DE3112287C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Impuls-Lichtbogenschweißmaschine, in der ein pulsierender Lichtbogenstrom, nachfolgend als Impulsstrom bezeichnet, einem primären Schweißgleichstrom überlagert ist, der zwischen einer Drahtelektrode und einem Werkstoff fließt. Der primäre Schweißgleichstrom wird nachfolgend als Grundstrom bezeichnet. Der geschmolzene Anteil der Drahtelektrode wird aufgrund elektromagnetischer Kontraktionskräfte, die durch den Impulsstrom bedingt sind, zu kleinen Tröpfchen geformt. Die geschmolzenen Tröpfchen werden in Form einer Sprühübertragung auf das Werkstück hinübertransportiert. Auf diese Weise wird der Schweißvorgang durchgeführt. Mit einer Impuls-Lichtbogenschweißmaschine dieser allgemeinen Art wird, auch wenn der Durchschnittswert des Stromes niedrig ist, die Sprühübertragung durchgeführt.

Aus der österreichischen Patentschrift AT 2 87 123 ist eine Schutzgaslichtbogen-Schweißanordnung mit einer als Hauptleistungsquelle dienende Wechselstromquelle und einer Nebenleistungsquelle bekannt, die den grundlegenden Aufbau einer Impuls-Lichtbogenschweißmaschine aufweist. Bei der bekannten Schutzgaslichtbogen-Schweißanordnung sind Haupt- und Nebenleistungsquelle gemeinsam an die Schweißdrahtelektrode angeschlossen, die dem Werkstück gegenüber angeordnet ist. Von der Schweißdrahtelektrode fließt der Arbeitsstrom zum Werkstück und es wird während der Dauer der Impulse, die von der Hauptleistungsquelle geliefert werden, Schweißgut von der Elektrode zum Werkstück getragen. Der Effektivwert des Schweißstromes kann über einen induktiven Impulssteller eingestellt werden, wobei die Einstellung über eine Veränderung der Impulsbreite erfolgt. Die bekannte Schweißvorrichtung wird beschrieben, ohne daß auf eine Drahtvorschubvorrichtung oder einen Detektor für die Drahtvorschubgeschwindigkeit eingegangen wird.

Ferner ist eine Schweißvorrichtung aus der amerikanischen Patentschrift US 38 51 137 bekannt, bei der über einen Antrieb eine verbrauchbare Schweißdrahtelektrode der Schweißstelle zugeführt wird. An das Werkstück und die Schweißdrahtelektrode ist eine Stromquelle angeschlossen, die den für den Schweißvorgang erforderlichen Schweißgrundstrom bereitstellt. Der Schweißgrundstrom wird durch eine geeignete Ansteuerung des Zündzeitpunkts von Thyristoren verändert, wobei die Ansteuerung auf der Grundlage eines Signals durchgeführt wird, das von einem Tachogenerator abgegeben wird, der an den Motor der Drahtantriebvorrichtung angeschlossen ist. Bei dieser bekannten Schweißvorrichtung wird dadurch der Schweißgrundstrom in Abhängigkeit von der Drehgeschwindikgeit des Drahtantriebsmotors beeinflußt.

Der Schweißvorgang bei einer Impuls-Lichtbogenschweißmaschine unterliegt zahlreichen Einflüssen, so daß im folgenden der Schweißvorgang und der sich ausbildende Lichtbogen anhand einer dem Grundprinzip folgend aufgebauten Impuls-Lichtbogenschweißmaschine und unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 einleitend beschrieben werden.

In der Speisung einer herkömmlichen Impuls-Lichtbogenschweißmaschine ist die Zahl der je Zeiteinheit erzeugten Impulse gleich der Grundnetzfrequenz oder ein ganzes Vielfaches davon, und der Basisstrom und/oder die Impulsbreite wird der Schweißdrahtzuführgeschwindigkeit angepaßt, wie dies in den Fig. 1A und 1B dargestellt ist. Fig. 1A zeigt den Fall einer Impulswellenform des Schweißstroms, d. h. einen aus Gleichstromgrundkomponente und Impulsstrom zusammengesetzten Strom, der für eine geringere Schweißdrahtzuführgeschwindigkeit und geringeren Durchschnittsschweißstrom eingestellt ist. Die Fig. läßt erkennen, daß der Basisgleichstrom 12, der Impulsstrom 10 und die Impulsbreite τ klein sind. Das in Fig. 1B gezeigte Beispiel betrifft nun die Wellenform eines Schweißstroms für erhöhte Schweißdrahtzuführgeschwindigkeit und stärkeren Durchschnittsschweißstrom. Basisgleichstrom 12, Impulsstrom 10 und Impulsbreite τ sind dabei groß.

Wenn eine Schweißung im niedrigen Bereich des Durchschnittsschweißstroms mit einer herkömmlichen Impuls-Lichtbogenschweißmaschine ausgeführt wird, ist auch der Scheitelwert des Impulsstroms klein, und folglich ist die auftretende elektromagnetische Kontraktionskraft, die durch den Impulsstrom hervorgerufen wird, klein. Es ist deshalb schwierig, das geschmolzene Metall der Drahtelektrode in Gestalt kleiner Tröpfchen auf das Werkstück zu übertragen. Der geschmolzene Teil der Drahtelektrode wird also in Form verhältnismäßig großer geschmolzener Metalltropfen 16 auf das Werkstück 18 übertragen, wie dies in der Fig. 2A gezeigt ist, was zur Folge hat, daß auf dem Werkstück Spritzer in großer Zahl verteilt auftreten.

Wenn hingegen der Schweißvorgang in einem Bereich hohen Durchschnitts-Schweißstroms mit einer herkömmlichen Impuls-Lichtbogenschweißmaschine vorgenommen wird, dann ist die dem Schweißdraht 20 zugeführte Wärmemenge übermäßig groß, so daß geschmolzene Metalltropfen 16 in einer Form herabtropfen, wie es in Fig. 2C gezeigt ist. Auch wenn dabei ein langer Lichtbogen gezogen wird, kann es doch geschehen, daß der Schweißdraht kurzzeitig kurzgeschlossen ist. Bei nur kurzem Lichtbogen ist sogar mit großer Wahrscheinlichkeit mit einem Kurzschluß des Schweißdrahtes zum Werkstück zu rechnen. Wenn der Schweißdraht und das Werkstück auf diese Weise kurzgeschlossen werden, geschieht das unerwünschte Zerspritzen des geschmolzenen Teils. Wie in Fig. 2C gezeigt, liegt der Augenblick, in welchem der geschmolzene Tropfen 16 sich vom Schweißdraht 20 löst, wesentlich später als der Augenblick, in dem der Impulsstrom seinen Scheitelwert erreicht; die Ablösung des Tropfens tritt also in einer Zeit auf, in der hauptsächlich oder nur noch der Basisgleichstrom fließt. Wenn dieser Basisgleichstrom klein ist und die von der Energiequelle, die den Basisgleichstrom zuführt, abgegebene Spannung für den lastfreien Augenblick niedrig ist, dann reißt der Lichtbogen 22 ab, so daß der Schweißdraht 20 dann mit dem Werkstück verklebt, was wiederum zu einem Verspritzen des geschmolzenen Metalls führt. Diese Schwierigkeit kann dadurch überwunden werden, daß der Schweißvorgang mit einem langen Lichtbogen ausgeführt wird, was jedoch nachteilig ist, da ein etwa vorhandenes Schutzgas durch die Schweißraupe eingefangen wird oder sich eine Hinterschneidung oder ein Hohlraum im Werkstück bildet, was es unmöglich macht, die Schweißgeschwindigkeit zu erhöhen. Aus diesen Gründen ergeben sich bei der Arbeit mit herkömmlichen Impuls-Lichtbogenschweißmaschinen Schwierigkeiten.

Darüber hinaus besteht eine Schwierigkeit in der Einstellung in der Weise, daß das Elektrodendrahtmaterial und das Schutzgas innerhalb sehr fester Grenzen ausgewählt werden muß, um eine Übertragung der geschmolzenen Tröpfchen zu erhalten, bei der im Werkstück nur geringfügiges Unterhöhlen auftritt, d. h., damit ein zufriedenstellender Übergang der geschmolzenen Tröpfchen gewährleistet ist. Hierbei ist auch der Drahtdurchmesser von Bedeutung.

