DE2728980C2

DE2728980C2 - Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode und einer schnell kennlinienumschaltbaren Schweißenergiequelle

Info

Publication number: DE2728980C2
Application number: DE2728980A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. 5100 Aachen Puschner
Original assignee: Individual
Current assignee: Elma-Technik Elektronik und Maschinenbau-Spezial-G
Priority date: 1977-06-28
Filing date: 1977-06-28
Publication date: 1986-11-20
Also published as: US4201906A; BE868364A; GB2000611A; FR2437262A1; DE2728980A1; GB2000611B; NL7806762A; IT1097097B; FR2437262B3; IT7825082A0

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode und einer schnell kennlinienumschaltijarer Schweißenergiequelle, bei der das Umschalten von Kennlinien durch die Schweißsnergiequclle ansteuernde Führungsgrößen erfolgt

Die Verwendung einer transistorierten, schnell kennlinienumschaltbaren Schweißenergiequelle, bei der das Umschalten von Kennlinien durch externe Führungsgroßen erfolgt, ist bekannt (Zeitschrift »Schweißen und Schneiden« 1974, Heft 2, Seiten 54 bis 56). Dabei soll man beispielsweise eine definierte Konstantspannungskennlinie einstellen und periodisch (durch externe Führungsgrößen) den als Strombegrenzung wirkenden senkrechten Ast der typischen Kennlinie umschalten können. Diese Veröffentlichung enthält keinerlei Angabe oder Hinweis, daß man die Betriebskennlinie der Schweißenergiequelle mittels interner Führungsgrößer umschalten könnte oder sollte.

Zum Lichtbogenschweißen ist ferner die Verwendung einer Stromversorgungsanordnung bekannt die eine herkömmliche Schweißstromquelle umfaßt die in Serie mit zwei Widerständen zwischen die Elektrode und das Werkstück geschaltet ist (DE-AS 23 42 710). Dabei ist eine nicht näher beschriebene Detektorsteuerung über Rückführleitungen an die Elektrode und das Werkstück angeschlossen, um das Vorliegen eines Kurzschlusses bzw. das Vorhandensein eines Lichtbogens zu ermitteln, Bei jedem Übergang von einem Kurzschluß zu einem Lichtbogen und umgekehrt geht ein Ausgangsimpuls an durch parallel zu den Widerständen liegende Schalter verwirklichte Schaltungsstufen, welche die Kurzschluß- und die Lichtbogenstromsteuerung bewirken sollen. Diese bekannte Stromversorgungsanordnung mit dem Umschalten von Widerständen aufgrund interner Führungsgrößen ist jedoch nur für das Kurzlichtbogenschweißen geeignet und darüber

hinaus verhältnismäßig träge.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten und im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, eine Anpassung der von der Schweißenergiequelle gelieferten Leistung an die sich ändernden Bedingungen des Schweißprozesses zu ermöglichen und damit verbesserte Schweißergebnisse zu erzielen.

Hierzu zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung aus durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angeführt

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, z. B. eine metallische Verbindung zwischen Elektrode und Schmelzbad, festzustellen und den geänderten Prozeßzustand — im folgenden »Anforderung« genannt — für eine Steuerung der Schweißenergiequelle zur Kennlinienumschaltung heranzuziehen. Die ggfs. mittels eines Fensterdiskriminators ermöglichte Erkennung einer Prozeßänderung bzw. Prozeßstörung als Anforderung und die Umschaltung der Schweißenergiequelle von ihrer sogenannten Betriebskennlinie auf eine sogenannte Anforderungskennlinie führen zu einem ruhigen und gleichmäßigen Schweißprozeß, wobei bei allen Lichtbogenschweißverfehren die positiven Eigenschaften im Zusammenspiel des Prozesses mit der Schweißenergiequelle in Stellung Betriebskenniinie erhalten bleiben. Bei den mechanisierten Schweißverfahren MIG, MAG und UP bleibt tkr Prozeß mit Ausgleich erhalten (sogenannte »innere Regelung«); beim Stabelektrodenschweißen von Hand bleibt die Möglichkeit der Leistungsveränderung über die Lichtbogenlänge durch Entfernen oder Nähern der Stabelektrode von bzw. zum Schmelzbad durch den Schweißer erhalten.

