformen ist die Erwärmungswellenformfrequenz höher. Des Weiteren sind die Erwärmungswellenformen 203, 203' in 3 als gepulste Gleichstromwellenformen veranschaulicht. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, und es können auch andere Arten von Erwärmungswellenformen verwendet werden, wie zum Beispiel Stabilzustandsgleichstrom, variable Polarität, Wechselstromwellenformen usw.
In den oben besprochenen beispielhaften Ausführungsformen kann die Kombination des Lichtbogens 110 und des Warmdrahtes 145 dafür verwendet werden, die Wärmezufuhr zu der Schweißnahtablagerung im Einklang mit den Anforderungen und Einschränkungen des konkret auszuführenden Vorgangs auszubalancieren. Zum Beispiel stellt der Lichtbogen 110 in einigen Ausführungsformen die Wärme beispielsweise bereit, um den Einbrand zu erhalten, um Werkstücke zu verbinden, und der Warmdraht 145 wird in erster Linie dafür verwendet, beispielsweise die Schweißfuge auszufüllen. Die Wärme aus der Widerstandserwärmung des Warmdrahtes 145 hilft dabei, dass der Warmdraht 145 nicht die Pfütze 112 abschreckt, Füllmaterial ohne Abziehen von Wärme hinzufügt und/oder nicht vorzeitig die Pfütze 112 abkühlt. In einigen Fällen ist zusätzliche Wärmezufuhr wünschenswert, um die Raupenform zu verbessern, den Einbrand zu verstärken und/oder die Rührwirkung innerhalb der Schweißpfütze 112 zu erhöhen. In solchen Fällen kann in beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Strom durch den Warmdraht 145 angehoben werden, bis der Kontakt zwischen dem Draht 145 und der Pfütze 112 vollständig schmilzt und ein Lichtbogen entsteht, um eine zusätzliche Wärmezufuhr zum Unterstützen des Einbrandes bereitzustellen und/oder die Schweißpfütze 112 zu bewegen. Der Lichtbogen wird so gesteuert, dass er eine begrenzte Intensität und Dauer hat, d. h. der Lichtbogen ist auf eine Mikrolichtbogenphase beschränkt (siehe 712 in 7). In einigen Ausführungsformen wird der Warmdrahtstrom so erhöht, dass er 1% bis 10% über dem durchschnittlichen Strom liegt, der benötigt wird, um den Mikrolichtbogen zu bilden.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann, wenn Mikrolichtbögen gewünscht werden, die beispielhafte Erwärmungswellenform 205 von 4 von der Stromversorgung 135 ausgegeben werden. Die Erwärmungswellenform 205 enthält Erwärmungsimpulse 212, die durch Hintergrundpegel 220 von null Ampere getrennt sind. Die Erwärmungsimpulse 212 können einen ersten Abschnitt 213 und einen Absenkabschnitt 216 haben. Des Weiteren können ein oder mehrere der Erwärmungsimpulse 212 einen Anstiegsabschnitt 214 und einen zweiten Abschnitt 215 haben. Der erste Abschnitt 213 hat einen Wert I_P1, der so vorgegeben und eingestellt sein kann, dass der Draht 145 auf eine Solltemperatur, zum Beispiel auf seine oder nahe seiner Schmelztemperatur, erwärmt wird, ohne eine Lichtbogenbildung zwischen Draht 145 und Werkstück 115 zu verursachen. Der Wert IP₁ kann anhand von Faktoren wie zum Beispiel Drahttyp und -durchmesser, Schweißprozesstyp (zum Beispiel Plattieren, Fügen, Materialaufbau usw.), der Typ der hoch-intensiven Wärmequelle, Drahtzufuhrgeschwindigkeit, die gewünschte Drahttemperatur usw. manuell eingestellt oder automatisch bestimmten werden. Des Weiteren kann der Wert IP₁ während des Schweißprozesses auf der Basis der Schweißbedingungen automatisch justiert werden. Zum Beispiel kann der Wert IP₁ verringert werden, wenn der Draht 145 einen Lichtbogen bildet, wenn keiner gewünscht wird, oder kann erhöht werden, wenn sich der Draht 145 nicht auf die gewünschte Temperatur erwärmt. Es ist anzumerken, dass, an diesem Punkt, der Impuls 212 der Wellenform 205 ähnlich dem Impuls 204 (204') der Wellenform 203 (203') ist, insofern, als bei einem Erwärmungsstromwert von IP₁ der Draht 145 auf eine Solltemperatur erwärmt wird und es keine Lichtbogenbildung gibt.
Jedoch können einer oder mehrere der Impulse 212 der Wellenform 205 außerdem einen Anstiegsabschnitt 214 enthalten, der den Stromwert von dem Abschnitt 213, der den Wert IP₁ hat, zu einem Abschnitt 215 ansteigen lässt, der einen Wert von IP₂ hat. Die Anstiegsrate von Abschnitt 214 kann durch einen Nutzer einstellbar sein oder kann automatisch durch die Steuereinheit 195 (oder eine sonstige Vorrichtung) festgelegt werden. Der Wert IP₂ des Abschnitts 215 kann so vorgegeben und eingestellt werden, dass der Draht 145 gerade einen Lichtbogen zu bilden beginnt. In anderen Ausführungsformen ist der Wert IP₂ nicht vorgegeben, und der Erwärmungsstromwert wird ausgehend vom Wert IP₁ angehoben, bis zum Beispiel die Steuereinheit 195 einen Lichtbogenbildungszustand am Draht 145 detektiert. Zum Beispiel ist die Rückkopplungsspannung V2 von der Stromversorgung 135 niedrig, zum Beispiel in einem Bereich von 1 bis 12 Volt, wenn der Draht 145 an dem Werkstück 115 kurzgeschlossen wird, und in einem Bereich von zum Beispiel 13 bis 40 Volt, wenn der Draht 145 in einem Lichtbogenbildungszustand ist. Sobald eine Lichtbogenbildung in dem Draht 145 detektiert wird, steigt der Ausgangsstrom von der Stromversorgung 135 nicht weiter, und nach einer gewünschten Dauer wird die Stromversorgung 135 abgeschaltet (oder das Ausgangssignal der Stromversorgung 135 sinkt auf einen Pegel, auf dem Lichtbogen nicht aufrecht erhalten werden kann). Dementsprechend ist der Abschnitt 215 dafür ausgelegt, einen Lichtbogen zu bilden, der von kurzer Länge und Dauer ist, d. h. ein Mikrolichtbogen. Ein solcher Mikrolichtbogen kann nach Wunsch eine zusätzliche Wärmezufuhr zur Schweißpfütze 112 bereitstellen. Wenn es zum Beispiel wünschenswert ist, die Wärmezufuhr zur Schweißpfütze 112 zu erhöhen, aber eine Erhöhung des Lichtbogenschweißstroms (oder der Intensität des Lasers) nicht wünschenswert und/oder praktikabel ist, so kann der Erwärmungsstrom durch den Draht 145 erhöht werden, d. h. ein Ansteigen von Abschnitt 213 zu Abschnitt 215, dergestalt, dass Mikrolichtbögen entstehen. Die Mikrolichtbögen können zusätzliche Wärmezufuhr bereitstellen, um zum Beispiel Situationen zu unterstützen, wobei ein einzelner Lichtbogen (oder Laser und Warmdraht) nicht genug Wärmezufuhr bereitstellt (zum Beispiel an einer Seitenwand einer Schweißfuge oder an einem Rand einer Plattierungsschicht), aber das Anwenden zweier voller Lichtbögen (oder eines Lasers und eines Lichtbogens) zu viel Wärmezufuhr bereitstellen würde (wenn zum Beispiel versucht wird, einen Spalt in einer Schweißfuge zu überbrücken, beim Schweißen auf einer dünnen Platte, oder wenn ein Vermischen in einem Plattierungsvorgang minimiert werden muss). Wenn ein Schweißdurchgang nahe einer Seitenwand einer Schweißfuge oder einem Rand einer vorherigen Plattierungsschicht verläuft, so kann ein wenig zusätzliche Wärmezufuhr einen besseren Einbrand und dadurch eine bessere Verschmelzung des Grundwerkstoffs mit dem Schweißmetall bereitstellen. Dementsprechend können die Mikrolichtbögen nach Wunsch gesteuert werden, um eine „Feinabstimmung” der Wärmezufuhr zur Schweißpfütze 112 vorzunehmen. In einigen Ausführungsformen kann der Punkt an, an dem der Ausgangsstrom der Stromversorgung 135 nicht mehr ansteigt, nachdem der Mikrolichtbogen detektiert wurde, gesteuert werden, um die gewünschte Wärmezunahme von dem Mikrolichtbogen zu erreichen. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen die Erhöhung des Ausgangsstroms von der Stromversorgung 135 sofort gestoppt werden, nachdem der Lichtbogenbildungszustand detektiert wurde. In anderen Ausführungsformen kann die Erhöhung des Stroms nach einer gewünschten Verzögerung gestoppt werden, um sicherzustellen, dass das System während eines gewünschten Zeitraums (oder aus einem anderen Grund) in einem Mikrolichtbogenzustand bleibt. In wieder anderen Ausführungsformen kann die Erhöhung des Stroms nach dem Detektieren eines Mikrolichtbogenzustands gestoppt werden, nachdem der Strom einen gewünschten Strompegel erreicht hat, um sicherzustellen, dass die gewünschte Wärmezufuhr erreicht wurde (oder aus einem anderen Grund).
