DE3816238A1 - Stromversorgungssystem zur abschmelzelektroden-lichtbogenschweissung und verfahren zum steuern desselben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromversorgungssystem zum Abschmelzelektroden-Lichtbogenschweißen, bei dem eine Ab­ schmelzelektrode zu einem Grundmetall hin zugestellt wird und die Polung einer zwischen die Abschmelzelektrode und das Grundmetall angelegten Gleichspannung zwischen einer Normal­ polung und der Gegenpolung wechselt; ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Steuern des Stromversorgungs­ systems.

Im allgemeinen ist das Abschmelzelektroden-Lichtbogen­ schweißen, bei dem eine Abschmelzelektrode bzw. ein Schweiß­ draht mit einer festen Vorschubgeschwindigkeit zugestellt wird, das sog. Gegenpolungsschweißen, bei dem zwischen die Abschmelzelektrode und das Grundmetall eine Gleichspannung derart angelegt wird, daß die Spannung an der Abschmelzelek­ trode positiv und an dem Grundmetall negativ ist.

Das Gegenpolungsschweißen hat die Vorteile, daß die Eindring­ tiefe groß ist und daß auf einfache Weise flache Schweißrau­ pen gebildet werden, da dem Grundmetall viel Wärme zugeführt wird. Bei dem Schweißen dünner Grundmetalle wie beispielswei­ se dünner Platten oder Bleche kann jedoch leicht ein Durch­ brennen auftreten, wenn die Stoßstelle ungenau bearbeitet ist und zwischen den Grundmetallen ein Spalt gebildet ist.

Andererseits ist das Normalpolungsschweißen, bei dem zwischen die Abschmelzelektrode und das Grundmetall eine Gleichspan­ nung derart angelegt wird, daß die Polarität an der Ab­ schmelzelektrode negativ und an dem Grundmetall positiv ist, infolge der geringen Wärmezufuhr zu dem Grundmetall für das Schweißen dünner Platten oder Bleche geeignet, zwischen denen ein Spalt ist, so daß eine starke Schweißraupe erforderlich ist. Bei dem Normalpolungsschweißen bestehen jedoch die Prob­ leme, daß sehr leicht vorstehende Schweißraupen entstehen, wenn die Genauigkeit an der Stoßstelle verhältnismäßig hoch ist, und daß abhängig von der Form der Stoßstelle ein mangel­ haftes Verschmelzen auftreten kann, wenn der Schweißdraht gegenüber der Stoßstelle geringfügig versetzt ist.

In der US-PS 44 85 293 ist eine Stromquelle für das Wechsel­ strom-Lichtbogenschweißen mit Abschmelzelektroden beschrie­ ben, bei dem zwischen dem Gegenpolungsschweißen und dem Nor­ malpolungsschweißen abgewechselt wird, um die Grundmetalle in einer gewünschten Eindringtiefe zu schmelzen und die Vorteile des Gegenpolungsschweißens und des Normalpolungsschweißens am besten zu nutzen.

Bei dem Abschmelzelektroden-Lichtbogenschweißen mit der her­ kömmlichen Schweißstromquelle erlöscht im allgemeinen der Lichtbogen, wenn die Ausgangsspannung den Nullpunkt durch­ läuft. Damit wird der Lichtbogen unterbrochen, wobei das erneute Zünden des Lichtbogens unmöglich ist, wenn die Leer­ lauf-Ausgangsspannung die Spannung der herkömmlichen Schweiß­ stromquelle in der Größenordnung von 80 V ist. Infolgedessen ist die Gleichmäßigkeit des Lichtbogens beträchtlich ver­ schlechtert und daher ein gleichmäßiges Schweißen nicht mög­ lich.

Bei dem Kurzschluß-Lichtbogenschweißen mit der in der US-PS 4 4 85 293 beschriebenen Stromquelle wird während einer Lichtbo­ genperiode die gleiche Polung beibehalten und während einer Kurzschlußperiode die Polung gewechselt, um die auf das Erlö­ schen des Lichtbogens zurückzuführende Ungleichmäßigkeit des Schweißens zu vermeiden. Ferner ist diese Schweißstromquelle derart ausgebildet, daß für das Schweißen durch das Verändern des Verhältnisses zwischen dem Gegenpolungsschweißen und dem Normalpolungsschweißen entsprechend der Kurzschlußhäufigkeit bzw. Kurzschlußfrequenz ein erwünschter Zustand zwischen dem Gegenpolungsschweißen und dem Normalpolungsschweißen herbei­ geführt wird und die Wärmezufuhr zu dem Grundmetall sowie die Abschmelzgeschwindigkeit des Schweißdrahtes gesteuert werden.

Da jedoch bei diesem Schweißverfahren der Zeitpunkt für das Umpolen auf die Kurzschlußperiode eingeschränkt ist, weicht das Polungsdauer-Verhältnis zwischen dem Gegenpolungs­ schweißen und dem Normalpolungsschweißen stark von einem gewählten Polungsdauerverhältnis ab, wenn sich infolge von Vibrationen des Schmelzkraters und des vorstehenden Schweiß­ drahtes die Kurzschlußperiode und die Lichtbogenperiode ver­ ändern. Darüber hinaus ist die Steuerung des Polungsdauerver­ hältnisses nicht in einem Starkstrombereich möglich, in wel­ chem die Kurzschlußfrequenz niedrig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für das Abschmelz­ elektroden-Lichtbogenschweißen ein Stromversorgungssystem zu schaffen, das unabhängig von der Art des Übergangs der Schweißmetalltröpfchen das Umpolen während der Lichtbogen­ periode ermöglicht, um über einem breiten Strombereich vom Schwachstrombereich bis zum Starkstrombereich das Polungs­ dauerverhältnis genau auf ein gewünschtes Verhältnis zu steuern und damit ein gleichmäßiges Abschmelzelektroden- Lichtbogenschweißen sicherzustellen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Steuern dieses Stromversor­ gungssystems für das Abschmelzelektroden-Lichtbogenschweißen zu schaffen.

Zur Lösung der Aufgabe hat das erfindungsgemäße Stromversor­ gungssystem für das Abschmelzelektroden-Lichtbogenschweißen, bei dem zwischen ein Grundmetall und eine zu dem Grundmetall hin zugestellte Abschmelzelektrode eine Gleichspannung wie­ derholt in Normalpolung und in Gegenpolung angelegt wird, eine Gleichspannungsquelle zum Erzeugen der zwischen das Grundmetall und die Abschmelzelektrode anzulegenden Gleich­ spannung, eine an den Ausgang der Gleichspannungsquelle ange­ schlossene Drossel, eine Wechselrichterschaltung zum Umpolen der über die Drossel zwischen das Grundmetall und die Ab­ schmelzelektrode angelegten Gleichspannung mit mehreren Schaltelementen und mit jeweils zu den Schaltelementen paral­ lel geschalteten ersten Richtleiterelementen, eine zu der Wechselrichterschaltung parallel geschaltete Reihenschaltung aus einem zweiten Richtleiterelement und einem Kondensator und eine Spannungszuführschaltung für das Anlegen einer Gleichspannung an den Kondensator der Reihenschaltung.

Das erfindungsgemäße Stromversorgungssystem gemäß einer zwei­ ten Ausgestaltung enthält eine Steuerschaltung für das Steuern der Wechselrichterschaltung mit einer Lichtbogende­ tektorschaltung für das Erfassen des Entstehens des Lichtbo­ gens zwischen der Abschmelzelektrode und dem Grundmetall und mit einer Umpolsteuerschaltung, die bei der Übereinstimmung der durch das Messen der Dauer des Ausgangssignals der Licht­ bogendetektorschaltung ermittelten Lichtbogendauer mit einer vorbestimmten Zeit ein Umpolsignal abgibt.

Das erfindungsgemäße Stromversorgungssystem gemäß einer drit­ ten Ausgestaltung enthält eine Steuerschaltung zum Steuern der Wechselrichterschaltung mit einer Lichtbogendetektor­ schaltung zum Erfassen des Entstehens des Lichtbogens zwi­ schen der Abschmelzelektrode und dem Grundmetall und mit einer Umpolsteuerschaltung, die bei der Übereinstimmung der durch das Integrieren des der Abschmelzelektrode während der Fortdauer des Ausgangssignals der Lichtbogendetektorschaltung zugeführten Schweißstroms ermittelten Ladungsmenge mit einem vorbestimmten Wert ein Umpolsignal abgibt.