Beim Siabeiektrodenschweißen kann z.B. für die Dauer der Prozeßanforderung die Kennlinie der Schweißenergiequelle so umgeschaltet werden, daß beim Wiederzünden des Lichtbogens der Prozeß nur mit soviel Leistung betrieben wird, daß sich keine heftigen Badbewegungen und Tropfenexplosionen ergeben können. Bei Erreichen eines quasi stationären Zustands des Prozesses, bei dem der Lichtbogen zwischen Elektrode und Schmelzbad stabilbrennt wird die Energiequelle wieder auf die ursprüngliche Kennlinie umgeschaltet

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt jich bei Verwirklichung der im Anspruch 4 angegebenen Merkmale, da hierbei jegliche Prozeßunregelmäßigkeiten sofort erkannt und durch Anpassen des Leistungsangebots über die Energiequelle die Störungen in ihren Auswirkungen abgeschwächt werden.

Im Unterschied zu den bekannten Schweißenergiequellen bzw. Stromversorgungsanordnungen werden bei erfindungsgemäßen Vorrichtungen Prozeßanforderungen, die sich aus dem dynamischen Verhalten des Schweißprozesses ergeben, über entsprechende Einrichtungen erkannt und zur automatischen Steuerung der Schweißenergiequelle herangezogen. Die Steuerung der Schweißenergiequelle kann dabei so vorgenommen werden, daß die Prozeßanforderung optimal berücksichtigt wird, unabhängig vom Zeitpunkt ihres Auftretens. Dadurch wird eine zwangsweise durch die Eigenschaften der Energiequelle geprägte Energiezufuhr ohne Rücksicht auf den momentanen Prozeßzustand vermieden.