Des Weiteren können in einigen Ausführungsformen die Mikrolichtbögen dazu dienen, die Schweißpfütze 112 zu bewegen (oder die Schweißpfütze 112 weiter zu bewegen oder zu rühren). Zum Beispiel in Ausführungsformen, wo ein Laser anstelle eines Lichtbogen als die hoch-intensive Energiequelle verwendet wird, kann es wünschenswert sein, die schmelzflüssige Pfütze 112 zu bewegen, da der Laserstrahl möglicherweise nicht genügend Vermischung des schmelzflüssigen Grundwerkstoffs und des geschmolzenen Fülldrahtes 145 herbeiführt. Natürlich können die Mikrolichtbögen gewünschtenfalls zusätzliche Bewegung auch in Lichtbogensystemen herbeiführen.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 (oder eine andere Vorrichtung) die Dauer der Mikrolichtbögen nach Wunsch steuern, um zusätzliche Wärmezufuhr zu der Schweißpfütze 112 und/oder Bewegung der Schweißpfütze 112 bereitzustellen. Das heißt, nach seiner Entstehung kann jeder Mikrolichtbogen über eine vorgegebene Dauer t gesteuert werden (siehe 215 von 4), wobei t in einem Bereich von zum Beispiel 50 Mikrosekunden bis 2 Millisekunden liegen kann, oder in irgendeinem anderen Bereich, der die gewünschte Wärmezufuhr und/oder Bewegung erbringt. In einigen Ausführungsformen kann die Dauer t auf etwa 300 Mikrosekunden eingestellt werden.
5 veranschaulicht ein beispielhaftes Programm 500, das durch die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 (oder eine andere Vorrichtung) implementiert werden kann, um die Stromversorgung 135 so zu steuern, dass der Draht 145 den Mikrolichtbogen startet, wenn es gewünscht wird. Das Programm 500 kann zwischen einem Erwärmungsprozess 502, der zum Beispiel die Wellenform 203 (203'') implementieren kann, und einem Mikrolichtbogenprozess 504, der zum Beispiel die Wellenform 205 implementieren kann, umschalten. Es werden zwar die Bezeichnungen „Erwärmungsprozess” und „Mikrolichtbogenprozess” verwendet, um zwischen den zwei Prozessen zu unterscheiden, aber natürlich versteht es sich, dass der Mikrolichtbogenprozess 205 auch den Draht 145 erwärmt. In einem beispielhaften Schweißprozess, wenn zunächst ein Erwärmungsprozess 502 gewünscht wird, startet die Steuereinheit 195 den Erwärmungsprozess 502 bei Schritt 503A. Nachdem der Erwärmungsprozess 502 gestartet wurde, wird die Lichtbogenunterdrückungsüberwachungsroutine 530, die die Spannung V₂ überwacht (siehe 1), begonnen. Die Lichtbogenunterdrückungsüberwachungsroutine 530 überwacht einen Lichtbogenbildungszustand und schaltet die Stromversorgung 135 ab, wenn der Draht 145 einen Lichtbogen zu bilden beginnt, obwohl er es nicht soll, wenn zum Beispiel der Beginn des Mikrolichtbogenprozesses 504 nicht angefordert wurde. Beim Kurzschluss liegt die Spannung V₂ des Drahtes 145 in einem Bereich von 1 bis 12 Volt, weil das System nicht den Katoden/Anoden-Abfall aufweist. Im Gegensatz dazu kann während eines Lichtbogenbildungszustands die Spannung V₂ der Stromversorgung 135 in einem Bereich von 13 bis 40 Volt liegen. Somit kann eine Spannung von 13 Volt oder mehr bedeuten, dass der Draht 145 nicht kurzgeschlossen ist und dass ein Lichtbogenbildungszustand zwischen Draht 145 und Werkstück 115 existiert. Dementsprechend bestimmt die Lichtbogenunterdrückungsroutine 530 auf der Basis einer zuvor festgelegten Spannung V_H, die zum Beispiel auf 13 Volt oder höher eingestellt werden kann, ob die Stromversorgung 135 gestoppt werden und der Draht 145 einen Kurzschluss zu der Schweißpfütze 112 herstellen soll oder ob der Erwärmungsprozess 502 fortgesetzt werden soll. Wenn beispielsweise die Spannung V₂ 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 oder eine sonstige Abfühlvorrichtung, bestimmt wird. Durch Abschalten der Stromversorgung 135 stoppt der Strom durch den Draht 145, und der Draht 145 wird vorangeschoben, bis er sich mit dem Werkstück 115 kurzschließt. Natürlich ist V_H nicht auf 13 Volt beschränkt, und es können auf der Basis des Systems und/oder des Prozesses auch andere Werten für V_H verwendet werden. Nachdem der Draht 145 kurzgeschlossen wurde und die Spannung V₂ unterhalb der Spannung V_H liegt, kann der Erwärmungsprozess 502 gestartet werden (siehe Schritt 510 des Erwärmungsprozesses 502), so dass der Erwärmungsstrom von der Stromversorgung 135 gesteuert werden kann, um zum Beispiel eine gewünschte Temperatur in dem Draht 145 aufrecht zu erhalten. Jedoch überwacht die Lichtbogenunterdrückungsroutine 530 auch dann, nachdem der Erwärmungsprozess 502 gestartet wurde, fortlaufend 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 510 wartet die Steuereinheit 195 auf das Synchronisationssignal, das anzeigt, dass die Stromversorgung 130 einen Lichtbogenschweißstrom-Spitzenimpuls, zum Beispiel die ansteigende Flanke des Impulses 202, initiiert hat. Natürlich kann auch ein anderer Abschnitt der Lichtbogenschweißstromwellenform 201 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 ⊝ (Schritt 515), bevor sie einen Erwärmungsstromimpuls bei Schritt 520 initiiert. Zum Beispiel kann der Erwärmungsstromimpuls der Impuls 204 oder 204' 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 522 wird der Erwärmungsstrom von der Stromversorgung 135 bei Schritt 524 auf einen Hintergrundstrompegel gesenkt. Bei Schritt 526 wird der Hintergrunderwärmungsstrompegel über einen zuvor festgelegten Zeitraum gehalten, bevor die Steuereinheit 195 zu Schritt 528 geht. Bei Schritt 528 überprüft die Steuereinheit 195, ob der Mikrolichtbogenschweißprozess 504 initiiert werden soll. Wenn nicht, so geht die Steuereinheit 195 zu Schritt 520, und ein neuer Erwärmungsstromzyklus wird begonnen. Der Erwärmungsstromzyklus 502 wird fortgesetzt, bis der Zyklus bei Schritt 503B gestoppt wird, weil zum Beispiel die Brennereinheit 120 das Vorschubende erreicht hat, der Bediener den Prozess manuell gestoppt hat usw. Wenn der Mikrolichtbogenprozess 504 bei Schritt 528 angefordert wurde, so schreitet die Steuereinheit zu Schritt 505A voran, wo der Mikrolichtbogenprozess 504 begonnen wird. Natürlich kann – ähnlich der Lichtbogenunterdrückungsüberwachungsroutine 530 – die Überprüfung, ob der Mikrolichtbogenprozess gestartet werden soll, fortlaufend vorgenommen werden (zum Beispiel im Hintergrund). Wenn die Mikrolichtbogenanforderungsüberprüfung fortlaufend ausgeführt wird, so kann die Umschaltung zu dem Mikrolichtbogenprozess 504 zu jeder gewünschten Zeit erfolgen, anstatt nur bei Schritt 528.