Wenn das geschmolzene Metall der Drahtelektrode versprüht wird, besteht außerdem die Gefahr, daß die Steuereinheit beschädigt wird, und es ist zusätzliche Arbeit erforderlich, um die auf dem Werkstück abgelagerten versprühten Metalltröpfchen zu beseitigen, was die Wirtschaftlichkeit des Schweißvorgangs beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Impuls-Lichtbogenschweißmaschine zu schaffen, bei der innerhalb einer großen Spanne von Schweißbedingungen ein geeigneter Impuls-Lichtbogen erzeugt und aufrecht erhalten werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Impuls-Lichtbogenschweißmaschine gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Als besonderer Vorteil wird erreicht, daß die geschmolzenen Teile der Drahtelektrode kaum mehr verspritzen, und daß ferner, da die erfindungsgemäße Impuls-Lichtbogenschweißmaschine innerhalb eines großen Bereichs des Durchschnittschweißstroms einen Lichtbogen von gleichmäßiger Länge hat, eine sehr gleichmäßige Schweißraupe bei günstiger Schweißtröpfchenbildung und -übertragung gebildet wird.

Nachfolgend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Wellenformdiagramm des Impulsstroms einer herkömmlichen Impuls-Lichtbogenschweißmaschine;

Fig. 2 Erläuterungsdarstellungen verschiedener Ausbildungen bei der Übertragung der geschmolzenen Tropfen des Elektrodenmaterials auf das Werkstück;

Fig. 3 das Schaltbild einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Impuls-Lichtbogenschweißmaschine;

Fig. 4 ein Diagramm der Wellenformen einer Impulsspannung und eines Impulsstroms;

Fig. 5 ein Kurvenblatt kritischer Stromwerte I_c bei Gleichstrom für den Fall, daß das Material der Drahtelektrode Weichstahl ist und der Drahtdurchmesser sowie das Schutzgas verändert werden;

Fig. 6 ein Diagramm, das den Tröpfchenübergang des geschmolzenen Metalls, aufgenommen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera, zeigt, wobei Gleichstrom und Impulsstrom einwirken;

Fig. 7 ein Diagramm des Gleichstroms und des Impulsstroms;

Fig. 8 eine Graphik, die die kritischen Stromwerte bei Impulsströmen angibt, wenn Drahtdurchmesser und Schutzgas verändert werden;

Fig. 9 eine graphische Darstellung der kritischen Stromwerte, abhängig vom Drahtdurchmesser bei einer Aluminiumelektrode;

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Tropfendurchmesser bei verschiedenen Elektrodendurchmessern und die für die Bildung derartiger geschmolzener Tropfen erforderlichen Wärmemengen;

Fig. 11 ein Ersatzschaltbild der Hauptstromquelle der erfindungsgemäßen Schweißmaschine;

Fig. 12 ein Diagramm der Berechnungsergebnisse zu den Größen I_p, Q₁, Q₂ und τ, die bei der Erfindung verwendet werden;

Fig. 13 ein Erläuterungsdiagramm zur Beschreibung der Methode des Auslichtens der erzeugten Impulse;

Fig. 14 bis 18 verschiedene Ausführungsformen einer die Drahtvorschubgeschwindigkeit feststellenden Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 19 bis 21 Schaltungsanordnung der Impuls-Lichtbogenschweißmaschine in einer zweiten bis vierten Ausführungsform;

Fig. 22 und 23 Schemaschaltbilder der bei der Erfindung verwendeten Impuls-Veränderungsschaltung;

Fig. 24 ein Impuls-Zeit-Diagramm, das einzelne Wellenformen in den Schaltungen der Fig. 22 und 23 wiedergibt.

Ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Impuls-Lichtbogenschweißmaschine nach der Erfindung ist in der Fig. 3 wiedergegeben, in der mit 24 ein Schweißbrenner mit einer Ausströmöffnung für Schutzgas und einem Mittelteil durch den eine Drahtelektrode 20 hindurchtritt, bezeichnet ist, während eine Hauptstromquelle 26 und eine Hilfsstromquelle 28 in einer Umrahmung zusammengefaßt sind.

Die Hauptstromquelle 26 enthält einen Transformator 30 zum Einstellen der Eingangsspeisespannung auf einen bestimmten Wert, der außerdem die Eingangsseite von der Ausgangsseite elektrisch isoliert. Aktive Halbleiterelemente 32, 34 und 36 wie Thyristoren unterwerfen die sinusförmigen Eingangsspannungswellen einer Gleichrichtung und einer Impulsspannungswellenformung, indem sie zu bestimmten Phasenzeitpunkten gezündet werden. Eine Gleichstromdrossel 38 dient zum Schutz der Speisungsschaltung gegen Kurzschluß und zur Formung einer Impulsstromwellenform. Mit Hilfe einer Schaltung 40 wird die Zahl der Impulse je Zeiteinheit variiert; diese Schaltung wird im weiteren Verlauf als Impulsfrequenz-Variationsschaltung 40 bezeichnet. Die Impulsfrequenz-Variationsschaltung 40 stellt die Motordrehzahl einer Schweißdrahtvorschubeinheit 70 oder die Ankerspannung des Motors (die sich mit der Motordrehzahl ändert) fest und variiert daraus die Impulsfrequenz.

Die Hilfsspeisungsschaltung 28 enthält Gleichrichterdioden 42, 44, 46, 48, 50 und 52 und einen Strombegrenzungswiderstand 54.

In die Hauptspeisungsquelle 26 ist eine Hochfrequenzstromquelle 56 einbezogen, die einen Booster-Transformator 58, eine Funkenstrecke 60 und einen Kondensator 62 enthält. Wenn die Funkenstrecke 60 überzündet, dann kommt die Hochfrequenzstromquelle 56 in Resonanzschwingungen und erzeugt eine Hochfrequenz-Hochspannung. Die Hochfrequenzstromquelle 56 enthält außerdem eine Koppelspule 64, mit der die Hochfrequenz-Hochspannung zwischen die Drahtelektrode 20 und das Werkstück 18 eingekoppelt wird.

In der Fig. 3 ist ferner ein Bypass-Kondensator 66 gezeigt, der verhindert, daß die Hochfrequenz-Hochspannung am Transformator 30 wirksam wird. Auf einer Vorratsspule 68 ist die Drahtelektrode 20 aufgewickelt, an die sich die oben genannte Drahtvorschubeinheit 70 anschließt, welche durch einen weiteren Bypass-Kondensator gegenüber der Hochfrequenz-Hochspannung abgeschirmt ist. Die Drahtelektrode 20 ist durch die Mitte eines zylindrischen Magnetkörpers 74, z. B. eines Ferrit-Körpers, hindurchgeführt, der zwischen der Schweißdrahtvorschubeinheit 70 und dem Schweißbrenner 24 angeordnet ist.

Als nächstes wird die Arbeitsweise der Impuls-Lichtbogenschweißmaschine beschrieben. Eine Eingangsspannung wird nach ihrer Erhöhung durch den Booster-Transformator 58 an die Funkenstrecke 60 gelegt. Nach Erreichen eines bestimmten Grenzwerts tritt in der Funkenstrecke eine Entladung ein. Daraus folgt Reihenresonanz in dem Reihenresonanzkreis aus Kondensator 62 und Koppelsspule 64, wodurch eine Hochfrequenz-Hochspannung erzeugt wird, die sich an der Lichtbogenstrecke zwischen Drahtelektrode 20 und Werkstück 18 auswirkt. Daß keine Hochfrequenz-Hochspannung auf den Transformator 30 übergreift, wird durch den Bypass- oder Ableit-Kondensator 18 erreicht, während der Ableitkondensator 72 dafür sorgt, daß die Hochfrequenz-Hochspannung nicht auf die Drahtvorschubeinheit 70 übergreift; der zylindrische Magnetkörper 74 dient als Hochfrequenz-Begrenzungsimpedanz. Somit sind die Speisungsschaltung und die Drahtzuführeinheit vollständig gegenüber der Hochfrequenz-Hochspannung abgeschirmt.