So wird z. B. während der Phase einer metallischen

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Verbindung die Energiezufuhr zum Schweißprozeß ab- bare Quelle nach dem Schaltverstärker-Prinzip, die an hängig vom momentanen Prozeßzustand über Lichtbo- das Drehstromnetz von 380 V, 50 Hz, angeschlossen ist. genkenngrößen gesteuert. Während der Phase einer Ober einen 3-Phasen-Gleichrichter 14 wird eine Konmctallischen Verbindung zwischen Elektrode und densatorbatterie 15 geladen. Anschließend folgt ein Schmelzbad kann daher eine maximale an den Prozeß 5 schnell steuerbarer elektronischer Schalter 16, der die übertragbare Leistung vorgegeben werden, so daß Gleichspannung des Kondensators 15 zerhackt und die Spritzer und heftige Schmelzbadbewegungen vermie- Primärwicklung eines Transformators 17 betreibt Dieden werden. Im Gegensatz zum Schweißen mit Kon- ser Transformator ist erforderlich für die galvanische stantleistungscharakteristik ohne Kennlinienamschal- Trennung des Netzes 1 vom Schweißprozeß. Gleichzeitung bleibt dem Schweißer die Leistungssteuerung über io tig wird die maximale Spannung der Sekundärseite über die Lichtbogenlänge erhalten. Stabelektroden lassen das Windungsverhältnis auf die für den Betrieb des sich mühelos auch in Zwangslage verschweißen, auch Schweißprozesses maximal notwendige Spannung bei häufigem Bogenverlöschen. Beim MIG-Impuls- transformiert Die transformierte Wechselspannung Lichtbogenschweißen vereinfacht sich erheblich die wird mit dem Gleichrichter 18 gleichgerichtet Ein Tief-Prozeßeinstellung. Die Impulsfrequenz paßt sich auto- 15 paß 19 unterdrückt die Welligkeit der gleichgerichteten matisch der vorgegebenen Drehgeschwindigkeit an. Ausgangsspannung des Gleichrichters 18. Eine Span-Der Gegenstand der Erfindung wird nachstehend für nungsrückführung 20 liegt am Istwerteingang eines das Stabelektrodenschweißen von Hand und das MIG- elektronischen Reglers 21. Ober einen Meßshunt 22 Schweißen anhand einer Zeichnung näher erläutert; in wird der der Quelle entnommene Strom einem Verstärder Zeichnung zeigt 20 ker 23 zugeführt, dessen Ausgang :n den Eingängen F i g. I ein Prinzip-Schaltbild einer erfindungsgemä- zweier passiver Netzwerke 24 und 2i liegt Diese Netz-Ben Vorrichtung, werke liefern in Abhängigkeit von Eingangssignal eine F i g. 2 ein Prinzip-Schaltbild eines Teils der F i g. I, Ausgangsspannung, die z. B. durch eine Dioden-Wider-F i g. 3 bis 5 verschiedene Charakteristika für die Wir- Standsmatrix festgelegt ist Ober den elektronischen kungsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, 25 Analogschalter 26, dessen Stellung über den Eingang 13 F i g. 6 eine Modifikation der Ausführung nach F i g. 1 definiert wird, liegt ein Ausgang des Netzwerks 24 oder und 2. 25 am Sollwerteingang des Reglers 21. Der Ausgang des An ein ein- oder mehrphasiges Netz 1 ist eine kennli- Reglers 21 steuert einen Pulsbreitenmodulator 27, der niensteuerbare Schweißenergiequelle 2 angeschlossen den elektronischen Schalter 16 steuert Die sich an den I' (Fig. 1). Über ihre Ausgangsklemmen 3 und 4 wird die 30 Klemmen 3 und 4 ergebenden elektrischen Verhältnisse, Serienschaltung bestehend aus einem Meßshunt 5 und also die Quellenkennlinie, werden durch die Matrix des dem Schweißprozeß 6 sowie die Serienschaltung aus jeweils eingeschalteten Netzwerks 24 bzw. 25 festge- ; einem Meßshunt 7 und eine Prozeßnachbildung 8 be- legt Aufbau und Funktionsweise des Schalters 16. des ■ trieben, so daß sich eine Brückenschaltung ergibt Der Reglers 21, des Tiefpasses 19 der Dioden-Widerstands- li Zustand der Brücke wird über den Brückenmeßverstär- 35 Matrix 24 bzw. 25 und des Analogschalters 26 sollen hier I- ker 9 kontinuierlich ermittelt, der seinerseits über zwei nicht näher erläutert werden, da es sich hierbei um an Potentiometer 10 und 11 einen Fensterdiskriminator 12 sich bekannte Schaltungen der Elektrotechnik handelt % ansteuert Mit den Potentiometern 10 und 11 läßt sich Nach diesem Prinzip arbeitende Energiequellen sind in \ die Breite und die Lage des Fensters des Diskriminators der elektrotechnischen Literatur unter der Bezeichnung definieren, j^er Ausgang des Fensterdiskriminators 12 40 »pulsbreitengesteuerte Netzteile« hinreichend bekannt S wirkt auf die Kennlinienumschaltung der steuerbaren ·""" i g. 3 zeigt eine mit dieser Quelle herstellbare Be-Schweißenergiequelle 2. Für den Fall, daß die Betriebs- triebskennlinie 28 und eine Anforderungskennlinie 29. | großen des Prozesses denen der Nachbildung entspre- Die Kennlinie des Schweißprozesses im Bctriebsfall ist / chen, ist das Ausgangssignal des Brückenmeßverstär- durch die Kurve 30 dargestellt Der Schnittpunkt der ξ kers 9 gleich Null. Der Ausgang des Fensterdiskrimina- 45 Betriebskennlinie 28 mit der Kennlinie 30 des Schweißtors 12 liefert dann ein Ausgangssignal, das die söge- prozesses ergibt den Arbeitspunkt Ao. In Abhängigkeit nannte Betnebskennlinie über den Eingang 13derQuel- von der Einstellung der Potentiometer 10 und 11 ist es Ie 2 einschaltet nun dem Schweißprozeß erlaubt, beliebige Betriebsar-Bei einer auftretenden Berührung der Elektrode mit beitspunkte zwischen den Eckwerten A\ und A2 einzudem Schmelzbad oder einer metallischen Brücke durch 30 nehmen. In diesem Bereich kann der Schweißer durch einen übergehenden Tropfen sinkt die Impedanz des die Führung der Elektrode beim Stabelektrodenschwei-Schweißprozesses 6. Damit wird die Brücke verstimmt ßen die dem Prozeß zugeführte Energie beeinflussen, und am Ausgang des Brückenmeßverstärkers 9 liegt ein Bei A nnäherung der Elektrode an das Werkstück ergibt Signal, das den Fensterdiskriminator 12 veranlaßt an sich eine kleinere zugeführte elektrische Leistung, bei seinem Ausgang ein von Null verschiedenes Signal zu 55 Entfernen eine größere zugeführte elektrische Leistung, liefern, das nun seinerseits die Schweißenergiequelle 2 Wird jedoch z. B. durch einen Tropfenübergang die Prcüber ihren Eingang 13 auf die sogenannte Anforde- zeßimpedanz stArker verringert so wird die Quelle aurungskennlinie umschaltet und zwar solange, bis die tomatisch auf die Anforderungskennlinie 31 umgeschalelektrischen ProzeßbetriebsgröBen wieder denen der tet und es ergibt bich der Arbeitspunkt A₃ für die Dauer Nachbildung entsprechen. Erst dann wird das Signal des βο der ProzeEanforderung.