Ferner wird zur Lösung der Aufgabe bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern eines Stromversorgungssystems für das Abschmelzelektroden-Lichtbogenschweißen, bei dem die Polung einer zwischen ein Grundmetall und einer zu dem Grundmetall hin zugestellten Abschmelzelektrode angelegten Gleichspannung wiederholt und abwechselnd zwischen der Normalpolung und der Gegenpolung gewechselt wird, der Sollwert für zumindest ent­ weder den Schweißstrom oder die Schweißspannung zumindest entweder unmittelbar vor oder unmittelbar nach dem Umpolen der zwischen das Grundmetall und die Abschmelzelektrode ange­ legten Gleichspannung von der Gegenpolung auf die Normalpo­ lung für eine vorbestimmte Zeitdauer verringert.

In dem erfindungsgemäßen Stromversorgungssystem für das Ab­ schmelzelektroden-Lichtbogenschweißen wird bei der erstge­ nannten Ausgestaltung die aus der Drossel abgegebene Energie bei dem Umpolen durch das Schalten der Wechselrichterschal­ tung von dem zu der Wechselrichterschaltung parallel geschal­ teten Kondensator aufgenommen, die Schweißspannung auf eine Spannung unterhalb der Grenzbelastungsspannung der Schaltele­ mente und oberhalb einer für das erneute Zünden des Lichtbo­ gens erforderlichen Spannung festgelegt und diese Spannung zwischen das Grundmetall und die Abschmelzelektrode angelegt. Infolgedessen kann die Polung auf stabile Weise während der Lichtbogenperiode gewechselt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Stromversorgungssystem gemäß der zweiten Ausgestaltung wird die Polung entsprechend dem Ver­ hältnis der Lichtbogenenergie-Zuführzeit zwischen der Richt- bzw. Normalpolung und der Gegenpolung gewechselt. Infolgedes­ sen ist das Polungsdauerverhältnis zwischen der Normalpolung und der Gegenpolung stabil, so daß daher eine Feineinstellung des Polungsdauerverhältnisses ermöglicht ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Stromversorgungssystem gemäß der dritten Ausgestaltung wird die Polung unter Zugrundelegen des Lichtbogenenergieverhältnisses zwischen der Normalpolung und der Gegenpolung gewechselt. Infolgedessen kann das Lichtbo­ genenergieverhältnis zwischen der Normalpolung und der Gegen­ polung auf genaue Weise eingestellt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern des Stromver­ sorgungssystems wird der Schweißstrom und/oder die Schweiß­ spannung unmittelbar vor und/oder unmittelbar nach dem Umpo­ len der zwischen das Grundmetall und die Abschmelzelektrode angelegten Gleichspannung von der Gegenpolung auf die Normal­ polung vermindert. Infolgedessen wird vermieden, daß für das Normalpolungs-Lichtbogenschweißen unmittelbar nach dem Umpo­ len ein übermäßig hoher Schweißstrom fließt; dadurch werden ein übermäßiger Abbrand der Abschmelzelektrode bzw. des Schweißdrahtes, ein abnormales Anwachsen der Schmelzmetall­ tröpfchen und eine Verringerung der Kurzschlußfrequenz ver­ hindert, so daß eine auf das Umpolen zurückzuführende Ver­ schlechterung des Schweißprodukts vermieden ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Schaltbild eines Stromversorgungs­ systems zum Abschmelzelektroden-Lichtbogenschweißen gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 2(a) bis 2(f) zeigen jeweils verschiedene Stu­ fen bei dem Übertritt von Tröpfchen bei dem Kurzschluß-Licht­ bogenschweißen mit Abschmelzelektroden.

Fig. 3(a) und 3(b) zeigen jeweils die Kurvenformen der Schweißspannung und des Schweißstroms bei der Steuerung in dem Stromversorgungssystem nach Fig. 1.

Fig. 3(c) bis 3(h) zeigen jeweils die Ausgangssi­ gnale von wesentlichen Teilen der Steuerschaltung des Strom­ versorgungssystems nach Fig. 1.

Fig. 4(a) bis 4(f) zeigen jeweils Ausgangssignale von wesentlichen Teilen der Steuerschaltung des Stromversor­ gungssystems nach Fig. 1.

Fig. 5(a) und 5(b) zeigen jeweils die Kurvenformen der Lichtbogenspannung und des Lichtbogenstroms, die für das Umpolen in dem Stromversorgungssystem nach Fig. 1 gesteuert sind.

Fig. 5(c) bis 5(h) zeigen jeweils Ausgangssignale in der Steuerschaltung des Stromversorgungssystems nach Fig. 1 bei dem Umpolen.

Fig. 6 ist ein Schaltbild einer Steuerschaltung, in welcher als Parameter für das Umpolen die während Lichtbogen­ perioden zugeführte Ladungsmenge herangezogen wird.

Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Stromversor­ gungssystems mit einem Abschmelzelektroden-Schweißbrenner 1, einer Abschmelzelektrode 2, die mittels einer nicht darge­ stellten Elektrodenzustellvorrichtung mit einer vorbestimmten Zustellgeschwindigkeit vorgeschoben wird, und einem Grundme­ tall 3.

Zuerst wird die Hauptschaltung des Stromversorgungssystems beschrieben. Durch eine Gleichspannungsquelle 11 und eine Wechselrichterschaltung 24 wird zwischen die Abschmelzelek­ trode 2 und das Grundmetall 3 eine Gleichspannung abwechselnd in Gegenpolung und in Richt- bzw. Normalpolung angelegt, um für das Schweißen zwischen der Abschmelzelektrode und dem Grundmetall einen Lichtbogen 4 für das Schmelzen der konti­ nuierlich zugestellten Abschmelzelektrode 2 zu bilden.

Als nächstes werden die Komponenten der Hauptschaltung des Stromversorgungssystems beschrieben:

Die Gleichspannungsquelle 11 erzeugt die zwischen die Ab­ schmelzelektrode 2 und das Grundmetall 3 anzulegende Gleich­ spannung. Die Gleichspannungsquelle 11 hat einen Gleichrich­ ter 6 aus Diodenbrücken für das Gleichrichten einer dreipha­ sigen Wechselspannung aus einer Netzwechselspannungsquelle 5 und einen Glättungskondensator 7 für das Glätten der Aus­ gangsspannung des Gleichrichters 6 zu einer Gleichspannung. Paare aus Schaltelementen SW 1 und SW 4 und Schaltelementen SW 2 und SW 3 werden gemeinsam jeweils derart gesteuert, daß die von dem Gleichrichter 6 abgegebene Gleichspannung zu einer einphasigen Wechselspannung umgesetzt wird, welche durch einen Transformator 8 herabgesetzt und dann durch Dioden 9 und 10 zu einer Gleichspannung gleichgerichtet wird, die zwischen die Abschmelzelektrode 2 und das Grundmetall 3 anzu­ legen ist.

An den Ausgang der Gleichspannungsquelle 11 ist eine Energie­ aufnahmeschaltung 12 angeschlossen. Die Energieaufnahmeschal­ tung 12 besteht aus einer Reihenschaltung aus einer Diode 13 als zweites Richtleiterelement und einem Kondensator 14. An den Kondensator 14 wird eine Gleichspannung angelegt, die durch das Anheben der einphasigen Wechselspannung aus einer Netzwechselspannungsquelle 15 mittels eines Transformators 16 auf eine gewünschte Spannung und das Gleichrichten der ein­ phasigen Wechselspannung mit einem Gleichrichter 17 in Form eines Dioden-Brückengleichrichters erzeugt wird.