Zwischen der Drahtelektrode 20 und dem Werkstück wird durch die Hochfrequenz-Hochspannung eines elektrische Entladung hervorgerufen. Da die die Entladung aufrechterhaltende Spannung hoch ist und es oft schwierig ist, die Entladung nur mit der Impuls-Spannung aufrechtzuerhalten, die von der Hauptenergiequelle zugeführt wird, ist die Hilfsenergiequelle 28 vorgesehen, die eine Leerlaufspannung zuführt, die wesentlich höher als die die Entladung aufrechterhaltende Spannung ist. Genauer gesagt, wird, nachdem die Spannung von der Hilfsspeisungsquelle 28 zugeführt ist, eine Impulsspannung von der Hauptspeisungsquelle 26 zugeführt, wodurch der Impulsstrom zugeführt wird, während zu gleicher Zeit der Vorschub der Drahtelektrode 20 von der Drahtvorschubeinheit 70 her erfolgt, so daß der Schweißvorgang abläuft.

Man erkennt, daß das Schweißen bei vom Werkstück getrennter Drahtelektrode eingeleitet werden kann. Auf diese Weise ist bei der erfindungsgemäßen Impuls-Lichtbogenschweißmaschine verhindert, daß bei der Einleitung des Schweißvorgangs das übliche Verspritzen des Elektrodenmaterials auftritt.

Die Hilfsenergiequelle 28 dient dazu, im Startaugenblick des Lichtbogens in der beschriebenen Weise Strom zuzuführen und den Lichtbogen zwischen den Impulsen, die von der Hauptenergiequelle zugeführt werden, aufrechtzuerhalten. Die Hilfsenergiequelle 28 ist deshalb so ausgelegt, daß sie jederzeit Strom in der erforderlichen Höhe zuführt. Dieser Strom entspricht dem Basisstrom 12.

Durch Einschalten der Thyristoren 32, 34 und 36 von Seiten der Impulsfrequenz-Variationsschaltung 40 erzeugt die Hauptenergiequelle 26 einen Impulsstrom mit maximal 180 Impulsen pro Sekunde. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird angenommen, daß dann, wenn kein Basisstrom erzeugt wird, ein Einzelimpuls vorhanden ist.

Die Fig. 4A und 4B zeigen die Impulsspannung, die während der Leerlaufperiode erzeugt wird, in der an die Schaltungspunkte P und Q von der Hilfsenergiequelle 28 keine Spannung abgegeben wird, und den Impulsstrom, der fließt, wenn durch Zuführen der Impulsspannung der Schweißlichtbogen erzeugt wird. In den Fig. 4A und 4B ist mit E₀ der Scheitelwert der Sekundärspannung des Transformators 30 auf der Seite der Hauptenergiequelle, mit T die Dauer einer halben Periode der Netzfrequenz, mit t₁ der Augenblick der Zündung der Thyristoren 32 bis 36, mit I_P der Scheitelwert des Impulsstroms und mit t₂ der Augenblick, in welchem der Impulsstrom von der Energiequelle 26 auf Null zurückgeht, bezeichnet.

Werte Q₁ und Q₂, welche die Wärmemenge bezeichnen, die dem Schweißdraht zugeführt wird, sind folgendermaßen definiert:

worin i der Impulsstrom (Augenblickswert) ist. Der Wert Q₁ stellt die schraffierte Fläche unter der Impulsstromwelle der Fig. 4B dar. Bei festem Scheitelwert E₀ wird der Zeitaugenblick t₁ mit Hilfe der Impulsfrequenz-Variationsschaltung 40 verändert. Für den Fall, daß der Zeitpunkt t₁ spät auftritt, sind der Scheitelwert I_P und die Impulsbreite τ des zwischen der Drahtelektrode 20 und dem Werkstück 18 fließenden Strom klein, so daß es nicht zum Schweißen mit Sprühübertragung kommt. Es tritt dann ein Zustand ein, wie er als Tropfenübergang in der Fig. 2A dargestellt ist. Wird dagegen der Augenblick t₁ früher verlegt, so daß der Scheitelwert I_p den kritischen Stromwert I_co übersteigt (dies ist ein Stromwert, der von der Art des verwendeten Schutzgases, dem Material der Drahtelektrode und deren Durchmesser abhängt) und die Wärmemenge, die dem Draht je Impuls zugeführt wird, ausreicht, um den Draht zu schmelzen und einen geschmolzenen Tropfen in dem Augenblick bereitzustellen, in dem der Tropfen übertragen werden soll, dann ist der Schweißzustand für Sprühübertragung erreicht, der in der Fig. 2B gezeigt ist. Wenn jedoch der Augenblick t₁ überaus früh auftritt, dann ist die Summe der Lichtbogenwärme und der Joule′schen Wärme des im Lichtbogenbereich befindlichen Drahtes 20 übermäßig groß, was dazu führt, daß von der Drahtelektrodenspitze sich ein Metalltropfen zum Werkstück absenkt, wie dies in Fig. 2C gezeigt ist. Um den richtigen Schweißzustand mit Sprühübertragung zu bekommen, ist es nötig, den Scheitelwert I_p auf einen Wert einzustellen, der höher als der kritische Stromwert I_co ist, und die Wellenform des Impulsstroms so einzustellen, daß der Betrag W der dem Draht zugeführten Wärmemenge einschließlich derjenigen aus dem Basisstrom optimal ist.

Ein spezielles Vorgehen zum Einstellen der Stromwellenform während einer Impulsdauer mit einem kleinen zugeführten Basisstrom wird nun im einzelnen beschrieben.

Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen kritischen Stromwerten I_co und Drahtdurchmessern d für verschiedene Schutzgase bei Weichstahl als Werkstoff der Schweißdrähte, wobei der Schweißstrom ein Gleichstrom 83 ist, der, wie in Fig. 7A dargestellt, keine Impulsform hat. Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen kritischen Stromwerten I_co und Drahtdurchmessern d bei verschiedenen Schutzgasen für Weichstahl als Werkstoff der Drahtelektrode und einem Schweißstrom, der sich aus einem kleinen Basisstrom und einem Impulsstrom 84 zusammensetzt, wie in Fig. 7B dargestellt. In den Fig. 5 und 8 stehen die Kurven 76 und 77 für ein Schutzgas mit den Anteilen Ar : CO₂=6 : 4, die Kurven 78 und 79 für ein Schutzgas mit den Anteilen Ar : CO₂=8 : 2 und die Kurven 80 und 81 für ein Schutzgas mit den Anteilen Ar : CO₂=98 : 2. Das Schutzgas ist also stets eine Mischung aus Ar und Co₂, und der Anteil des CO₂ liegt zwischen 2% und 40%, was folgende Begründung hat. Der Einsatz von Argon allein ist für den Schweißvorgang nicht günstig, da sich der Lichtbogen dadurch übermäßig stark ausbreitet. Wenn übermäßig viel CO₂-Gas hinzugemischt wird, dann steigt dadurch der kritische Stromwert I_c übermäßig stark an. Wenn ein diesem stark erhöhten kritischen Stromwert entsprechender Impulsstrom zugeführt wird, erhöht sich die Stärke des Lichtbogens, so daß das Werkstück 18 tief angeschmolzen wird. Außerdem kann das Schutzgas in die Schweißraupe eingeschlossen werden, was Anlaß zu einer unregelmäßigen Schweißraupe gibt.

Aus den Fig. 5 und 8 geht hervor, daß der kritische Strom I_co für den Fall des reinen Gleichstroms kleiner ist als für den Fall eines Basisstrom mit Impulsstrom. So ist z. B. bei einem Schutzgasgemisch Ar : CO₂=8 : 2 und einem Weichstahlschweißdraht von 1,2 mm Druchmesser der kritische Strom bei reinem Gleichstrom in der Größenordnung von 290 A. Bei Einsatz eines Basisstroms mit Impulsstrom ist er in der Größenordnung von 370 A. Dies läßt sich aus der Darstellung der Wellenformen in den Fig. 7A und 7B verstehen. Das Diagramm der Fig. 7A bezieht sich auf den Gleichstrom 83 mit einer Periode τ₀ (ms) für Schmelztropfen-Übertragung, das aus den Ergebnissen (Fig. 6) der Fotographie eines geschmolzenen Tropfens mit einer Hochgeschwindigkeitskamera erhalten wurde. Die Wärmemenge, die dem Draht in der Zeitspanne τ₀ zugeführt wird, entspricht dem schraffierten Teil in Fig. 7A und ist praktisch gleich der dem Draht in der Zeit τ (dem schraffierten Teil in der Fig. 7B) zugeführten Wärmemenge. In beiden Fällen reicht die zugeführte Wärmemenge aus, den Draht so stark anzuschmelzen, daß ein Tropfen gebildet wird. Dies ist der Optimalbereich für die Wärmemenge. Wenn also die dem Draht zugeführte Wärmemenge innerhalb des Optimalbereichs liegt, und wenigstens der Stromscheitelwert I_P größer als der kritische Stromwert I_co für den Fall des reinen Gleichstroms ist, dann liegen zufriedenstellende Bedingungen für Tröpfchen-Übertragungsschweißung vor. Bei Weichstahl als Schweißdrahtmaterial und einem Schutzgas von Ar : CO₂=8 : 2 erhält man unter Bezugnahme auf Fig. 5 einen Näherungsausdruck für den kritischen Stromwert I_co nach folgender Gleichung:

I_co=230 d+10 (A).

