DE202014010580U1

DE202014010580U1 - Elektrolichtbogenschweissgerät, das mit Hochfrequenzimpulsen und negativer Polarität arbeitet

Info

Publication number: DE202014010580U1
Application number: DE202014010580.4U
Authority: DE
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2016-01-07
Anticipated expiration: 2024-03-07
Also published as: US20140251971A1; US9550248B2; JP3202907U; WO2014135954A1; CN105209206A; CN105209206B

Abstract

Elektrolichtbogenschweißgerät (A), das Folgendes umfasst: eine Hochgeschwindigkeitsschaltstromversorgung (10) mit einer Steuereinheit zum Erzeugen von Hochfrequenz-Stromimpulsen, bevorzugt im Bereich von 50–400 Hz, durch einen Spalt (g) zwischen einem Werkstück (W) und einem Schweißdraht (E), der in Richtung eines Werkstücks (W) vorangeschoben wird; einen Wellenformgenerator (80), um eine Form der Hochfrequenz-Stromimpulse (110) und eine Polarität der Hochfrequenz-Stromimpulse (110) zu definieren; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Hochfrequenz-Stromimpulse (110) Strom von negativer Polarität (INEG) enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des elektrischen Lichtbogenschweißens, das mit einem Gas-Metall-Lichtbogenschweiß(GMAW)-Prozess arbeitet, und betrifft insbesondere ein GMAW-Elektrolichtbogenschweißgerät, das eine Kette hochfrequenter Stromimpulse erzeugt, um eine Reihe von Schweißzyklen zu bilden, die einen Schweißprozess darstellen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Elektrolichtbogenschweißgerät und ein Verfahren zum Elektrolichtbogenschweißen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. 9.
AUFNAHME IN DEN VORLIEGENDEN TEXT DURCH BEZUGNAHME
Die folgenden Patente enthalten Hintergrundinformationen in Bezug auf den Gegenstand der vorliegenden Anmeldung und werden darüber hinaus in vollem Umfang durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen: US-Patent Nr. 4,994,646 , US-Patent Nr. 5,643,479 , US-Patent Nr. 5,667,709 , US-Patent Nr. 6,515,259 , US-Patent Nr. 6,683,278 , US-Patent Nr. 7,166,818 , und das Japanische Patent Nr. 58176074 .
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW) mit gepulstem Wechselstrom oder variabler Polarität kann zum Schweißen von Aluminium verwendet werden, wenn es auf das optische Erscheinungsbild ankommt. Die Modulation von Strom im Prozess dient dazu, die Pfütze abwechselnd auszudehnen und abzukühlen, wodurch eine Reihe von Erhöhungen in der Schweißraupe erzeugt werden, die mitunter wegen ihres Aussehens als „Münzstapel” („Münzstapels”) bezeichnet werden. Um den Prozess über die Geschwindigkeit eines GTAW-Prozesses hinaus zu beschleunigen, ist oft GMAW verwendet worden, das aber Schwierigkeiten beim Erzeugen des „Münzstapel-Aussehens” der Schweißnaht hat. Um ein ähnliches „Münzstapel-Aussehen” der Schweißnaht mittels GMAW-Schweißen anstelle von GTAW-Schweißen zu erreichen, kann der Bediener den Schweißbrenner in der Fuge hin- und herbewegen. Zwar kann das Hin- und Herbewegen zu einem gewünschten Münzstapel-Aussehen führen, doch es erfordert, dass der Bediener den Schweißbrenner schnell bewegt, was zu einem Prozess führt, der nicht so schnell wie ein geradliniger Vorschub ist und der ungleichmäßige Ergebnisse erbringt. Eine weitere Herangehensweise an das Erreichen des „Münzstapel-Aussehens” mit GMAW ist die Modulation der Parameter einer gepulsten Wellenform, um Hochenergie- und Niedrigenergieabschnitte des Schweißzyklus zu erreichen. Der Hochenergieabschnitt führt der Schweißpfütze starke Wärme zu, während der Niedrigenergieabschnitt der Schweißpfütze relativ wenig Wärme zuführt. Ein Hochenergieabschnitt eines Schweißzyklus kann die Schweißpfütze vergrößern, während ein Niedrigenergieabschnitt eines Schweißzyklus es der Pfütze erlaubt, sich abzukühlen und zu schrumpfen, wodurch die Erhöhungen entstehen, die man mit dem „Münzstapel-Aussehen” assoziiert. Das Verfahren funktioniert zwar, doch um das gewünschte Raupenaussehen zu erreichen, sind signifikante Unterschiede bei den Impulsparametern erforderlich, was oft zu starker Schweißspritzerbildung im Hochenergiesegment und Festbrennen im Niedrigenergiesegment führt. Eine weitere Herangehensweise ist es, die Drahtzufuhrgeschwindigkeit synergistisch zu modulieren, um die Wärme zu modulieren und das gewünschte „Münzstapel-Aussehen” zu erreichen. Die Modulation der Drahtzufuhrgeschwindigkeit (mit zugehörigen Impulsparametern) kann wirkungsvoll sein und kann die gewünschte Raupenform erbringen, erfordert aber eine Verlangsamung der Vorschubgeschwindigkeit, weil die resultierende Abscheidungsrate durch den Niedrigenergieabschnitt deutlich verlangsamt wird. Darum besteht Bedarf an einem Prozess, der ein attraktives „Münzstapel”-Aussehen der Raupenform herzustellen vermag, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die der eines GMAW-Prozesses im Stabilzustand ähnelt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt ein Elektrolichtbogenschweißgerät bereit, das Folgendes enthält: eine Hochgeschwindigkeitsschaltstromversorgung nach Anspruch 1, mit einer Steuereinheit zum Erzeugen von Hochfrequenz-Stromimpulsen durch einen Spalt zwischen einem Werkstück und einem Schweißdraht, der in Richtung eines Werkstücks vorangeschoben wird; einen Wellenformgenerator zum Definieren einer Form der Hochfrequenz-Stromimpulse und einer Polarität der Hochfrequenz-Stromimpulse; und wobei mindestens einer der Hochfrequenz-Stromimpulse Strom von negativer Polarität enthält. Die Erfindung stellt des Weiteren ein Verfahren zum Elektrolichtbogenschweißen nach Anspruch 9 bereit. Weitere Ausführungsformen lassen sich aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen herleiten.
Die Beschreibungen der Erfindung schränken weder die in den Ansprüchen verwendeten Wörter noch den Schutzumfang der Ansprüche oder der Erfindung in irgendeiner Weise ein. Die in den Ansprüchen verwendeten Wörter haben alle ihre volle Bedeutung, die ihnen gewöhnlich beigegeben wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den begleitenden Zeichnungen, die in die Spezifikation aufgenommen sind und einen Teil von ihr bilden, sind Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht, die zusammen mit der obigen allgemeinen Beschreibung der Erfindung und der folgenden detaillierten Beschreibung dazu dienen, Ausführungsformen dieser Erfindung beispielhaft zu verdeutlichen.
1 ist eine beispielhafte Kombination aus Blockschaubild und Systemarchitektur zum Ausführen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
1A ist ein Schaltbild einer beispielhaften Motorsteuereinheit in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2A ist ein Schaltbild eines beispielhaften polaritätsvariablen Schalters in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2B ist ein vereinfachtes Schaltbild des in 2A gezeigten beispielhaften polaritätsvariablen Schalters;
2C ist ein weiteres vereinfachtes Schaltbild eines weiteren beispielhaften polaritätsvariablen Schalters;
2D ist ein Verdrahtungs- und Blockschaubild einer beispielhaften Subroutine, die einen Abschnitt des in 2 gezeigten Systems modifiziert;
3 ist ein Stromdiagramm, das die Hochfrequenzimpulse und Komponenten mit negativer Polarität veranschaulicht, die in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
4 ist ein Logikschaubild und ein Flussdiagramm zum Erhalten der Hochfrequenzimpulse und Komponenten mit negativer Polarität in 3, das zur Implementierung der in 1 gezeigten Ausführungsform verwendet wird;
5 ist ein Logikschaubild und ein Flussdiagramm einer beispielhaften Hinzufügung zu dem Flussdiagramm von 4;
6 ist ein Flussdiagramm und eine Systemarchitektur einer beispielhaften Modifikation der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 1 gezeigt;
7, 7A, 7B und 7C sind Blockschaubilder einer weiteren beispielhaften Implementierung der vorliegenden Erfindung, wobei sowohl die Impulsfrequenz als auch die Drahtzufuhrrate durch die in 7A gezeigte Nachschlagetabelle koordiniert werden, um die in den Diagrammen der 7B und 7C gezeigten Ergebnisse zu erzeugen;
8 ist ein Logikschaubild und ein Flussdiagramm ähnlich 4 zur Verwendung mit der in 7 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
9 ist eine Blockschaubild und ein Logiknetzwerk, das bei der Praktizierung einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 3 gezeigt, verwendet wird und schematisch die Modulationseingänge von 1 veranschaulicht;
10–16 sind beispielhaften Stromkurven, die Hochfrequenzimpulse und Komponenten mit negativer Polarität zeigen, die speziell durch die Verwendung des Schaubildes und des Logiknetzwerks von 9 moduliert werden; und
17 ist ein Blockschaubild, das eine beispielhafte Implementierung eines Schweißsystems und ein Verfahren veranschaulicht, das durch die vorliegende Erfindung zum Wechseln zwischen zwei Wellenformen in Betracht gezogen wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wir wenden uns nun den Zeichnungen zu, die allein dem Zweck des Veranschaulichens beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung und nicht dem Zweck ihrer Einschränkung dienen. 1 offenbart ein beispielhaftes Schweißgerät A mit einer allgemein standardmäßigen Konfiguration, das eine Hochgeschwindigkeitsschaltstromversorgung 10 enthält, wie zum Beispiel einen Wechselrichter oder Buck-Konverter, mit einem Eingangsgleichrichter 12 und einem Ausgangstransformator 14, der Stromimpulse mittels eines polaritätsvariablen Schalters 16 zu einer Elektrode E richtet. Verschiedene beispielhafte polaritätsvariable Schalter 16 werden in den 2A–2C unten beschrieben. Die Elektrode E enthält einen Aluminiumdraht 20 von einer Rolle oder Trommel 22, der durch eine Zuführvorrichtung 30 in Richtung des Werkstücks W durch die Wirkung des Motors 32 vorangeschoben wird. Der Motor 32 wird mit einer Motorsteuereinheit 31 gesteuert. Eine beispielhafte Motorsteuereinheit ist in 1A gezeigt, wobei ein Impulsbreitenmodulator 34 die Geschwindigkeit des Motors 32 und somit der Zuführvorrichtung 30 unter den Anweisungen eines Rückmeldungstachometers 36 und eines Operationsverstärkers 40 steuert, um den Eingang 42 vom Tachometer 36 mit einem Befehls-Drahtzufuhrgeschwindigkeits(Wire Feed Speed, WFS)-Signal in Form eines Pegels auf Leitung 44 zu vergleichen. Es können auch andere Motorsteuereinheiten 31 verwendet werden. Kehren wir zurück zu 1. Wenn die Aluminiumelektrode oder der Draht E in Richtung des Werkstücks W vorangeschoben wird, so wird ein Lichtbogen über den Spalt g hinweg durch eine Reihe von Stromimpulsen, kombiniert mit einem Hintergrundstrom, erzeugt.