Zu dem Kondensator 14 ist ein Transistor 21 parallel geschal­ tet, der entsprechend dem von einem Vergleicher 20 abgegebe­ nen Ergebnis des Vergleichs einer durch Widerstände 18 und 19 geteilten Spannung mit einem eingestellten Wert ein- und ausgeschaltet wird, um an den Kondensator 14 ständig eine vorbestimmte Spannung anzulegen. Die ständig an den Kondensa­ tor 14 angelegte Spannung ist niedriger als die Grenzbela­ stungsspannung von Schaltelementen der Wechselrichterschal­ tung 24 und ausreichend hoch für das erneute Zünden des Lichtbogens bei dem Umpolen bei den verschiedenen Abschmelz­ elektroden-Lichtbogenschweißvorgängen. Es wurde festgestellt, daß im Falle des CO₂-Schutzgas-Lichtbogenschweißens mit dem Stromversorgungssystem das gleichmäßige Wiederzünden des Lichtbogens möglich ist, wenn die an den Kondensator 14 angelegte Spannung höher als 350 V ist.

Der Transformator 16, der Gleichrichter 17, die Widerstände 18 und 19, der Vergleicher 20 und der Transistor 21 bilden eine Spannungsversorgungs- bzw. Spannungszuführschaltung 100. Zu der Gleichspannungsquelle 11 sind eine Drossel 22, ein Nebenschlußwiderstand 23 zum Messen des abgegebenen Schweiß­ stroms und die Wechselrichterschaltung 24 in dieser Aufeinan­ derfolge in Reihe geschaltet.

Die Wechselrichterschaltung 24 enthält Paare aus Schaltele­ menten SW 5 und SW 6 und Schaltelementen SW 7 und SW 8, welche in Verbindung zum Umpolen der Ausgangsspannung der Gleichspan­ nungsquelle 11 in der Weise gesteuert werden, daß zwischen die Abschmelzelektrode 2 und das Grundmetall 3 die Ausgangs­ spannung der Gleichspannungsquelle 11 abwechselnd in Gegenpo­ lung und in Normalpolung angelegt wird. Zu den Schaltelemen­ ten SW 5, SW 6, SW 7 und SW 8 der Wechselrichterschaltung 24 sind jeweils Rücklaufdioden als erste Richtleiterelemente parallel geschaltet, um die durch den Schaltvorgang an den Schaltele­ menten erzeugte Energie zurückzuleiten.

Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält zwar die Gleichspan­ nungsquelle 11 der Hauptschaltung einen Vollbrücken-Wechsel­ richter, jedoch kann zu dem gleichen Zweck statt dessen eine Gleichspannungsquelle mit einem Halbbrücken-Wechselrichter oder einem Zerhacker eingesetzt werden.

Nachstehend werden Steuerschaltungen für das Steuern der Hauptschaltung beschrieben.

Gleichspannungsquellen-Steuerschaltung:

Die Gleichspannungsquellen-Steuerschaltung enthält einen Gleichspannungs-Einstellregler 25 für die Normalpolung und einen Gleichspannungs-Einstellregler 26 für die Gegenpolung. Die Gleichspannungs-Einstellregler 25 und 26 werden an einen Verstärker 29 jeweils über Analogschalter 27 bzw. 28 ange­ schlossen, welche durch ein Umpolsignal geschaltet werden. Der Verstärker 29 erhält die Einstellwerte der Gleichspan­ nungs-Einstellregler 25 oder 26. Durch einen Verstärker 30 wird die Differenz zwischen der Ausgangsspannung des Verstär­ kers 29 und einer zwischen der Abschmelzelektrode 2 und dem Grundmetall 3 gemessenen Lichtbogen-Spannung berechnet.

In eine Leitung zwischen dem Verstärker 30 und einem Verstär­ ker 32 ist ein Analogschalter 31 geschaltet, der ausgeschal­ tet wird, wenn während des Lichtbogenüberschlags ein Kurz­ schlußübergang auftritt. Von einem Verstärker 33 wird die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Verstärkers 32 und einem gemessenen Schweißstrom berechnet und das Rechenergeb­ nis an einen Vergleicher 34 abgegeben. Ein Sägezahnsignalge­ nerator 35 erzeugt ein Sägezahnsignal und gibt dieses an den Vergleicher 34 ab. Durch Treiberstufen 36 werden die Schalt­ elemente SW 1, SW 2, SW 3 und SW 4 des Brückenwechselrichters der Gleichspannungsquelle 11 entsprechend den Ausgangssignalen des Vergleichers 34 und einer Teilerschaltung 37 ein- oder ausgeschaltet.

Wechselrichter-Steuerschaltung:

Durch eine Bogenspannungs-Meßschaltung 38 wird die Spannung zwischen der Abschmelzelektrode 2 und dem Grundmetall 3 er­ faßt. Ein Verstärker 39 nimmt die Spannungen der entgegenge­ setzten Polaritäten auf und legt diese an eine Absolutwert­ schaltung 40 an. Die Absolutwertschaltung 40 gibt Lichtbogen­ spannungen gleicher Polarität ab.

Eine Kurzschluß-Detektorschaltung 41 enthält einen Verglei­ cher 43 für das Vergleichen des Ausgangssignals der Bogen­ spannungs-Meßschaltung 38 mit einem an einem Einstellregler 42 eingestellten Wert und erfaßt damit einen zwischen der Abschmelzelektrode 2 und dem Grundmetall 3 entstehenden Kurz­ schluß.

Die Kurzschluß-Detektorschaltung 41 und die Bogenspannungs- Meßschaltung 38 bilden eine Lichtbogen-Detektorschaltung.

Das Ausgangssignal der Kurzschluß-Detektorschaltung 41 ist an den Analogschalter 31 der Steuerschaltung für das Steuern der Gleichspannungsquelle 11 und an ein logisches Schaltglied 45 einer Polungsverhältnis- bzw. Polungsdauerverhältnis-Korrek­ turschaltung 44 angelegt. Die Polungsdauerverhältnis-Korrek­ turschaltung 44 enthält einen Sägezahnwellengenerator 48 mit einem Integrierverstärker 46 und einem Vergleicher 47, das Schaltglied 45 und einen von dem Schaltglied 45 gesteuerten Analogschalter 49. An einen Vergleicher 51 sind der Ausgang der Korrekturschaltung 44 und ein Polungsverhältnis-Einstell­ regler 50 angeschlossen. Das Ausgangssignal des Vergleichers 51 ist an ein logisches Schaltglied 53 für das Steuern einer Treiberstufe 52 für die Wechselrichterschaltung 24 und an ein logisches Schaltglied 54 für das Abschalten der Treiberstufen 36 für die Gleichspannungsquelle 11 angelegt. Das Schaltglied 53 wird durch das Ausgangssignal des Vergleichers 51 und das Ausgangssignal eines logischen Schaltglieds 55 gesteuert. Das Schaltglied 55 wird durch das zurückgeführte Ausgangssignal des Schaltglieds 53 und das Ausgangssignal eines Vergleichers 56 gesteuert. Der Vergleicher 56 vergleicht das Ausgangssi­ gnal einer Schweißstrom-Meßschaltung 58 für das Messen des Ausgangsstroms der Gleichspannungsquelle 11, nämlich den Schweißstrom mit einem mittels eines Einstellreglers 59 ein­ gestellten Sollstrom. Das Ausgangssignal der Schweißstrom- Meßschaltung 58 ist auch an den Verstärker 33 der Steuer­ schaltung für das Steuern der Gleichspannungsquelle 11 ange­ legt. Das Schaltglied 54 wird durch das Ausgangssignal des Vergleichers 51 und das Ausgangssignal eines Inverters 60 gesteuert, der das Ausgangssignal des Schaltglieds 55 inver­ tiert. Das Ausgangssignal des Schaltglieds 54 ist an das Schaltglied 45 der Polungsverhältnis-Korrekturschaltung 44 und an eine Umpolungs-Lichtbogenspannung-Korrekturschaltung 61 angelegt. Die Umpolungs-Lichtbogenspannung-Korrekturschal­ tung 61 enthält Widerstände 62 und 64 und einen Kondensator 63 für das Verringern eines mittels des Normalpolungs- Lichtbogenspannungs-Einstellreglers 25 eingestellten Werts nach dem Umpolen und ist mit dem Verstärker 30 der Steuer­ schaltung für das Steuern der Gleichspannungsquelle 11 ver­ bunden.