Sobald der Mikrolichtbogenerwärmungsprozess 504 gestartet wurde, geht die Steuereinheit 195 zu Schritt 540 und überprüft den Synchronisationsimpuls, der anzeigt, dass die Stromversorgung 130 einen Lichtbogenschweißstromspitzenimpuls initiiert hat, zum Beispiel die ansteigende Flanke von Impuls 202 (siehe 3). Natürlich kann – wie bei dem normalen Erwärmungsprozess 502 – auch ein anderer Abschnitt der Lichtbogenschweißstromwellenform der Stromversorgung 130 für Synchronisationszwecke verwendet werden, wie zum Beispiel die fallende Flanke des Impulses usw. Nachdem das Synchronisationssignal empfangen wurde, geht die Steuereinheit 195 zu Schritt 545 und wartet eine zweckmäßige Zeit auf der Basis des gewünschten Phasenwinkels ⊝ vor dem Initiieren eines Lichtbogenschweißstromimpulses von der Stromversorgung 135 bei Schritt 550. Auch hier kann es sein, dass in einigen Ausführungsformen – auf der Basis des Typs des Lichtbogenschweißens und der Erwärmungsstromwellenformen – kein Synchronisationssignal benötigt wird. Bei Schritt 550 wird der Strom von der Stromversorgung 135 angehoben, bis er mit einem anfänglichen Sollwert übereinstimmt. Zum Beispiel kann der anfängliche Sollwert einem Stromwert IP₁ entsprechen. Wie oben besprochen, kann der Wert IP₁ zum Beispiel ein Stromwert sein, der knapp unterhalb eines Lichtbogenbildungszustands für den Draht 145 liegt. Der Wert IP₁ kann in Abhängigkeit von den Schweißbedingungen und dem gewünschten durchschnittlichen Erwärmungsstromwert höher, niedriger oder der gleiche Wert sein wie der des Impulses 204 oder 204'.
Nach dem Halten des anfänglichen Sollwertes über einen vorgegebenen Zeitraum bei Schritt 554 wird der Mikrolichtbogenschweißstrom von der Stromversorgung 135 mit einer vorgegebenen Rate auf einen Stromwert (zum Beispiel IP₂) angehoben, der gerade beginnt, einen Lichtbogen zu erzeugen (siehe 214, 215 in 4). In einigen Ausführungsformen ist der Wert IP₂ auf der Basis des Drahttyps, der Drahtgeschwindigkeit, der Schweißbedingungen usw. vorgegeben. In anderen Ausführungsformen wird der Strom angehoben, bis die Steuereinheit 195 beispielsweise anhand der Spannung V₂ bestimmt, dass der Lichtbogenbildungszustand gestartet wurde. Zum Beispiel kann ein Lichtbogenbildungszustand existieren, wenn die Spannung V₂ bei oder oberhalb beispielsweise 13 Volt liegt, und Mikrolichtbögen können in einem Bereich von 13 Volt bis 40 Volt existieren. Dadurch kann der Strom angehoben werden, bis eine Impulsspitze in der Spannung V₂ vorhanden ist, zum Beispiel in einem Bereich von 13 Volt bis 40 Volt. Durch Steuern des Stromes durch den Draht 145 auf einen Punkt, wo der Draht 145 seinen Schmelzpunkt erreicht, die Verbindung zur Pfütze 112 unterbricht und einen Mikrolichtbogen bildet, liegt die Wärmezufuhr des Mikrolichtbogenstroms über der des normalen Erwärmungsstroms (zum Beispiel die Erwärmungsstromwellenform 203 von 3). Die Wärmezufuhr des Mikrolichtbogenstroms kann dann durch Steuern der Dauer, der Amplitude und/oder der Frequenz der Mikrolichtbögen gesteuert werden. In der beispielhaften Ausführungsform von 5, bei Schritt 556, wird der Mikrolichtbogenstrom, zum Beispiel IP₂, über eine vorgegebene Dauer t, zum Beispiel zwischen 50 Mikrosekunden und 2 Millisekunden, gehalten. In einigen Ausführungsformen ist die Dauer t auf einen gewünschten Wert für den gesamten Schweißprozess festgelegt. In anderen Ausführungsformen kann die Dauer t entweder manuell oder automatisch während des Schweißprozesses geändert werden, um die gewünschte Wärmezufuhr und/oder Bewegung zu erreichen. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 195 auf der Basis eines Rückkopplungssignals, zum Beispiel der Schweißtemperatur, die Dauer t so justieren, dass die gewünschte Schweißtemperatur erreicht wird. Nachdem die Dauer t verstrichen ist, wird die Stromversorgung 135 bei Schritt 558 abgeschaltet, so dass der Lichtbogen erlischt und der Draht 145 wieder einen Kontakt mit der Pfütze 112 herstellt. Die Bestimmung, ob sich der Draht 145 mit der Pfütze 112 kurzgeschlossen hat, kann beispielsweise anhand eines Zeitmessers oder eines Abfühlmechanismus getroffen werden, wie zum Beispiel eines Drehmomentsensors in Drahtzufuhrvorrichtung 155 oder einer sonstigen Abfühlvorrichtung. Nachdem der Draht 145 wieder einen Kontakt mit der Pfütze 112 herstellt, geht die Steuereinheit zu Schritt 540, und der Mikrolichtbogenzyklus beginnt wieder. In einigen Ausführungsformen wird nicht die Stromversorgung 135 abgeschaltet, sondern das Ausgangssignal wird so reduziert, dass der Mikrolichtbogen nicht mehr aufrechterhalten werden kann.