Wir wenden uns nun der beispielhaften Stromversorgung zu. Die Wechselrichterstufe enthält einen Schaltwechselrichter 10, dem Strom von der dreiphasigen Spannungsquelle L1–L3 mit einer Frequenz von 50 oder 60 Hz gemäß der lokalen Leitungsfrequenz zugeführt wird. Die Eingangswechselspannung wird durch den Gleichrichter 12 gleichgerichtet, um eine Gleichstromübertragungsstrecke 11 bereitzustellen, die zu dem Eingangswechselrichter 10 gerichtet ist. Der Ausgang oder die Last des Wechselrichters 10 ist der Transformator 14, der eine Primärwicklung 15a und eine Sekundärwicklung 15b mit einem geerdeten Mittenabgriff 17 aufweist. Die Sekundärwicklung ist zu dem polaritätsvariablen Schalter 16 gerichtet, um Ausgangsleitungen 24, 26 zu bilden, die mit der Elektrode E und dem Werkstück W verbunden sind.
Der polaritätsvariable Schalter 16 kann jede beliebige Umschaltvorrichtung sein, die in der Lage ist, zu erzeugen Signale mit wechselnder Polarität auf den Ausgangsleitungen 24, 26 zu erzeugen. Zum Beispiel zeigt 2A einen beispielhaften polaritätsvariablen Schalter 16 mit einem positiven Gleichrichterkreis 28, der Dioden D1, D2, D3 und D4 aufweist, um einen positiven Ausgangsanschluss 38 und einen negativen Ausgangsanschluss 46 zu bilden, die mit einem Ausgangsschaltnetz 48 verbunden sind. Das Ausgangsschaltnetz 48 enthält zwei Transistor-artige Schalter SW1 und SW2, gewöhnlich in Form von Bipolartransistoren mit isolierter Sperrelektrode (IGBTs), die gemäß der Logik in den Basisleitungen 55, 56 ein- und ausgeschaltet werden können. Um hohe Spannungen zu dissipieren, wenn die Schalter SW1, SW2 aus sind, sind Snubber-Netze 57, 58 an die Schalter SW1, SW2 angeschlossen. Das Netz 48 kann zum Pulsieren hoher Schweißströme im Wesentlichen über 200 Ampere verwendet werden. Ein einzelner Ausgangsinduktor 72 ist in einen positiven Impulsabschnitt 74 und einen negativen Impulsabschnitt 76 unterteilt. Auf diese Weise wird ein Wechselstrom in den Ausgangsleitungen 24, 26 erzeugt, die mit der Elektrode E und dem Werkstück W verbunden sind. Durch Umschalten der Logik in den Basissteuerleitungen 55, 56 nacheinander wird ein Wechselstrom an den Schweißkreis angelegt, der die Elektrode E und das Werkstück W enthält. Ein vereinfachter Schaltkreis, der den Transformator 14, den Gleichrichterkreis 28, das Schaltnetz 48 und den Induktor 72 veranschaulicht, ist in 2B gezeigt.
In einer weiteren Ausführungsform kann der polaritätsvariable Schalter 16 einen vereinfachten Schaltkreis enthalten, wie in 2C gezeigt, die einen Transformator 14a, einen Gleichrichterkreis 28a und Schalter SW1, SW2, SW3 und SW4 des Schaltnetzes 48a veranschaulicht. In dieser Ausführungsform hat, wenn SW1 und SW4 eingeschaltet werden, der Lichtbogen eine positive Polarität, und wenn SW2 und SW3 eingeschaltet werden, so hat der Lichtbogen eine negative Polarität.
Durch die Verwendung des polaritätsvariablen Schalters 16, wie in 1 gezeigt, wird ein gesteuerter Hochfrequenzwechselstrom an der Elektrode E erzeugt. Die Hochfrequenz wird durch die Frequenz bestimmt, mit der die Logik in den Basissteuerleitungen 55, 56 wechselt. Die Logik in diesen Leitungen kann durch ein Software-Programm oder eine Subroutine erzeugt werden, das bzw. die durch einen Mikroprozessor beispielsweise in einem Wellenformgenerator oder Wellenformer verarbeitet wird. Ein Blockschaubild eines beispielhaften Programms ist in 2D gezeigt und kann mit verschiedenen polaritätsvariablen Schaltern und Schaltnetzen ausgestattet werden, einschließlich der oben erwähnten.
Wir wenden uns 2D zu, wo ein Impulsgenerator 91, ein Flipflop 93 und ein Schaltnetz 94 beispielhaft gezeigt sind. Der Flipflop 93 ist ein Software-Programm, um eine wechselnde Logik in den Basissteuerleitungen 55, 56 mit einer gewünschten Hochfrequenz zu erzeugen. Der Flipflop 93 steuert das wechselweise Umschalten des Schaltnetzes 94 (zum Beispiel des Schaltnetzes 48 der 2A und 2B oder des Schaltnetzes 48a von 2C) mit einer hohen Frequenz, um einen Hochfrequenzausgang des Schaltnetzes 94 zu erzeugen. Die Logik auf den Leitungen 55, 56 ist das Ausgangssignal von nicht-koinzidenten Anschlüssen 95, 96 des Flipflops 93. Die Logik an diesen Anschlüssen wird gemäß der Logik entweder am Einstellanschluss 97 oder am Rücksetzungsanschluss 98 gewechselt. Um die Logik auf den Leitungen 55, 56 zu ändern, wird die Logik an den Anschlüssen 97, 98 mit einer Frequenz umgekehrt, die durch den Impulsgenerator 91 bestimmt wird. Dies ist die hohe Frequenz zum Wechseln der Logik auf den Leitungen 55, 56, die die Frequenz des Schweißstroms an der Elektrode E ist. Das Ausgangssignal des Impulsgenerators 91 ist die Logik auf Leitung 99a, die mit dem Einstellanschluss 97 und über den Wechselrichter 99b mit dem Rücksetzungsanschluss 98 verbunden ist. Ein positiver Impuls am Ausgang des Impulsgenerators 91 stellt den Flipflop 93 so ein, dass er eine logische 1 auf Leitung 55 erzeugt. Eine logische 0 am Ausgang des Impulsgenerators 91 hat dem umgekehrten Effekt und erzeugt eine logische 1 am Anschluss 98 und somit eine logische 1 am invertierten Ausgangsanschluss 96, um eine logische 1 auf Leitung 56 zu erzeugen. Eine logische 1 auf Leitung 55 oder Leitung 56 schaltet die zugehörigen Schalter des Schaltnetzes 94 ein (zum Beispiel das Schaltnetz 48 der 2A und 2B oder das Schaltnetz 48a von 2C). Wenn sich die logische 1 zur gegenüberliegenden Ausgangsleitung verschiebt, so schaltet sich der Schalter sofort aus.
Kehren wir zu 1 zurück, wo der Lichtbogenstrom durch den Sensor 52 gelesen wird, um eine Spannung auf Leitung 52a zu erzeugen, die den Lichtbogenstrom I_a darstellt. In der gleichen Weise wird die Lichtbogenspannung durch den Sensor 54 abgefühlt, um auf Leitung 54a eine Spannung zu erzeugen, die für die Lichtbogenspannung V_a steht. Gemäß der gängigen Praxis ist eine digitale Verarbeitungsvorrichtung, die als die Steuereinheit 60 dargestellt ist, mit der Stromversorgung 10 verbunden, um Impulse gemäß dem Rückkopplungsstrom und/oder der Rückkopplungsspannung zu erzeugen. Die Steuereinheit 60 ist so veranschaulicht, dass sie einen Impulsbreitenmodulator 62 enthält, der durch einen Oszillator 64 angesteuert wird, der eine Frequenz von mehr als 100 kHz hat. Der Impulsbreitenmodulator erzeugt einen Stromimpuls während jedes Ausgangssignals des Oszillators. Die Impulsbreite bestimmt die Amplitude des Stromimpulses. Der Strompegel während des Schweißzyklus enthält viele Impulse vom Impulsbreitenmodulator 62, so dass der Strom der Spannung auf Leitung 66 folgt, die als das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers 68 veranschaulicht ist, der außerdem ein Befehlsignal auf Leitung 70 empfängt. Wie bis hierher beschrieben, ist das Schweißgerät A ein Schweißgerät mit einer Steuereinheit 60, die die Wellenform der Stromimpulse steuert, und mit einem polaritätsvariablen Schalter 16, der das Umschalten und die Polarität steuert, die beide zum Definieren des Schweißzyklus am Spalt g, als der Schweißlichtbogen bezeichnet, beitragen. Die Spannung auf Leitung 70 bestimmt Profil, Form oder Kontur der Stromimpulse des Schweißprozesses. Wie durch das Schweißgerät Modell PowerWave, das durch The Lincoln Electrical Company verkauft wird, allgemein bekannt geworden ist, wird die Spannung auf Leitung 70 durch einen Wellenformer oder -generator 80 gesteuert. Ohne Modulation vom Modulator 100, bestimmt der Ausgang 92 des Wellenformgenerators 80 die Spannung auf Leitung 70.
Gemäß der Erfindung steuert der Wellenformer 80 das Signal auf Leitung 92 so, dass es mit einer niedrigen Frequenz zwischen einem Hochenergieabschnitt und einem Niedrigenergieabschnitt wechselt. Auf diese Weise kann die Wärme, die an die Schweißpfütze des Werkstücks W angelegt wird, so gesteuert und moduliert werden, dass das „Münzstapel-Aussehen” bei schnelleren Geschwindigkeiten und ohne unerwünschte Eigenschaften, wie zum Beispiel Schweißspritzerbildung und Festbrennen, wie oben erwähnt, erreicht wird. Genauer gesagt, erlaubt das Steuern der Wärme in dem Werkstück W – zum Beispiel, indem man es nicht zu warm werden lässt – einen schnelleren Schweißvorgang ohne Schweißspritzerbildung. Der Hochenergieabschnitt wird durch ein Signal auf Leitung 82 vom Formselektor oder der Software 82a bestimmt. In der gleichen Weise steuert das Signal auf Leitung 84 den Niedrigenergieabschnitt des Schweißprozesses unter Steuerung des Formselektors oder der Software 84a. Diese Formselektoren bestimmen, in einem Aspekt der Erfindung, die Form der Hochfrequenzimpulse, die in dem Schweißprozess verwendet werden. Ein Schweißzyklus in dem Schweißprozess beinhaltet das Wechseln zwischen dem Selektor 82a und dem Selektor 84a mit einer niedrigen Frequenz. Die Steuerungslogik 90, die in 4 gezeigt ist und unten ausführlicher beschrieben wird, initiiert wiederholt Software oder Selektoren 82a und 84a nacheinander. In einigen Ausführungsformen kann der Wellenformgenerator oder Wellenformer 80 Selektoren 82a, 84a und Steuerungslogik 90 und jegliche sonstige Logik enthalten, die die gewünschte Wellenform erzeugt. Auf diese Weise finden die Hochfrequenzimpulse während der gesamten Hochenergie- und Niedrigenergieabschnitte des Wellenzyklus statt, wobei die Hochenergie- und die Niedrigenergiegruppen von Impulsen mit einer niedrigen Frequenz wechseln.
Das in 3 gezeigte Wellenform-Stromdiagramm ist eine Ausführungsform, die dadurch erreicht wird, dass man den Wellenformer 80 die Hochenergie- und Niedrigenergieabschnitte des Schweißzyklus steuern lässt. Die Hoch- und Niedrigenergieabschnitte der Wellenform werden erreicht, indem man die Selektoren 82a, 84a mit einer niedrigen Frequenz betätigt, um ein Signal auszugeben, um die Wellenform von 3 zu erzeugen, und zwar in Kombination mit den Steuerleitungen 55, 56 des polaritätsvariablen Schalters 16 (oben besprochen). Die konkreten Formen der Hochfrequenzimpulse innerhalb der Hoch- und Niedrigenergieabschnitte der Wellenform werden durch die Steuerungslogik 90, in 4 gezeigt, definiert. Der Hochenergieabschnitt wird durch 84a definiert, und der Niedrigenergieabschnitt wird durch 82a definiert, wie unten noch ausführlich besprochen wird.