Die Polungsverhältnis-Korrekturschaltung 44, der Polungsver­ hältnis-Einstellregler 50 und der Vergleicher 51 bilden eine Umpolsteuerschaltung. Die Wechselrichterschaltung 24 wird durch die Umpolsteuerschaltung gesteuert und durch das Aus­ gangssignal eines logischen Schaltglieds 65 abgeschaltet. Das Schaltglied 65 wird durch die jeweiligen Ausgangssignale eines RS-Zwischenspeichers 66 und eines Vergleichers 67 ge­ steuert. Der Zwischenspeicher 66 hat einen Setzanschluß S, der mit dem Ausgang eines Vergleichers 68 verbunden ist, und einen Rücksetzanschluß R, der mit dem Ausgang der Kurzschluß- Detektorschaltung 41 verbunden ist. Der Vergleicher 68 ver­ gleicht das Lichtbogenspannungs-Ausgangssignal der Bogenspan­ nungs-Meßschaltung 38, das angelegt wird, wenn durch das Ausgangssignal der Kurzschluß-Detektorschaltung 41 ein Ana­ logschalter 69 eingeschaltet wird, mit einer mittels eines Einstellreglers 70 eingestellten Soll-Bogenspannung. Der Vergleicher 67 vergleicht den mittels der Schweißstrom-Meß­ schaltung 58 gemessenen Schweißstrom mit einem mittels eines Einstellreglers 71 eingestellten Soll-Schweißstrom. Durch das Ausgangssignal des Zwischenspeichers 66 werden alle Treiber­ stufen 36 für die Gleichspannungsquelle 11 abgeschaltet.

Diese mit der Funktion des Schaltglieds 65 in Beziehung stehenden Schaltungsteile sind als Einschnürungssteuerschal­ tung 72 bezeichnet.

Die Funktion der Hauptschaltung und der Steuerschaltungen für deren Steuerung bei dem Kurzschluß-Lichtbogenschweißen wird nachstehend anhand der Fig. 2(a) bis 2(f) beschrieben.

Es sei angenommen, daß die Schaltelemente SW 6 und SW 7 der Wechselrichterschaltung 24 eingeschaltet sind, so daß die Gleichspannung zwischen die Abschmelzelektrode 2 und das Grundmetall 3 in der Gegenpolung angelegt ist, bei der die Spannung an der Abschmelzelektrode 2 positiv und an dem Grundmetall 3 negativ ist, und daß die in den Fig. 2(a) bis 2(f) dargestellten Kurzschluß-Lichtbogenschweißvorgänge wie­ derholt ausgeführt werden. Bei diesem Zustand ist der Analog­ schalter 28 der Steuerschaltung für das Steuern der Gleich­ spannungsquelle 11 eingeschaltet und über den Verstärker 29 an den Verstärker 30 eine mittels des Gegenpolungs-Lichtbo­ genspannung-Einstellreglers 26 eingestellte Soll-Lichtbogen­ spannung für die Gegenpolung angelegt.

Der Verstärker 30 berechnet die Differenz zwischen dem Aus­ gangssignal des Verstärkers 29 und der mittels der Bogenspan­ nungs-Meßschaltung 38 erfaßten Lichtbogenspannung. Da während der Lichtbogenentladung (gemäß den Fig. 2(a), 2(e) und 2(f) der Analogschalter 31 eingeschaltet ist (Fig. 3(c)), bestimmt der Verstärker 32 einen Sollschweißstrom gemäß dem Ausgangs­ signal des Verstärkers 30. Der Verstärker 33 ermittelt eine Differenz S 1 (nach Fig. 4(a)) zwischen dem Sollschweißstrom und dem Ausgangssignal der Schweißstrom-Meßschaltung 58 und legt dieses Differenz-Ausgangssignal S 1 an den Vergleicher 34 an. Der Vergleicher 34 vergleicht das Differenz-Ausgangssi­ gnal S 1 des Verstärkers 33 mit einem Sägezahn-Ausgangssignal S 2 (nach Fig. 4(a)) des Sägezahnsignalgenerators 35. Entspre­ chend einem Ausgangssignal S 3 (Fig. 4(b)) des Vergleichers 34 und Ausgangssignalen SA und SB (Fig. 4(c), 4(d)) der Teiler­ schaltung 37 steuern die Treiberstufen 36 die Kombination aus den Schaltelementen SW 1 und SW 4 und die Kombination aus den Schaltelementen SW 2 und SW 3.

Sobald ein an dem freien Ende der Abschmelzelektrode 2 ent­ stehendes Schmelzmetalltröpfchen mit dem Grundmetall 3 in Berührung ist und einen Kurzschluß bildet (Fig. 2(b), 2(c)), bricht die Bogenspannung zusammen, so daß das Ausgangssignal der Bogenspannungs-Meßschaltung 38 abfällt und dadurch ein Ausgangssignal S 5 (Fig. 3(d)) der Kurzschluß-Detektorschal­ tung 41 den niedrigen Pegel L annimmt.

Durch das Ausgangssignal S 5 der Kurzschluß-Detektorschaltung 41 wird der Analogschalter 31 abgeschaltet (Fig. 3(c)) und damit das Ausgangssignal des Verstärkers 30 gesperrt. Zu­ gleich werden der Analogschalter 69 der Einschnürungssteuer­ schaltung 72 und ein Analogschalter 75 einer Kurzschluß- Feststrom-Einstellschaltung 73 eingeschaltet (Fig. 3(e)), wodurch an den Verstärker 32 für das Einstellen des Schweiß­ stroms ein mittels eines Einstellreglers 74 der Kurzschluß- Feststrom-Einstellschaltung 73 eingestellter Wert angelegt wird.

Der Verstärker 33 berechnet die Differenz zwischen dem mit­ tels des Verstärkers 32 eingegebenen Soll-Schweißstrom und dem Ausgangssignal der Schweißstrom-Meßschaltung 58, nämlich dem gemessenen Schweißstrom und gibt die Differenz an den Vergleicher 34 ab. Durch das Ausgangssignal des Vergleichers 34 werden die Schaltelemente SW 1, SW 2, SW 3 und SW 4 derart gesteuert, daß der Abschmelzelektrode 2 ständig ein festge­ legter Kurzschlußstrom Is zugeführt wird (Fig. 3(b)).