Fig. 9 zeigt den kritischen Stomwert I_c bei Impulsstrom für den Fall, daß ein 1,6 mm Aluminiumdraht unter reiner Argonatmosphäre, was bei Aluminium brauchbar ist, eingesetzt wird. Wenn bei diesem Aluminiumdraht der Scheitelwert I_p 400 A erreicht oder darüber hinausgeht, besteht die Gefahr, daß Luft im Lichtbogen eingefangen wird und die Schweißraupe fehlerhaft macht. Der Scheitelwert I_p muß deshalb zwischen dem kritischen Stromwert I_co und dem Wert von 400 A liegen.

Als nächstes wird eine Technik zum Einstellen der Wärmemenge beschrieben, die einem Weichstahldraht zugeführt wird.

Fig. 10 zeigt Durchmesser der geschmolzenen Tropfen für verschiedene Drahtdurchmesser. Die Kurve 84 zeigt tatsächliche Meßwerte, wenn die Erstreckungslänge des Drahtes 5 mm beträgt. Diese tatsächlichen Meßwerte wurden bei einem Scheitelwert E₀=165 V und einem Stromscheitelwert I_p gleich dem kritischen Stromwert I_c gewonnen und können damit praktisch als die untersten Tropfendurchmesserwerte a angenommen werden.

Die Werte im rechten Abschnitt der Fig. 10 sind Energiemengen einschließlich latenter Wärme, die für die Temperaturerhöhung eines Drahtes benötigt werden, um von Raumtemperatur (0°C) bis zum Schmelzpunkt (1535°C) die verschiedenen Durchmesser der geschmolzenen Tropfen hervorzubringen. Man kann aus Fig. 10 ablesen, daß ein Draht mit einem Druchmesser von 1,2 mm eine Energiemenge in der Größenordnung von 7,4 Joule benötigt.

Damit keine Schweißzustände mit Tropfenübertragungen gemäß den Fig. 2A und 2C auftreten, ist es andererseits wesentlich, daß die dem Draht 20 je Impuls zugeführte Wärmemenge innerhalb eines bestimmten Optimalbereiches gehalten wird. Die Kurve 86 in Fig. 10 zeigt Meßergebnisse der Wärmemengen, die für das Schmelzen eines Drahtes erforderlich sind, um einen Tropfen zu formen, wenn bei einem Basisstrom von 20 A ein zufriedenstellender Schweißzustand mit der gewünschten Tropfenübertragung gemäß der Darstellung der Fig. 2B in einen nicht mehr zufriedenstellenden Schweißzustand gemäß Fig. 2C übergeht.

Betrachtet man die Kurve 86, so läßt sich der Durchmesser a_max eines geschmolzenen Tropfens durch folgende Gleichung beschreiben:

a_max0,05d+1,38.

Folglich legen mit Bezug auf Fig. 10 der Bereich für optimalen Durchmesser des geschmolzenen Tropfens und der Bereich für optimale Wärmemenge eine Drahtelektrode mit dem Durchmesser d innerhalb der in Tabelle 1 angegebenen Spannen.

Tabelle 1

Die Werte der Tabelle 1 gelten für eine Drahtelektrode aus Weichstahl. Man konnte mit einer Hochgeschwindigkeitskamera feststellen, daß auch bei Aluminium oder rostfreiem Stahl als Elektrodenmaterial der optimale Durchmesserbereich des geschmolzenen Tropfens angewendet werden kann, um den befriedigenden Schweißzustand der Tröpfchenübergabe gemäß Darstellung der Fig. 2B zu erhalten. Für rostfreien Stahl als Drahtelektrodenmaterial kann außerdem der optimale Bereich der Wärmemenge aus Tabelle 1 unmittelbar übernommen werden, da Schmelzpunkt, spezifische Wärme und spezifisches Gewicht von rostfreiem Stahl praktisch den Werten von Weichstahl gleich sind. Dies wurde durch Versuche überprüft. Bei Aluminium als Elektrodenmaterial wurde experimentell ermittelt, daß der optimale Bereich der Wärmemenge zwischen 1,95 J und 3,8 J liegt. Folglich ist es nötig, die Stromwellenform während einer Impulsdauer, d. h. eine Periode des Impulses (die Periode τ in Fig. 7), derart einzustellen, daß sie innerhalb des optimalen Bereichs der Wärmemenge liegt, wie oben beschrieben.

Die Wärmemenge W, die dem Draht vom Strom während eines Impulses zugeführt wird, wird durch die Summe der Wärmemenge W₁, die als Lichtbogenwärme auftritt, und der Wärmemenge W₂, die als Joule′sche Wärme des freiliegenden Drahtabschnittes auftritt, gebildet, welcher der Länge von Stromübergabepunkt an der Spitze des Schweißbrenners 24 bis zum Ansatzpunkt des Lichtbogens entspricht. W ist definiert durch

worin A und B Proportionalitätskonstanten und t₃ und t₄ Anfangs- und Endzeitpunkt der Impulsdauer τ sind.

Die Wärmemenge W₂ soll genauer beschrieben werden. Der Wert W₂ entspricht dem sogenannten Vorheizeffekt am freistehenden Abschnitt des Drahtes und stellt die Joule′sche Wärmemenge dar, die dem Draht innerhalb der Zeit zugeführt wird, die von dem Augenblick an, in welchem der Draht durch den Stromübergabepunkt hindurchgeht, bis er das Lichtbogenende erreicht, verstreicht.

Der Widerstand R je Längeneinheit der Drahtelektrode, die durch Beschichten des Weichstahldrahtes mit Kupfer hergestellt und so überwiegend in Impuls-Lichtbogenschweißmaschinen verwendet wird, sowie der zugehörige Ausdruck der Lichtbogenstromspannungscharakteristik (Durchschnittslänge des Lichtbogens 3 mm), sind in der folgenden Tabelle 2 angegeben.

Weichstahl
Schmelzpunkt
1535°C
Latente Wärmemenge	65 cal/g
Spezifische Wärmemenge	0,15 cal/g°C
Dichte	7,8 g/cm³

Wenn die Überstandslänge des Drahtes erhöht wird, um den Wert Q₂ zu vergrößern, dann wird die dem Draht 20 pro Impulsdauer zuzuführende Wärmemenge größer als der in Fig. 10 mit der Kurve 84 angegebene Wert (Kurve 84 entspricht dem Fall, daß Q₁ ein Minimum ist). Die Wärmemenge sollte jedoch kleiner eingestellt werden als der mit der Kurve 86 in Fig. 10 dargestellte Wert, wobei die Auswirkung einer Überstandslängenerhöhung in Betracht zu ziehen ist. Wenn der Durchmesser a des geschmolzenen Tropfens verringert werden kann, kann die Lichtbogenlänge herabgesetzt werden, ohne daß ein Kurzschluß zwischen Drahtelektrode 20 und Werkstück 18 auftritt. Es ist deshalb nicht wünschenswert, die dem Draht 20 zugeführte Wärmemenge mehr als nötig zu steigern. Mit anderen Worten, der Wert Q₁ sollte so klein wie möglich gewählt werden, wobei die Zeit t₃ so einzustellen ist, daß sie so spät wie möglich eintritt. Unter Berücksichtigung, daß die durch das Werkstück absorbierte Wärmemenge im wesentlichen proportional Q₁ ist, kann die dem Werkstück zugeführte Wärmemenge soweit begrenzt werden, daß sie nicht größer als erforderlich ist, und folglich tritt kein Unterhöhlen auf, was die Speisegeschwindigkeit verringert. Somit läßt sich bestimmen, daß die Überstandslänge des Drahtes die Minimallänge von 5 mm haben sollte. Bei 5 mm Länge ist, wenn die dem Draht 20 zugeführte Wärmemenge auf den durch die Kurve 84 wiedergegebenen Wert eingestellt ist, die Stromwellenform von der Hauptenergiequelle 26 festgelegt, und die verbleibende Wärmemenge, die für einen Draht des Durchmessers 1,2 mm zu 7,7 J (=15,1-7,4) berechnet wird, wird als Joule′sche Wärme zur Erhitzung des überstehenden Drahtrückens gebraucht.