Des Weiteren, wie unten noch ausführlich erläutert wird, verwenden alternative Ausführungsformen der Erfindung einen Modulator 100 zum Erzeugen einer von mehreren sich wiederholenden Modulationskurven, die eine Vielfalt von in ihrer Größenordnung wechselnden Formen aufweisen, um Hoch- und Niedrigenergieabschnitte der Wellenform zu erzeugen; zum Beispiel eine Sinuswelle von Selektorblock 102, eine Wechselstrom- oder Rechteckwelle durch Selektorblock 104, oder eine Sägezahnkurve von Selektorblock 106. Die Selektorblöcke bewirken eine Modulation durch eine Kurve vom Modulator 100. Diese Kurve wird auf Leitung 108 ausgegeben. Wie unten noch mit Bezug auf 9 erläutert wird, wird das modulierte Signal von Leitung 108 erhalten, indem man ein Merkmal des Signals auf Leitung 92 mit einer Kurve multipliziert, die durch einen der Blöcke 102, 104, 106 dargestellt wird. Dieser Prozess erzeugt einen niederfrequenzmodulierten Schweißzyklus. Die Modulation des Signals auf Leitung 92, über den Modulator 100, kann mit jeder der im vorliegenden Text beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden.
Die durch das Stromdiagramm in 3 veranschaulichte Ausführungsform verwendet nicht den Kurvenmodulator 100. In dieser Ausführungsform hat der Wellenformer 80 einen Ausgang 92 für die Steuerung der Spannung des Strombefehlsignals auf Leitung 70 und Ausgänge 55, 56 für die Steuerung des polaritätsvariablen Schalters 16. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Impulswelle PW durch den Wellenformer 80 zu einem Niedrigenergieabschnitt LP gebildet, der nach einer bestimmten Anzahl von Impulsen COUNT₁ endet, und zu einem Hochenergieabschnitt HP gebildet, der nach einer bestimmten Anzahl von Impulsen COUNT₂ endet. Die Impulse in dem Hochenergieabschnitt HP werden durch den Formselektor oder die Software 82a von 1 gesteuert, und die Impulse in dem Niedrigenergieabschnitt LP werden durch den Formselektor oder die Software 84a in 1 gesteuert.
In 3 ist der Niedrigenergieabschnitt LP mit Abschnitten von negativer Polarität der Hochfrequenzimpulse gezeigt. Das Ändern der Polarität von Abschnitten der Impulse zwischen positiv und negativ erlaubt eine bessere Kontrolle der Wärmedissipation und der Schweißpfützenmodulation. Die Verhaltensweisen und Erwärmungseigenschaften der Katode und der Anode sind nicht die gleichen. Während des Schweißens sind die an der Katode erzeugte Wärme und die an der Anode erzeugte Wärme deutlich verschieden. Wenn die Polarität der Impulswelle PW umgekehrt wird (zum Beispiel von positiv zu negativ oder von negativ zu positiv umgeschaltet, wie in 3 gezeigt), so werden die Anode und die Katode vertauscht, wodurch sich die Erwärmungseigenschaften dieser Regionen umkehren.
3A ist eine Zeichnung von beispielhaften Schweißlichtbögen, die einige der Unterschiede zwischen den Lichtbögen während Abschnitten mit positiver Polarität und Abschnitten mit negativer Polarität der Impulswelle PW herausstellt. Im Allgemeinen wird während des Schweißens zwar immer Wärme zu dem Werkstück W geleitet, doch fügen Abschnitte mit negativer Polarität des Schweißzyklus weniger Wärme zu der Pfütze des Werkstücks W hinzu als Abschnitte mit positiver Polarität. Während eines Abschnitts mit positiver Polarität erstreckt sich ein Lichtbogen 111 über eine Pfütze 112 und erwärmt dabei einen breiten Bereich. Auf der Seite der positiven Elektrode konzentriert sich der Lichtbogen 111 an der Unterseite des Tröpfchens 113. Der Strom fließt durch das Tröpfchen, und seine zugehörige magnetische Abschnürkraft wirkt auf das flüssige Tröpfchen 113, wodurch es letztendlich von dem Draht zu dem Werkstück W gezogen wird. Jedoch wird während eines Abschnitts mit negativer Polarität ein Lichtbogen 115 in der Mitte einer Pfütze 116 konzentriert, wodurch die Ränder abkühlen können und beginnen können, sich zu verfestigen. Auf der Seite der negativen Elektrode bedeckt der Lichtbogen 115 viel mehr vom Ende der Elektrode, wodurch ein großes Tröpfchen 117 aufgeheizt wird. Auf diese Weise fließt nicht viel von dem Strom durch das Tröpfchen 117, und seine zugehörige Abschnürkraft wird nicht an das flüssige Tröpfchen 117 angelegt, so dass es am Ende des Drahtes hängt und größer wird. Dieses große flüssige Tröpfchen 117 wird mit der nächsten Impulsspitze von positiver Polarität zu dem Werkstücks W übertragen. Eine negative Polarität erhöht die Abbrandrate der Elektrode E, da sich Wärme in der Elektrode E aufbaut, so dass sich die Schweißpfütze abkühlen kann. Wenn also der Strom eine positive Polarität hat, so wird der größte Teil der Wärme dann in der Schweißpfütze des Werkstücks W dissipiert oder absorbiert. Wenn der Strom eine negative Polarität hat, so wird mehr von der Wärme in der Elektrode E dissipiert oder absorbiert, wobei viel weniger Wärme in der Schweißpfütze dissipiert wird. Relativ kleine Abschnitte mit negativer Polarität der Impulswelle PW können den Erwärmungsunterschied des Werkstücks W zwischen dem Hochenergie(Hochwärme)-Abschnitt HP und dem Niedrigenergie(Niedrigwärme)-Abschnitt LP der Impulswelle PW deutlich vergrößern. Dieser Erwärmungsunterschied erzeugt das Münzstapel-Aussehen der Schweißraupe auf dem Werkstück W. Fügt man zum Beispiel Abschnitte mit negativer Polarität zu dem Niedrigenergieabschnitt LP der Impulswelle PW hinzu, so führt das zu einem größeren Unterschied zwischen der Wärme, die während des Niedrigenergieabschnitts LP und des Hochenergieabschnitts HP in die Schweißpfütze des Werkstücks W dissipiert wird, wodurch die Schweißpfütze während der Niedrigenergieabschnitte stärker abkühlen kann, so dass ein Stapelraupenaussehen mit Geschwindigkeiten erreicht wird, die schneller sind als jene, die ohne den größeren Unterschied bei Energie (und Wärme) erreichbar sind.
In einigen Ausführungsformen können der Niedrigenergieabschnitt LP und der Hochenergieabschnitt HP des Schweißzyklus erzeugt werden, indem bestimmte Parameter der Impulswelle PW zwischen dem Niedrigenergieabschnitt LP und dem Hochenergieabschnitt HP variiert werden, während andere Parameter die gleichen bleiben. In einer Ausführungsform, womit wir zu 3 zurückkehren, wechselt die Impulswelle PW zwischen dem Niedrigenergieabschnitt LP und dem Hochenergieabschnitt HP, um einen Schweißzyklus zu definieren. Diese Zyklen werden während des Schweißprozess wiederholt. In dieser Ausführungsform bleiben der Spitzenstrom 110b, die Spitzenzeit 110g, der Hintergrundstrom 110e und der Zeitraum 11 während des Niedrigenergieabschnitts LP und des Hochenergieabschnitts HP die gleichen. Hoch- und Niedrigenergieimpulse werden durch die Form (zum Beispiel Steigung und Gefälle) der Anstiegs- und Abstiegsabschnitte des Spitzenzeitraums und die Einbindung einer Komponente mit negativer Polarität voneinander unterschieden. Impulse 110 der in 3 gezeigten Ausführungsform werden durch den Wellenformer 80 mit einer Frequenz im Bereich von 50–400 Hz erzeugt. Zum Beispiel kann diese Frequenz in dem Bemühen ausgewählt werden, die Impulsrate mit der Tröpfchenrate des schmelzflüssigen Aluminiums zu optimieren. Die Impulsrate trägt zur Wärme der Schweißnaht und zur Wärme in der Schweißpfütze bei. Diese beiden Aspekte sollten koordiniert werden. Jeder Impuls hat einen Anstiegsabschnitt 110a mit einer gesteuerten Steigung, einen Spitzenstrom (I_PEAK) 110b, der für alle gezeigten Impulse der gleiche ist, einen Spitzenzeitabschnitt 110c, der die Zeit ist, die der Strompegel auf einer Spitze ist, einen Absenkungsabschnitt 110d und einen Hintergrundstrom(I_BACK)-Abschnitt 110e, der, wenn er nicht durch einen Impuls oder eine negative Stromkomponente unterbrochen wird, konstant ist. Die Anstiegszeit 110a ist in der Spitzenzeit enthalten. Obgleich der Spitzenstrom 110b, die Spitzenzeit 110g und der Zeitraum 11 die gleichen bleiben, wird der Betrag der Zeit, die der Impuls auf dem Spitzenstrom (I_PEAK) 110b ist, durch die Steigung des Anstiegsabschnitts 110a bestimmt.
Obgleich die Impulse allgemein aus Komponenten mit positiver Polarität bestehen, können einige Impulse Abschnitte oder Komponenten mit negativer Polarität enthalten. Ein Impuls mit einer negativen Komponente enthält einen negativen Strom (I_NEG) über eine Negativabschnittszeit 110h. Obgleich in 3 nicht gezeigt, kann die Form der Komponenten mit negativer Polarität auch verschiedene Steigungen und Gefälle enthalten, die mit dem Absenken auf den negativen Strom und den Anstieg vom negativen Strom verknüpft sind. Des Weiteren kann ein Abschnitt mit negativer Polarität an jedem beliebigen Punkt in der Impulswelle PW eingefügt werden, einschließlich während des Hochenergieabschnitts HP. Die Komponenten mit negativem Strom können als Senken mit negativer Wärme angesehen werden, während denen mehr Wärme in die Elektrode E dissipiert wird, wie oben ausführlich besprochen wurde. Darum bestimmt – zusätzlich zu dem variablen Anstiegsabschnitt 110a und dem variablen Absenkungsabschnitt 110d – das selektive Vorhandensein von negativen Komponenten mit negativem Strom (I_NEG) über eine Negativabschnittszeit 110h den Betrag an Wärme, der in die Elektrode E und das Werkstück W dissipiert wird. Oder anders ausgedrückt: Der resultierende Schweißzyklus oder die resultierende Impulswelle PW enthält Impulse 110, die unterschiedliche Bereiche haben und somit unterschiedliche Beträge an Wärme in dem Werkstück W generieren. Negative Komponenten (und ihr zugehöriger Bereich) können als negative Kontributoren zu der in das Werkstück W dissipierten Wärme angesehen werden.
Um also den Betrag an Wärme zu ändern, den ein Impuls in das Werkstück W dissipiert, insbesondere während des Niedrigenergieabschnitts LP, kann ein Abschnitt mit negativem Strom über eine Negativabschnittszeit 110h eingefügt werden. Wie oben erwähnt, liegt das daran, dass während einer negativen Polarität die Wärme an der Elektrode E anstatt am Werkstück W dissipiert wird. Ein Impuls mit einem Abschnitt mit negativem Strom über eine Zeit 110h dissipiert weniger Energie und Wärme in das Werkstück W als ein Impuls ohne einen Abschnitt mit negativem Strom. Der selektive Gebrauch von Abschnitten mit negativem Strom, zum Beispiel in jedem Impulse des Niedrigenergieabschnitts LP, erlaubt einen größeren Energieunterschied zwischen dem Niedrigenergieabschnitt LP und dem Hochenergieabschnitt HP der Impulswelle PW.
