DE19921051A1

DE19921051A1 - Verfahren zur Durchführung des Lichtbogenschweißens sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

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Publication number: DE19921051A1
Application number: DE1999121051
Authority: DE
Original assignee: PANTELEJEV NIKOLAI; SUSCHIN VALERY PAVLOVICH; ZARKHIN ALEXANDER
Current assignee: PANTELEJEV NIKOLAI; SUSCHIN VALERY PAVLOVICH; ZARKHIN ALEXANDER
Priority date: 1999-05-09
Filing date: 1999-05-09
Publication date: 2000-11-16

Abstract

Würde beim bekannten Lichtbogenschweißen das Plasma beim Übergang von der positiven zur negativen Halbwelle der Arbeitsspannung jeweils erkalten, führte dies zu schlechter Qualität der angestrebten Schweißnaht. Die deshalb nötige Überhöhung der Arbeitsspannung hat hohen Energieaufwand und dadurch schlechten Wirkungsgrad der aufgewendeten, elektrischen Energie zur Folge sowie eine Überhitzung des Lichtbogengasplasmas mit Blasenbildung im Metall im Schweißbereich. Hierdurch werden heiße Metallpartikel verspritzt, und es entsteht eine porenreiche Schweißnaht geringer Qualität. DOLLAR A Das Neue soll bei Verbesserung der Schweißnaht Erhöhung des Wirkungsgrads des Verfahrens und der Vorrichtung erbringen. DOLLAR A Hierzu wird beim Schweißverfahren eine impulsförmige Arbeitsspannung (5) mit möglichst steilen Flanken zwischen den Spitzenwerten der Arbeitsspannung von höchstens 1500 nsec Dauer verwendet. DOLLAR A Es ergeben sich die Vorteile, daß man bei erheblich geringerem Einsatz an elektrischer Energie mit kleinerem Aufwand an elektrischen Bauteilen und damit erheblich geringerer Masse und Größe der Schweißvorrichtung auskommt. Dadurch kann man kleinere und leichter handhabbare Schweißgeräte bauen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Durchführung des Lichtbogenschweißens sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, Lichtbogenschweißen mit Gleichstrom oder Wechselstrom durchzuführen. Sinusförmige Wechselspannung bei einer Netzfrequenz von 50 Hz in Europa oder 60 Hz in Nordamerika wird vor allem bei aufwendigerem Schweißen mit hohem Energieverbrauch, beispielsweise von Aluminium, angewandt. Hierbei muß eine höhere Arbeitsspannung zur Verfügung gestellt werden, als an sich zum Schweißen nötig wäre, damit das Plasma beim Wechsel von der einen Halbwelle der Arbeitsspannung zur nächsten nicht erkaltet, und ein kontinuierliches Schweißen möglich ist. Würde das Plasma beim Übergang von der positiven zur negativen Halbwelle der Arbeitsspannung jeweils erkalten, führte dies zu schlechter Qualität der angestrebten Schweißnaht. Die deshalb nötige Überhöhung der Arbeitsspannung hat hohen Energieaufwand und dadurch schlechten Wirkungsgrad der aufgewendeten, elektrischen Energie zur Folge sowie eine Überhitzung des Lichtbogengasplasmas mit Blasenbildung im Metall im Schweißbereich. Hierdurch werden heiße Metallpartikel verspritzt, und es entsteht eine porenreiche Schweißnaht geringer Qualität.

Für viele Anwendungen weist die Schweißnaht deshalb keine ausreichende Festigkeit auf, sie ist nicht stark belastbar und daher minderwertig. Bei Anwendung des bekannten Verfahrens braucht man bei Industrieschweißgeräten in der Regel einen Energieaufwand in der Größenordnung von 5 kW.