Es ist anzumerken, dass, wenn bei Schritt 558 die Stromversorgung 135 abgeschaltet wird (oder das Ausgangssignal in geeigneter Weise reduziert wird), die Rate, mit der der Strom von der Stromversorgung 135 auf null sinkt, von der Induktivität in dem Warmdrahtsystem abhängig ist. Wie weiter unten noch besprochen wird, kann in einigen Ausführungsformen die Absenkrate unter Verwendung eines Induktionsstromunterdrückungskreises beschleunigt werden. Nachdem der Mikrolichtbogen gelöscht wurde, fließt kein Strom durch den Draht 145, bis der Draht 145 wieder einen Kontakt mit dem Werkstück 115 herstellt und der Ausgangsstrom von der Stromversorgung 135 wieder zu fließen beginnt. Diese „Totzeit”, d. h. der Zeitraum, wo durch den Draht 145 kein Strom fließt oder ein reduzierter Strom fließt, kann in einigen beispielhaften Ausführungsformen festgelegt werden. In anderen Ausführungsformen kann die „Totzeit” gesteuert werden, um die Wärmezufuhr zu der Schweißpfütze 112 und/oder die Bewegung der Schweißpfütze 112 zu justieren. Zum Beispiel kann die „Totzeit” nach Wunsch durch Ändern der Drahtzufuhrgeschwindigkeit der Zufuhrvorrichtung 155 und/oder durch Steuern, wann die Stromversorgung wieder eingeschaltet wird (in Ausführungsformen, wo die Stromversorgung abgeschaltet wird), justiert werden.
In einigen Ausführungsformen kann – in Abhängigkeit von der Drahtzufuhrgeschwindigkeit und dem Spalt zwischen der Spitze des Drahtes 145 und der Oberfläche des Werkstücks 115 – die Zeit, bis der Draht 145 wieder einen Kontakt mit dem Werkstück 115 herstellt, nachdem der Lichtbogen gelöscht wurde, 10 Millisekunden oder länger betragen, aber beträgt in einigen Ausführungsformen in der Regel zwischen 300 Mikrosekunden und 500 Mikrosekunden. Nachdem sich der Draht 145 wieder mit dem Werkstück 115 kurzgeschlossen hat, geht die Steuereinheit 195 zu Schritt 540, und der Mikrolichtbogenprozess 504 beginnt wieder. Der Mikrolichtbogenprozess 504 setzt sich fort, bis er bei Schritt 505B gestoppt wird, zum Beispiel, weil die Brennereinheit 120 das Vorschubende erreicht hat, der Bediener den Prozess manuell gestoppt hat, die zusätzliche Wärmezufuhr des Mikrolichtbogens nicht mehr gewünscht wird, die Bewegung der Schweißpfütze 112 nicht mehr gewünscht wird, und/oder aus einem anderen Grund. Wenn zum Beispiel der Schweißprozess am Vorschubende angekommen ist, so kann ein Signals vom Programm 508 sowohl den Erwärmungsprozess 502 als auch den Mikrolichtbogenprozess 504 in den Schritten 503B bzw. 505B stoppen.
In den obigen Ausführungsformen, mit Bezug auf den Mikrolichtbogenprozess 504, werden die Mikrolichtbögen so gesteuert, dass sie bei jedem Impuls, zum Beispiel jedem Impuls 212 der Wellenform 205, eintreten. Jedoch können die Mikrolichtbögen auch so gesteuert werden, dass sie alle n Impulse eintreten, wobei n eine positive ganze Zahl ist. Das heißt, Mikrolichtbogenimpulse, wie zum Beispiel Impuls 212, können mit Nicht-Mikrolichtbogenimpulsen, wie zum Beispiel Impuls 204 oder 204', gemischt werden. Zum Beispiel veranschaulicht 8 eine Erwärmungswellenform 800, in der ein Impuls 804 nach jeweils zwei Impulsen 802 initiiert wird. Impuls 804 kann zum Beispiel ähnlich dem Impuls 212, 212' oder 212'' von 4 sein und kann gesteuert werden, um einen Mikrolichtbogen zu erzeugen, wie zum Beispiel in den obigen beispielhaften Ausführungsformen besprochen. Die Impulse 802 können zum Beispiel ähnlich den Impulsen 204 oder 204' von 3 sein und werden auf einen Wert, zum Beispiel IP₁, dergestalt eingestellt, dass der Draht 145 in keinen Lichtbogenbildungszustand eintritt. Natürlich müssten zweckmäßige Änderungen an dem Programm 500 vorgenommen werden, um die Wellenform 800 zu implementieren.
In einigen Ausführungsformen kann der Impulsstromwert entweder allein oder in Kombination mit dem Hintergrunderwärmungsstromwert über mehrere Erwärmungsstromimpulse hinweg angehoben werden, bis ein Mikrolichtbogen detektiert wird. Zum Beispiel veranschaulicht 9 eine beispielhafte Erwärmungswellenform 900 mit Impulsen 910, die einen Impulsstromwert 902 und einen Hintergrunderwärmungsstrom 904 haben. Der Impulsstromwert 902 und der Hintergrundstromwert 904 können beispielsweise durch die Steuereinheit 195 auf einen vorgegebenen Impulsstrom-Sollwert und einen vorgegebenen Hintergrundstrom-Sollwert gesteuert werden. Der Impulsstrom-Sollwert und der Hintergrundstrom-Sollwert können zunächst so eingestellt werden, dass der Draht 145 in Kontakt mit der Schweißpfütze 112 bleibt und keine Mikrolichtbögen entstehen (siehe 702 von 7). Wie in 9 gezeigt, wird der Impulsstrom-Sollwert zunächst auf einen Wert eingestellt, der dem Stromwert IP₁ entspricht, und der Hintergrundstrom-Sollwert wird zunächst auf einen Wert eingestellt, der einem Stromwert IB₁ entspricht. In einigen Ausführungsformen können der Impulsstrom-Sollwert und/oder der Hintergrunderwärmungsstrom-Sollwert über aufeinanderfolgende Erwärmungsimpulse 910 so angehoben werden, dass der Durchschnittsstrom ansteigt und Impulse 902 einen Mikrolichtbogen erzeugen. Zum Beispiel steigt, wie in 9 veranschaulicht, der Wert aufeinanderfolgender Impulsströme 902 und Hintergrundströme 904, bis ein Mikrolichtbogen entsteht. In der in 9 gezeigten Ausführungsform werden sowohl der Impulsstrom 902 als auch der Hintergrundstrom 904 erhöht. Jedoch kann in einigen Ausführungsformen nur der Impulsstrom 902 oder nur der Hintergrundstrom 904 von Impulsen 910 erhöht werden, solange die Wärmezufuhr zu dem Draht 145 erhöht wird. Die Impulse 910 von der Stromversorgung 135 können auf ein Synchronisationssignal eingestellt werden, das durch die Steuereinheit 195 (oder eine ähnliche Vorrichtung) gesendet wird. Die Synchronisationssignale von der Steuereinheit 195 können mit dem Lichtbogenschweißsystem wie oben besprochen koordiniert werden. Sobald ein Mikrolichtbogen detektiert wird, kann die Dauer des Mikrolichtbogens wie oben besprochen gesteuert werden, und dann kann die Stromversorgung 135 so abgeschaltet oder leistungsreduziert werden, dass der Draht 145 wieder einen Kontakt mit der Schweißpfütze 112 herstellt. Nach der gewünschten „Totzeit” werden die Impulse 910 ab dem anfänglichen Sollwert, zum Beispiel IP₁, und dem anfänglichen Hintergrundstromwert, zum Beispiel IB₁, fortgesetzt.