Es wird nun eine spezielle Technik zur Bestimmung der Schaltkreisbedingungen (E₀, t₃, Q₁ und Q₂) in der Schaltung des speziellen Ausführungsbeispiels einer Impuls-Lichtbogenschweißmaschine nach Fig. 3 beschrieben.

Die Berechnung wird auf der Basis eines vereinfachten Ersatzschaltbildes durchgeführt, das der Hauptstromquelle 26 in Fig. 3 entspricht. Die Ersatzschaltung in der Fig. 11 enthält eine Stromquelle 260, die die Impulsspannungs-Wellenform 10 der Fig. 4A hervorbringt. Ferner sind in der Schaltung eine induktive Komponente 262 (z. B. 350µH) und ein Gleichstromwiderstand 264 (z. B. 5 mΩ) enthalten, was der Fall ist, wenn die oben genannte Gleichstromdrossel 38 in die Betrachtung einbezogen wird. Für diesen Fall ist der Ausdruck der Strom-Spannungs-Charakteristik des Lichtbogens 22 in der Tabelle 2 aufgeführt.

Fig. 12 ist die graphische Darstellung der berechneten Werte von I_P, Q₁, Q₂ und τ der Wellenform des Stroms, der in der Schaltung nach Fig. 11 fließt, bezogen auf verschiedene Zeiten t₁ (entsprechend der Zündzeit t₁ in Fig. 4) für einen Drahtdurchmesser von 1,2 mm und einen Scheitelwert E₀ von 165 V. Bei diesen Berechnungen ist der Einfluß des Basisstroms vernachlässigt worden, da er klein ist. Wenn t₁=5,75 ms ist, ergibt sich I_P=I_c (=370 A). Bei einer Überstandslänge der Elektrode von 5 mm erhält man dann einen geschmolzenen Tropfen mit 1,2 mm Durchmesser, wobei dem Draht eine Wärmeenergie (W) von 7,4 Joule zugeführt wird. Da die Impulswelle hier einbezogen worden ist, bezieht sich der kritische Stromwert auch auf die Impulswelle.

Von der Wärmemenge W, die dem Draht zugeführt wird, ist die Wärmemenge W₁ der Lichtbogenwärme proportional Q₁ (W £=KQ₁), und die Wärmemenge W₂, der Anteil der Joule′schen Wärme in dem überstehenden Drahtteil, ist proportional Q₂. Die Abhängigkeit zwischen W₂ und Q₂ ist durch folgendes bestimmt. Es wird ein Drahtabschnitt betrachtet, dessen Volumen gleich dem des geschmolzenen Tropfens ist (bei einem Draht mit 1,2 mm Durchmesser ist dies ein Längenstück mit Δl=0,08 mm). Die Joule′sche Wärme, die je Impuls auftritt, läßt sich aus dem Widerstand R (Ω/cm) der Einheitslänge des Drahtes und dem Wert Q₂ (A²S) bestimmen zu:

Q₂ · R · Δl (Joule).

Wenn die Drahtüberstandslänge l beträgt, dann ist die von dem Drahtsegment im Überstandsstück absorbierte Wärmemenge

worin N die Anzahl der je Zeiteinheit zugeführten Impulse ist.

Aus den Werten I_P (=I_c), Q₁ und Q₂ bei t₁=5,75 ms und einer je Impuls zugeführten Wärmemenge von 7,4 J wurden die Werte W₁, W₂ und K ermittelt, die in der nachfolgenden Tabelle 3A aufgeführt sind.

Tabelle 3A

Tabelle 3B

Tabelle 3A zeigt Werte für Drahtdurchmesser 0,9 mm und 1,6 mm, die in derselben Weise, wie oben beschrieben, erhalten wurden. Unter der Annahme, daß die so erhaltenen Werte K unabhängig von E₀ konstant sind, wenn der Drahtdurchmesser konstant ist, dann können mit I_P=I_c die Wärmemengen W bezüglich unterschiedlicher Überstandslängen ermittelt werden, wenn E₀ anders als 165 V ist.

Echte Meßwerte von I_c für Überstandslängen von 20 mm und 5 mm und die Ergebnisse der Berechnung von Werten W₂, W₁ und K bei verschiedenen Überstandslängen dann, wenn die unter der Bedingung I_P=I_c zugeführte Wärmemenge 7,4 Joule beträgt, sind in Tabelle 3A wiedergegeben.

Tabelle 3B zeigt Meßwerte von I_co und τ₀ und die Ergebnisse der Berechnung der Werte W₂, W₁ und K bei unterschiedlichen Überstandslängen und unterschiedlichen Drahtdurchmessern, wenn ein Teil des Drahtes als geschmolzener Tropfen mit mini­ malem Durchmesser und unter der Bedingung I_P=I_co übertragen wird.

Wenn der Stromscheitelwert und die Impulsbreite des Stromimpulses so bestimmt sind, daß die der Drahtelektrode je Impuls zugeführte Wärmemenge innerhalb des optimalen Wärmemengenbereichs gemäß Tabelle 1 liegt, dann muß die Drahtvorschubgeschwindigkeit v (cm/s), d. h. die je Zeiteinheit vorgeschobene Drahtlänge, gleich dem Produkt aus dem Volumen der geschmolzenen Tropfen mit dem Druchmesser d, welcher bei einem Impuls gebildet wird, und der Zahl N der Impulse je Zeiteinheit (Sekunden) sein. Dies läßt sich folgendermaßen ausdrücken:

Die Drahtvorschubgeschwindigkeit v (cm/s) erhält man aus diesem Ausdruck zu:

Wenn der Draht nicht mit dieser Geschwindigkeit vorgeschoben wird, läßt sich der Schweißvorgang nicht mit unveränderter Lichtbogenlänge aufrechterhalten.

Wenn für eine Verallgemeinerung der vorstehend genannten Gleichung die Zahl der Impulse N auf die linke Seite der Gleichung transferiert wird, ergibt sich das Verhältnis zwischen Drahtvorschubgeschwindigkeit und Zahl der Impulse zu:

Wenn ein Wert aus dem optimalen Durchmesserbereich des geschmolzenen Tropfens, der in der Tabelle 1 angegeben ist, für den Wert a eingesetzt wird, ergeben sich folgende Optimalbereiche für v/N bei verschiedenen Drahtdurchmessern:

Drahtdurchmesser
Verhältnis von optimaler Drahtvorschubgeschwindigkeit zu Zahl der Impulse (cm/Impuls)
0,9
0,080-0,241
1,2	0,068-0,138
1,6	0,050-0,081

Wenn der Wert v/N gemäß Tabelle 4 eingestellt wird, dann befindet sich die dem Draht je Einheitsimpuls zugeführte Wärmemenge im Bereich optimaler Wärmemengenzufuhr, was zufriedenstellende Metalltropfenübertragung beim Schweißen ergibt.

Um einen stabilen Lichtbogen aufrechtzuerhalten, muß der Basisstrom wenigstens 10 A betragen. Wenn jedoch ein zu großer Basisstrom fließt, muß die Kapazität der Hilfsenergiequelle vergrößert werden. Dann wird die durch den Basisstrom dem Draht zugeführte Wärmemenge größer als die, die im durch den Impulsstrom zugeführt wird. Es wird deshalb nötig, um den erforderlichen kritischen Stromwert und die dem Draht zugeführte Wärmemenge auf einem konstanten Pegel zu halten, E₀ und t₁ zu erhöhen und τ zu verringern. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des Transformators 30 verschlechtert. Bei einer Steigerung des Basisstroms und einer Veränderung der Impulszahl je Zeiteinheit in Anpassung an die Drahtvorschubgeschwindigkeit gemäß noch folgender Beschreibung kann das Verhältnis der Drahtvorschubgeschwindigkeit zur Zahl der Impulse nicht aufrechterhalten werden, was es schwierig macht, die Schweißmaschine automatisch zu betreiben. Aus diesen Gründen ist es nötig, den oberen Grenzwert des Basisstroms auf 50 A festzusetzen.