Die Einbindung von Abschnitten mit negativem Strom in das Impulsprofil kann auch mit anderen Impulsprofilbildungstechniken kombiniert werden. Zum Beispiel ist während des Niedrigenergieabschnitts LP der Anstieg 110a langsam und das Absenken 110d schnell. Dies ergibt eine kurze Zeit 110c und eine lange Zeit, wenn der Hintergrundstrom 110e und/oder der Abschnitt mit negativem Strom über den Lichtbogen am Schweißspalt g fließt. Impulse 110 im Hochenergieabschnitt HP haben in der Regel einen größeren Bereich. Während des Hochenergieabschnitts HP sind die Zeiten 110f und 110g konstant, aber der Anstieg 110a ist schnell, und das Absenken 110d ist langsam. Auf diese Weise werden die Polarität des Stroms, die Steigung der vorderen Flanke, oder der Anstieg, 110a und die hintere Flanke, oder der Abstieg, 110d durch Formselektoren oder Software 82a, 84a justiert, um eine Reihe von Niedrigenergieimpulsen und eine Reihe von Hochenergieimpulsen mit einem Muster zu erzeugen, das sich in jedem Schweißzyklus mit einer niedrigen Frequenz wiederholt. Die Rate der Wärme, die durch den Schweißprozess in das Werkstück W dissipiert wird, wird durch die Unterschiede bei den Parametern der beiden Abschnitte von Stromimpulsen und durch die Zahl, die COUNT₁ und COUNT₂ bildet, bestimmt. Wenn diese Zählwerte erreicht werden, so verschiebt sich die Impulswelle PW zwischen den beiden Energieabschnitten eines Schweißzyklus.
Wie oben erwähnt, beinhaltet die Schweißoperation einen Schweißzyklus mit einem Niedrigenergieabschnitt LP und einem Hochenergieabschnitt HP. Die Frequenz, mit der diese beiden Abschnitte wechseln, ist im Vergleich zu der relativ hohen Frequenz der Impulse 110 gering. In der Praxis liegt die Frequenz der Impulse in einem Bereich von 50–400 Hz, wohingegen die wechselnde Frequenz zwischen den Hoch- und Niedrigenergieabschnitten der Impulswelle PW in einem Bereich von 1/4 bis 40 Hz liegt. Der Hauptaspekt dieses Konzepts ist, dass die hohe Frequenz wesentlich höher ist als die niedrige Frequenz. Wenn zum Beispiel die hohe Frequenz in einem Bereich von 300 Hz liegt, so könnte die niedrige Frequenz im Bereich von 20–30 Hz oder dergleichen Verhältnissen liegen. Um die gewünschte niedrige Frequenz einzustellen, werden die Impulse 110 in Abschnitten LP, HP gezählt. Die Wellenform der Impulse 110 wird zu dem anderen Abschnitt verschoben, der die Zählung dieses nächsten Abschnitts erwartet. Die Zählwerte jedes Abschnitts brauchen nicht die gleichen zu sein; jedoch können sie in einigen Ausführungsformen recht nahe beieinander liegen.
Um eine Verschiebung von einem Abschnitt der Wellenform zu dem anderen Abschnitt vorzunehmen, wird eine Steuerungslogik 90 bereitgestellt, wie in 4 gezeigt. Der Wellenformer 80 und seine zugehörigen Selektoren 82a, 84a und die Steuerungslogik 90 enthalten eine Wellenformlogik, um zwei parallele Impuls-Subroutinen zu definieren – eine Wellenform mit Hochenergieabschnitt und eine Wellenform mit Niedrigenergieabschnitt, wie unten noch ausführlich besprochen wird. Zum Beispiel besteht jede Subroutine aus einem Zustand, um Anstieg und Spitze (hoher Strom) zu definieren, einem Zustand, um das Absenken zu definieren, einem Zustand, um alle negativen Komponenten zu definieren, und einem Zustand, um den Zyklus am Ende jedes Impulses zurückzusetzen. Beide Subroutinen können eine Datentabelle verwenden, um ihren Betrieb mit der spezifizierten Drahtzufuhrgeschwindigkeit zu definieren. Während jeder Rücksetzung (dem letzten Zustand in jedem Hochgeschwindigkeitsimpulszyklus) bestimmt Logik, ob ein Zähler eine Grenze erreicht hat, und schaltet zur anderen Subroutine um. Wenn die Zähler nicht die Grenze erreicht, dann zählt der Zähler, und der nächste Impuls läuft. Die Logik kann in einem Software-Programm verkörpert sein, wie zum Beispiel Lincoln Electrics „Weld Development”-Logikprogramm, das ein zustandsbasierter Logikbaum speziell für das Schweißen ist. Wie andere zustandsbasierte Programme kann sich die Logik in einem Zustand befinden, in dem eine Funktion abläuft, beispielsweise ein Ausgangsstrom von 300 A, bis eine Zustandsüberprüfung wahr wird (zum Beispiel der Spitzen-Timer ≥ 2 Millisekunden), und dann verzweigt sich die Logik zum nächsten Zustand (der in der Zustandsüberprüfung definiert ist). Diese Zustandsänderungen können sehr schnell eintreten, wobei relativ komplexe Logik miteinander verkettet wird, ohne dass man die Routine hardwareseitig programmieren oder eine PC-Platine auswechseln muss.
In 4 wird die linke Seite der Logik (120, 168, 124, 126, 128, 129, 130, 132) durch 82a definiert. Die rechte Seite der Logik (162, 142, 152, 154, 156, 157, 158, 160) wird durch 84a definiert. Der Zähler flippt zwischen den Blöcken 82a, 84a hin und her (wie in 1 gezeigt). Der Zähler 120 für COUNT C1 hat eine NO-Leitung 122 zum Initiieren des Niedrigwärmeimpulsprofils des in 3 gezeigten Niedrigenergieabschnitts LP, der allgemein durch der Betrieb des Formgebungsselektors oder der Software 84a gesteuert wird. Der Niedrigenergieimpuls hat einen Anstiegsstrom mit einer Steigung, die bei Zeit tR1 endet, wie durch Schritt 124 gezeigt. Dann wird der Spitzenstromabschnitt P1 bis zur Zeit tP1 implementiert, wie bei Schritt 126 gezeigt. Danach findet ein exponentielles Abklingen mit einer Geschwindigkeit 1 bis zur Zeit tS1 statt, wie durch Schritt 128 gezeigt. Dann wird der negative Strom N1 bis zur Zeit tN1 implementiert, wie bei Schritt 129 gezeigt. Der Hintergrundstrom B1 wird auf einem Pegel gehalten, der durch Block oder Schritt 130 gezeigt ist. Die Zeit für den Hintergrundstrom ist tB1. Dies ist die Zeit zwischen dem Ende des negativen Stroms und dem Start des nächsten Anstiegs, wie in 3 gezeigt. Diese Zeit wird durch die Steigung des Absenkungsabschnitts 110d und die negative Zeit tN1 gesteuert. Per Definition ist tB1 = t_PERIOD – tR1 – tP1 – tS1 – tN1, d. h. die Zeit, die nach den anderen zeitbezogenen Parametern übrig bleibt. Wie oben erwähnt, wird der Hintergrundstrom während der gesamten in 3 gezeigten Schweißprozessausführungsform konstant gehalten. Am Ende der Bildung eines Niedrigenergieimpulses 110 inkrementiert Block oder Schritt 132 den C1-Zähler, wie durch ein Signal auf Leitung 134 angezeigt. Obgleich die Blöcke 124, 126, 128, 129, 130 und 132 in einer konkreten Reihenfolge gezeigt sind, um das in 3 gezeigte Impulsprofil darzustellen, sind die durch diese Blöcke dargestellten Merkmale nicht auf diese Sequenz oder Konfiguration beschränkt. Viele weitere Kombinationen dieser Merkmale können verwendet werden, um verschiedene Impuls- und Schweißzyklusprofile zu bilden. Zum Beispiel können die Blöcke 129 und 130 umgekehrt werden, so dass der durch die Software 84a erzeugte Niedrigenergieimpuls 110 den Hintergrundstrom B1 vor dem negativen Strom N1 verwendet.
Wenn der Zähler 120 zu der eingestellten Anzahl N1 inkrementiert wurde, wird ein Logiksignal auf Leitung 140 empfangen, um den C2-Zähler zurückzusetzen und die Verarbeitung von Hochenergieimpulsen des in 3 gezeigten Hochenergieabschnitts HP zu beginnen, was allgemein durch den Betrieb des Formgebungsselektors oder der Software 82a gesteuert wird. Dies wird durch die Linie 150 dargestellt, um Blöcke oder Schritte 152, 154 und 156 nacheinander zu aktivieren, um den Anstieg, den Spitzenstrom und das Absenken der Hochenergieimpulse in Abschnitt HP zu erzeugen. Danach wird der Hintergrundstrom gehalten, wie durch Schritt 158 angezeigt. Der Operationsblock 157 für negativen Strom N2 während eines Hochenergieimpulses ist in 4 mit einer gepunkteten Umrisslinie gezeigt. Obgleich in der in 3 gezeigten Impulswelle PW nicht enthalten, ist die Einbindung eines Abschnitts mit negativem Strom in einen Hochenergieimpuls in unten beschriebenen alternativen Ausführungsformen enthalten. Die Verfallszeiten werden in der Praxis verwendet, um das Verschieben zwischen den verschiedenen Abschnitten der Wellenform, die die Impulse 110 bilden, zu bestimmen. Der Hintergrund B2, der gleich dem Hintergrund B1 ist, verfällt am Beginn des nächsten Zyklus und hat eine Zeit tB2. Block oder Schritt 160 inkrementiert den C2-Zähler durch eine Logik auf Leitung 160a. Wenn der Zählwert des Hochenergieabschnitts HP nicht die Anzahl N2 erreicht hat, so erzeugt Leitung 164 den nächsten Hochenergieimpuls erneut. Wenn der Zähler 162 durch Erreichen der Anzahl N2 zu Ende gezählt hat, so aktiviert ein Logiksignal auf Leitung 166 den Rücksetzungsschritt 168, der ein Ausgangssignal 170 aufweist, um den ersten Impuls des nächsten Niedrigenergieabschnitts LP der Impulswelle zu initiieren. Obgleich die Blöcke 152, 154, 156, 157, 158 und 160 in einer konkreten Reihenfolge gezeigt sind, um das in 3 gezeigte Impulsprofil darzustellen, sind die durch diese Blöcke dargestellten Merkmale nicht auf diese Sequenz oder Konfiguration beschränkt. Viele weitere Kombinationen dieser Merkmale können verwendet werden, um verschiedene Impuls- und Schweißzyklusprofile zu bilden. Zum Beispiel können die Blöcke 157 und 158 umgekehrt werden, so dass der durch die Software 82a erzeugte Hochenergieimpuls 110 den Hintergrundstrom B2 vor dem optionalen negativen Strom N2 verwendet.