In dieser Periode, während der der Abschmelzelektrode 2 der festgelegte Kurzschlußstrom Is zugeführt wird, hat das Aus­ gangssignal des Schaltglieds 45 der Polungsverhältnis-Korrek­ turschaltung 44 infolge des Ausgangssignals S 5 (Fig. 3(d)) der Kurzschluß-Detektorschaltung 41 den Pegel L, wodurch der Analogschalter 49 abgeschaltet ist, um das Ausgangssignal der Polungsverhältnis-Korrekturschaltung 44 festzulegen. Daher ist die Kurzschlußperiode aus der Lichtbogenenergie-Zufüh­ rungszeit für das Umpolen bzw. den Polwechsel ausgeschieden. Sobald der Abschmelzelektrode 2 fortgesetzt der Kurzschluß­ strom Is zugeführt wird, entsteht gemäß der Darstellung in Fig. 2(d) durch den Einschnürungseffekt des Kurzschlußstroms am äußeren Ende der Abschmelzelektrode 2 eine Einschnürung. Bei diesem Zustand übersteigt das Ausgangssignal der Bogen­ spannungs-Meßschaltung 38, nämlich die gemessene Bogenspan­ nung eine mittels des Einstellreglers 70 der Einschnürungs­ steuerschaltung 72 eingestellte Soll-Bogenspannung, so daß daher das Ausgangssignal des Vergleichers 68 den hohen Pegel H annimmt, wodurch ein an die Treiberstufen 36 angelegtes Ausgangssignal S 6 (Fig. 3(f)) des Zwischenspeichers 66 den Pegel H erhält, durch den alle Schaltelemente der Gleichspan­ nungsquelle 11 abgeschaltet werden. Andererseits nimmt ein Ausgangssignal S 7 (Fig. 3(g)) des Vergleichers 67 den Pegel H an, so daß daher ein Ausgangssignal S 8 (Fig. 3(h)) des Schaltglieds 65 auf den hohen Pegel H wechselt. Infolgedessen werden alle Ausgangssignale der Treiberstufe 52 abgeschaltet, wodurch alle Schaltelemente der Wechselrichterschaltung 24 abgeschaltet werden. Daraufhin fließt der Schweißstrom über die zu den Schaltelementen SW 5 und SW 8 jeweils parallel geschalteten Rücklaufdioden und über die Diode 13 zu dem Kondensator 14 der Energieaufnahmeschaltung 12, während der über die Drossel 22 fließende Strom gleichfalls zu dem Kon­ densator 14 der Energieaufnahmeschaltung 12 fließt, wodurch der Schweißstrom schnell geringer wird. Der über die Drossel 22 fließende Strom fällt dann auf einen Wert unterhalb eines mittels des Einstellreglers 71 des Vergleichers 67 der Ein­ schnürungssteuerschaltung 72 eingestellten Werts ab, wodurch das an das Schaltglied 65 angelegte Ausgangssignal S 7 (Fig. 3(g)) des Vergleichers 67 den Pegel L annimmt. Daraufhin nimmt das Ausgangssignal S 8 (Fig. 3(h)) des Schaltglieds 65 den Pegel L an, wodurch die Treiberstufe 52 wieder die Schaltelemente SW 6 und SW 7 ansteuert. Dadurch fließt der über die Drossel 22 fließende Strom nunmehr über die Schaltelemen­ te SW 6 und SW 7 der Wechselrichterschaltung 24 zu der Ab­ schmelzelektrode 2 und dem Grundmetall 3. Infolgedessen wird die Geschwindigkeit der Verminderung des Schweißstroms herab­ gesetzt. Auf diese Weise ist der für das Bilden eines Licht­ bogens erforderliche Mindeststrom sichergestellt. Nachdem das Schmelzmetalltröpfchen von dem Ende der Abschmelzelektrode 2 vollständig zu dem Grundmetall 3 übergegangen ist, wird wie­ der ein Lichtbogen gebildet.

Daraufhin steigt das Ausgangssignal der Bogenspannungs-Meß­ schaltung 38 an, so daß das Ausgangssignal S 5 (Fig. 3(d)) der Kurzschluß-Detektorschaltung 41 den Pegel H annimmt. Hier­ durch wird der Analogschalter 31 eingeschaltet (Fig. 3(c)), so daß das Ausgangssignal des Verstärkers 30 wieder an den Verstärker 32 angelegt wird, und zugleich der Analogschalter 69 der Einschnürungssteuerschaltung 72 ausgeschaltet (Fig. 3(e)), so daß das Ausgangssignal des Vergleichers 68 den Pegel L annimmt, durch den das Ausgangssignal S 6 (Fig. 3(f)) des Zwischenspeichers 66 auf den Pegel L gebracht wird. Infolgedessen werden die Treiberstufen 36 für die Gleichspan­ nungsquelle 11 wieder eingeschaltet.

Andererseits wird durch das H-Ausgangssignal S 5 der Kurz­ schluß-Detektorschaltung 41 der Analogschalter 75 der Kurz­ schluß-Feststrom-Einstellschaltung 73 ausgeschaltet (Fig. 3(e)), um den mittels des Einstellreglers 74 eingestellten Wert abzuschalten, und der Analogschalter 31 eingeschaltet (Fig. 3(c)), wodurch zum Fortsetzen des Schweißens die Licht­ bogenspannung und der Schweißstrom gemäß der Darstellung in Fig. 3(a) und 3(b) gesteuert werden.

Während der Kurzschlußperiode hat das Ausgangssignal der Kurzschluß-Detektorschaltung 41 den Pegel L, so daß daher das Ausgangssignal S 9 (Fig. 5(d)) des Schaltglieds 45 gleichfalls den Pegel L hat. Daher ist der Analogschalter 49 abgeschal­ tet, wodurch das Ausgangssignal des Integrierverstärkers 46 festgelegt ist. Das heißt, der Integrierverstärker 46 führt wäh­ rend der Kurzschlußperiode keine Integration aus. Wenn die Kurzschluß-Detektorschaltung 41 das Ausgangssignal H abgibt, ändert sich ein Eingangspegel L 1 (Fig. 5(c)) an dem Verglei­ cher 51 entsprechend der von dem Rampen- bzw. Sägezahnwellen­ generator 48 erzeugten Sägezahnwelle, so daß daher damit die Dauer einer Periode gemessen wird, in welcher zwischen der Abschmelzelektrode 2 und dem Grundmetall 3 ein Lichtbogen gebildet ist. Wenn im Vergleich zu einem Eingangspegel L 2 (Fig. 5(c)) der Eingangspegel L 1 hoch wird, nimmt ein Aus­ gangssignal S 10 (Fig. 5(e)) des Vergleichers 51 den Pegel L an. Wenn an das Schaltglied 54 an einem Eingang das L-Aus­ gangssignal S 10 und an dem anderen Eingang ein Signal L angelegt wird, gibt das Schaltglied 54 ein H-Ausgangssignal S 11 (Fig. 5(f)), wodurch alle Treiberstufen 36 für die Gleichspannungsquelle 11 abgeschaltet werden, um den von der Gleichspannungsquelle 11 zugeführten Schweißstrom zu verrin­ gern, während zugleich der Verstärker 30 die Soll-Lichtbogen­ spannung durch Heranziehen des Widerstands 62 der Umpolungs- Lichtbogenspannung-Korrekturschaltung 61 absenkt.

Andererseits wird das H-Ausgangssignal (Fig. 5(f)) des Schaltglieds 54 an das Schaltglied 45 der Polungsverhältnis- Korrekturschaltung 44 angelegt. Da jedoch das Umschalten bzw. Umpolen während der Lichtbogenentladung erfolgt, nimmt das Ausgangssignal S 9 (Fig. 5(d)) des Schaltglieds 45 den Pegel L an, durch den der Analogschalter 49 abgeschaltet wird, wo­ durch infolgedessen ein Fehler bzw. eine Abweichung hinsicht­ lich des Polungs- oder Polungsdauerverhältnisses vermindert wird.

Das H-Ausgangssignal S 10 (Fig. 5(e)) des Vergleichers 51 wird auch an einen der Eingänge des Schaltglieds 53 angelegt. Wenn an den anderen Eingang des Schaltglieds 53 ein Signal H angelegt ist, bleibt unabhängig von dem Ausgangssignal S 10 ein Ausgangssignal S 12 (Fig. 5(g)) des Schaltglieds 53 auf dem niedrigen Pegel L.

Währenddessen wird der von der Gleichspannungsquelle 11 abge­ gebene Schweißstrom weiter vermindert. Das Absenken des Schweißstroms wird durch die Schweißstrom-Meßschaltung 58 er­ faßt. Wenn der gemessene Schweißstrom unter den mittels des Einstellreglers 59 eingestellten Soll-Schweißstrom absinkt, nämlich unter einen Schweißstrom, bei dem das abnormale An­ wachsen der Schmelzmetalltröpfchen bei dem Umpolen von der Gegenpolung auf die Normalpolung verhindert ist, nimmt das Ausgangssignal des Vergleichers 56 den Pegel H an. Das H- Ausgangssignal des Vergleichers 56 wird an das Schaltglied 55 angelegt, wodurch dessen Ausgangssignal S 13 (Fig. 5(h)) den Pegel L annimmt, so daß das Eingangssignal des Schaltglieds 53 auf den Pegel L und dessen Ausgangssignal S 12 (Fig. 5(g)) auf den Pegel H wechselt. Daraufhin schaltet die Treiberstufe 52 für die Wechselrichterschaltung 24 die Schaltelemente SW 5 und SW 8 ein und zugleich die Schaltelemente SW 6 und SW 7 aus. Zu diesem Zeitpunkt wird der über die Abschmelzelektrode 2 fließende Schweißstrom über die zu den Schaltelementen SW 5 und SW 8 parallel geschalteten Rücklaufdioden und über die Diode 13 zu dem Kondensator 14 der Energieaufnahmeschaltung 12 umgeleitet, so daß der Schweißstrom augenblicklich auf "0" abfällt; zwischen der Abschmelzelektrode 2 und dem Grundme­ tall 3 liegt nahezu die gleiche Spannung wie an dem Kondensa­ tor 14 an, während zu dem Kondensator 14 nur der über die Drossel 22 fließende Strom fließt. Durch die zwischen die Abschmelzelektrode 2 und das Grundmetall 3 angelegte Spannung wird wieder ein Lichtbogen für das Normalpolungsschweißen gezündet, bei dem die Abschmelzelektrode 2 negative Spannung und das Grundmetall 3 positive Spannung erhält. Auf diese Weise wird nahezu die gleiche Spannung wie die an dem Konden­ sator 14 angelegt, um unmittelbar nach dem Löschen des Licht­ bogens für das Umpolen wieder einen Lichtbogen zu zünden, wobei verhindert ist, daß bei dem Umpolen die Spannung für das erneute Zünden des Lichtbogens die Grenzbelastungsspan­ nung bzw. Festigkeitsspannung der Schaltelemente der Wechsel­ richterschaltung 24 übersteigt.

