CH629134A5 - Vorrichtung zum mig-impulslichtbogenschweissen. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum MIG-Impulslichtbogenschweissen mit je einem Stromkreis für die Erzeugung eines Grundstromanteils und Impulsstromanteils des Schweissstroms, wobei der Stromkreis für die Erzeugung des Impulsstromanteils einen Regler zur Kompensation der Netzspannungsschwankungen und zur Vermeidung von Einschwingvorgängen beim Zünden des Lichtbogens enthält.

Die bekannten Impulsstromquellen liefern einen Grundstromanteil und einen Impulsstromanteil für den Licht-bogen-Schweissstrom. Die Praxis zeigt jedoch, dass das MIG-Schweissen mit den bekannten Impulsstromquellen folgende Nachteile hat:

1. Das Bedienen der Impulsstromquelle ist sehr umständlich, da verschiedene und unbekannte Parameter durch die Bedienungsperson eingestellt werden müssen. Die Bedienungsperson stellt ein:

- die Pulsfrequenz mittels Schalter

- die Pulsbreite mittels Potentiometer

- die Grundspannung mittels Stufenschalter

- die Drahtvorschubgeschwindigkeit mittels Potentiometer.

Die Bedienungsperson kennt jedoch die optimale Kombination der folgenden Parameter im allgemeinen nicht, wie

- Pulsfrequenz

- Pulsbreite

- Grundspannung

- Drahtvorschubgeschwindigkeit.

Damit die richtige Kombination der Parameter an der Schweissmaschine trotz dieser Ungewissheiten eingestellt werden kann, wird in der Betriebsanleitung eine mehr oder weniger umfangreiche Einstelltabelle aufgeführt, welche die Bedienungsperson erst nach intensivem Studium und langem Probieren einigermassen beherrscht. Hinzu kommt noch, dass die in der Einstelltabelle gegebenen Einstelldaten nur Richtwerte sind, die bei bestimmten Randbedingungen, wie z.B. eine bestimmte Spannung des Stromversorgungsnetzes, ein vorgegebenes Material der zu verschweissenden Teile sowie eine bestimmte Geometrie dieser Teile, ein vorgegebenes Schutzgas gelten. Dies zeigt die Schwierigkeiten zum richtigen Einstellen der Schweissparameter. Beim MIG-Impuls-schweissen liegt das Verhältnis Impulsstrom zu Grundstrom, welches gute Schweisseigenschaften bewirkt, in einem sehr engen Bereich. Dies bedeutet, dass die Parameter bei jeder Schweissarbeit sehr genau eingestellt werden müssen. Diese genaue Einstellung ist jedoch mehr oder weniger Gefühlssache der Bedienungsperson, da die erwähnte Einstelltabelle lediglich Richtwerte bei bestimmten und idealisierten Randbedingungen darstellt.

2. Die bekannten Stromquellen sind abhängig von den Schwankungen im Stromversorgungsnetz.

3. Wegen des komplizierten Aufbaus der bekannten Impulsstromquellen ist ihre Herstellung sehr kostspielig.

4. Die bekannten Impulsstromquellen bringen öfters Schwierigkeiten beim Zünden des Lichtbogens. Diese Schwierigkeit entsteht dadurch, dass beim Einschalten der Impulsstromquelle der Grundstromanteil ansteigt und sehr oft gleichzeitig ein Impuls des impulsförmigen Stromteils vorhanden ist, so dass die gesamte Stromspitze während des Zündvorganges extrem hoch ansteigt. Diese plötzlich frei werdende hohe Energie führt zu einer schlechten Schweiss-naht oder zur Betriebsstörung, die durch Verschweissen der Drahtelektrode am Kontaktrohr der Schweisspistole entstehen.

In der DE-ÓS 1 945 517 ist eine Impulsstromquelle zur Behebung nur eines Teiles der genannten Nachteile beschrieben. Die Schwankungen der Netzspannung sowie die Einschwingvorgänge beim Zünden des Lichtbogens werden kompensiert. Die Schwierigkeiten der optimalen Einstellung der Schweissparameter während des gesamten Schweissvor-ganges mit seinen vielfältigen Instabilitäten bleiben weiterhin bestehen.