Durch die Verwendung der Logik in 4 sind die Impulse 110 zuerst Niedrigenergieimpulse (die einen Niedrigenergieabschnitt LP bilden) und dann Hochenergieimpulse (die einen Hochenergieabschnitt HP bilden), um einen Schweißzyklus zu vollständigen. Wie oben erwähnt, ist die Frequenz des Wechselns des Energiepegels im Vergleich zu der hohen Frequenz der einzelnen Impulse 110 niedrig. Diese Überlagerung eines Niedrigfrequenzbetriebes auf Hochfrequenzimpulswellen führt zu den oben dargelegten Vorteilen. Wie unten noch ausführlich besprochen wird, kann die Modulation einer Impulswelle PW (siehe Modulator 100 in 1) ebenfalls dafür verwendet werden, ähnliche Energieunterschiede zwischen Hochenergie- und Niedrigenergieabschnitten des Schweißzyklus zu erreichen.
Wir wenden uns nun 5 zu, wo eine Ergänzungssteuerungslogik 190 veranschaulicht ist, wobei die (in das Werkstück W dissipierte) Wärme des Schweißprozesses am Beginn des Schweißens hoch ist und während des Schweißens allmählich abnimmt. Zum Beispiel kann das vorteilhaft sein, wenn ein Schweißen von Aluminium oder Aluminiumlegierung begonnen wird. Ein abnehmender Wärmegradient verhindert ein Durchschmelzen am Ende der Schweißnaht. Für diesen Zweck könnten die verschiedensten Steuerungslogiken verwendet werden; jedoch wird eine Schweißstartsequenz durch Block oder Schritt 192 als Praxisbeispiel gezeigt. Mit zusätzlichem Blick auf 4 setzt dieser Schritt den Zähler 120 am Beginn einer Schweißnaht auf eine hohe Zahl und setzt den Zähler 162 auf einer niedrige Zahl zurück. Folglich haben am Ende des Schweißprozesses die letzten Zyklen eine relativ niedrige Gesamtwärmezufuhr, um ein Durchbrennen zu verhindern, insbesondere beim Schweißen von Aluminium. Die von Schritt 192 ausgehende Linie 192a aktiviert den Inkrementzählblock oder Schritt 194. Am Schluss eines der Energieabschnitte, durch die Logik auf Leitung 140 angezeigt, veranlasst Block oder Schritt 194, dass der Zählwert N1 dekrementiert, wie durch Block oder Schritt 196 angezeigt. Gleichzeitig inkrementiert der Zählwert N2, wie durch Block 198 angezeigt. Eine weitere Ausführungsform enthält Block 198 ohne Block 196. Eine weitere Ausführungsform enthält Block 196 ohne Block 198. Eine weitere Ausführungsform enthält Block 196 allein in der ersten Hälfte der Schweißnaht, und anschließend ist Block 198 allein in der zweiten Hälfte der Schweißnaht. Dies geschieht über eine eingestellte Sequenz, die durch Block 200 angezeigt wird. Die Sequenz könnte das Ende der Schweißnaht oder eine spezielle Zeit oder ein Zählwert von Zyklen während des Schweißprozess sein. In der Praxis wird sie auf das Ende des Schweißprozesses eingestellt. Wenn die Sequenz nicht abgeschlossen wird, so veranlasst Schritt 202, dass ein Signal auf Leitung 202a fortfährt, die Wärme des Schweißzyklus zu erhöhen. Wenn die Sequenz vollendet ist, so erzeugt das Signal von Schritt 200 auf Leitung 204 ein Signal, die Subroutine zu beenden. 5 stellt lediglich eine Subroutine dar, die dafür verwendet wird, die Wärme von einem hohen Wert am Beginn des Schweißprozesses auf einen niedrigeren Wert im weiteren Verlauf des Prozesses zu verringern. Dies verhindert ein unerwünschtes Durchschmelzen am Ende des Schweißzyklus. 4 und 5 zeigen, wie 1, die Erfindung in Schaubildform, um die digitale Verarbeitungssoftware zu offenbaren, die zum Implementieren der Erfindung verwendet wird.
Eine weitere Modifikation der Erfindung ist in 6 veranschaulicht, wobei eine „synergistische” Steuerungsaktion durch den Wellenformer 210 implementiert wird. Die durch diese Ausführungsform erzeugten Impulse können die gleichen sein wie die in 3 gezeigten, aber können auch andere Wellenformen oder Zyklen generieren. Wie oben erwähnt, wechseln die Impulse eines Zyklus zwischen Hoch- und Niedrigenergieabschnitten HP, LP. Die zuvor beschriebenen Schaltungen zum Erhalten dieser Wellenform sind schematisch als Block 212 dargestellt, wobei 212 eine Nachschlagetabelle enthält und die Hoch-/Niedrig-Modulation zwischen einem Hoch-WFS-Parametersatz und einem Niedrig-WFS-Parametersatz hin- und her wechselt. Jeder Parametersatz kann eine negative Komponente haben, um den Betrag an Wärme zu steuern, der erzeugt und zu dem Werkstück W dissipiert wird. In einigen Ausführungsformen brauchen – um den Wärmeunterschied zwischen dem Hochenergieabschnitt HP und dem Niedrigenergieabschnitt LP zu erhöhen – negative Komponenten nur in den Niedrigenergieabschnitt LP eingebunden zu werden. In anderen Ausführungsformen können größere negative Komponenten in den Niedrigenergieabschnitt LP als in den Hochenergieabschnitt HP eingebunden werden.
Wie in 6 gezeigt, hat das Schweißgerät A die in Verbindung mit 1 beschriebenen Komponenten und enthält eine Drahtzuführvorrichtung 30, so dass der Schweißoperation ein Draht E gemäß dem Pegel des WFS-Signals auf Leitung 44 zugeführt wird. 6 enthält die beispielhafte Motorsteuereinheit 31, wie in 1A gezeigt; es kann aber auch jede andere geeignete Motorsteuereinheit verwendet werden. Zusätzlich zu der Steuerung, die in Bezug auf 1 oben beschrieben wurde, steuert der Wellenformer 210 das Signal auf Leitung 44 so, dass es einen hohen Pegel hat, wenn der Hochenergieabschnitt HP verarbeitet wird, und einen niedrigen Pegel hat, wenn der Niedrigenergieabschnitt LP verarbeitet wird. Die Abschnitte HP und LP kombinieren sich, um einen sich wiederholenden niederfrequenten Schweißzyklus zu erzeugen. Folglich ergänzt die in 6 gezeigte Modifikation lediglich die zuvor beschriebene Ausführungsform durch Ausgeben eines Spannungspegels auf Leitung 44, der dem Energiepegel folgt, der durch das Schweißgerät A verarbeitet wird, wie in den 1–4 gezeigt. Auf diese Weise gibt es einen synergistischen Effekt zwischen den Hoch- und Niedrigenergieabschnitten HP, LP und der Drahtzufuhrgeschwindigkeit WFS der Elektrode E.
6 veranschaulicht auch eine weitere Modifikation, die mit der Erfindung verwendet werden kann. In dem Maße, wie der Lichtbogen durch einen Bediener oder einen Roboter verlängert wird, wird die Wärme verändert. Um Veränderungen der Lichtbogenlänge zu kompensieren, ist das Schweißgerät A mit einem Steuerungssystem S ausgestattet, wobei die Spannung auf Leitung 54a für die Lichtbogenlänge repräsentativ ist. Diese Messung muss während eines Abschnitts der Impulse 110 vorgenommen werden, wo der Strom normalerweise konstant ist und keiner Modulation unterliegt. Ein Beispielhaft eines solchen Abschnitts ist während des Spitzenstroms (I_PEAK) oder Hintergrundstroms (I_BACK), der auf einem gewünschten Pegel gehalten wird. Folglich liest der Unterscheidungsblock 220 die Spannung auf Leitung 54a nur während der Spitzenstromzeiten oder der Hintergrundstromzeiten. Das Signal auf Leitung 54a wird, wie durch Linie 220 angezeigt, zu anderen Zeiten während des Impulses 110 verworfen. Somit ist der Spannungsmesswert auf Leitung 224 eine konstant Spitzenstromspannung, die sich entsprechend den Variationen der Lichtbogenlänge ändert. In dem Maße, wie die Lichtbogenlänge größer wird, wird die Spannung größer. Dieses Signal, die für die Lichtbogenlänge steht, wird durch Leitung 224 in den Fehlerverstärker 230 eingespeist, wo es mit einem Lichtbogenlängen-Sollwertsignal auf Leitung 226 verglichen wird. Das Ausgangssignal vom Verstärker 230 auf Leitung 232 ist die Abweichung der Lichtbogenlänge von dem Sollwert. Wenn die Lichtbogenlänge zu gering ist, nimmt die Wärme zu. Folglich hat der synergistische Wellenformer 210 eine Subroutine, die den Wert auf Leitung 232 liest, um einen Parameter der Impulswelle PW, zum Beispiel von 3, zu ändern. Wenn zum Beispiel die Wärme zu hoch ist, kann der Wellenformer 210 dadurch reagieren, dass er die Wärme in einem oder in beiden der Hochenergie- und Niedrigenergieabschnitte HP, LP der Impulswelle PW verringert. Zum Beispiel kann der Wellenformer 210 die Größe des Impulses in dem Hochenergieabschnitt HP durch Ändern der Eigenschaften der Impulse des Hochenergieabschnitts HP verringern. Zum Beispiel kann zu diesen Änderungen das Ändern einer Kombination von Impulsmerkmalen gehören, die in den Blöcken 152, 154, 156, 157, 158 und 160 von 4 gezeigt sind, einschließlich des Hinzufügens eines Stroms von negativer Polarität. Dadurch wird die Wärme verringert. In einer ähnlichen Weise hätte man anstelle der, oder zusätzlich zu den, Änderungen am Hochenergieabschnitts HP auch Veränderungen der Eigenschaften des Niedrigenergieabschnitts LP vornehmen können.
In der gleichen Weise können, wenn die Wärme zu niedrig ist, was anhand einer geringeren Spannung auf Leitung 224 festgestellt wird, die Impulse 110 im Hochenergieabschnitt HP vergrößert werden. Wie oben erwähnt, kann das Erhöhen oder Verringern der Wärme entweder des Niedrigenergieabschnitts LP oder des Hochenergieabschnitts HP unter Verwendung jeder beliebigen Kombination der oben erwähnten Merkmale erreicht werden, wie zum Beispiel durch Justierungen zum Ansteigen und Absenken von Steigungen bzw. Gefällen, Negativ-Zeiten oder die Hinzufügung oder Herausnahme einer negativen Stromkomponente. Natürlich könnte auch der Pegel der Spannung auf Leitung 232 verwendet werden, um den Zählwert des Hochenergieabschnitts der Impulswelle zu ändern, um das Erwärmen zu modifizieren, um Variationen der Lichtbogenlänge zu kompensieren und zu korrigieren. Kurz gesagt, misst das System S die Lichtbogenlänge und ändert die Wärme des Schweißprozesses, um Variationen der Lichtbogenlänge zu kompensieren. In Kombination mit diesen Justierungen gibt der synergistische Wellenformer 210 auch ein Signal auf Leitung 44 aus, um die Zufuhrgeschwindigkeit des Drahtes mit der Wärme zu korrelieren, die in dem Schweißprozess erzeugt wird. Der Wellenformer steuert auch das Befehlsignal auf Leitung 210a. Es können noch andere synergistische Modifikationen an dem Wellenformer vorgenommen werden, um verschiedene Korrekturmaßnahmen und Steuerungsfunktionen in dem Schweißgerät A zu korrigieren. Das Lichtbogenlängensteuerungssystem S kann in dem synergistischen Programm oder bei der Steuerung der Impulse verwendet werden, wie in den 1 und 3 gezeigt.