Andererseits wird das L-Ausgangssignal S 11 (Fig. 5(f)) des Schaltglieds 54 an die Treiberstufen 36 für die Gleichspan­ nungsquelle 11 angelegt, wodurch die Treiberstufen 36 wieder steuern. Die Lichtbogenspannung wird allmählich mit einer durch den Kondensator 63 und den Widerstand 64 der Umpolungs- Lichtbogenspannung-Korrekturschaltung 61 erhöht. Diese Steue­ rung der Bogenspannungseinstellung dient dazu, in Zusammen­ wirkung mit der Verminderung des Soll-Schweißstroms unmittel­ bar vor dem Umpolen das abnormale Anwachsen der Schmelzme­ talltröpfchen zu verhindern. Das L-Ausgangssignal S 11 des Schaltglieds 54 wird auch an die Polungsverhältnis-Korrektur­ schaltung 44 angelegt, um die Zeitmessung der Lichtbogenent­ ladungsdauer zu beginnen.

Durch das H-Ausgangssignal S 12 des Schaltglieds 53 wird der Analogschalter 27 eingeschaltet, um von dem Gegenpolungs- Gleichspannungs-Einstellregler 26 auf den Normalpolungs- Gleichspannungs-Einstellregler 25 umzuschalten. Das Normalpo­ lungsschweißen wird gleichartig wie das Gegenpolungsschweißen entsprechend einem mittels des Normalpolungs-Gleichspannungs- Einstellreglers 25 eingestellten Wert gesteuert.

Wenn danach gemäß Fig. 5(c) der Eingangspegel L 1 im Vergleich zu dem Eingangspegel L 2 des Vergleichers 51 durch das Bemes­ sen der Zeitdauer des Ausgangssignals der Lichtbogendetektor­ schaltung niedrig wird, nimmt das Ausgangssignal S 10 (Fig. 5(e)) des Vergleichers 51 den Pegel H an, während das Aus­ gangssignal des Schaltglieds 53 auf den Pegel L wechselt. Infolgedessen werden von der Treiberschaltung 52 für die Wechselrichterschaltung 24 die Schaltelemente SW 5 und SW 8 abgeschaltet und die Schaltelemente SW 6 und SW 7 eingeschal­ tet, um von der Normalpolung auf die Gegenpolung umzuschal­ ten. Zugleich wird von dem Normalpolungs-Gleichspannungs- Einstellregler 25 auf den Gegenpolungs-Gleichspannungs-Ein­ stellregler 26 umgeschaltet.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird bei dem Wechsel von der Gegenpolung auf die Normalpolung der Schweißstrom unmittelbar vor dem Umpolen vermindert und die Schweißspannung unmittel­ bar nach dem Umpolen herabgesetzt. Wenn der Schweißstrom oder die Schweißspannung nicht auf diese Weise gesteuert wird, würde ein hoher Schweißstrom das abnormale Abwachsen der Tröpfchen verursachen.

Darüber hinaus nimmt die Temperatur eines während des Kurz­ schluß-Übertritts abfallenden großen Tröpfchens ab, so daß die Viskosität des Tröpfchens zunimmt, wodurch die Kurz­ schluß-Übertragung des Tröpfchens behindert ist, so daß das Einschnüren des freien Endes der Abschmelzelektrode eine längere Zeit beansprucht und in manchen Fällen der nicht geschmolzene Schweißdraht in die Schmelzmetallasche gestoßen wird, wodurch eine nicht zufriedenstellende ungleichmäßige Schweißraupe mit Einschnürungen oder eine unterbrochene Schweißraupe entsteht. Da auf diese Weise die Lichtbogenpe­ riode und die Kurzschlußperiode verlängert wird, wird dadurch die Kurzschlußfrequenz verringert oder über einem breiten Bereich verändert, wodurch die Gleichmäßigkeit bzw. Stabili­ tät des Schweißens verschlechtert ist. Weiterhin werden durch das übermäßige Anwachsen der Tröpfchen die Größe und Menge von Spritzern erhöht.

Die Maßnahmen für das Unterdrücken des Anwachsens der Tröpf­ chen bei dem Wechsel von der Gegenpolung zu der Normalpolung ändern sich entsprechend den Gegebenheiten. Wenn beispiels­ weise unmittelbar vor dem Umpolen nur der Gegenpolungs- Schweißstrom verringert wird, kann die Umpolungs-Bogenspan­ nung-Korrekturschaltung 61 weggelassen werden. Wenn nur un­ mittelbar nach dem Umpolen der Normalpolungs-Schweißstrom verringert wird, kann an den Ausgang des Schaltglieds 53, das das Umpolsignal abgibt, eine Differenzierschaltung ange­ schlossen werden, deren Ausgangssignal an den Verstärker 32 der Steuerschaltung angelegt wird, welche den von der Gleich­ spannungsquelle 11 abgegebenen Schweißstrom bestimmt.

Nachstehend werden die Ergebnisse von Schweißvorgängen mit dem Stromversogungssystem nach Fig. 1 und dessen Abwand­ lungsformen für das Unterdrücken des Anwachsens der Tröpfchen bei dem Wechsel von der Gegenpolung auf die Normalpolung beschrieben.

1. Steuerung zur Verringerung des Schweißstroms unmittelbar vor dem Umpolen:

Schweißbedingungen: Grundmetall: 1,2 mm dicke Platte, Stoß­ stelle: horizontale Überlappungsschweißstoßstelle, Spalt: 0,4 mm, Schutzgas: CO₂, Schweißdrahtdurchmesser: 1,2 mm, Drahtzu­ stellgeschwindigkeit: 4 m/min, Schweißgeschwindigkeit: 0,8 m/min, Polungsverhältnis (Normalpolungsanteil): 60%, Umpo­ lungsfrequenz: 50 Hz.

Ohne Steuerung des Schweißstroms oder der Schweißspannung ergab sich ein übermäßiges Anwachsen der Tröpfchen, eine Ungleichmäßigkeit des Lichtbogens und ein übermäßiges Sprit­ zen, so daß die Gleichmäßigkeit des Schweißens verschlechtert war. Die Kurzschlußhäufigkeit war auf 15 bis 25mal je Se­ kunde verringert. Wenn der Schweißstrom unmittelbar vor dem Umpolen verringert wurde, war das Anwachsen der Tröpfchen unterdrückt, die Kurzschlußfrequenz auf einen Wert in der Größenordnung von 60mal je Sekunde erhöht und der Lichtbogen stabilisiert.

2. Steuerung zum Vermindern der Schweißspannung unmittelbar nach dem Umpolen:

Schweißbedingungen: Grundmetall: 1,2 mm dicke Platte, Stoß­ stelle: horizontale Überlappungsschweißstoßstelle, Spalt: 0,4 mm, Schutzgas: CO₂, Schweißdrahtdurchmesser: 1,2 mm, Drahtzu­ stellgeschwindigkeit: 6 m/min, Schweißgeschwindigkeit: 1,2 m/min, Polungsverhältnis: 50%, Umpolungsfrequenz: 100 Hz.

