DE10033387C2 - Verfahren und Gerät zum Schweißen oder Löten von Metall mittels Impulslichtbogen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen oder Löten von Metall mittels Impulslichtbogen und insbesondere unter Schutzgas, wobei mittels einer elektrischen Stromquelle ein mit einer Impulsfrequenz pulsierender Lichtbogenstrom mit durch Spannungsimpulse bewirkten Stromimpulsen erzeugt wird, wobei jeweils zwischen den Stromimpulsen Grundstromintervalle mit einem Grundstrom zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens gebildet werden.

Ferner betrifft die Erfindung auch ein Gerät zum Schweißen oder Löten von Metall mittels Impulslichtbogen, unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einer Stromquelle zum Anschluß an ein Werkstück und an eine Elektrode sowie mit einer die Stromquelle steuernden Steuereinrichtung.

Aus der DE-OS 37 42 402 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutzgasschweißen bekannt. Bei diesem Verfahren sind fünf Schweißparameter, und zwar insbesondere die Drahtvorschubgeschwindigkeit, der Grundstrom, bzw. die Grundspannung, der Pulsstrom bzw. die Pulsspannung, die Grundzeit sowie die Pulszeit vorgebbar. Um die Abstimmung der Schweißparameter zu erleichtern und um die Art des Werkstoffübergangs zu steuern und zu definieren, wird eine mathematische Bestimmung der Prozeßparameter mit Qualitätsvorherwahl offenbart. Hierdurch soll von einem Schweißdraht eine Ablösung eines Tropfens mit konstantem Durchmesser erreicht werden, wenn die Energieeinbringung in der Pulsphase mit zunehmender Frequenz vergrößert wird. Dieses Verfahren hat sich zum Schweißen von Kehlnähten bei relativ dickwandigen Grundwerkstoffen und zum Auftragschweißen bei sogenannten "schwarzen Werkstoffen" bewährt.

Die DE-OS 41 28 175 A1 offenbart ein Lichtbogenschweißgerät. Mit diesem Lichtbogenschweißgerät wird es durch eine interne Schaltung ermöglicht, auf einen mechanischen Umschalter zum Umschalten von Wechselstromschweißbetrieb auf Gleichstromschweißbetrieb und umgekehrt zu verzichten. Diese Schaltung ermöglicht also den Einsatz von Wechselrichtern bei Lichtbogenschweißgeräten unter Sicherstellung des Lichtbogenbetriebes, ohne daß jedoch unzulässig hohe Sperrspannungen die Halbleiterschalter in den Wechselrichterdiagonalen zerstören könnten. Hierbei wird der Lichtbogen nach dem Zünden durch einen Hochspannungsimpulsgeber aufrechterhalten, so daß dieser nicht abreißt.

Bei bekannten Geräten zum Impulsbogenschweißen wurde eine spezielle Lichtbogenlängenregelung (LBL-Regelung) eingesetzt, siehe z. B. DE 41 21 237 A1. Diese dem eigentlichen Impulsverlauf überlagerte Regelung hat die Aufgabe, zum Beispiel bei automatisierten Schweißbrennerführungen Werkstücktoleranzen und damit verbundene unterschiedliche Lichtbogenlängen auszugleichen und auch bei manuell geführten Schweißungen die hier unvermeidlichen Abstandsschwankungen zu kompensieren. Die Lichtbogenlänge ist bestimmt durch den Abstand zwischen dem Ende der abschmelzenden Drahtelektrode und dem Werkstück. Ein Maß für die Lichtbogenlänge ist die Lichtbogenspannung, die in der Grundstromphase gemessen wird. Bisher übliche LBL-Regelungen wirken beispielsweise auf die Pulsbreite, die Pulshöhe, die Grundstromhöhe, die Pulsfrequenz oder auf die Kombination der vorgenannten Parameter. Die elektronische Regelschaltung kann dazu so aufgebaut sein, daß ein vorgegebener Sollwert mit dem Istwert der Lichtbogenspannung verglichen wird. Die daraus resultierende Stellgröße variiert dann einen oder eine Kombination der zuvor genannten Parameter, um eine Längenänderung auszugleichen. Für jede Drahtelektrode gibt es aber einen optimal aufeinander abgestimmten Parametersatz bestehend aus: Pulshöhe, Pulsbreite, Grundstrom, Frequenz und Drahtfördergeschwindigkeit, um eine optimale Tropfenablösung und damit einen sicheren Schweißprozeß zu gewährleisten. Jeder Eingriff der beschriebenen herkömmlichen LBL-Regelungen verschlechtert somit dieses optimale Zusammenspiel der Pulsparameter.