Andere Ausführungsformen, die die Konzepte verwenden, die in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, sind in den 7, 7A, 7B und 7C veranschaulicht. Im Gegensatz zu den Ausführungsformen, die in Bezug auf die 3 und 4 beschrieben wurden, können verschiedene Parameter, einschließlich Spitzenstrom, Spitzenzeit und Hintergrundstrom, von einem Arbeitspunkt zum anderen variieren. In diesen Ausführungsformen, wie in 7 gezeigt, wird ein synergistischer Wellenformer 250 verwendet, um einen Arbeitspunkt aus der Nachschlagetabelle 252 gemäß dem Wert des Eingangssignals, das durch die Leitung 250a dargestellt ist, zu verarbeiten. 7A zeigt eine Teilmenge beispielhafter Arbeitspunkte und ihre zugehörigen beispielhaften Parameter, die nicht den Parameterwerten entsprechen müssen, die in den genannten Figuren gezeigt sind. Der Arbeitspunkt, der durch den Pegel des Signals auf Leitung 250a dargestellt wird, wird gemäß der Nachschlagetabelle 252 ausgegeben. Die Impulsmerkmale und die Drahtzufuhrgeschwindigkeit für einen ausgewählten Arbeitspunkt werden verwendet, um die Form des Impulses durch die Steuereinheit 256 und die Drahtzufuhrgeschwindigkeit durch die Steuereinheit 258 zu steuern. Zum Beispiel können die Impulsformen, wie in 3 gezeigt, durch den Wellenformer oder die Steuereinheit 256 durch ein Signal auf Leitung 210a implementiert werden. Mit dem Stromquellensignal 210a wird ein WFS-Signal auf Leitung 44 gemäß Anweisung von der Steuereinheit 258 koordiniert. Der Wellenformer 250 erzeugt eine Wellenform und eine Drahtzufuhrgeschwindigkeit, die durch den Arbeitspunkt der Nachschlagetabelle 252 bestimmt werden. Der normale Arbeitspunkt für das Schweißgerät wird von dem Selektor 254 für die Kommunikation mit dem Wellenformer 250 und Ausgangsleitungen 250b, 250c durch die Eingangsleitung 250a ausgegeben.
Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform ein Arbeitspunkt ein Ausgangssignal auf Leitung 210a von der Nachschlagetabelle 252 für eine vor-ausgewählte Reihe von Hochenergieimpulsen generieren, die eine Form aufweisen, wie durch die Impulse 260 in 7B angedeutet ist. Gleichzeitig erzeugt das Ausgangssignal auf Leitung 44 aus der Nachschlagetabelle 252 ein WFS-Signal mit einem Pegel 262, wie in 7C gezeigt. Die Hochfrequenzimpulse 260 und die Drahtzufuhrgeschwindigkeit WFS werden zusammen gesteuert. Gemäß dieser Ausführungsform wird der Arbeitspunkt von Tabelle 252 allmählich während jedes Schweißzyklus geändert, um Hochenergie- und Niedrigenergieabschnitten HP, LP des Schweißzyklus zu erzeugen. Das Wechseln dieser Abschnitten HP, LP erzeugt eine Niederfrequenzkomponente für den Schweißprozesses.
In der veranschaulichten Ausführungsform hat der Modulator 270 eine alternierende Ausgangsleitung 270a, die durch den Multiplikator 270b mit dem Soll- oder normalen Arbeitspunkt des Selektors 254 multipliziert wird. Somit wird der Pegel der Spannung auf Leitung 250a gemäß dem Ausgangssignal von Modulator 270 moduliert. Dieser Modulator wählt eine sich wiederholende Kurve aus, wie zum Beispiel eine Sinuswelle bei Selektorblock 272, eine Rechteckwelle bei Selektorblock 274 oder eine Sägezahnwelle bei Selektorblock 276. In der veranschaulichten Ausführungsform wird die Rechteckwelle von Block 274 so ausgewählt, dass der Schweißprozess einen Schweißzyklus hat, der sich mit einer niedrigen Frequenz im allgemeinen Bereich von 1/4–40 Hz von einem Arbeitspunkt zum anderen verschiebt. Kehren wir zu den 7B und 7C zurück. Der Niedrigenergieabschnitt LP des Schweißzyklus enthält Impulse 280 und einen niedrigen WFS-Pegel 282. Wie in 7B gezeigt, enthalten die Impulse 280 eine beispielhafte Komponente mit negativer Polarität. Durch Verschieben von einem Arbeitspunkt zum nächsten ausgewählten Arbeitspunkt und Wiederholen dieses Prozesses wird die durch Impulse 260 verursachte starke Wärme mit der durch Impulse 280 verursachten geringen Wärme mit der niedrigen Frequenz abgewechselt. Gleichzeitig veranlasst der Wellenformer, dass der Spannungspegel auf Leitung 44 zwischen einem hohen Pegel 262 und einem niedrigen Pegel 282 mit der gleichen niedrigen Frequenz verschoben wird. In der veranschaulichten Ausführungsform hat die Modulation von Kurve oder Block 274 einen längeren Niedrigenergieabschnitt LP als der Hochenergieabschnitt HP. Des Weiteren haben die Impulse eine andere Frequenz, und der Hintergrundstrom hat einen anderen Pegel. Beim Koordinieren der Drahtzufuhrgeschwindigkeit mit den Hoch- und Niedrigenergieabschnitten HP, LP ist die Einschränkung gleichmäßig beabstandeter Stromimpulse weder zweckmäßig noch erforderlich. Dies steht im Gegensatz zu der in 3 gezeigten Ausführungsform, wobei die Impulse die gleiche Frequenz und den gleichen Hintergrundstrom haben. Es können eine Änderung der Form oder eine Modulation oder beides verwendet werden, um zwischen Hochenergie- und Niedrigenergieabschnitten HP, LP zu wechseln. Die in den 7, 7A, 7B und 7C gezeigte Ausführungsform der Erfindung wird zum Veranschaulichen eines weit gefassten Aspektes der Erfindung verwendet, wobei die sich wiederholenden Schweißzyklen mit der Drahtzufuhrgeschwindigkeit WFS koordiniert werden, um drastische Veränderungen der Wärme zu erzeugen, die dem Werkstück W durch den Lichtbogen zugeführt wird. Des Weiteren kann zum Beispiel ein Lichtbogenlängen-Rückkopplungssystem S, wie in 6 gezeigt, mit diesem beispielhaften Schweißprozess implementiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein synergistischer Prozess, der eine Hoch- und Niedrigenergiesteuerung mit einer Steuerung der Drahtzufuhrgeschwindigkeit kombiniert, in 8 gezeigt. Das Verschieben zwischen dem Hochenergieabschnitt HP und dem Niedrigenergieabschnitt LP wird durch eine Zeitsteuerungsoperation erreicht, auch wenn ein Zählen unter Verwendung der Steuerungslogik 90 von 4 ebenfalls verwendet werden könnte. Die Zeitsteuerungskonzept für den synergistischen Prozess beinhaltet, dass die Steuerungslogik 90' den hohen Arbeitspunkt durch Schritt oder Block 300 initiiert. Am Beginn des Schweißzyklus wird dieser Schritt oder Block implementiert. Die Steuerungslogik 90' fragt zuerst die synergistische Nachschlagetabelle nach dem hohen Arbeitspunkt. Dieser hohe Arbeitspunkt wird ausgewählt, wie durch die Schritte 302, 304 angedeutet, um ein Formsteuersignal auf Leitung 210a von der Stromquellensteuereinheit 256 in 7 zu erzeugen. Danach wird das hohe Drahtzufuhrgeschwindigkeits-WFS-Signal auf Leitung 44 von der Drahtzufuhrgeschwindigkeitssteuereinheit 258 ausgegeben. Dann inkrementiert Schritt 306 den Timer 308, der auf eine gewünschte Zeit eingestellt ist. Diese gewünschte Zeit kann gemäß dem Lichtbogenlängen-Fehlersignal auf Leitung 232 vom Steuerungssystem S justiert werden, wie in 6 gezeigt. Wenn der Timer 308 noch keinen Timeout erreicht hat, so werden die Hochenergiestromimpulse und die hohe Drahtzufuhrgeschwindigkeit WFS fortgesetzt, wie durch Linie 310 angedeutet. Schlussendlich, wenn der Timer 308 einen Timeout erreicht, aktiviert ein Signal auf Leitung 312 Schritt 320, um den niedrigen Arbeitspunkt aus der Nachschlagetabelle 252 auszuwählen. Dies implementiert zuerst die Niedrigenergieimpulse, wie durch Schritt 322 angedeutet, und dann die niedrige Drahtzufuhrgeschwindigkeit WFS für die Drahtzuführvorrichtung, wie durch Schritt 324 angedeutet. Danach inkrementiert Schritt 326 den eingestellten Timer 328 und bestimmt, ob der Timer abgelaufen ist. Wenn nicht, wird der Niedrigenergie- und Niedrig-Drahtzufuhrgeschwindigkeits(WFS)-Zyklus fortgesetzt, wie durch Linie 330 angedeutet. Wenn der Timer 328 seinen Timeout erreicht, so aktiviert das Signal auf Leitung 328a den Schritt von Block 332, um die hohe Energie und die hohe Drahtzufuhrgeschwindigkeit WFS zu wiederholen. Unter Verwendung der Steuerungslogik 90' werden die hohe Zufuhrgeschwindigkeit und die niedrige Zufuhrgeschwindigkeit mit einer niedrigen Frequenz mit der hohen Energie und der niedrigen Energie koordiniert. Diese Zeitsteuerungsfunktion könnte als ein Ersatz für die Zählfunktion in 4 verwendet werden.
Die Modulation der Hochfrequenzimpulse durch einen sich wiederholenden krummlinigen Faktor oder eine sich wiederholende krummlinige Funktion mit niedrigen Frequenz ist eine Alternative zu den bloßen Hoch- und Niedrigenergiezuständen, wie in 3 dargelegt. Diese Modulationstechnik ist in 9 dargelegt, wobei der Modulator 100 durch eine ausgewählte Kurve angesteuert wird, wie zum Beispiel Kurve 102, 104 oder 106, wie in 1 angedeutet, oder Kurve 272, 274 oder 276, wie in 7 gezeigt. Das Modulationsschaubild 400 konvertiert die ausgewählte niederfrequente wellige Wellenform im Modulator 100 in die gewünschte Impulskonfiguration, die aus dem Modulationswellenformer 402 ausgegeben werden soll. In einer beispielhaften Ausführungsform werden verschiedene Merkmale der Impulse 110 durch Netze 410, 412, 414, 416, 418, 420, 422 und 424 spezifisch verarbeitet. Jedes dieser Netze enthält Multiplikatoren 430, 432 und einen Summierknoten 434. Der besondere Aspekt des Impulses, der durch die einzelnen Netze 410, 412, 414, 416, 418, 420, 422 und 424 verarbeitet wird, wird in ein Register 436 geladen. Die einzelnen Netze haben Verstärkungs(Gewichts)-Eingänge 440, 442, 444, 446, 448, 450, 452 und 454 als einen Eingang des Multiplikators 430. Der andere Eingang ist jeweils Leitung 100a–100h. Der Spannungspegel oder die digitale Zahl auf den Leitungen 440, 442, 444, 446, 448, 450, 452 und 454 ist das Gewicht, um eine besondere Änderung an einem ausgewählten Impulsmerkmal zu veranlassen. Das Netz 410 hat den Spitzenstrom, der in das Register 436 geladen wurde. Dies kann der Abschnitt 110b von Impuls 110 sein, wie in 3 gezeigt. Die in das Netz 412 geladene Spitzenzeit kann Zeit 110c sein. Der Hintergrundstrom, der in das Register 436 des Netzes 414 geladen wird, kann der Strompegel 110e sein. Die Hintergrundzeit, die in das Register 436 des Netzes 416 geladen wird, kann die Zeit ab dem Ende des Absenkens 110d oder der Zeit des negativen Stroms 110h bis zum Beginn des Anstiegs 110a sein. Die Anstiegszeit kann die Zeit ab dem Beginn des Impulses bis zum Spitzenstrom sein. Diese wird durch das Netz 418 verarbeitet. Das Netz 420 verarbeitet die Absenkzeit, die in das Register 436 dieses Netzes geladen wird. Das Netz 422 hat den negativen Strom, der in das Register 436 geladen wird. Die negative Stromzeit, die in das Netz 424 geladen wird, kann die Zeit 110h sein. Die in 9 veranschaulichten Netze sind repräsentativer Natur. Natürlich könnten auch andere Implementierungen des Modulationskonzepts mit anderen Impulsparametern und in anderen Kombinationen verwendet werden. Die Impulse 110, wie in 3 gezeigt, können als Hochenergieimpulse oder als Niedrigenergieimpulse verarbeitet werden. Dies ist eine beispielhafte Implementierung. Jedoch können diese Impulse auch durch das in 9 gezeigte Modulatorschaubild 400 moduliert werden.