Die Erfindung hat die Aufgabe, diese Nachteile zu vermeiden und den gesamten Schweissvorgang zu harmonisieren.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die gesamte Schaltungsanordnung der Impulsstromquelle;

Fig. 2 die Schaltung des dem Grundstromkreis zugeordneten Reglers;

Fig. 3 die Schaltung des dem Impulsstromkreis zugeordneten Reglers;

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Schweissspannung und des Schweissstromes während der Zündung des Lichtbogens.

Die Impulsstromquelle der Fig. 1 wird durch Einschalten des Hauptschalters 1 eingeschaltet. Die Spannung, welche aus dem Stromversorgungsnetz geliefert wird, gelangt nun auf den nachgeordneten Leistungstransformator 2. Dieser Leistungstransformator ist in Wirklichkeit 3-phasig konstruiert. Zur besseren Illustration ist die gesamte Schaltungsanordnung der Impulsstromquelle der Fig. 1 1-phasig gezeichnet. Der Leistungstransformator 2 ist die Stromquelle

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für den aus dem Stellglied 3 und der Induktivität 4 bestehenden Stromkreis für den Grundstrom. Der Leistungstransformator 2 speist ferner den mit dem Stellglied 5 versehenen Impulsstromkreis. Die beiden Stromkreise gelangen parallel zur gemeinsamen Induktivität 6. Am Ausgang der Induktivität 6 liegt ein Schweissstrom, der aus dem Grundstromanteil und Impulsstromanteil besteht. Dieser Schweissstrom gelangt in eine Steckeinheit des Drahtvorschubgerätes 7. Wie bekannt, befindet sich in diesem Drahtvorschubgerät die Draht-Elektrode, welche auf einer grossen Rolle in einer Länge von ca. 100 m aufgerollt ist. Die Drahtelektrode wird durch einen Fördermechanismus, der in dem Drahtvorschubgerät 7 angeordnet ist, in Richtung Schweisspistole 8 und weiter zur Schweissstelle transportiert. Der Schweissstrom wird vom Drahtvorschubgerät 7 zum Handgriff der Schweisspistole 8 gegeben. Die Leitungen für das für den Schweissvorgang notwendige Schutzgas sowie für die Kühlung sind in der Fig. 1 nicht eingezeichnet.

Gemäss Fig. 1 wird das Stellglied 3 für den Grundstromkreis durch einen Regler 200 angesteuert. Das Stellglied 5, welches im Impulsstromkreis angeordnet ist, wird durch den Regler 300 angesteuert.