Bei einem bekannten Verfahren zum Metall-Schutzgas-Lichtbogenschweißen, oftmals auch MIG/MAG-Schweißen genannt (MIG = Metall-Inertgas/MAG = Metall-Aktivgas), brennt zwischen einer abschmelzenden Metall(-draht)-elektrode und dem Schweiß­ schmelzbad des jeweiligen Werkstückes ein Lichtbogen unter einem Schutzgas, wobei ein Lichtbogenstrom fließt. Dabei wird periodisch mit einer bestimmten Impulsfrequenz zwischen einem relativ hohen Stromimpuls und einem niedrigeren Grundstrom umgeschaltet, wobei der Grundstrom so bemessen ist, daß er die Ionisation der Lichtbogenstrecke und damit den Lichtbogen aufrecht erhält. Ein Werkstoff-Übergang von der abschmelzenden Elektrode zum Werkstück erfolgt nahezu ausschließlich in den Impulsintervallen. Bei einer optimalen Einstellung von Elektrodenvorschub und Stromquellen-Parametern sollte sich ein Schmelztropfen pro Impuls von der Elektrode ablösen und kurzschlußfrei zum Werkstück übergehen.

Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß dieses bekannte Verfahren noch nicht optimal zum Schweißen beispielsweise von dünnen Stahlblechen und Leichtmetallwerkstoffen geeignet ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren so zu verbessern, daß es optimal für ein breiteres Anwendungsspektrum geeignet ist, so insbesondere zum Schweißen oder Löten von dünneren Blechen und/oder Leichtmetallen. Ferner soll auch ein dementsprechendes Gerät insbesondere zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe zunächst bezüglich des Verfahrens dadurch gelöst, daß jeweils während der Grundstromintervalle über eine bestimmte Austastzeit hinweg der Lichtbogenstrom zum Abreißen des Lichtbogens abgeschaltet wird und am Ende der jeweiligen Austastzeit der Lichtbogen mittels eines kurzzeitigen Zündspannungsimpulses wieder kurzschlußfrei gezündet wird.

Das erfindungsgemäße Gerät weist dazu ein parallel zur Stromquelle mit Werkstück und Elektrode zu verbindendes Zündgerät zur Erzeugung von Zündspannungs­ impulsen zum kurzschlußfreien Zünden des Lichtbogens auf.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß in vielen Anwendungsfällen die bei Durchführung des bekannten Verfahrens in das jeweilige Werkstück eingebrachte Energie eigentlich zu hoch ist, weil der Lichtbogen ja auch zwischen den Stromimpulsen durch den Grundstrom und die dadurch erreichte fortgesetzte Ionisation aufrechterhalten wird.

Im Gegensatz dazu kann durch die Erfindung die Wärmeeinbringung und somit die Streckenenergie wesentlich verringert werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Austastzeit bezüglich ihrer zeitlichen Länge und/oder bezüglich ihrer Lage innerhalb des Grundstromintervalls variabel ist. Dadurch können alle Parameter optimal an den jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden, so daß eine gezielt einstellbare Energie und Einbrandtiefe erreicht werden. Zudem wird auch eine deutlich erhöhte Spaltüberbrückbarkeit erreicht. Dabei ist die Energieeinbringung über die Austastzeit steuerbar. Je größer bzw. länger die Austastzeit bei vorgegebener Impulsfrequenz gewählt wird, umso niedriger werden die Mittelwerte von Strom, Spannung und der daraus resultierenden Leistung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.

Anhand der Zeichnungen soll im folgenden die Erfindung beispielhaft genauer erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Gerätes und

Fig. 2 Diagramme von a) Spannungs- und b) Stromverlauf zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Funktion des erfindungs­ gemäßen Gerätes.