Die Schaltungsbedingungen werden, wie oben beschrieben, bestimmt, um zufriedenstellende Bedingungen bei der Tropfenübertragung während des Schweißens und insgesamt zufriedenstellende Schweißbedingungen zu erzielen.

Andererseits ist es erforderlich, daß die Schweißmaschine in der Lage ist, Werkstücke von anderer Dicke als oben beschrieben zu schweißen. Das heißt, wenn ein Werkstück 18 geschweißt werden soll, das sehr dick ist, dann müssen der mittlere Lichtbogenstrom, die Aufschmelzmenge und die Eindringtiefe im Werkstück und die Schmelzmenge des Drahtes erhöht werden, während es wiederum bei einem dünnen Werkstück 18 nötig ist, diese Werte zu verkleinern.

Bei herkömmlichen Impuls-Lichtbogenschweißmaschinen wird hauptsächlich der Scheitelwert I_P des Impulsstroms oder wird der Basisstrom verändert, um zur Anpassung an die Dicke des Werkstücks den Lichtbogenstrom zu verändern. Folglich ist die Zahl der Schaltungszustände, mit denen versucht wird, sich optimalen Tropfenübertragungsbedingungen beim Schweißen anzunähern, so daß herkömmliche Schweißmaschinen nicht die Vielfalt und Güte von Betriebsbedingungen aufweisen.

In einer Impuls-Lichtbogenschweißmaschine nach der Erfindung sind dagegen folgende Maßnahmen eingesetzt, um in bezug zur Dicke des Werkstückes den Durchschnitts-Lichtbogenstrom zu verändern. Es wird die Zündzeit t₁ für die Thyristoren so auf einen Optimalwert eingestellt, daß der Optimalbereich der Wärmemenge und der Stromscheitelwert I_P die Voraussetzung für optimale Bedingungen für den Metalltropfenübergang bei Schweißen bieten. Die Zündelektroden der Thyristoren 32 bis 36 werden durch eine Impulsfrequenz-Variierschaltung 40 in geeigneter Weise ein- und ausgeschaltet, um durch Weglassen einiger Impulse die Impulsfolge auszulichten, die mit einer Folgefrequenz von 180 Impulsen/Sekunde, bedingt durch die Hauptenergiequelle 26, erzeugt werden, wodurch die Anzahl der je Zeiteinheit erzeugten Impulse variiert wird.

Dies wird deutlicher aus der Fig. 13, bei der in Fig. 13A Impulse gezeigt sind, die mit einer Folge von 180 pro Sekunde auftreten (360 Impulse/Sekunde, wenn die Hauptenergiequelle 26 eine Sechsphasen-Halbwellengleichrichtung oder eine Dreiphasen-Vollwellengleichrichtung durchführt, und ein ganzzahliges Vielfaches davon, bei einer Netzfrequenz von 50 Hz). Fig. 13B bis 13D zeigen Impulse, bei denen die Impulsfolge auf 2/5, 1/4 und 2/3 derer in Fig. 13A verringert ist.

Wenn die Impulse einander überlappen, ist es schwierig, die Tropfenübertragung eines jeden Impulses getrennt zu untersuchen. Aber auch dann kann die Schweißung durchgeführt werden. Im Hinblick auf die Lichtbogen-Stabilität ist es anzustreben, daß bei dem Ausdünnen der Impulse möglichst gleichmäßige Intervalle hervorgerufen werden, wie dies in den Beispielen nach den Fig. 13B bis 13D angestrebt ist. Die Impulsfrequenz-Veränderungsschaltung 40 ist so ausgelegt, daß das Ausdünnen oder Auslichten der Impulse auf diese Weise erfolgt.

Um den mittleren Lichtbogenstrom einzustellen, wird also in der beschriebenen Weise die Zahl der Impulse je Zeiteinheit geändert. Durch geeignetes Einstellen des mittleren Lichtbogenstroms kann für alle Lichtbogenströme und folglich auch für alle Werkstücke unabhängig von ihrere Dicke bei Übertragung optimaler Schweißtropfen geschweißt werden. Es wird deshalb die Drahtvorschubgeschwindigkeit proportional der Anzahl der geschmolzenen Tropfen und der Zahl der je Zeiteinheit erzeugten Impulse eingestellt. Man kann also die Drahtvorschubgeschwindigkeit praktisch der Zahl der erzeugten Impulse proportional wählen. Diese vorteilhafte Eigenschaft besitzt eine automatische Schweißmaschine, die nach der Lehre der Erfindung arbeitet.

Die Drahtvorschubgeschwindigkeit kann auf folgende Weise der Anzahl der Impulse proportional gemacht werden:

• (1) Die Drahtvorschubgeschwindigkeit wird durch einen Geschwindigkeitsdetektor überwacht, und es wird ein Signal etwa in Form einer dieser Geschwindigkeit proportionalen Spannung erzeugt.
• (2) Das Signal wird einem elektronischen Rechner oder dergleichen zugeführt, der die erforderlichen Berechnungen der zugehörigen Impulszahl (z. B. proportional diesem Signal) durchgeführt.
• (3) Die so ermittelte Impulszahl wird der Impulsfrequenz- Veränderungsschaltung 40 zugeführt.

Mit dieser Technik kann das Kriechen des Lichtbogens verhindert werden, was hauptsächlich auftritt, wenn der Lichtbogen gezündet wird (wenn der Vorschub des Drahtes 20 beginnt) oder wenn der Lichtbogen erlischt (wenn der Vorschub des Drahtes 20 beendet wird), und weiter kann verhindert werden, daß der Draht 20 mit dem Werkstück 18 verklebt. Diese Technik kann unabhängig von der Art des Schutzgases, des Schweißdrahtmaterials und des Drahtdurchmessers angewendet werden.

Als nächstes wird in Verbindung mit Fig. 14 eine Vorrichtung beschrieben, mit der die Drahtvorschubgeschwindigkeit festgestellt wird. Dieser Geschwindigkeitsdetektor 332 ist auf die Welle eines Drahtvorschubmotors 314 aufgesetzt und stellt die Drehzahl des Motors 314 fest. In dieser Ausführungsform wird die Drahtvorschubgeschwindigkeit also durch Ermitteln der Vorschubmotordrehzahl indirekt gemessen.

Ein weiteres Beispiel einer Detektorvorrichtung zum Ermitteln der Drahtvorschubgeschwindigkeit ist in der Fig. 15 dargestellt. Der Geschwindigkeitsdetektor 334 ist in diesem Fall auf die Welle einer Drahtspule 316 aufgesetzt, die vom Drahtvorschubmotor 314 angetrieben wird, so daß die Drehzahl dieser Spule 316 erfaßt wird. Auch hier handelt es sich um eine indirekte Methode, indem die Drehzahl der Drahtspule 316 ermittelt wird.

Die beiden beschriebenen Beispiele haben folgende Vorteile. Zunächst ist die Konstruktion sehr einfach, und die Vorschubgeschwindigkeit kann relativ genau festgestellt werden. Ein Drehzahlmesser ist käuflich. Das Detektorsignal kann als Stromsignal abgenommen werden, das man sehr gut weiterverarbeiten kann.

Ein drittes Ausführungsbeispiel einer Drahtvorschubgeschwindigkeits- Detektorvorrichtung ist in der Fig. 16 gezeigt. Eine Prüfrolle 336 ist derart angeordnet, daß sie vom Draht 20 während seines Vorschubs in Drehung versetzt wird. Ein Detektor 338 nimmt die Drehzahl der Rolle 336 oder ihrer Umfangsgeschwindigkeit wahr, so daß hiermit die Drahtvorschubgeschwindigkeit direkt gemessen wird. Der Vorteil dieser Vorschubrichtung besteht darin, daß Fehler bei der Geschwindigkeitsmessung, die durch Differenzen zwischen der Winkelgeschwindigkeit und der Umfangsgeschwindigkeit auftreten, welche von der Stärke des Drahtwickels abhängen, ausgeschlossen sind. Somit ist die Feststellung der Geschwindigkeit noch genauer.