In einigen Ausführungsformen kann die Steuereinheit 195 die Mikrolichtbogenprozesse (oder andere Mikrolichtbogenprozesse gemäß der vorliegenden Erfindung) während des gesamten Schweißprozesses wie oben besprochen implementieren, anstatt zwischen einem Erwärmungsprozess und einem Mikrolichtbogenprozess umzuschalten (zum Beispiel zwischen dem Erwärmungsprozess 502 und dem Mikrolichtbogenprozess 504). In anderen Ausführungsformen können die Mikrolichtbögen so gesteuert werden, dass sie nur an gewünschten Stellen auftreten, wo zusätzliche Wärmezufuhr und/oder Bewegung gewünscht wird, wenn zum Beispiel der Brenner 120 nahe einer Seitenwand der Schweißfuge oder einer vorherigen Plattierungsschicht ist.
Zum Beispiel kann das System 100 in einem Schweißprozess, wo der Brenner 120 eine Webe-Bewegung von einer Seitenwand zu einer Schweißfuge einer anderen ausführt, so konfiguriert sein, dass die Mikrolichtbögen manuell oder automatisches beispielsweise durch die Abfühl- und Stromsteuereinheit 195 (oder eine andere Vorrichtung) initiiert werden, sobald sich der Brenner 120 an einer Seitenwand befindet. Wie in 5 gezeigt, kann der Vorschubpositionierungsprozess 506 ein Programm 507 enthalten, das ein „An-Seitenwand”-Signal sendet, das den normalen Erwärmungsprozess 502 stoppt und den Mikrolichtbogen-Erwärmungsprozess 504 beginnt, wenn sich der Brenner 120 an einer Seitenwand befindet, um beispielsweise zusätzliche Wärmezufuhr und/oder Bewegung bereitstellen. Wenn sich der Brenner 120 in einem Abstand zur Seitenwand befindet, so wird das „An-Seitenwand”-Signal beendet, und die Steuereinheit 195 kann den normalen Erwärmungsstromprozess 502 bei Schritt 503A gewünschtenfalls neu starten. In einigen Ausführungsformen kann der Roboter 190 (siehe 1) oder ein mechanischer Oszillator (nicht gezeigt) das Webe-Muster durch Oszillieren des Brenner 120 von einer Seitenwand zu einer anderen erzeugen und außerdem das Seitenwandpositionssignal bereitstellen. Natürlich können auch anderen Verfahren, die die Nähe der Brennereinheit 120 zu einer Seitenwand anzeigen, dafür verwendet wird werden, den Mikrolichtbogen-Erwärmungsprozess 504 und/oder den normalen Erwärmungsprozess 502 zu starten und/oder zu stoppen. Zum Beispiel kann ein Signal auf der Basis der Lichtbogenspannung V₁ dafür verwendet werden anzuzeigen, wenn sich die Brennereinheit 120 nahe einer Seitenwand der Schweißfuge befindet. In wieder anderen Ausführungsformen können die Prozesse 502 und 504 auf der Basis eines vorgegebenen Zeitraums oder eines vorgegebenen Zykluszählwertes umgeschaltet werden, zum Beispiel der Anzahl von Erwärmungsimpulsen oder Mikrolichtbögen. Natürlich kann das System 100 – ähnlich dem „An-Seitenwand”-Signal – auch so konfiguriert sein, dass der Mikrolichtbogenprozess 504 initiiert wird, wenn sich der Brenner 120 nahe einer vorherigen Plattierungsschicht in einem Mehrlagen-Plattierensprozess befindet. In einigen Ausführungsformen kann auch der Roboter 190 das Vorschubende-Signal an den Vorschubpositionierungsprozess 506 ausgeben.
In den obigen Ausführungsformen sind die Prozesse 502 und 504 Gleichstrom, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und es können auch polaritätsvariable Ströme mit den entsprechenden Modifizierungen der Programmschritte von Programm 500 verwendet werden. Zum Beispiel können polaritätsvariable Ströme in Anwendungen verwendet werden, die eine minimale Interaktion zwischen dem Lichtbogen und dem Warmdraht erfordern. Des Weiteren können die Prozesse auch Stabilzustandsgleichstrom-Warmdraht, eine Stabilzustands-Wellenform mit langsamem Anstieg usw. verwenden. Des Weiteren verwenden die oben besprochenen beispielhaften Ausführungsformen Impulswellenformen für die Lichtbogenschweißwellenform, einen Erwärmungsprozess 502 und den Mikrolichtbogenprozess 504. Jedoch kann die vorliegende Erfindung auch andere Arten von Wellenformen verwenden. Zum Beispiel können die Wellenformen sinusförmig, dreieckig, eine weiche Rechteckwelle, modifizierte Versionen davon usw. sein. Des Weiteren blieben in den oben besprochenen Ausführungsformen die Erwärmungswellenform (zum Beispiel 204 oder 204') und die Mikrolichtbogen-Wellenform (zum Beispiel 205) während des Schweißprozesses die gleichen. Jedoch können in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Wellenform oder der Wellentyp, die Amplitude, der Nullversatz, die Impulsbreiten, die Phasenwinkel oder andere Parameter der Wellenformen nach Wunsch geändert werden, um die Wärmezufuhr zu steuern.
Wie oben besprochen, kann in einigen beispielhaften Ausführungsformen die Dauer t des Lichtbogenbildungszeitraums justiert werden, um die Wärmezufuhr zur Schweißpfütze 112 zu steuern. Alternativ oder zusätzlich kann in einigen beispielhaften Ausführungsformen die Frequenz, bei der Mikrolichtbögen entstehen, nach Wunsch gesteuert werden, um die Wärmezufuhr zur Schweißpfütze 112 und/oder die Bewegung der Schweißpfütze 112 zu justieren. Zum Beispiel können der anfängliche Sollwert und/oder die Anstiegsrate ab dem anfänglichen Sollwert zu einem Lichtbogenbildungszustand nach Bedarf justiert werden, um die gewünschte Frequenz und dadurch die gewünschte Wärmezufuhr und/oder Bewegung zu erreichen. 4 veranschaulicht die Änderungen der Frequenz der Schweißwellenform 205, wenn der anfängliche Sollwert erhöht wird (siehe Wellenform 205') und wenn die Anstiegsrate erhöht wird (siehe Wellenform 205''). Wellenform 205 hat Impulse 212, die zunächst auf einen Wert IP₁ angehoben werden, wie oben besprochen. Ab dem Wert von IP₁ wird der Strom mit einer vorgegebenen Rate angehoben, bis ein Mikrolichtbogen entsteht (siehe 214, 215), wie oben besprochen. Nachdem die Steuereinheit 195 (oder eine andere Vorrichtung) detektiert, dass sich der Draht 145 in einem Mikrolichtbogenzustand befindet, zum Beispiel durch Überwachen der Spannung V₂, wird die Stromversorgung 135 nach einer Dauer t abgeschaltet, und der Strom senkt sich auf null (siehe 216). Nachdem die Stromversorgung 135 abgeschaltet wurde, stellt der Draht 145 wieder einen Kontakt mit der Schweißpfütze 112 her. Nachdem der Strom auf null gegangen ist, wird die Stromversorgung 135 wieder eingeschaltet und angehoben, um den nächsten Impuls 212 zu initiieren. Solange die Schweißbedingungen halbwegs stabil bleiben, ist der Stromwert, bei dem die Mikrolichtbögen beginnen, ungefähr der gleiche, und darum bleibt der Zeitraum x zwischen den Impulsen 212 relativ konstant, d. h. die Frequenz der Wellenform 205 ist relativ stabil.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann, um die Wärmezufuhr zur Schweißpfütze 112 zu ändern, die Frequenz der Mikrolichtbögen entweder durch Ändern des anfänglichen Sollwertes oder der Anstiegsrate geändert werden. Zum Beispiel wird, wie in Wellenform 205' zu sehen, der anfängliche Sollwert ab einem Wert, der IP₁ entspricht, zu einem Wert erhöht, der IP₁' entspricht (siehe 203'). Wenn die Anstiegsrate (siehe 214') auf dem gleichen Wert gehalten wird wie 214 in Wellenform 205, so ist die Zeit des Anstiegs von IP₁' auf einen Lichtbogenbildungszustand (siehe 215') in Wellenform 205' kürzer als die Zeit zum Ansteigen von IP₁ zu einem Lichtbogenbildungszustand in Wellenform 205. Dementsprechend ist der Zeitraum x' kürzer als der Zeitraum x, und die Frequenz der Wellenform 205' ist höher als die der Wellenform 205, wenn wir annehmen, das die Anstiegsrate, die Mikrolichtbogendauer t und die Auszeit zwischen den Impulsen gleich gehalten werden. Gleichermaßen, wie in Wellenform 205'' zu sehen, wenn die Anstiegsrate (214'') erhöht wird, während der anfängliche Sollwert auf dem gleichen Wert gehalten wird wie die Wellenform 205 (siehe 213 und 213''), nimmt die Zeit zum Ansteigen von IP₁ bis zu einem Lichtbogenbildungszustand (siehe 215'') ab, und der Zeitraum x'' ist kürzer als der Zeitraum x. Dadurch ist die Frequenz der Wellenform 205'' höher als die der Wellenform 205, wenn wir annehmen, dass der anfängliche Sollwert, die Mikrolichtbogendauer t und die Auszeit zwischen den Impulsen gleich gehalten werden.