Gemäß Fig. 1 besteht ein erfindungsgemäßes Gerät 1 zum elektrischen Lichtbogen- Impulsschweißen oder -löten aus einer Stromquelle 2, die über Leitungen 4, 6 an ein Werkstück 8 und an eine Elektrode 10 anschließbar ist. Die Elektrode 10 ist bevorzugt Bestandteil eines Schweißbrenners 12, über den ein Schutzgas in den Bereich eines zwischen Elektrode 10 und Werkstück 8 erzeugten Lichtbogens zugeführt wird. Die Stromquelle 2 erzeugt - wie im folgenden noch genauer erläutert werden wird - einen mit einer bestimmten Impulsfrequenz f = 1/T pulsierenden Lichtbogenstrom I durch eine entsprechende Spannung U. Zum Steuern der Abläufe weist das Gerät 1 eine Steuereinrichtung 14 auf, die über eine Steuerleitung 16 die Stromquelle 2 ansteuert. Bevorzugt weist der Schweißbrenner 12 Antriebsmittel 18 zum Vorschub der Elektrode 10 entsprechend dem jeweiligen Elektroden-Abbrand auf, wozu die Antriebsmittel 18 über eine weitere Steuerleitung 20 mit der Steuereinrichtung 14 verbunden sind. Vorzugsweise steuert die Steuereinrichtung 14 die Antriebsmittel 18 so an, daß der Vorschub (Pfeil 22) der Elektrode 10 auf die Impulsfrequenz f abgestimmt ist.

Erfindungsgemäß weist das Gerät 1 weiterhin ein Zündgerät 24 auf, welches parallel zur Stromquelle 2 über Leitungen 26, 28 ebenfalls mit dem Werkstück 8 und der Elektrode 10 verbindbar ist. Das Zündgerät 24 ist zur Stromquelle 2 über eine Impedanz 30 entkoppelt, die im dargestellten Beispiel in der Leitung 4 zwischen Stromquelle 2 und Elektrode 10 bzw. Schweißbrenner 12 liegt. Auch das Zündgerät 24 wird von der Steuereinrichtung 14 angesteuert, und zwar über eine weitere Steuerleitung 32.

Es soll nun anhand der Fig. 2 die Funktion des Gerätes 1 bzw. der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens genauer erläutert werden. Das Diagramm a) zeigt den Verlauf der Spannung U zwischen Elektrode 10 und Werkstück 8 und das Diagramm b) den Verlauf des über den Lichtbogen fließenden Stromes I.

Über eine Periode T hinweg wird bei bestehender Lichtbogenstrecke zunächst im Zeitpunkt t_A ein Spannungsimpuls mit ansteigender Flanke bis auf eine Spannung U_A (z. B. 32 V) eingeleitet, woraus ein entsprechender Stromimpuls mit einem Wert I_A (z. B. 360 A) resultiert. Dieser Stromimpuls I_A in der Zeitspanne T_A (von z. B. ca. 1,8 ms) bewirkt eine schnelle Erwärmung der Elektrode 10 und eine Bildung von einschnürenden magnetischen Kräften, was zu einer Tropfenbildung des abschmelzenden Elektrodenmaterials mit kurzschlußfreiem Übergang zum Werkstück 8 führt.

Nach diesem Impulsintervall T_A fallen die Spannung auf einen Wert U_B und der Strom auf einen Wert I_B (von beispielsweise ca. 25 A) ab, wobei es sich um einen derart bemessenen Grundstrom handelt, daß die Ionisation der Lichtbogenstrecke aufrechterhalten wird. Dieses Grundstromintervall T_G dauert grundsätzlich von der Zeit t_G, zu der der Strom vom Impulswert I_A bis auf den Grundstrom I_B abgefallen ist, bis zum Ende der Gesamt-Periode T bzw. bis zum Beginn t_A der nächsten Periode.

Erfindungsgemäß wird aber innerhalb des Grundstromintervalls T_G zu einem Zeitpunkt t_C die Stromquelle 2 für eine bestimmte Zeit T_C auf den Wert I_C = 0 abgeschaltet, so daß der Lichtbogen erlischt (abreißt). Während dieser Austastzeit T_C wird keine Energie auf die Elektrode 10 und das Werkstück 8 eingebracht.

Die erfindungsgemäße Austastzeit T_C, deren Länge beispielsweise zwischen 1 ms und 25 ms liegt, endet im Zeitpunkt t_D damit, daß die Leerlaufspannung, die bevorzugt zwischen 50 V und 95 V liegt, wieder freigeschaltet wird. Auf ihre ansteigende Spannungsflanke triggert nun das Zündgerät 24, beispielsweise ein Hochfrequenz- Zündgerät, wie es aus WIG-Schweißverfahren zum berührungslosen Lichtbogenzünden an sich bekannt ist, und erzeugt einen Hochspannungsimpuls, der die Stromquellenspannung überlagert und dessen hohe elektrische Feldstärke zwischen Elektrodenende und Werkstück 8 die Strecke ionisiert und den Lichtbogen wieder vorteilhafterweise kurzschlußfrei aufbaut.