Eine beispielhafte Implementierung des Schaubildes 400 ist mit Bezug auf 10 gezeigt. In dieser Figur werden gleichmäßig beabstandete Hochfrequenzimpulse 500 mit einem modulierten Hintergrundstrom 502 kombiniert. Dies erzeugt einen Wechsel zwischen einem Hochenergieabschnitt 504 und einem Niedrigenergieabschnitt 506. Diese Abschnitte sind gemäß einer durch den Modulator 100 ausgewählten Sinuswellenkonfiguration wellig. Des Weiteren enthält die Impulswelle PW Stromsenken, die zu bestimmten Zeiten Komponenten mit negativer Polarität 508 sind. Bei Verwendung eines Sinuswelleneingangs erscheint die Sinuswelle in allen Leitungen 100a–100h zu den Eingängen des Multiplikators 430 in jedem Netz 410, 412, 414, 416, 418, 420, 422 und 424. Um die in 10 gezeigte Wellenform zu erhalten, ist das Eingangssignal in allen Leitungen 440, 442, 444, 446, 448, 450, 452 und 454, die die Gewichts- oder Verstärkungsleitungen sind, mit Ausnahme der Leitungen 444 und 452 gleich null. Der Wert dieses Eingangssignals ist ein Wert ungleich null. Darum folgen der Hintergrundstrom und der negative Strom der Sinuswelle auf den Eingangsleitungen 100c bzw. 100g. Der Rest der Impulsfunktionen bleibt fix und wird nicht geändert. Spitzenstrom, Spitzenzeit, Hintergrundzeit, negative Zeit, Anstiegszeit und Absenkzeit sind für alle Impulse die gleichen. Somit werden den Hoch- und Niedrigenergieabschnitte 504, 506 lediglich durch die Modulation des Hintergrundstroms und des negativen Stroms erhalten.
Wir wenden uns nun 11 zu. In einer weiteren Ausführungsform bleibt der Hintergrundstrom der gleiche; darum ist das Verstärkungssignal auf Eingang 444 null. In diesem speziellen Diagramm enthält jeder Impuls eine Komponente mit negativer Polarität, und die Spitzenzeit wird gemäß der Sinuswellenfunktion auf Leitung 100b geändert. Alle Eingänge in den Multiplikator 430 der Netze 410, 412, 414, 416, 418, 420, 422 und 424 sind null, mit Ausnahme des Eingangs 442. Diese erzeugt eine wellige modulierte Wellenform, wie in 11 gezeigt. Wir wenden und nun der Ausführungsform von 12 zu. Die Eingänge in den anfänglichen Multiplikator 430 sind null, mit Ausnahme des Eingangs 440, des Eingangs 444 und des Eingangs. Spitzenstrom, Hintergrundstrom bzw. negative Zeit werden moduliert. In dieser Ausführungsform enthält jeder Impuls eine Komponente mit negativer Polarität.
Allgemein wird, um die Modulation zu justieren, die Größenordnung der Spannung oder Zahl auf den Eingangsleitungen 440, 442, 444, 446, 448, 450, 452 und/oder 454 geändert. Unter Verwendung des Schaubildes 400 von 9 kann die Impulswelle PW von 3 moduliert werden, um Hoch- und Niedrigenergieabschnitte zu bilden. Die Modulation erlaubt es, andere Komponenten und Merkmale der Impulse zu modulieren. In 3 zum Beispiel haben die Impulse eine feste Frequenz. Wenn die Anstiegszeit des Netzes 48 gemäß dem Signal auf Leitung 100e moduliert werden würde, so würde sich die Frequenz ändern. Die Zeit der Impulse würde variieren. Um eine konstante Frequenz beizubehalten, kann zum Beispiel die Modulation auf der Eingangsleitung 448 mit der Modulation auf Leitung 450 koordiniert werden. In einer beispielhaften Ausführungsform ist eines dieser Signale positiv, und das andere ist negativ. Auf diese Weise bleibt der Impulszeitraum der gleiche, indem die Anstiegszeit verlängert wird, während die Absenkzeit verkürzt wird. Es können noch verschiedene andere Techniken zum Modulieren der Impulse 110 durch das Modulationsschaubild 400 implementiert werden.
Die Details beispielhafter Modulationsregimes sollen nicht das Konzept einschränken, nach dem eine Hochfrequenzimpulswelle durch eine niederfrequente Hin- und Herverschiebung oder eine Wellung durch eine ausgewählte Kurve moduliert wird. Das Modulationsschaubild 400 ist in der Lage, eine Vielfalt von Impulswellen mit jeder Kombination beispielhafter Impulsmerkmale von Registern 436 zu generieren. Zum Beispiel sind andere beispielhafte Impulswellen in den 13–16 gezeigt, die eine Vielfalt nicht-erschöpfender Impulswellen demonstrieren, die durch verschiedene Modulationsregimes erzeugt werden können. Die in den 10–16 gezeigten Impulswellen enthalten Impulse 500, einen Hintergrundstrom 502, einen Hochenergieabschnitt 504, einen Niedrigenergieabschnitt 506 und Komponenten mit negativer Polarität 508.
Wie in den Ausführungsformen der 10–16 gezeigt, kann der durchschnittliche Strom während der Modulation der gleiche bleiben, der er ohne Modulation wäre. In diesen Ausführungsformen addiert und subtrahiert die Modulation lediglich Strom in einem einzelnen Zyklus, um dadurch den durchschnittlichen Strom beizubehalten. Auch, die hohe Frequenz des Impulses, wenn eine feste Frequenz (d. h. die Impulszeiträume werden nicht moduliert) ein ganzzahliges Vielfaches der für die Modulation verwendeten niedrigen Frequenz ist.
Eine weitere Ausführungsform der Konzepte dieser Erfindung ist in 17 veranschaulicht, wo das System 600 das Strombefehlsignal auf Leitung 70 steuert, um die Ausgangssignalform des Schweißprozesses durch den Fehlerverstärker 68 zu steuern, wie mit Bezug auf 1 erläutert ist. Das System 600 hat zwei wellenformbildende digitale Verarbeitungsabschnitte 602, 604, die allgemein den Formselektoren oder der Software 82a, 84a entsprechen, der bzw. die mit dem Wellenformer 80 von 1 verwendet wird. Die Wellenform A wird verarbeitet, wenn das Ausgangssignal 602a vom Wellenformerabschnitt 602 in die Befehlseingangsleitung 70 eingespeist wird. In der gleichen Weise wird die Wellenform B verwendet, um den Schweißprozess zu steuern, wenn die Ausgangsleitung 604a vom Wellenformerabschnitt 604 mit der Befehlsignalleitung 70 verbunden wird. Wie in 4, werden die Impulse im Wellenformerabschnitt 602 durch den Zähler 610 gezählt, und die Impulse, die vom Wellenformerabschnitt 604 ausgegeben werden, werden durch den Zähler 612 gezählt. Die Zählwerte werden durch Leitung 614 übermittelt, wobei die Schaltersteuerung 620 die Zählwerte A und B durch die Eingabevorrichtung 622 einstellen lässt. Die Schaltersteuerung 620 verschiebt den elektronischen Schalter 630 zwischen Ausgangsleitungen 602a, 604a gemäß den Zählwerten A und B, die durch die Vorrichtung 622 eingestellt wurden. Diese Zählwerte können allgemein den Zählwerten N1, N2 von 4 entsprechen. Das System 600 kann in einigen Fällen so modifiziert werden, dass es die Gesamtschweißzyklen von Wellenform A oder Wellenform B anstelle der einzelnen Impulse zählt, wie es durch die Steuerungslogik 90 in 4 geschieht. Folglich verschiebt sich die Schaltersteuerung 620 von einem Prozess zum anderen Prozess gemäß den vorausgewählten Zählwerten, die von der Vorrichtung 622 eingegeben wurden. Auf diese Weise kann zum Beispiel das System 600 einen Hochenergie-Prozess verarbeiten, wenn Leitung 602a die Schweißsteuerleitung ist, und kann einen Niedrigenergie-Prozess verarbeiten, wenn die Steuerleitung die Leitung 604a ist. Dies ist lediglich eine weitere Version des Verschiebens zwischen Hoch- und Niedrigenergie in einem Gesamtschweißprozess gemäß der vor-ausgewählten Modulation. In dieser Ausführungsform erfolgt die Modulation durch die Zählwerte eines der Impulszyklen einer jeden der Wellenformen A und B.
Eine weitere Ausführungsform stellt ein Elektrolichtbogenschweißgerät A bereit, das Folgendes umfasst: ein Mittel 10 zum Erzeugen von Hochfrequenz-Stromimpulsen 10 durch einen Spalt g zwischen einem Werkstück W und einem Schweißdraht E, der in Richtung eines Werkstücks W vorangeschoben wird; ein Mittel 80 zum Formen der Hochfrequenz-Stromimpulse; ein Mittel zum Ändern einer Polarität der Hochfrequenz-Stromimpulse 110; und wobei mindestens einer der Hochfrequenzimpulse Strom von negativer Polarität enthält.
Obgleich die vorliegende Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht wurde, und obgleich die Ausführungsformen in einiger Ausführlichkeit beschrieben wurden, ist es nicht die Absicht des Anmelders, den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche auf diese Details zu beschränken oder in irgend einer Form einzugrenzen. Dem Fachmann fallen sofort weitere Vorteile und Modifikationen ein. Darum ist die Erfindung in ihren weiter gefassten Aspekten weder auf die konkreten Details, repräsentativen Vorrichtungen und Verfahren noch auf die gezeigten und beschriebenen veranschaulichenden Beispiele beschränkt. Dementsprechend kann von solchen Details abgewichen werden, ohne vom Wesen oder Schutzumfang des allgemeinen erfindungsgemäßen Konzepts des Anmelders abzuweichen.