Wie in 4 zu sehen, ist das Verhältnis des Mikrolichtbogenabschnitts (215, 215', 215'') zu dem übrigen Abschnitt der jeweiligen Wellenformen in jeder der Wellenformen 205' und 205'' im Vergleich zur Wellenform 205 größer geworden. Dementsprechend nimmt auch der durchschnittliche Strom von dem der Wellenform 205 zu. Das heißt, durch Erhöhen der Frequenz, zum Beispiel durch Ändern des anfänglichen Sollwertes und/oder der Anstiegsrate, wird die Wärmezufuhr zur Schweißpfütze 112 erhöht. Des Weiteren nimmt, weil die Frequenz der Mikrolichtbögen zunimmt, auch die Bewegung der Schweißpfütze 112 zu. Gleichermaßen können Mikrolichtbogenfrequenz und -wärmezufuhr verringert werden, indem der anfängliche Sollwert verringert und/oder die Anstiegsrate gesenkt wird. Somit kann durch Ändern der Frequenz zwischen Mikrolichtbögen die Wärmezufuhr zu der schmelzflüssigen Pfütze 112 nach Wunsch geändert werden, während nach wie vor die Nutzeffekte des Mikrolichtbogenprozesses realisiert werden, wie zum Beispiel das Bereitstellen einer Bewegung der Schweißpfütze 112 und/oder zusätzlicher Einbrand. In einigen Ausführungsformen kann die Frequenzsteuerung, wie oben besprochen, in Kombination mit anderen Verfahren zum Steuern der Wärmezufuhr und/oder der Bewegung verwendet werden. Zum Beispiel kann die Frequenzsteuerung in Kombination mit dem Steuern der Mikrolichtbogendauer t verwendet werden, um die Wärmezufuhr zur Schweißpfütze 112 zu steuern. Natürlich kann nach Wunsch auch nur die Frequenz oder nur die Dauer t gesteuert werden, um die Wärmezufuhr und/oder die Bewegung zu ändern.
Wie oben besprochen, ist die Absenkrate (siehe 216, 216', 216'' von 4) des Stroms, nachdem die Stromversorgung 135 abgeschaltet wurde, von der Induktivität abhängig, die in der Stromversorgung, den Schweißkabeln und dem Werkstück vorhanden ist. Je höher die Induktivität, desto langsamer die Absenkrate. In einigen Anwendungen kann es notwendig sein, den Strom zu einem Abklingen mit einer schnelleren Rate zu zwingen. Eine schnellere Stromreduzierung kann eine bessere Kontrolle über beispielsweise die Fügeanwendung bedeuten, weil ein schnellerer Übergang zum Nullstrom (oder einem geringeren Strom) zu besser definierten Spitzen- und Hintergrundströmen führt. Des Weiteren minimiert eine schnellere Reduzierung des Stroms bei Entstehung eines Lichtbogens die nachteiligen Auswirkungen des Lichtbogens, zum Beispiel zu viel Wärmezufuhr und/oder Pfützenbewegung.
Die Absenkzeit für den Ausgangsstrom der Stromversorgung 135 nach ihrem Abschalten kann in Abhängigkeit vom Warmdrahtstrom und der inhärenten Induktivität in dem Warmdrahtstromkreis in einem Bereich von 200 Mikrosekunden bis 500 Mikrosekunden liegen. Um schnellere Absenkzeiten zu erreichen, wird in beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Absenkkreis in die Stromversorgung 135 integriert, der das Verkürzen der Absenkzeit unterstützt, wenn ein Lichtbogen am Draht 145 detektiert wird. Wenn zum Beispiel die Stromversorgung 135 abgeschaltet wird, so öffnet sich ein Absenkkreis, der einen Widerstand in den Stromkreis einfügt. Der Widerstand kann von jedem beliebigen Typ sein, der den Stromfluss von einem Warmdrahtstrom von 400 Ampere in 50 Mikrosekunden auf unter 50 Ampere senkt. Ein vereinfachtes Beispiel eines solchen Stromkreises ist in 6A gezeigt. In 6A repräsentiert der Induktor 605 des Stromkreises 600 die Induktivität in der Stromversorgung 135, dem Draht 145 und dem Werkstück 115. Der Stromkreis 600 hat einen Widerstand 601 und einen Schalter 603, die so in dem Schweißstromkreis angeordnet sind, dass, wenn die Stromversorgung 135 arbeitet und Strom ausgibt, der Schalter 603 geschlossen ist. Wenn jedoch die Stromversorgung 135 nach dem Mikrolichtbogenzeitraum 215 gestoppt wird (oder die Ausgangsleistung reduziert wird), wie oben besprochen, so wird der Schalter 603 geöffnet, um den induzierten Strom durch den Widerstand 601 zu zwingen. Wie in 6B zu sehen, dauert das Absenken des induzierten Stroms 218 ohne den Stromkreis 600 länger als das Absenken des induzierten Stroms 216, der durch den Stromkreis 600 und den Widerstand 601 geschickt wurde. Das liegt daran, dass der Widerstand 601 den Widerstandswert des Stromkreises deutlich erhöht und den Strom mit einem höheren Tempo absenkt. In Abhängigkeit vom System kann durch die Verwendung eines Stromkreises 600 (oder eines ähnlichen Stromkreises) das Absenken des induzierten Stroms 3- bis 10-mal schneller erfolgen, als wenn kein solcher Stromkreis verwendet werden würde. Wenn zum Beispiel die normale Absenkzeit ohne Stromkreis 600 300 Mikrosekunden ist, so kann die Absenkzeit mit dem Stromkreis 600 auf 50 Mikrosekunden oder weniger reduziert werden.