Vom Zeitpunkt t_E an fließt dann wieder der Grundstrom I_B bis zum Beginn t_A der nächsten Periode.

Vorzugsweise ist die Austastzeit T_C von der Steuereinrichtung 14 bezüglich ihrer Dauer und/oder ihrer Lage innerhalb des Grundstromintervalls T_G veränderbar, und zwar in Anpassung an die jeweils gewünschte, für den jeweiligen Anwendungsfall optimale Energieeinleitung. Dabei kann in Abweichung von dem in Fig. 2 veranschaulichten Beispiel der Zeitpunkt t_C des Abschaltens der Stromquelle auch unmittelbar nach dem Abfall des Stromimpulses, also etwa im Zeitpunkt t_G, liegen. Zusätzlich oder alternativ kann auch der Zeitpunkt t_D des Beginns der Zündimpulsphase T_D unmittelbar vor dem nächsten Stromimpuls im Zeitpunkt t_A oder etwas (insbesondere um die Dauer T_D des Zündimpulses) davor liegen. Es ergibt sich bei einer maximalen Austastzeit T_C = T_G, daß der Lichtbogen jeweils nur noch für die Pulsphasen T_A aufgebaut wird.

Während der Austastung T_C sind Spannung U und Strom I auf Null. Somit wird in dieser Zeit keine Energie zugeführt; die Wärmeeinbringung ist somit deutlich reduziert.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann über eine Variation der Austastzeit T_C die Lichtbogenlänge zwischen dem freien Ende der Elektrode 10 und dem Werkstück 8 konstant gehalten werden. Hierzu wird ein vorgegebener Sollwert für die Lichtbogenlänge mit einer gemittelten Spannung aus der Grundstromphase in einer geeigneten elektronischen Schaltung verglichen. Eine daraus abgeleitete Stellgröße wird zur Bestimmung der Austastzeit T_C als Korrekturgröße ausgewertet.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann gegenüber der Eingangs beschriebenen Lichtbogenlängenregelung vorteilhafterweise die Regelung auf die Austastzeit des Grundstroms wirken. Hierbei kann durch Variieren der Austastzeit T_C die Lichtbogenlänge konstant gehalten werden, ohne daß sich die sonstigen für eine optimale Tropfenablösung erforderlichen Parameter verändern.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den wesentlichen Vorteil, daß durch das zeitweilige Abschalten des Lichtbogens insgesamt weniger Energie eingebracht wird. Im Zusammenhang mit diesem Abschalten des Lichtbogens ist es von Vorteil, daß nachfolgend der Lichtbogen wieder kurzschlußfrei gezündet wird. Damit eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren vor allem zum Verschweißen von dünnen Blechen und/oder Leichtmetallen. Bei geringen Materialstärken bewegen sich die Impulsfrequenzen mit den vorgegebenen Standardelektroden in einem relativ niedrigen Bereich. Die wirksame Grundstromphase kann bis zu dem 20-fachen der Impulsstromphase erreichen. Bei einer Frequenz von 40 Hz, entsprechend einer Periodendauer T von 25 ms wird beispielsweise bei einer Pulsdauer von 1,2 ms die verbleibende Grundstromzeit 23,8 ms betragen. Bei üblichen Impuls-Stromquellen wird versucht, die Höhe des Grundstromes so niedrig zu wählen, daß der Lichtbogen noch nicht abreißt. Die Ströme liegen hier im Bereich von mindestens etwa 20 A.

Erfindungsgemäß wird zudem eine größere Spaltüberbrückbarkeit erreicht (Fähigkeit zur Überbrückung von Spaltabständen zwischen zwei zu verschweißenden Werkstücken durch entsprechendes Auffüllen mit abgeschmolzenem Elektrodenmaterial; besonders dann von Vorteil, wenn große Bauteiltoleranzen gegeben sind und geringere Toleranzen nur mit hohem Aufwand erzielt werden können). Ferner kann die Einbrandtiefe gezielter gesteuert werden. Weitere Vorteile zeigen sich beim Kanten- und Radienumschweißen mit niedriger Geschwindigkeit und besonders beim Endkraterfüllen der Schweißnähte.