Aus der WO 96/27471 ist ein, hochfrequente Arbeitsspannung nutzendes Verfahren zum Lichtbogenschweißen bei Frequenzen zwischen 1 und 1,5 MHz bekannt. Es hat aber den Nachteil, daß die hierzu erforderliche Stromversorgung aufwendig ist und deshalb hohen Kosteneinsatz bedingt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der eingangs genannten Gattung so weiterzubilden, daß bei Verbesserung der Schweißnaht jeweils der Wirkungsgrad des Verfahrens und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens erhöht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 und 2 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die Erfindung weist gegenüber dem Bekannten die Vorteile auf, daß man bei erheblich geringerem Einsatz an elektrischer Energie mit kleinerem Aufwand an elektrischen Bauteilen und damit erheblich geringerer Masse und Größe der Schweißvorrichtung auskommt. Dadurch kann man kleinere und leichter handhabbare Schweißgeräte bauen. Gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen erfolgt das Zünden des Lichtbogens wesentlich leichter. Das Verfahren des Schweißens kann wesentlich gleichmäßiger durchgeführt werden, und man erhält qualitativ höherwertige Schweißnähte. Dabei bleibt die Schweißelektrode relativ kalt, was die Verletzungsgefahr beim Arbeiter senkt. Die Schweißelektrode bleibt beim Schweißen deshalb relativ kalt, weil beim erfindungsgemäßen Verfahren mit niedrigerem Schweißstrom gearbeitet wird, als bei bekannten Schweißvorrichtungen. Es besteht eine relativ viel kleinere Abhängigkeit des Schweißprozesses vom Abstand zwischen der Schweißelektrode und dem Werkstück sowohl hinsichtlich des Zündens des Lichtbogens, wie auch beim Schweißen selbst, als bisher.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung hervor.

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Diagramm mit sinusförmigem Impulsverlauf der Arbeitsspannung und damit des Schweißstroms bei bekannten Schweißvorrichtungen,

Fig. 2 ein Diagramm mit dem Impulsverlauf der Arbeitsspannung und damit des Schweißstroms bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 die erfindungsgemäße Vorrichtung, bestehend aus einer Stromversorgung sowie eine Schweißelektrode und ein Werkstück,

Fig. 4 einen blockschaltbildmäßigen Stromlaufplan der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 3.

Bekannte Schweißvorrichtungen verwenden eine sinusförmige Arbeitsspannung (Fig. 1), die einem entsprechenden Verlauf des Schweißstroms entspricht. In dem Diagramm stehen die Bereiche 1, 11, also die zwischen den Spannungen U_a1 und U_a2 bzw. zwischen den Spannungen -U_a1 und -U_a2 liegenden Bereiche, für den jeweils optimalen Schweißprozeß mit der besten Schweißnaht. Bereiche 2, 12, die bis zu den hohen Spannungen U_h bzw. -U_h reichen, stellen Überhitzungsbereiche dar. Diese sind nur dazu notwendig, damit das Plasma beim Wechsel von der einen Halbwelle der Arbeitsspannung 4 zur nächsten nicht erkaltet, und ein kontinuierliches Schweißen möglich ist. Bereiche 3, 13 sind Bereiche der Arbeitsspannung 4, in denen das für das Lichtbogenschweißen nötige Plasma nicht leitfähig wäre, gäbe es nicht die als Überhitzungsbereiche bezeichneten Bereiche 2, 12.

Beim erfindungsgemäßen Schweißverfahren (Fig. 2) wird eine impulsförmige Arbeitsspannung 5 mit möglichst steilen Flanken zwischen den Spitzenspannungen +U_a und -U_a verwendet. Die Flanken, also sowohl die Anstiegs-, wie auch die Abstiegsflanken der impulsförmigen Arbeitsspannung 5, sollen möglichst 1500 nsec nicht übersteigen, besser sogar kürzer sein. Es handelt sich also um eine nichtsinusförmige Arbeitsspannung. Die Flanken der impulsförmigen Arbeitsspannung 5 müssen so steil sein, daß das Schweißplasma nicht abreißen und das erhitzte Plasma beim Übergang von einer Halbwelle zur nächsten Halbwelle der Schweißspannung bzw. des Schweißstroms nicht erkalten kann. Dabei sind konkrete Kurvenform und konkrete Frequenz der Schweißspannung, wie auch die jeweilige Form der Impulsspitzen 6, 16 nicht entscheidend, sondern vielmehr die Steilheit der Flanken beim Übergang von der einen Halbwelle zur nächsten Halbwelle der Schweißspannung.