Brückenmeßverstärkers 9 wieder Null, so daß die Quel- Für den Fall, daß die Lichtbogenlänge zu groß wird, Ie 2 über den Fensterdiskriminator 12 wieder auf die wie mit der Prozeß-Kennlinie 31 dargestellt, und die Betriebskennlinie umgeschaltet wird. Je nach Anwen- Prozeß-Impedanz und damit die zugeführte Leistung zu

dungsfall kann der Fensterdiskriminator auch mit einer hoch wird, schaltet der Diskriminator 12 ebenfalls auf

Schalthysterese arbeiten. 65 die Anforderungsketinlinie 29 oder eine andere, hier Als Schweißenergiequelle 2 kann jede im με bis ms nicht gezeigte zweite Anforderungskennlinie um , so Bereich kennliniensteii urbare Schweißenergiequelle daß sich der leistungsärmere Arbeitspunkt A4 ergibt

eingesetzt werden. F i g. 2 zeigt eine kennliniensteuer- Im Beispiel nach F i g. 3 ist für die Betriebskennlinie

im Arbeitsbereich eine Konstantstromcharakteristik, für die Anforderungskennlinie Konstantleistungscharakteristik mit Spannungs- und Strombegrenzung gewählt. Es lassen sich jedoch alle denkbaren Kennlinienformen verwenden und kombinieren. Für das mechanisierte Schutzgasschweißen oder Unterpulverschweißen, wobei der Draht mit konstanter Geschwindigkeit zugeführt wird, wählt man zweckmäßigerweise für die Betriebskennlinie Konstantspannungscharakteristik und für die Anforderungskennlinie Konstantstrom oder Konstantleistungscharakteristik.

Die Ansprechzeit der steuerbaren Schweißenergiequelle bezüglich der Kennlinienumschaltung soll im ms-Bereich oder darunter liegen (us-Bereich).

An einem weiteren Beispiel soll die Anwendung des Verfahrens beim MIG-Schweißen erläutert werden. Zunächst sei davon ausgegangen, daß gemäß F i g. 4 die Betriebskennlinie 33 im Arbeitsbereich Konstantspannungscharakteristik habe. Aufgrund der fest vorgegebenen Drahtzuführungsgeschwindigkeit stellt sich der Arbeitspunkt B₀ ein. Die elektrische Prozeßkennlinie hat den Verlauf der Kurve 34. Kommt es nun zu einer metallischen Verbindung zwischen Elektrode und Schmelzbad, so ergibt sich ohne Kennlinienumschaltung aufgrund der niedrigen Prozeßimpedanz die neue Porzeßkenniinic 35 und der Arbeitspunkt B\. Die daraus resultierende Leistung ist jedoch so hoch, daß die metallische Verbindung explosionsartig zerstört würde. Dies führt zu nicht erwünschten Spritzern und einem unruhigen Prozeßablauf mit starken Badbewegungen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jedoch die sich ändernde Prozeß-Impedanz z. B. über eine Brückenschaltung mit einer Nachbildung 8 festgestellt und zur Umschaltung der Betriebskennlinie 33 auf eine sogenannte Anforderungskennlinie 36, (hier z. B. eine Kons tan tleistungskennlinie) herangezogen.