Ohne die Steuerung des Schweißstroms oder der Schweißspannung ergab sich ein übermäßiges Anwachsen der Tröpfchen, eine Unstabilität des Lichtbogens und ein übermäßiges Spritzen, so daß die Gleichmäßigkeit des Schweißens verschlechtert war, wobei ferner eine zu schmale Schweißraupe gebildet wurde. Die Kurzschlüsse traten ungefähr 20mal je Sekunde auf. Wenn unmittelbar nach dem Umpolen die Schweißspannung herabgesetzt wurde, war das Anwachsen der Tröpfchen unterdrückt, die Kurz­ schlußfrequenz auf 50mal je Sekunde erhöht, der Lichtbogen stabilisiert und eine zufriedenstellende durchgehende Schweißraupe gebildet.

3. Steuerung zur Verminderung des Schweißstroms unmittelbar vor dem Umpolen und der Schweißspannung unmittelbar nach dem Umpolen:

Schweißbedingungen: Grundmetall: 1,6 mm dicke Platte, Stoß­ stelle: horizontale Überlappungsschweißstoßstelle, Spalt: 0,5 mm, Schutzgas: CO₂, Schweißdrahtdurchmesser: 1,2 mm, Drahtzu­ stellgeschwindigkeit: 9,5 m/min, Schweißgeschwindigkeit: 1,5 m/min, Polungsverhältnis: 70%, Umpolungsfrequenz: 300 Hz.

Ohne Steuerung des Schweißstroms und der Schweißspannung traten ein übermäßiges Anwachsen der Tröpfchen, eine Un­ gleichmäßigkeit des Lichtbogens und eine große Menge an großen Spritzern auf, wobei die Schweißraupe unterbrochen oder eingeschnürt war und das Eintunken von ungeschmolzenem Schweißdraht festzustellen war. Die Kurzschlüsse traten unge­ fähr 10mal je Sekunde auf. Wenn gemäß der Darstellung bei A in Fig. 5(b) und bei B in Fig. 5(a) der Schweißstrom bzw. die Spannung verringert wurden, war das Anwachsen der Tröpfchen unterdrückt, die Kurzschlußhäufigkeit in dem Bereich von 40 bis 45mal je Sekunde, der Lichtbogen stabilisiert, die An­ zahl großer Spritzer verringert und vergleichmäßigt und eine durchgehende Schweißraupe gebildet.

Vorstehend wurden zwar die Auswirkungen der Steuerung gemäß dem Ausführungsbeispiel bei dem CO₂-Schutzgas-Lichtbogen­ schweißen mit einem Volldraht beschrieben, jedoch können die gleichen Auswirkungen auch bei dem Wechselstrom-Lichtbogen­ schweißen mit einem Ar-CO₂-Schutzgas und bei dem Eigenschutz- Wechselstrom-Lichtbogenschweißen mit einem Draht mit Flußmit­ telkern erreicht werden.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung werden bei dem Ausfüh­ rungsbeispiel als Parameter für das Polungsverhältnis die Lichtbogenperioden außerhalb der Perioden der Kurzschlüsse zwischen der Abschmelzelektrode 2 und dem Grundmetall 3 her­ angezogen. Ein noch günstigeres Verfahren besteht darin, daß die Polung gewechselt wird, wenn die durch das Integrieren des Lichtbogen- bzw. Schweißstroms ermittelte Ladungsmenge einen vorbestimmten Wert erreicht. Die elektrische Ladungs­ menge ist ein optimaler Parameter für die Lichtbogenenergie, die direkt zum Schmelzen des Grundmetalls 3 beiträgt. Demge­ mäß wird unabhängig von Vibrationen der Schmelzmetallache, Änderungen der Schweißgeschwindigkeit, Änderungen des Draht­ vorschubs und Änderungen der Lichtbogenperioden und des Schweißstroms das Polungsverhältnis weiter stabilisiert, so daß daher das Polungsverhältnis niemals in großem Ausmaß von dem eingestellten Polungsverhältnis bzw. Polungsdauerverhält­ nis abweicht.

Anstelle der elektrischen Ladungsmenge kann die elektrische Leistung oder der integrierte Wert des Quadrats des Schweiß­ stroms herangezogen werden. Die Fig. 6 zeigt eine abgewandel­ te Form der Polungsverhältnis-Korrekturschaltung 44 nach Fig. 1 für das Heranziehen der elektrischen Ladungsmenge in der Lichtbogenperiode als Parameter für das Polungsverhältnis. Eine in Fig. 6 gezeigte Polungsverhältnis-Korrekturschaltung 83 enthält zwei logische Schaltglieder 76 und 77, die an den Ausgang des Schaltglieds 45 angeschlossen sind, und jeweils an die Ausgänge der Schaltglieder 76 und 77 angeschlossene Analogschalter 78 und 79 anstelle des Analogschalters 49 der Polungsverhältnis-Korrekturschaltung 44. An den Analogschal­ ter 79 ist ein Verstärker 80 für das Invertieren und Verstär­ ken des Ausgangssignals der Schweißstrom-Meßschaltung 58 nach Fig. 1 angeschlossen, während an den Analogschalter 78 eine Reihenschaltung aus Verstärkern 81 und 82 zum Verstärken des Ausgangssignals der Schweißstrom-Meßschaltung 58 angeschlos­ sen ist.

Bei dem Betrieb der Polungsverhältnis-Korrekturschaltung 83 gibt das Schaltglied 45 während des Kurzschlusses zwischen der Abschmelzelektrode 2 und dem Grundmetall 3 oder während einer Umpolperiode ein Ausgangssignal L ab, durch das die beiden Schaltglieder 76 und 77 Ausgangssignale L erzeugen, durch die die Analogschalter 78 und 79 ausgeschaltet werden. Bei diesem Zustand ist das Ausgangssignal der Polungsverhält­ nis-Korrekturschaltung 83 festgelegt, so daß die elektrische Ladungsmenge in den Perioden außerhalb der Lichtbogenperioden nicht integriert wird.

Wenn das Schaltglied 45 ein Ausgangssignal H abgibt, gibt auch das Schaltglied 76 oder 77 ein Ausgangssignal H ab, wodurch der dem Schaltglied 76 oder 77 entsprechende Analog­ schalter 78 oder 79 eingeschaltet wird, so daß die Polungs­ verhältnis-Korrekturschaltung 83 ein Meßsignal IF (+) aus der Schweißstrom-Meßschaltung 58 als einen Wert für die Sägezahn­ wellenerzeugung aufnimmt und dadurch die elektrische Ladungs­ menge integriert.

Diese Polungsverhältnis-Korrekturschaltung 83 kann durch irgendeine geeignete Einrichtung ersetzt werden, mit der durch das Integrieren des gemessenen Schweißstroms in den Perioden außerhalb der Perioden der Kurzschlüsse zwischen der Abschmelzelektrode 2 und dem Grundmetall 3 die elektrische Ladungsmenge ermittelbar ist.

Die in Fig. 1 gezeigten Teilschaltungen des Stromversorgungs­ systems können im Rahmen der Erfindung jeweils durch irgend­ welche äquivalente Schaltungen ersetzt werden. Beispielsweise können die als erste und zweite Richtleiterelemente dienenden Dioden durch Thyristoren mit Schaltelektroden ersetzt werden, die für das Leiten in einer Richtung ständig eingeschaltet sind, oder durch Schaltungen mit Zweiweg-Leiterelementen, die derart ausgebildet sind, daß sie zugleich die Funktion der Richtleiterelemente erfüllen.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, erge­ ben das beschriebene Stromversorgungssystem für das Ab­ schmelzelektroden-Lichtbogenschweißen und das Verfahren zum Steuern dieses Stromversorgungssystems folgende Vorteile:

Zwischen die Abschmelzelektrode und das Grundmetall wird eine Spannung angelegt, die die Schaltelemente nicht zerstört und die das erneute Zünden eines Lichtbogens ermöglicht, so daß die Polungsumkehr gleichmäßig und einfach in einer Lichtbo­ genperiode herbeigeführt werden kann, die Gleichmäßigkeit des Schweißens erhöht ist und der Schweißwirkungsgrad verbessert ist.