Beim Schweißen von Aluminium wird höhere Spannung verwendet, damit der Oxidfilm auf der Oberfläche des Aluminiumteils durchbrochen werden kann. Der Energieaufwand ist hierbei nicht höher, als beim Schweißen von Stahl, weil die Temperatur der Aluminiumschmelze relativ niedrig ist.

Die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung wird anhand der Fig. 3 der Zeichnungen erläutert. Über Anschlüsse 23, 24 ist eine Stromversorgung 20 an ein (in den Zeichnungen nicht dargestelltes) elektrisches Netz angeschlossen. Die Stromversorgung 20 liefert über Leitungen 21, 22 die Arbeitsspannung für das Lichtbogenschweißen. Die eine Leitung 21 führt zu einem Halter 7 für eine Schweißelektrode 8 zum Schweißen. Die andere Leitung 22 ist an ein metallisches Teil 14 angeschlossen. Beim Schweißen entsteht in an sich bekannter Weise ein Lichtbogen 9 in einem Schweißbereich 10.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung betrug der Widerstand des Lichtbogengasplasmas 0,1 Ω bis 2 Ω.

Die Stromversorgung 20 (Fig. 4) der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt einen Gleichrichter 25, von dem ein Inverter 26 Strom erhält. Dem Inverter 26 ist ein Transformator 27 nachgeschaltet, der einen Gleichrichter 28 speist. Letzterem ist ein Impulsformer 29 nachgeschaltet, der die impulsförmige Arbeitsspannung 5 (Fig. 2) erzeugt und über die Leitungen 21, 22 dem Halter 7 (Fig. 3) und dem Teil 14 liefert.

Der Transformator 27 dient der Erhöhung der Sicherheit beim Schweißen zur galvanischen Trennung vom Netz auch als Trenntransformator. Der Transformator 27 dient auch zur Absenkung der elektrischen Spannung für den Gleichrichter 28 und damit den Impulsformer 29. Beim Schweißen von Aluminium dient der Transformator zur Erreichung der dafür nötigen, höheren Spannung.

Bezugszeichen

1

Bereich

2

Bereich

3

Bereich

4

Arbeitsspannung

5

Arbeitsspannung

6

Impulsspitze

7

Halter

8

Schweißelektrode

9

Lichtbogen

10

Schweißbereich

11

Bereich

12

Bereich

13

Bereich

14

Teil

16

Impulsspitze

20

Stromversorgung

21

Leitung

22

Leitung

23

Anschluß

24

Anschluß

25

Gleichrichter

26

Inverter

27

Transformator

28

Gleichrichter

29

Impulsformer

Claims

1. Verfahren zur Durchführung des Lichtbogenschweißens, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schweißverfahren eine impulsförmige Arbeitsspannung (5) mit möglichst steilen Flanken zwischen den Spitzenwerten der Arbeitsspannung (5) von höchstens 1500 nsec Dauer verwendet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Gleichrichter (25), das einen Inverter (26) mit Strom versorgt, einen dem Inverter (26) nachgeschalteten Transformator (27), einem daran angeschlossenen Gleichrichter (28), dem ein Impulsformer (29) nachgeschaltet ist, der die impulsförmige Arbeitsspannung (5) an Leitungen (21, 22) abgibt, die zur Schweißelektrode (8) und zu dem das Werkstück bildenden Teil (14) führen, umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (27) ein Trenntransformator ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (27) der Herstellung der erforderlichen Schweißspannung dient.