Ein letztes Beispie! schließlich soll die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Impuls-Lichtbogenschweißen zeigen. Hierzu wird als Betriebskennlinie eine Konstantleistungs- oder Konstantstromkennlinie 37 (F i g. 5) gewählt Die Theorie und die wissenschaftlichen Grundlagen, die über das dynamische Verhalten des M IG-Schweißprozesses erarbeitet wordei; sind, sollen hier als bekannt vorausgesetzt werden. Zu einem beliebigen Zeitpunkt soll die elektrische Prozeßkennlinie den Verlauf der Kurve 38 haben, so daß sich der Arbeitspunkt C\ als Schnittpunkt der Betriebskennlinie 37 mit der Prozeßkennlinie 38 ergibt Die Betriebskennlinie ist dabei so gewählt daß die sich ergebende Leistung U\ ■ h nicht zum Abschmelzen des mit konstanter Geschwindigkeit zugeführten Drahtes ausreicht Dadurch wird sich die Lichtbogenlänge laufend verkürzen und sich nach kurzer Zeit (abhängig von der Drahtgeschwindigkeit) die neue Prozeßkennlinie 39 mit dem Arbeitspunkt C₂ ergeben. Hier wird nun automatisch die Betriebskennlinie 37 ausgeschaltet und die Anforderungskennlinie 40 eingeschaltet Die Umschaltung selbst erfolgt bei Einsatz moderner Analogschalter in wenigen us. Damit ergibt sich der Arbeitspunkt C3.

Durch das hohe Leistungsangebot wird nun der Tropfen gebildet und abgeschmolzen. Zweckmäßigerweise wird die Dauer, für die die Anforderungskennlinie 40 wirkt durch einen monostabilen Multivibrator 41 (F i g. 6) begrenzt Seine Impulsdauer ist abhängig von der Trcpfenbüdungszeit einzustellen (ca. 04 bis 5 ms). &5 Gegenüber dem bekannten MIG-Impulslichtbogenschweißen, bei dem die Kennlinienumschaltung in ihrer zeitlichen Reihenfolge fest vorgegeben wird, bestimmt

hier der Prozeß über seine Anforderung selbst den Zeitpunkt der Kennlinienumschaltung. Dadurch kann ohne Änderung der Quelleneinstellung die Drahtgeschwindigkeit variiert und den jeweiligen Schweißaufgaben angepaßt werden. Die Anforderung des Prozesses kann aus der Änderung der Spannung von U\ nach £/2 (F ig. 5) oder durch Vergleich der Prozeßimpedanz mit der einer Nachbildung z. B. in einer Brückenschaltung abgeleitet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode und einer schnell kennli- nienumschaitbaren Schweißenergiequelle, bei der das Umschalten von Kennlinien durch die Schweißenergiequelle ansteuernde Führungsgrößen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anordnung enthält, die sie von ihrer Betriebskennlinie auf mindestens eine davon verschiedene Anforderungskennlinie jeweils dann umschaltet, wenn mindestens eine der laufend erfaßten Betriebsgrößen

ein vorgegebenes Toleranzfeld verläßt

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Dauer der Kennlinienumschaltung unabhängig von der Dauer der Anforderung durch ein Zeitglied definiert ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung für die Dauer der Anforderung erfolgt

4. Vorrichtung nach einem der Anspiüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung vorgesehen ist die die elektrischen Betriebsgrößen des Schweißprozesses kontinuierlich mit den elektrisehen Betriebsgrößen einer Prozeßnachbildung vergleicht