Die von der Drossel abgegebene Energie wird für das erneute Zünden eines Lichtbogens genutzt, so daß daher die Gleich­ spannungsquelle keine besonders hohe Leerlaufspannung haben muß und eine Hochspannungsquelle mit geringer Ausgangslei­ stung sein kann.

Das Polungsverhältnis bzw. Polungsdauerverhältnis kann unab­ hängig von der Art des Übertritts der Tröpfchen von der Abschmelzelektrode weg auf genaue Weise über einen weiten Schweißstrombereich von einem Schwachstrombereich bis zu einem Starkstrombereich auf ein gewünschtes Verhältnis ge­ steuert werden, wodurch das Anwendungsgebiet des Schutzgas- Lichtbogenschweißens erweitert ist.

Da die Steuerschaltung für das Steuern der Wechselrichter­ schaltung eine Lichtbogendetektorschaltung für das Erfassen der Lichtbogenperioden, nämlich der Perioden außerhalb derje­ nigen Perioden, in denen die Abschmelzelektrode und das Grundmetall kurzgeschlossen sind, und eine Umpolungssteuer­ schaltung enthält, die ein Umpolsignal abgibt, wenn eine während der Lichtbogenperiode gemessene Zeit mit einem vorbe­ stimmten Wert übereinstimmt, erfolgt der Polungswechsel ent­ sprechend dem Lichtbogenenergie-Zuführungszeit-Verhältnis zwischen dem Normalpolungsschweißen und dem Gegenpolungs­ schweißen statt gemäß dem Kurzschlußfrequenz-Verhältnis zwi­ schen diesen. Infolgedessen ist das Polungsverhältnis stabi­ lisiert und fein regelbar, so daß Schwankungen der Wärmezu­ fuhr verhindert sind und die Wärmezufuhr genau gesteuert werden kann, wodurch im Vergleich zu der herkömmlichen Schweißqualität die Schweißqualität verbessert ist. Da ferner das Umpolen entsprechend dem Lichtbogenenergie-Verhältnis zwischen dem Normalpolungsschweißen und dem Gegenpolungs­ schweißen vorgenommen wird, ist das Polungsverhältnis weiter stabilisiert und fein einstellbar, so daß die Schwankungen der Wärmezufuhr verhindert sind und die Wärmezufuhr auf ge­ naue Weise steuerbar ist, wodurch die Schweißqualität vergli­ chen mit der herkömmlichen Schweißqualität beträchtlich ver­ bessert ist.

Da der Sollwert für den Schweißstrom und/oder die Schweiß­ spannung unmittelbar vor und/oder unmittelbar nach dem Umpo­ len bei dem Wechsel der Polung der Schweißspannung von der Gegenpolung auf die Normalpolung vermindert wird, sind ein übermäßiger Abbrand der Abschmelzelektrode und ein abnormales Anwachsen der Schmelzmetalltröpfchen unterdrückt. Infolgedes­ sen sind Verringerungen und Schwankungen der Kurzschlußfre­ quenz verhindert, wobei ein stabiler Lichtbogen erzeugt wird und ein Schweißen mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht ist. Auf diese Weise wird eine der Umpolung zuzuschreibende Ver­ schlechterung der Gleichmäßigkeit des Schweißens verhindert und ein optimales Abschmelzelektroden-Wechselstrom-Lichtbo­ genschweißen erreicht.

Es werden ein Stromversorgungssystem für das Abschmelzelek­ troden-Lichtbogenschweißen, bei dem eine zwischen die Ab­ schmelzelektrode und das Grundmetall angelegte Gleichspannung zwischen Normalpolung und Gegenpolung umgepolt wird, und ein Verfahren zum Steuern des Stromversorgungssystems angegeben. Das Stromversorgungssystem enthält eine Schaltung, durch die nach dem Umpolen auf zuverlässige Weise das erneute Zünden des Lichtbogens erreicht wird. Ferner wird in dem Stromver­ sorgungssystem das Umpolen dann herbeigeführt, wenn die Dauer der Lichtbogenperiode oder die während der Lichtbogenperiode zugeführte Ladungsmenge einen vorbestimmten Wert erreicht. Hierdurch wird ein gleichbleibendes und fein einstellbares Verhältnis zwischen der Dauer der Normalpolung und der Dauer der Gegenpolung erzielt. Bei dem Verfahren wird das Stromversorgungssystem derart gesteuert, daß der Sollwert für den Schweißstrom und/oder die Schweißspannung unmittelbar vor und/oder unmittelbar nach dem Umpolen von der Gegenpolung auf die Normalpolung verringert wird, wodurch ein übermäßiger Abbrand der Abschmelzelektrode und ein übermäßiges Anwachsen der Schmelzmetalltröpfchen verhindert werden.

Claims (4)

1. Stromversorgungssystem zum Abschmelzelektroden-Lichtbogen­ schweißen, bei dem zwischen ein Grundmetall und eine zu dem Grundmetall hin zugestellte Abschmelzelektrode eine Schweiß­ gleichspannung abwechselnd in Normalpolung und in Gegenpolung angelegt wird, gekennzeichnet durch
eine Gleichspannungsquelle (11) zum Erzeugen der zwi­ schen das Grundmetall (3) und die Abschmelzelektrode (2) anzulegenden Schweißgleichspannung,
eine an den Ausgang der Gleichspannungsquelle ange­ schlossene Drossel (22),
eine über die Drossel an die Gleichspannungsquelle ange­ schlossene Wechselrichterschaltung (24) mit mehreren Schalt­ elementen (SW 5 bis SW 8) für das Umpolen der zwischen das Grundmetall und die Abschmelzelektrode angelegten Schweiß­ gleichspannung und mit jeweils zu den Schaltelementen paral­ lel geschalteten ersten Richtleiterelementen,
eine zu der Wechselrichterschaltung parallel geschaltete Reihenschaltung aus einem zweiten Richtleiterelement (13) und einem Kondensator (14), und
eine Spannungszuführschaltung (100) zum Anlegen einer Gleichspannung an den Kondensator.

2. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Wechselrichter-Steuerschaltung zum Steuern der Wechselrichterschaltung (24) mit einer Lichtbogendetektor­ schaltung (38, 41) zum Erfassen von Lichtbogenperioden außer­ halb von Kurzschlußperioden, in denen das Grundmetall (3) und die Abschmelzelektrode (2) kurzgeschlossen sind, und mit einer Umpolsteuerschaltung (44, 50, 51), die ein Umpolsignal abgibt, wenn die durch das Messen der Dauer des Ausgangssi­ gnals der Lichtbogendetektorschaltung ermittelte Lichtbogen­ dauer mit einem vorbestimmten Wert übereinstimmt.

3. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Wechselrichter-Steuerschaltung mit einer Lichtbo­ gendetektorschaltung (38, 41) zum Erfassen von Lichtbogenpe­ rioden außerhalb von Kurzschlußperioden, in denen das Grund­ metall (3) und die Abschmelzelektrode (2) kurzgeschlossen sind, und einer Umpolsteuerschaltung (50, 51, 83), die ein Umpolsignal abgibt, wenn eine durch Integrieren des der Ab­ schmelzelektrode während der Fortdauer des Ausgangssignals der Lichtbogendetektorschaltung zugeführten Schweißstroms (If) ermittelte elektrische Ladungsmenge mit einem vorbe­ stimmten Wert übereinstimmt.

4. Verfahren zum Steuern eines Stromversorgungssystems zum Abschmelzelektroden-Lichtbogenschweißen, bei dem für das Schweißen zwischen ein Grundmetall und eine zu dem Grundme­ tall hin zugestellte Abschmelzelektrode eine Gleichspannung abwechselnd in Normalpolung und in Gegenpolung angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für den Schweißstrom und/oder die Schweißspannung unmittelbar vor und/oder unmit­ telbar nach dem Umpolen der zwischen das Grundmetall und die Abschmelzelektrode angelegten Gleichspannung von der Gegenpo­ lung auf die Normalpolung verringert wird.