Die Wirkungsweise der Schaltung der Fig. 1 wird nun beschrieben. Nach Schliessen des 3-phasigen Hauptschalters 1, der z. B. ein mechanischer Schalter sein kann, gelangt die Spannung aus dem Stromversorgungsnetz auf den Leistungstransformator 2, welcher diese Spannung auf den gewünschten Wert heruntertransformiert. Der Leistungstransformator besitzt auf seiner sekundären Seite eine 3-phasige Leistungswicklung für die Versorgung des Grundstromkreises, eine 1-phasige Leistungswicklung für die Versorgung des Impulsstromkreises und einige andere Wicklungen für Steuerspannungen zu den einzelnen Elementen. Das Stellglied 3 muss elektronisch gesteuert werden können und für den Strom gleichrichtende Wirkung haben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde das Stellglied mit einer halbgesteuerten Drehstrombrücke realisiert. Eine solche Drehstrombrücke besteht bekanntlich aus drei Dioden und drei Thyristoren. Der Regler 200 steuert über seine Leitungen 201 die Steuerelektroden der Thyristoren an, so dass durch Phasen-Anschnittsteuerung der am Ausgang des Stellglieds 3 erscheinende Grundstromanteil die vorgegebene und gewünschte Amplitude aufweist. Dies erfolgt dadurch, dass zwischen den beiden Ausgangsleitungen des Stellglieds 3 die Schweissspannung abgegriffen und als IST-Wert über die Leitungen 202 in den Regler 200 gegeben wird. In dem Regler 200 wird ein vorgegebener SOLL-Wert mit diesem IST-Wert verglichen. Entsprechend dieses Vergleichs werden über die Leitungen 201, von denen der Einfachheit halber nur eine in der Fig. 1 dargestellt ist, die Steuerelektroden der Thyristoren im Stellglied 3 angesteuert. Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass im Eingang des Stellglieds 3 ein 3-phasiger Wechselstrom und im Ausgang ein Gleichstrom fliessen muss. Der Gleichstrom gelangt nun in die Induktivität 4, welche zur Verbesserung der Schweisseigen-schaften vorgesehen ist. Bevor die weitere Wirkungsweise diskutiert wird, wird nun der Impulsstromkreis besprochen. Vom Leistungstransformator 2 gelangt eine 1-phasige Leitung auf das Stellglied 5, welches im Impulsstromkreis angeordnet ist. Das Stellglied 5 kann als halbgesteuerte Ein-phasen-Brücke mit zwei Dioden und zwei Thyristoren ausgebildet sein oder nur mit einem einzigen Thyristor bestückt sein. Die am Ausgang des Stellglieds 5 liegenden Impulse sind netzsynchron, d.h., sie haben die gleiche Frequenz wie das Stromversorgungsnetz bei Einweggleichrichtung. Bei Zweiweggleichrichtung haben die Impulse die doppelte Frequenz wie das Strom Versorgungsnetz. Es besteht auch die Möglichkeit, die Impulsfrequenz bei beiden Gleichrichter-

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verfahren durch Unterdrückung entsprechender Halbwellen zu reduzieren. Dies wird durch den Regler 300 über die Leitungen 301 gesteuert. Über die Leitungen 302 erhält der Regler 300 netzspannungsproportionales Führungssignal. Der Regler 300 wird im Zusammenhang mit der Fig. 3 noch näher diskutiert. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 gelangen die Impulse aus dem Stellglied 5 in Parallelschaltung zu dem Grundstrom aus der Induktivität 4 auf die weitere Induktivität 6. Beide Induktivitäten dienen zur einwandfreien Kommutierung zwischen Grund- und Pulsstrom. Der Schweissstrom, der nun aus einem geregelten Grundstromkreis und aus einem geregelten Impulsstromkreis entnommen wird, wird weitergeführt auf entsprechende Steckanschlüsse des Drahtvorschubgerätes 7 und auf die Schweisspistole 8. Das Drahtvorschubgerät 7 wird von einem Regler 9 in seiner Vorschubgeschwindigkeit geregelt. Diese Regelung erfolgt in der Weise, dass eine der Vorschubgeschwindigkeit proportionale Spannung über die Leitungen 92 in den Regler gegeben wird. Die Bedienungsperson stellt den SOLL-Wert am Regler 9 so ein, dass die Kombination der Schweissparameter optimal ist. Der Vergleich zwischen den beiden Werten aus den Leitungen 92 und dem eingestellten SOLL-Wert ergibt ein Steuersignal, welches über die Leitung 91 auf das Drahtvorschubgerät 7 gegeben wird. Die Vorschubgeschwindigkeit wird entsprechend diesem Steuersignal eingehalten. Die drei Regler 9, 200 und 300 können miteinander so zusammenarbeiten, dass bei einem vorgegebenen und gewünschten Schweissparameter die beiden anderen Schweissparameter gesteuert werden. Die Schweissparameter sind Spannung, Strom und Vorschubgeschwindigkeit. Dies ist besonders vorteilhaft beim automatischen Schweissen oder beim überwachten Schweissen. Diese gesamte Schweiss-stromquelle ist infolge der drei Regler fernbedienbar, was vorteilhaft ist, wenn die eigentliche Schweissstelle in einer gewissen Entfernung zur Maschine vorgesehen ist.