6C veranschaulicht einen Unterdrückungskreis 600' gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in der obigen beispielhaften Ausführungsform repräsentiert der Induktor 605 die Induktivität in der Stromversorgung 135, dem Draht 145 und dem Werkstück 115. Ein Transistorschalter 610, der zum Beispiel ein IGBT-Schalter sein kann, wird am Ausgang der Stromversorgung 135 dergestalt angeordnet, dass, wenn der Schalter 610 ein (geschlossen) ist, der Induktionsstrom durch den Induktor 605 durch die Freilaufdiode 602 und den Schalter 610 kurzgeschlossen wird. Weil der Schalter 610 das Kontaktrohr 125 mit dem Werkstück 115 kurzschließt, fließt der Induktionsstrom nicht durch den Draht 145 und versorgt den Mikrolichtbogen nicht mit Energie. Dadurch wird der Mikrolichtbogen unterdrückt, und der Draht 145 stellt erneut einen Kurzschluss zu dem Werkstück 115 über die schmelzflüssige Pfütze 112 her. Das heißt, im Gegensatz zu dem Induktionsunterdrückungskreis 600 unterdrückt der Unterdrückungskreis 600' den Mikrolichtbogen und nicht den Induktionsstrom an sich. Jedoch kann in einigen Ausführungsformen ein zusätzlicher Widerstand (nicht gezeigt) mit dem Schalter 610 in Reihe geschaltet werden, um den Induktionsstrom zu unterdrücken, während gleichzeitig der Lichtbogen unterdrückt wird. Natürlich kann auch eine Kombination aus Widerstand 601/Schalter 603 und Schalter 610 verwendet werden, um sowohl den induzierten Strom als auch den Mikrolichtbogen zu unterdrücken. Während des normalen Betriebes ist der Schalter 610 offen, und Strom fließt zu dem Draht 145 über das Kontaktrohr 125. Wenn jedoch nach dem Mikrolichtbogenzeitraum 215 die Stromversorgung 135 gestoppt wird (oder die Ausgangsleistung reduziert wird), wie oben besprochen, so kann der Schalter 610 geschlossen werden, damit der induzierte Strom den Draht 145 umgehen und den Mikrolichtbogen unterdrücken kann. Nachdem der Mikrolichtbogen gelöscht und der Draht 145 mit dem Werkstück 115 über die schmelzflüssige Pfütze 112 kurzgeschlossen wurde, kann der Schalter 610 geöffnet werden, um den normalen Strompfad wiederherzustellen.
In einigen der beispielhaften Ausführungsformen betreffen die Anwendungen das Steuern der Wärmezufuhr zu den Seitenwänden einer Schweißfuge oder dem Rand einer vorherigen Plattierungsschicht. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann auch dafür verwendet werden, die Wärmezufuhr in anderen Anwendungen zu steuern, wie zum Beispiel die Beibehaltung der Temperatur der Schweißpfütze 112 auf einem gewünschten Wert. In solchen beispielhaften Ausführungsformen kann das Schweißsystem die Schweißpfützentemperatur als eine Rückmeldung enthalten, um die Wärmezufuhr zur Schweißpfütze 112 zu steuern. Zum Beispiel kann die Schweißpfützentemperatur eine Eingabe in die Steuereinheit 195 vom Sensor 117 sein (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, indem zum Beispiel zwischen dem Erwärmungsprozess 502 und dem Mikrolichtbogenprozess 504 umgeschaltet wird. Des Weiteren kann die Temperatur durch Ändern der Dauer t der Mikrolichtbögen, Justieren der „Totzeit”, wo kein Strom durch Draht 145 fließt, und/oder Ändern der Frequenz der Mikrolichtbögen, wie oben besprochen, gesteuert werden (oder zusätzlich gesteuert werden). Der Sensor 117 kann von einem Typ sein, der einen Laser- oder Infrarotstrahl verwendet und in der Lage ist, die Temperatur eines kleinem Bereichs, wie zum Beispiel der Schweißpfütze 112 oder eines Bereichs um die Schweißpfütze 112 herum, ohne Kontaktieren der Schweißpfütze 112 oder des Werkstücks 115 zu detektieren. Natürlich können auch andere Verfahren dafür verwendet werden, das Umschalten von einem Erwärmungsprozess zu einem Mikrolichtbogenprozess zu steuern, wie zum Beispiel ein zeitbasierter Umschaltvorgang (Umschalten alle paar ms) oder ein distanzbasierter Umschaltvorgang (Umschalten alle paar cm), um die Wärmezufuhr zu dem Prozess zu steuern. Des Weiteren können beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch dafür verwendet werden, die Wärme in einem Doppellichtbogen-Tandemsystem zu reduzieren. In diesem Fall kann einer der zwei Lichtbögen nach Wunsch unterdrückt werden, um von einem vollen Lichtbogenvorgang zu einem Warmdrahtvorgang mit gesteuerten Mikrolichtbögen überzugehen, wie in den beispielhaften Ausführungsformen oben besprochen. Die Mikrolichtbögen erlauben es dem Tandemsystem, genug Wärmezufuhr beizubehalten, um ein erwünschtes Raupenprofil zu erhalten. Solche beispielhaften Systeme können in Anwendungen verwendet werden, die Schweißfugen mit hohem Füllungsgrad oder geringer Wärmezufuhr erfordern, um zum Beispiel einen Spalt auf dünnem Material auszufüllen.
Es ist anzumerken, dass zwar ein GMAW-System in Bezug auf gezeigte beispielhafte Ausführungsformen mit Gleichstrom- und polaritätsvariablen Warmdrahtstromwellenformen gezeigt und besprochen ist, dass aber beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch mit WIG-, PAW-, Laserschweiß-, FCAW-, MCAW- und SAW-Systemen in Anwendungen für Fügen/Schweißen, Plattieren, Hartlöten und Kombinationen davon usw. verwendet werden können.
Obgleich die Erfindung speziell mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Dem Durchschnittsfachmann ist klar, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail daran vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung, wie durch die folgenden Ansprüche definiert, abzuweichen.