Auch Anwendungen bei Metallschutzgas-Löten (MSG-Löten) mit Impulslichtbogen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigen wesentliche Vorteile. Hier werden Zusatzwerkstoffe auf Kupferbasis zum Löten von unbeschichteten und auch beschichteten Stahlblechen eingesetzt. Bei einer Oberflächenbehandlung mit beispielsweise Zink darf beim MSG-Löten nur ein minimaler Abbrand der Beschichtung erfolgen, um deren korrosionsschützende Wirkung nicht zu verschlechtern. Entscheidend ist hier die erfindungsgemäß erreichte niedrige Streckenenergie zur geringen Wärmeeinbringung.

Abschließend sei bemerkt, daß das erfindungsgemäße Gerät 1 grundsätzlich auch unabhängig vom erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden kann, indem die Austastzeit T_C auf Null eingestellt wird. Dabei ist aber dennoch der Vorteil des kurzschlußfreien Zündens des Lichtbogens vorhanden, weil auch beim ersten Einschalten der Stromquellenspannung auf deren ansteigender Flanke das Zündgerät 24 triggert und den Zündimpuls U_D erzeugt.

Claims (10)

1. Verfahren zum Schweißen oder Löten von Metall mittels Impulslichtbogen und insbesondere unter Schutzgas, wobei mittels einer elektrischen Stromquelle (2) ein mit einer Impulsfrequenz (f) pulsierender Lichtbogenstrom (I) mit durch Spannungsimpulse (U_A) bewirkten Stromimpulsen (I_A) erzeugt wird, wobei jeweils zwischen den Stromimpulsen (I_A) Grundstromintervalle (T_G) mit einem Grundstrom (I_B) zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils während der Grundstromintervalle (T_G) über eine bestimmte Austastzeit (T_C) hinweg der Lichtbogenstrom (I) zum Abreißen des Lichtbogens abgeschaltet wird und am Ende der jeweiligen Austastzeit (T_C) der Lichtbogen mittels eines kurzzeitigen Zündspannungsimpulses (U_D) wieder kurzschlußfrei gezündet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündspannungsimpulse (U_D) die Spannungsimpulse (U_A) übersteigen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Austastzeit (T_C) bezüglich ihrer zeitlichen Länge und/oder bezüglich ihrer Lage innerhalb des Grundstromintervalls (T_G) veränderbar ist, und zwar vorzugsweise stufenlos über einen Stellbereich zwischen einem Austastzeit-Minimum und einem Austastzeit-Maximum.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Austastzeit-Minimum größer Null und/oder das Austastzeit-Maximum geringfügig kleiner als das Grundstromintervall (T_G) ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austastzeit( T_C) derart innerhalb des Grundstromintervalls (T_G) liegt, daß vor und/oder nach der Austastzeit (T_C) bei gezündetem Lichtbogen jeweils der Grundstrom (I_B) fließt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Regelung für die Lichtbogenlänge zwischen Elektrode (10) und Werkstück (8), wobei ein vorgegebener Sollwert für die Lichtbogenlänge mit einer als Istwert der Lichtbogenlänge aus dem Grundstromintervall (T_G) gemittelten Spannung verglichen wird und eine resultierende Stellgröße zum Einstellen der Austastzeit (T_C) verarbeitet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Austastung des Grundstroms I_B einfach oder mehrfach in der Grundstromphase einer ganzen Pulsperiode erfolgt.

8. Gerät (1) zum Schweißen oder Löten von Metall mittels Impulslichtbogen, unter Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Stromquelle (2) zum Anschluß an ein Werkstück (8) und an eine Elektrode (10) und mit einer die Stromquelle (2) steuernden Steuereinrichtung (14), wobei ein parallel zur Stromquelle (2) mit Werkstück (8) und Elektrode (10) zu verbindendes Zündgerät (24) zur Erzeugung von Zündspannungsimpulsen (U_D) zum kurzschlußfreien Zünden des Lichtbogens vorhanden ist.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündgerät (24) von der Stromquelle (2) über eine Impedanz (30) entkoppelt ist.

10. Gerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündgerät (24) von der Steuereinrichtung (14) gesteuert wird, und zwar bevorzugt in Abhängigkeit von ansteigenden Flanken einer Leerlaufspannung der Stromquelle (2) zur Triggerung der Zündspannungsimpulse (U_D).