Ein wiederum anderes Ausführungsbeispiel für die Messung der Drahtvorschubgeschwindigkeit zeigt die Fig. 17. Diese zeigt einen Drahtvorschubmotor 314, eine Rolle 340, die durch den Motor 314 angetrieben ist, und eine Rolle 342, die so mit der Rolle 340 in Verbindung steht, daß der Draht 20 zwischen ihnen erfaßt wird. Auf einer Seitenfläche oder auf der Umfangsfläche einer der Rollen 340 oder 342 sind Elemente 344 (Fig. 18) angebracht, die von einem Sensor 348 festgestellt werden können. Der Sensor 348 steht mit einem gewissen Abstand der Rolle 342 so gegenüber, daß er die Elemente 344 erkennt. Handelt es sich um einen optischen Sensor, so können die Elemente 344 in die Rolle eingestanzte Löcher oder darauf angebrachte Reflexionsstreifen sein. Bei einem magnetischen Sensor kann man auf der Seitenfläche oder auch auf der Innenseite der Rolle Metallstücke anbringen. Über eine Signalleitung 350 ist der Sensor 348 mit dem Ausgangssektor der Schweißstromquelle verbunden. Ähnlich wie die Detektoren der Fig. 14 und 15 stellt diese Drahtgeschwindigkeitsdetektorvorrichtung die Vorschubgeschwindigkeit indirekt dadurch fest, daß sie die Drehzahl des Motors ermittelt.

Bei einer fünften Ausführungsform (die nicht eigens dargestellt ist) dient zum Antrieb der Drahtelektrode ein Gleichstrommotor, und es wird eine Schaltung verwendet, mit der die gegenelektromotorische Kraft des Gleichstrommotors erfaßt und daraus ein Signal gebildet wird, womit wieder eine indirekte Messung der Drahtvorschubgeschwindigkeit vorgenommen wird.

Die Schaltung eines ersten Ausführungsbeispiels der Lichtbogen- Impuls-Schweißmaschine gemäß Fig. 3 zeigt als Hauptenergiequelle 26 eine Dreiphasen-Halbwellenschaltung, während die Hilfenergiequelle 28 eine Dreiphasen-Vollwellenschaltung ist. Gleiche Wirkungen lassen sich jedoch auch mit anderen Energiequellen erzielen.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Schweißmaschine, die in Fig. 19 gezeigt ist, dienen als Hauptenergiequelle 26 und als Hilfsenergiequelle 28 Dreiphasen-Vollwellenschaltungen. Die Hauptenergiequelle 26 kann jedoch auch einphasig sein, und die Hilfsenergiequelle 28 kann eine Schaltung verwenden mit einem Streutransformator anstelle einer Widerstandslastenschaltung. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 19 wird die Drehzahl des Motors einer Drahtvorschubeinrichtung 70 gemäß der Impulsfrequenz von der Impulsfrequenz- Veränderungsschaltung 40 her gesteuert.

Eine dritte Ausführungsform der Lichtbogen-Impuls-Schweißmaschine zeigt die Fig. 20. Bei diesem Beispiel ist die elektrische Hochfrequenzquelle 56 in die Hilfsenergiequelle 28 einbezogen, und die Abmessungen der Kopplungsspule sind kleiner gehalten. Ein Ableitungskondensator 66 übernimmt die Funktion des Ableit- oder Bypass-Kondensators in Fig. 3.

Eine vierte Ausführungsform der Erfindung ist in der Fig. 21 dargestellt. Die Sekundärspannung des Transformators 30 wird einer Vollwellengleichrichtung mittels Dioden 96, 98, 100, 102, 104 und 106 zugeführt, deren Ausgänge an die Kollektoren von Transistoren 108₁ bis 108 _n geführt sind. Die Transistoren 108₁ bis 108 _n werden mit Hilfe von Triggerimpulsen leitend gesteuert, die von einer Impulsfrequenz-Veränderungsschaltung 40 abgegeben werden, so daß dadurch ein Impulsstrom mit der gewünschten Frequenz an die Gleichstromdrossel 38 abgegeben wird. Da die Transistoren 108₁ bis 108 _n in der oben beschriebenen Weise betätigt werden, läßt sich die Zahl der je Zeiteinheit erzeugten Impulse stetig ändern. Das heißt, die Zahl der Impulse je Zeiteinheit wird durch stetige Veränderung der Pausendauer zwischen den Impulsen (entsprechend den nicht leitenden Perioden der Transistoren) eingestellt. Die Zahl der parallel geschalteten Transistoren (108₁ bis 108 _n) wird vorteilhaft nach deren Strombelastbarkeit und den auftretenden Lichtbogen-Stromwerten gewählt. Parallelbetrieb der Transistoren kann in der Weise stabil durchgeführt werden, daß die Spannungsabfälle an den Zuführleitern, die mit den Transistoren verbunden sind, ausgenützt werden. In Fig. 21 ist eine Diode 109 gezeigt, mit der Stoßspannungen an den Transistoren vermieden werden, und ein Kondensator 110 dient zur Unterdrückung von Stoßspannungen und zur Verbesserung der Anstiegszeit des Impulsstroms.

Der Durchschnitts-Lichtbogenstrom wird also durch Verändern der Impulszahl, die je Zeiteinheit erzeugt werden, eingestellt, so daß die Anzahl der Impulse proportional der Drahtvorschubgeschwindigkeit ist. Damit wird die Schweißraupe innerhalb eines weiten Bereichs des durchschnittlichen Schweißstroms sehr gleichmäßig und folglich auch innerhalb eines weiten Bereiches der Drahtvorschubgeschwindigkeit hergestellt.

Außerdem wird gemäß der Erfindung der Spitzenwert als Summe des Impulsstroms und des Basisstroms auf einen Wert eingestellt, der größer als der kritische Stromwert I_co ist, der in bezug auf den Schweißdrahtdurchmesser, das Schweißdrahtmaterial und das Schutzgas bestimmt ist. Die der Schweißdrahtelektrode je Zeiteinheit zugeführte Wärmemenge als Summe der Ströme ist auf die optimale Wärmemenge eingestellt, die durch Schweißdrahtdurchmesser, Schweißdrahtmaterial und Schutzgasart bestimmt ist, damit die Tröpfchen-Übergabebedingungen beim Schweißen günstig sind und zufriedenstellende Schweißbedingungen auftreten, die zu guten Schweißraupen bei praktisch spritzerfreiem Schweißvorgang führen.

In Verbindung mit den Fig. 22 bis 24 wird nun ein Ausführungsbeispiel einer Impulsfrequenz-Veränderungsschaltung 40 erläutert.

Zu Beginn des Schweißvorganges werden die Ausgänge A, B und C eines Transformators 401, die jeweils dieselbe Phasenlage wie die gleich bezeichneten Ausgänge des Transformators 30 haben, mit einem Phasenschieber 403 verbunden, wo sie Umwandlungvorgängen unterworfen werden, damit sie Impulsbreiten haben, die durch eine Impulsbreiten-Einstellschaltung 402 vorgegeben werden. Wie durch A′, B′ und C′ im Zeitdiagramm der Fig. 24 dargestellt, wird die Zündung bei bestimmtem Phasenwinkel α vorgenommen. Wenn anschließend ein Bezugsimpulsgenerator 405 von einer Impulszahl-Einstellschaltung 404 ein Ausgangssignal erhält, das durch Umwandeln der Zahl der Impulse entsprechend einer Drahtvorschubgeschwindigkeit in ein Spannungssignal gebildet ist, dann arbeitet der Bezugsimpulsgenerator 405 so, daß er ein Impulssignal mit konstanter Frequenz erzeugt. Die Arbeitsweise des Generators 405 wird nun genauer beschrieben.

Ein Ausgangssignal der Impuls-Einstellschaltung 404 wird anfangs integriert, woraus ein ansteigendes Spannungssignal gebildet wird, dessen Steilheit durch das Produkt RC bestimmt ist. Wenn das so erhaltene ansteigende Spannungssignal einen Schwellwert erreicht, der durch eine Spannung am Punkt S bestimmt wird, wird ein Triggerimpuls einem Schaltelement 407 zugeführt, wodurch der weitere Anstieg des Signals beendet wird und das Signal dann plötzlich abfällt. Die am Schaltungspunkt T auftretende Spannung wird dann Null. Das Spannungssignal im Schaltungspunkt T hat also Sägezahngestalt. Wenn die Spannung am Schaltungspunkt T Null ist, fällt die Spannung am Schaltungspunkt U ab. Damit hat das Spannungssignal am Schaltungspunkt U Impulssignalgestalt mit konstanter Frequenz.