Bezugszeichenliste

100: System
102: Energiesystem
104: Warmdrahtsystem
110: Lichtbogen
111: Richtung
112: schmelzflüssige Pfütze
115: Werkstück
117: Sensor
120: Brennereinheit
122: Kontaktrohr
125: Kontaktrohr
130: Stromversorgung
135: Stromversorgung
140: Schweißelektrode
145: Draht
150: Drahtzufuhrvorrichtung
155: Drahtzufuhrvorrichtung
180: Bewegungssteuereinheit
190: Roboter
195: Stromsteuereinheit
201: Lichtbogenschweißwellenform
202: Impuls
203: Stromwellenform
203': Strom
204: Impuls
204': Impuls
205: Wellenform
205'': Wellenform
205'': Wellenform
210: Hintergrundpegel
211: Hintergrundstrom
212: Impuls
212': Impuls
212'': Impuls
213: erster Abschnitt
213'': erster Abschnitt
214: Anstiegsabschnitt
214': Anstiegsrate
214'': Anstiegsrate
215: zweiter Abschnitt
215': Lichtbogenbildungszustand
215'': Lichtbogenbildungszustand
216: Rate/Abschnitt
216': Rate
216'': Rate
217: Sensor
218: Strom
400: Drahtzufuhrgeschwindigkeit
450: Drahtzufuhrgeschwindigkeit
500: Programm
502: Erwärmungsprozess
503A: Schritt
503B: Schritt
504: Mikrolichtbogenprozess
505A: Schritt
505B: Schritt
506: Vorschubpositionierungsprozess
507: Programm
510: Schritt
515: Schritt
520: Schritt
522: Schritt
524: Schritt
526: Schritt
528: Schritt
530: Überwachungsroutine
540: Schritt
545: Schritt
550: Schritt
554: Schritt
556: Schritt
558: Schritt
600: Stromkreis
601: Widerstand
603: Schalter
605: Induktor
702: Illustration
704: Illustration
706: Illustration
708: Illustration
710: Illustration
712: Mikrolichtbogen
714: voller Lichtbogen
800: Wellenform
802: Impuls
804: Impuls
900: Wellenform
902: Impulsstrom
904: Hintergrund(Erwärmungs)-Strom
910: Impuls
D: Distanz
I₁: Strom
I₂: Strom
I_B1: Stromwert
I_P1: Stromwert
I_P2: Stromwert
V₁: Spannung
V₂: Spannung
V_H: Spannung
X: Zeitraum
X'': Zeitraum
t: Dauer
⊝: Phasenwinkel

Claims

Schweißsystem (100), wobei das System Folgendes umfasst: eine hoch-intensive Energiequelle zum Erzeugen einer schmelzflüssigen Pfütze (112) auf einer Oberfläche eines Werkstücks (115); eine Drahtzufuhrvorrichtung (150), die der schmelzflüssigen Pfütze (112) einen Draht (145) über ein Kontaktrohr (122, 125) zuführt; eine Stromversorgung (130, 135), die einen ersten Erwärmungsstrom während eines ersten Betriebsmodus und einen zweiten Erwärmungsstrom während eines zweiten Betriebsmodus ausgibt, wobei die Stromversorgung (130, 135) den ersten Erwärmungsstrom oder den zweiten Erwärmungsstrom an den Draht über das Kontaktrohr (122, 125) ausgibt; eine Steuereinheit (195), die den ersten Betriebsmodus in der Stromversorgung (130, 135) initiiert, um den Draht (145) auf eine Solltemperatur zu erwärmen, und die Stromversorgung (130, 135) von dem ersten Betriebsmodus zu dem zweiten Betriebsmodus umschaltet, um einen Mikrolichtbogen zu erzeugen, wobei der Mikrolichtbogen zwischen dem Draht (145) und dem Werkstück (115) erzeugt ist; und einen Absenkkreis zum Unterdrücken eines induzierten Stroms und/oder des Mikrolichtbogens, wenn das Ausgangssignal der Stromversorgung (130, 135) abgeschaltet oder leistungsreduziert ist, um den Mikrolichtbogen zu löschen; wobei der zweite Betriebsmodus eine erhöhte Wärmezufuhr zu der schmelzflüssigen Pfütze (112) und/oder eine stärkere Bewegung der schmelzflüssigen Pfütze (112) relativ zu dem ersten Betriebsmodus bereitstellt.
Schweißsystem (100) nach Anspruch 1, wobei der Absenkkreis einen Widerstand (601) in einem Strompfad des induzierten Stroms zum Unterdrücken des induzierten Stroms herbeiführt.
Schweißsystem (100) nach Anspruch 2, wobei der Widerstand (601) dergestalt ist, dass ein Stromfluss von einem Strom von 400 Ampere in 50 Mikrosekunden auf unter 50 Ampere reduziert werden kann.
Schweißsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Absenkkreis den induzierten Strom drei- bis zehnmal schneller absenkt als ein Schweißsystem ohne Absenkkreis, und/oder wobei der Absenkkreis einen Schalter (603) umfasst, der das Kontaktrohr (122, 125) zu dem Werkstück (115) dergestalt kurzschließt, dass der induzierte Strom den Draht (145) umgeht, um den Mikrolichtbogen zu unterdrücken, und/oder wobei der Absenkkreis einen Widerstand umfasst, der den induzierten Strom unterdrückt.
Schweißsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens eines von einer Dauer, einer Amplitude und einer Frequenz des Mikrolichtbogens gesteuert wird, um die erhöhte Wärmezufuhr und/oder die erhöhte Bewegung zu steuern.
Schweißsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindestens die Dauer gesteuert wird und die Dauer in einem Bereich von 50 Mikrosekunden bis 2 Millisekunden liegt.
Schweißsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der zweite Erwärmungsstrom eines von einem Stabilzustandsstrom, einem gepulsten Gleichstrom und einem polaritätsvariablen Strom ist.
Schweißsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der zweite Erwärmungsstrom der gepulste Gleichstrom ist, wobei der gepulste Gleichstrom eine Reihe von Impulsen umfasst, wobei jeder der Impulse einen Impulsstromwert aufweist, und wobei die Impulse der Reihe von Impulsen durch Hintergrundstromabschnitte getrennt sind, wobei jeder Hintergrundstromabschnitt einen Hintergrundstromwert aufweist, der niedriger ist als die Impulsstromwerte von benachbarten Impulsen der Reihe von Impulsen.
Schweißverfahren, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erzeugen einer schmelzflüssigen Pfütze (112) auf einer Oberfläche eines Werkstücks (115); Zuführen eines Drahtes (145) zu der schmelzflüssigen Pfütze (112) über ein Kontaktrohr (122, 125); Ausgeben eines ersten Erwärmungsstroms während eines ersten Betriebsmodus und eines zweiten Erwärmungsstroms während eines zweiten Betriebsmodus an das Kontaktrohr (122, 125); Initiieren des ersten Betriebsmodus, um den Draht (145) auf eine Solltemperatur zu erwärmen; Umschalten des ersten Betriebsmodus zu dem zweiten Betriebsmodus, um einen Mikrolichtbogen zu erzeugen, wobei der Mikrolichtbogen zwischen dem Draht (145) und dem Werkstück (115) erzeugt wird; Löschen des Mikrolichtbogens nach einer gewünschten Dauer durch Stoppen des zweiten Erwärmungsstroms; und Unterdrücken eines induzierten Stroms und/oder des Mikrolichtbogens, wenn der zweite Erwärmungsstrom gestoppt wird, wobei der zweite Betriebsmodus eine erhöhte Wärmezufuhr zu der schmelzflüssigen Pfütze (112) und/oder eine stärkere Bewegung der schmelzflüssigen Pfütze (112) relativ zu dem ersten Betriebsmodus bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Unterdrücken das Einfügen eines Widerstands in einen Strompfad des induzierten Stroms zum Unterdrücken des induzierten Stroms umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Widerstand dergestalt ist, dass ein Stromfluss von einem Strom von 400 Ampere in 50 Mikrosekunden auf unter 50 Ampere reduziert werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Unterdrücken des induzierten Stroms den induzierten Strom drei- bis zehnmal schneller absenkt, als wenn keine externe Unterdrückung angewendet wird, und/oder wobei das Unterdrücken umfasst, das Kontaktrohr zu dem Werkstück (115) dergestalt kurzzuschließen, dass der induzierte Strom den Draht (145) umgeht, um den Mikrolichtbogen zu unterdrücken, und/oder wobei das Unterdrücken des Weiteren das Einfügen eines Widerstands in einen Strompfad des induzierten Stroms zum Unterdrücken des induzierten Stroms umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, das des Weiteren Folgendes umfasst: Steuern mindestens eines von einer Dauer, einer Amplitude und einer Frequenz des Mikrolichtbogens, um die erhöhte Wärmezufuhr und/oder die erhöhte Bewegung zu steuern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei das Steuern das Steuern der Dauer in einem Bereich von 50 Mikrosekunden bis 2 Millisekunden enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei der zweite Erwärmungsstrom einer von einem Stabilzustandsstrom, einem gepulsten Gleichstrom und einem polaritätsvariablen Strom ist.