Die Fig. 2 zeigt die Schaltungsanordnung des Reglers 200, der im Grundstromkreis der Fig. 1 angeordnet ist. Beim Handschweissen stellt die Bedienungsperson den SOLL-Wert der gewünschten Schweissspannung am Sollwertgeber 203 ein. Diese Handeingabe kann auch ersetzt werden durch eine automatische Eingabe. Dies ist beim automatischen Schweissen der Fall. Die Leitungen 202 greifen an den beiden Ausgangsleitungen des Stellglieds 3 den IST-Wert der Schweissspannung ab. Der Integrator 204 bildet mittels einer bestimmten Zeitkonstanten den linearen Mittelwert der pulsierenden Schweissspannung. Dieser lineare Mittelwert wird als IST-Wert auf die Vergleichsstelle 205 gegeben. Die Differenz zwischen dem SOLL-Wert und dem IST-Wert gelangt auf den PI-Regler 206. Die beiden Bauelemente 205 und 206 werden auch als summierender Verstärker mit PI-Charak-teristik bezeichnet. Entsprechend dem Ausgangssignal aus dem PI-Regler 206 werden in der Steuerschaltung 207 die für das Stellglied 3 notwendigen Steuerimpulse gebildet. Diese Steuersignale für die im Stellglied 3 angeordneten Thyri-. stören erscheinen auf den Leitungen 201. Entsprechend diesem Steuersignal werden die Thyristoren mit einem Phasen-Anschnittswinkel eingeschaltet. Wenn im gleichrichtenden Stellglied 3 andere Bauteile anstelle der Thyristoren vorgesehen sind, so muss die Steuerschaltung 207 für die Bildung der dafür notwendigen Steuersignale ausgebildet sein. Der IST-Wert des Reglers 200 für das Stellglied 3 im Grundstromkreis gemäss den Fig. 1 und 2 ist die Schweissspannung, bestehend aus einem Grund- und einem Impulsspannungsanteil. Dies hat den Vorteil, dass die gesamte Stromquelle spannungsgeregelt ist. Diese Schaltung ermöglicht es, die störenden Netzspannungsschwankungen zu eliminieren.

Der Regler 300, welcher das Stellglied 5 im Impulsstromkreis regelt, wird anhand der Fig. 3 näher beschrieben. Der

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eigentliche Regelkreis besteht aus dem Sollwertgeber 304, der Vergleichsstelle 305, dem Regler 306, der Zündimpulsschaltung 307. der Regelstrecke 303, der IST-Werterfassung 308 und dem Integrator 309. Zusätzlich wirkt über die Vergleichsstelle 305 die Störgrössenaufschaltung, bestehend aus s der Störgrössenaufbereitung 311, der Störgrössenerfassung 312 und dem Integrator 313 auf den Regelkreis. Die Störgrössenaufbereitung 311 und die Regelstrecke 303 werden von der über Leitung 302 zugeführten Spannung gespiesen. Die Spannung an dieser Leitung ist synchron mit der Span- io nung an der Primärwicklung des Leistungstransformators 2 und proportional der Netzspannung. Während die an der Sekundärwicklung zur Speisung des Stellgliedes 5 liegende Spannung lastabhängig ist (infolge Schweissvorgang), ist die an der andern Wicklung und somit an Leitung 302 liegende is Spannung im wesentlichen lastunabhängig. Die Regelstrecke 303 ist eine Nachbildung des Stellgliedes 5. Beim Zündvorgang wird das Stellglied 5 um die Zeit t5 verzögert durch das Relais 314 zugeschaltet. Mit dieser Schaltungsanordnung wird erreicht, dass das Stellglied 5 keinem Einschwing- 2o Vorgang des Reglers 300 unterworfen ist. Der Zündvorgang wird im Zusammenhang mit der Fig. 4 noch näher diskutiert. Im Sollwertgeber 304 wird der SOLL-Wert für den notwendigen Phasenanschnittwinkel, welcher mit Hilfe des Stellglieds 5 erzeugt werden soll, eingegeben. Dieser SOLL- 25 Wert ist abhängig von Material und Durchmesser der zu verschweissenden Drahtelektrode und muss von der Bedienungsperson eingegeben werden. Durch die anhand der Fig. 3 beschriebene Anordnung wird - wie in Fig. 1 ersichtlich - über das Stellglied 5, Induktivität 6, Drahtvorschubgerät 7 und Schweisspistole 8 der Schweissstelle, unabhängig von Netzspannungsschwankungen, die notwendige Pulsleistung zugeführt.