Ein Verteiler 408, der mit den Ausgängen des Transformators 401, dem Ausgang des Phasenschiebers 403 und dem Ausgang des Bezugsimpulsgenerators 405 verbunden ist, arbeitet so, daß er sein Ausgangssignal immer einer der drei Zündungsschaltungen 409 zuführt. Eine der Schaltungen 409, die das Ausgangssignal vom Verteiler 408 erhält, erzeugt ein Zündsignal bei einem Phasenwinkel α, der durch den Phasenschieber 403 vorbestimmt ist, wodurch die Thyristoren 32, 34 und 36 nacheinander getriggert werden und einen Impulsstrom abgeben.

Fig. 23 zeigt das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des Verteilers 408 aus Fig. 22. Die in Fig. 24 gezeigten Ausgangssignale A, B und C werden über Dioden 410 zugehörigen Schaltelementen 411 zugeführt. Die Gates der Schaltelemente 411 erhalten die Ausgänge A′, B′ und C′ des Phasenschiebers 403, so daß sie beim Phasenwinkel α gezündet werden. So werden, wenn die Ausgangssignale des Phasenschiebers 403 dem Verteiler 408 zugeleitet werden, gemäß der Darstellung von D, E und F die Schaltelemente 411 auf Durchlaß geschaltet wodurch das Potential an den Setzeingängen der Flip-Flops 412 praktisch Null wird. Wenn die Eingänge Null Volt führen, erhalten die Flip-Flops 412 keine Setzsignale, auch wenn das Impulssignal G vom Bezugsimpulsgenerator 405 zugeführt wird. Während der H-Periode der Impulsignale D, E und F, die in Fig. 24 schraffiert angedeutet sind, werden, wenn das Impulssignal G vom Bezugsimpulsgenerator 405 zugeht, die Flip-Flops 412 gesetzt und erzeugen somit Ausgangssignale H, I und J, welche jeweils einer Zündvorrichtung 409 zugeführt werden. Auch die Ausgänge des Phasenschiebers 403 werden auf die Zündvorrichtungen 409 gegeben, und diese erzeugen dann, wenn die Ausgänge des Phasenschiebers 403 mit den Triggersignalen H, I und J zusammentreffen, Signale K, L und M in Fig. 24, die als Zündsteuersignale den Zündelektroden der Thyristoren 32, 34 und 36 zugeleitet werden. Dadurch werden diese nacheinander gemäß den Ausgangssignalen der Vorrichtung 409 gezündet und erzeugen so den bei N in Fig. 24 gezeigten Impulsstrom.

Die Ausgänge der Schaltungskomplexe 409 werden den Löscheingängen der Flip-Flops 412 über Dioden 413 zurückgeführt. Dadurch werden alle Flip-Flops 412 gelöscht, wenn eine der Schaltungen 409 ein Ausgangssignal abgibt. Hierdurch wird aufgrund der Dioden 413 eine Überschneidung der Vorrichtungen 409 ausgeschlossen. Eine Diode 414 dient dazu, daß die Ausgänge A, B und C vom Transformator 401 die Flip-Flops 412 nicht direkt setzen können. Ferner begrenzt ein Widerstand 415 die Stromwerte vom Bezugsimpulsgenerator 405, da Überströme auftreten könnten, wenn bei eingeschaltetem Schaltelement 411 dieses blockiert.

Die beschriebene Schaltung kann auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 21, in der Schaltthyristoren eingesetzt werden, verwendet werden. In diesem Fall wird ein durch die RC-Steigung bestimmtes Sägezahn-Signal vom Bezugsimpulgenerator 405 erzeugt, und es werden dann Zündimpulse, die jeweils eine konstante Frequenz haben, den Transistoren 108₁ bis 108 _n in Abhängigkeit von den so erzeugten Signalen zugeführt.

Claims (11)

1. Impuls-Lichtbogenschweißmaschine mit

• - einer Schweißdrahtelektrode (20),
• - einem einem Werkstück (18) mit Abstand gegenüberstehenden Schweißbrenner,
• - einer Schutzgaszuführeinheit (24), die der Schweißzone des Werkstücks ein Schutzgas zuführt,
• - einer Drahtvorschubeinheit (68, 70), die dem Schweißbrenner die Drahtelektrode zuführt,
• - einer Basisstromquelle (28) zum Zuführen eines Basisstroms zwischen Schweißdrahtelektrode und Werkstück,
• - einer Impulsstromquelle (26) zum Zuführen eines Impulsstroms zwischen Schweißdrahtelektrode und Werkstück,
• - einem Drahtvorschub-Detektor (332, 334, 338, 348) zum Feststellen der Schweißdrahtvorschubgeschwindigkeit, und
• - einer Impulsfrequenz-Veränderungsschaltung zur Einstellung des Durchschnitts-Lichtbogenstroms, mit der die Anzahl von Impulsen (N) des Impulsstroms je Zeiteinheit aus der Impulsstromquelle derart einstellbar ist, daß sie der ermittelten Drahtvorschubgeschwindigkeit proportional ist,

bei der der Scheitelwert des sich aus Basisstrom und Impulsstrom zusammensetzenden Stroms nicht kleiner als ein kritischer Strom (I_CO) eingestellt ist, der wenigstens vom Durchmesser der Schweißdrahtelektrode, dem Material der Schweißdrahtelektrode und der Art des Schutzgases abhängig ist, und
bei der das Verhältnis aus der Drahtvorschubgeschwindigkeit (V) und der Anzahl (N) der Stromimpulse je Zeiteinheit innerhalb eines optimalen Bereichs liegt, der zumindest vom Durchmesser der Schweißdrahtelektrode abhängig ist, so daß die Wärmemenge die der Schweißdrahtelektrode je Zeiteinheit des zusammengesetzten Strom zugeführt wird, innerhalb eines optimalen Wärmemengenbereichs liegt, der zumindest von einem der genannten Faktoren abhängt.

2. Impuls-Lichtbogenschweißmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für Schweißdrahtdurchmesser von 0,9 mm, 1,2 mm und 1,6 mm das Verhältnis aus Drahtvorschubgeschwindigkeit (V) und der Anzahl (N) der Stromimpulse innerhalb der Bereiche 0,08 bis 0,241 cm/Impuls, 0,068 bis 0,138 cm/Impuls bzw. 0,05 bis 0,81 cm/Impuls liegt.

3. Impuls-Lichtbogenschweißmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsstromquelle (26) einen Transformator zum Zuführen des Impulsstromes und aktive Schaltelemente zum Gleichrichten der Wellenform des Impulsstromes umfaßt.

4. Impuls-Lichtbogenschweißmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfrequenz-Veränderungsschaltung (40) bei einem Impulssignal, dessen Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz der Impulsstromquelle ist, einzelne Impulse unterdrückt, um die Zahl der Stromimpulse je Zeiteinheit festzulegen.

5. Impuls-Lichtbogenschweißmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsstromquelle (26) einen Transformator und Thyristoren aufweist und daß die Impulsfrequenz-Veränderungsschaltung (40) für das Verändern der Zahl der Stromimpulse je Zeiteinheit die Aus- und Einschaltvorgänge der Thyristoren steuert.

6. Impuls-Lichtbogenschweißmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahtvorschub-Detektor (332) die Drehzahl eines Drahtvorschubmotors (314) in der Drahtvorschubeinheit ermittelt.

7. Impuls-Lichtbogenschweißmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahtvorschub-Detektor (334) die Drehzahl einer Drahtvorratsrolle (316), von der die Schweißdrahtelektrode abgewickelt wird, feststellt.

8. Impuls-Lichtbogenschweißmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahtvorschub-Detektor (338) Drehzahl und Umfangsgeschwindigkeit einer mit der Schweißdrahtelektrode in Kontakt gebrachten Tastrolle (336) erfaßt.

9. Impuls-Lichtbogenschweißmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahtvorschub-Detektor einen Sensor (348), ein die Schweißdrahtelektrode zwischen sich erfassendes Rollenpaar (340, 342) und wenigstens auf einer Rolle des Rollenpaares Elemente (344) mit untereinander gleichen Abständen aufweist, die vom Sensor feststellbar sind.

10. Impuls-Lichtbogenschweißmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahtvorschub-Detektor eine die Gegen-EMK eines Drahtvorschub-Gleichstrommotors des Drahtvorschubeinheit feststellende Detektorschaltung enthält.