Bezugszeichenliste

0: Logik
1: Logik
10: Stromversorgung
11: Gleichstromübertragungsstrecke
12: Eingangsgleichrichter
15a: Primärwicklung
15b: Sekundärwicklung
14: Ausgangstransformator
14a: Transformator
16: Polaritätsschalter
17: Mittenabgriff
20: Aluminiumdraht
22: Rolle/Trommel
24: Ausgangsleitung
26: Ausgangsleitung
28: positiver Gleichrichterkreis
28a: Gleichrichterkreis
30: Zuführvorrichtung
31: Motorsteuereinheit
32: Motor
34: Impulsbreitenmodulator
36: Tachometer
38: positiver Ausgangsanschluss
40: Operationsverstärker
42: Vergleichseingang
44: Leitung
46: negativer Ausgangsanschluss
48: Ausgangsschaltnetz
48a: Schaltnetz
52: Sensor
52a: Leitung
54: Sensor
54a: Leitung
55: Basisleitung
56: Basisleitung
57: Snubber-Netz
58: Snubber-Netz
60: Steuereinheit
62: Impulsbreitenmodulator
64: Oszillator
66: Leitung
68: Fehlerverstärker
70: Leitung
72: Ausgangsinduktor
74: positiver Impulsabschnitt
76: negativer Impulsabschnitt
80: Wellenformgenerator
82: Leitung
82a: Software/Selektor
84: Leitung
84a: Software/Selektor
90: Steuerungslogik
90': Steuerungslogik
91: Impulsgenerator
92: Ausgang/Leitung
93: Flipflop
94: Schaltnetz
95: nicht-koinzidenter Anschluss
96: nicht-koinzidenter Anschluss
97: Einstellanschluss
98: Rücksetzungsanschluss
99a: Leitung
99b: Wechselrichter
100: Modulator
100a–100h: Leitung
102: Selektorblock/Kurve
104: Selektorblock/Kurve
106: Selektorblock/Kurve
108: Leitung
110: Impulse
110a: Anstiegsabschnitt
110b: Spitzenstrom
110c: Spitzenzeitabschnitt
110d: Absenkungsabschnitt
110e: Hintergrundstrom
110f: Zeitraum
110g: Spitzenzeit
110h: Negativabschnittszeit
111: Lichtbogen
112: Pfütze
113: Tröpfchen
115: Lichtbogen
116: Pfütze
117: Tröpfchen
120: linksseitige Logik/Zähler
122: NO-Leitung
124: linksseitige Logik/Schritt
126: linksseitige Logik/Schritt
128: linksseitige Logik
129: linksseitige Logik/Schritt
130: linksseitige Logik/Schritt
132: linksseitige Logik
134: Leitung
140: Leitung
142: rechtsseitige Logik
150: Leitung
152: rechtsseitige Logik/Schritt
154: rechtsseitige Logik/Schritt
156: rechtsseitige Logik/Schritt
157: rechtsseitige Logik
158: rechtsseitige Logik/Schritt
160: rechtsseitige Logik/Schritt
160a: Leitung
162: rechtsseitige Logik/Zähler
164: Leitung
166: Leitung
168: linksseitige Logik/Rücksetzungsschritt
170: Ausgang
190: zentrale Logik
192: Block/Schritt
192a: Leitung
194: Schritt
196: Block/Schritt
198: Block
200: Block
202: Schritt
202a: Leitung
204: Leitung
210: Wellenformer
210a: Leitung
212: Block
220: Unterscheidungsblock/Leitung
224: Leitung
226: Leitung
230: Fehlerverstärker
232: Leitung
250: Wellenformer
250a: Eingangsleitung
250b: Ausgangsleitung
250c: Ausgangsleitung
252: Nachschlagetabelle
254: Selektor
256: Steuereinheit
258: Steuereinheit
260: Impulse
262: Pegel
270: Modulator
270a: Alternierende Ausgangsleitung
270b: Multiplikator
272: Selektorblock/Kurve
274: Selektorblock/Kurve
276: Selektorblock/Kurve
280: Impulse
282: niedriger WFS-Pegel
300: Block/Schritt
302: Schritt
304: Schritt
306: Schritt
308: Timer
310: Leitung
312: Leitung
320: Schritt
322: Schritt
324: Schritt
326: Schritt
328: Timer
328a: Leitung
330: Leitung
332: Block/Schritt
400: Modulationsschaubild
402: Wellenformer
410: Netz
412: Netz
414: Netz
416: Netz
418: Netz
420: Netz
422: Netz
424: Netz
430: Multiplikator
432: Multiplikator
434: Summierknoten
436: Register
440: Gewichtseingang/Leitung
442: Gewichtseingang/Leitung
444: Gewichtseingang/Leitung
446: Gewichtseingang/Leitung
448: Gewichtseingang/Leitung
450: Gewichtseingang/Leitung
452: Gewichtseingang/Leitung
454: Gewichtseingang/Leitung
500: Hochfrequenzimpulse
502: Hintergrundstrom
504: Hochenergieabschnitt
506: Niedrigenergieabschnitt
508: Komponenten mit negativer Polarität
600: System
602: Verarbeitungsabschnitt
602a: Leistung
604: Verarbeitungsabschnitt
604a: Ausgangsleitung
610: Zähler
612: Zähler
614: Leitung
620: Schaltersteuerung
622: Eingabevorrichtung
630: elektronisches Schalter
A: Schweißgerät
B: Wellenform
B1: Strom
B2: Hintergrund
C2: Zähler
COUNT₁: Impulse
COUNT₂: Impulse
D1: Diode
D2: Diode
D3: Diode
D4: Diode
E: Elektrode
HP: Hochenergieabschnitt
I_a: Lichtbogenstrom
L1–L3: dreiphasige Spannungsquelle
LP: Niedrigenergieabschnitt
N1: negativer Strom
N2: Zahl
P1: Spitzenstromabschnitt
PW: Impulswelle
S: Steuerungssystem
SW1: Schalter
SW2: Schalter
SW3: Schalter
SW4: Schalter
tB1: Zeit
tB2: Zeit
tN1: Zeit
tS1: Zeit
V_a: Lichtbogenspannung
W: Werkstück

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

US 4994646 [0002]
US 5643479 [0002]
US 5667709 [0002]
US 6515259 [0002]
US 6683278 [0002]
US 7166818 [0002]
JP 58176074 [0002]

Claims

Elektrolichtbogenschweißgerät (A), das Folgendes umfasst: eine Hochgeschwindigkeitsschaltstromversorgung (10) mit einer Steuereinheit zum Erzeugen von Hochfrequenz-Stromimpulsen, bevorzugt im Bereich von 50–400 Hz, durch einen Spalt (g) zwischen einem Werkstück (W) und einem Schweißdraht (E), der in Richtung eines Werkstücks (W) vorangeschoben wird; einen Wellenformgenerator (80), um eine Form der Hochfrequenz-Stromimpulse (110) und eine Polarität der Hochfrequenz-Stromimpulse (110) zu definieren; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Hochfrequenz-Stromimpulse (110) Strom von negativer Polarität (I_NEG) enthält.
Elektrolichtbogenschweißgerät nach Anspruch 1, wobei der Wellenformgenerator (80) einen Schweißzyklus mit den Hochfrequenzimpulsen (110) definiert, wobei der Schweißzyklus einen Hochenergieabschnitt (82a, HP) und einen Niedrigenergieabschnitt (84a, LP) umfasst.
Elektrolichtbogenschweißgerät nach Anspruch 2, wobei der Hochenergieabschnitt (HP) und der Niedrigenergieabschnitt (LP) mit einer niedrigen Frequenz alternativen, wobei die hohe Frequenz der Impulse wesentlich größer ist als die niedrige Frequenz der alternierenden Abschnitte (HP, LP).
Elektrolichtbogenschweißgerät nach Anspruch 3, wobei die niedrige Frequenz der alternierenden Abschnitte (HP, LP) in einem Bereich von 1/4 Hz bis 40 Hz liegt.
Elektrolichtbogenschweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das des Weiteren einen polaritätsvariablen Schalter (16) umfasst, der auf den Wellenformgenerator (80) anspricht, um die Polarität der Hochfrequenz-Stromimpulse (110) zu steuern.
Elektrolichtbogenschweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das des Weiteren einen Modulator umfasst, um die Form der Hochfrequenz-Stromimpulse in einem sich wiederholenden Muster zu ändern, wobei das sich wiederholende Muster mit einer niedrigen Frequenz stattfindet.
Elektrolichtbogenschweißgerät nach Anspruch 6, wobei das sich wiederholende Muster aus folgender Gruppe ausgewählt wird: eine Sinuskurve, eine alternierende allgemeine Rechteckkurve, eine Sägezahnkurve und eine alternierende krummlinige Kurve, und wobei das sich wiederholende Muster einen Schweißzyklus mit den Hochfrequenzimpulsen definiert, und wobei der Schweißzyklus einen Hochenergieabschnitt und einen Niedrigenergieabschnitt umfasst, die mit der niedrigen Frequenz alternieren.
Elektrolichtbogenschweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das des Weiteren eine Drahtzuführvorrichtung (30) umfasst, um den Schweißdraht zuzuführen, der in Richtung eines Werkstücks (W) vorangeschoben wird, wobei die Drahtzuführvorrichtung (30) auf den Wellenformgenerator (80) anspricht, um eine Drahtzufuhrgeschwindigkeit zu steuern, und wobei die Drahtzufuhrgeschwindigkeit bevorzugt ein erster Wert während des Hochenergieabschnitts und ein zweiter Wert während des Niedrigenergieabschnitts ist.
Elektrolichtbogenschweißgerät (A), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der für Folgendes konfiguriert ist: Erzeugen von Hochfrequenz-Stromimpulsen (110) durch einen Spalt (g) zwischen einem Werkstück (W) und einem Schweißdraht (E), der in Richtung eines Werkstücks (W) vorangeschoben wird, wobei die hohe Frequenz der Hochfrequenz-Stromimpulse bevorzugt im Bereich von 50–400 Hz liegt; Formen der Hochfrequenz-Stromimpulse (110), wobei eine Form der Hochfrequenz-Stromimpulse eine Polarität des Stromimpulses enthält; dadurch gekennzeichnet, dass die Form von mindestens einem der Hochfrequenz-Stromimpulse (110) einen Strom von negativer Polarität (I_NEG) enthält.
Schweißgerät nach Anspruch 9, wobei das Formen der Hochfrequenz-Stromimpulse (110) einen Schweißzyklus mit den Hochfrequenzimpulsen definiert, wobei der Schweißzyklus einen Hochenergieabschnitt (HP) und einen Niedrigenergieabschnitt (LP) umfasst.
Schweißgerät nach Anspruch 10, wobei der Hochenergieabschnitt (HP) und der Niedrigenergieabschnitt (LP) mit einer niedrigen Frequenz alternativen, wobei die hohe Frequenz der Impulse wesentlich größer ist als die niedrige Frequenz der alternierenden Abschnitte.
Schweißgerät nach Anspruch 11, wobei die niedrige Frequenz der alternierenden Abschnitte in einem Bereich von 1/4 Hz bis 40 Hz liegt.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 9 bis 12, das des Weiteren zum Modulieren der Form der Hochfrequenz-Stromimpulse in einem sich wiederholenden Muster konfiguriert ist, wobei das sich wiederholende Muster mit einer niedrigen Frequenz stattfindet, wobei das sich wiederholende Muster bevorzugt aus folgender Gruppe ausgewählt wird: eine Sinuskurve, eine alternierende allgemeine Rechteckkurve, eine Sägezahnkurve und eine alternierende krummlinige Kurve, und wobei das sich wiederholende Muster einen Schweißzyklus mit den Hochfrequenzimpulsen definiert, wobei der Schweißzyklus einen Hochenergieabschnitt und einen Niedrigenergieabschnitt umfasst, die mit der niedrigen Frequenz alternieren.
Schweißgerät nach einem der Ansprüche 9 bis 13, das des Weiteren dafür konfiguriert ist, den Schweißdraht, der in Richtung eines Werkstücks (W) vorangeschoben wird, mit einer Drahtzufuhrgeschwindigkeit zuzuführen.
Schweißgerät nach Anspruch 14, wobei die Drahtzufuhrgeschwindigkeit ein erster Wert während des Hochenergieabschnitts ist und ein zweiter Wert während des Niedrigenergieabschnitts ist.