Die Fig. 4 zeigt den Spannungsverlauf Us und den Stromverlauf Is während des Zündvorganges des Lichtbogens. Aus dieser Figur geht hervor, dass infolge der besonderen Anordnung der Stellglieder 3 und 5 im Grund- und Impulsstromkreis in Zusammenarbeit mit den beiden Reglern 200 und 300 während des Zündvorgangs des Lichtbogens zwischen der Drahtelektrode (Schweisspistole 8) und dem zu verschweissenden Gut der Impulsstrom erst nach einer gewissen Zeitverzögerung ts dem Grundstromanteil zugeschaltet wird. Die Zuschaltung des Impulsstromes 400 zum Grundstrom 401 erfolgt nach der Zeitverzögerung ts. Bei der Schweissspannung Us liegen die gleichen Verhältnisse vor wie beim Schweissstrom. Auch dort wird der impuls-förmige Spannungsanteil 402 nach der Zeitverzögerung ts dem Grundspannungsanteil 403 zugeschaltet. Der Vorteil dieses Vorganges liegt auf der Hand, da bei gleichzeitigem Zuschalten von Grundstromkreis und Impulsstromkreis der extrem hohe Energiestoss eine einwandfreie Zündung des Lichtbogens verhindert. Der Zündvorgang müsste in diesem Falle mehrmals wiederholt werden, was bei der erfindungs-gemässen Vorrichtung nicht der Fall ist.

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2 Blatt Zeichnungen

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629 134 PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum MIG-Impulslichtbogenschweissen mit je einem Stromkreis für die Erzeugung eines Grundstromanteils und Impulsstromanteils des Schweissstroms, wobei der Stromkreis für die Erzeugung des Impulsstromanteils einen Regler zur Kompensation der Netzspannungsschwankungen und zur Vermeidung von Einschwingvorgängen beim Zünden des Lichtbogens enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkreis für die Erzeugung des Grundstromanteils einen Regler (200) mit einem Schaltkreis (202, 204) zur Erfassung von lastabhängigen Schwankungen der Lichtbogenspannung enthält, der ein die Höhe des Grundstromanteils steuerndes Stellglied (3) beeinflusst, und der im Stromkreis zur Erzeugung des Impulsstromanteils enthaltene Regler (300) ein Stellglied (5) beaufschlagt und einen Schaltkreis (311, 312, 313) zur Störgrössenaufschaltung der Speisespannung aufweist (Fig. 1).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis des im Stromkreis für den Grundstromanteil vorgesehenen Reglers (200) aus einem Integrator (204) besteht zur Bildung eines Mittelwertes der lastabhängigen Schwankungen der Lichtbogenspannung, der aus-gangsseitig den Mittelwert einer Vergleichsstelle (205) zuführt, die den Mittelwert von einem SOLL-Wert, der in einem SOLL-Wertgeber (203) erzeugt ist, subtrahiert und den Regelfehler an eine ein Stellglied (3) des Stromkreises für den Grundstromanteil steuernde Schaltungsanordnung (206, 207,201) gibt (Fig. 2).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis (304, 305, 307, 303, 308, 309) und der Störgrössenaufschaltungsschaltkreis für den Impulsstromanteil von einer netzspannungsproportionalen, lastunabhängigen Führungsgrösse gesteuert werden (Fig. 3).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (300) im Stromkreis für den Impulsstromanteil eine Regelstrecke (303) enthält, die funktions-mässig eine Abbildung des Stellgliedes (5) ist und von einer netzproportionalen, lastunabhängigen Führungsgrösse gesteuert wird (Fig. 3).