DE102006050297B4

DE102006050297B4 - Impulslichtbogenprozess

Info

Publication number: DE102006050297B4
Application number: DE200610050297
Authority: DE
Inventors: Andreas Warmbier; Frank Friedrich; Jörg Brock
Original assignee: CLOOS INNOVATIONS - GmbH; CLOOS INNOVATIONS GmbH
Current assignee: CLOOS INNOVATIONS - GmbH; CLOOS INNOVATIONS GmbH
Priority date: 2006-10-23
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2012-05-03
Anticipated expiration: 2026-10-24
Also published as: DE102006050297A1

Abstract

Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren zur Durchführung eines Schweißprozesses bei welchem Material eines als abschmelzende Elektrode verwendeten Schweißdrahtes in ein Schweißbad übertragen wird, mit einem Prozesszyklus, der eine Grundphase sowie eine Impulsphase umfasst, in denen ein Lichtbogen brennt und der Schweißdraht positiv gepolt ist, wobei Material des Schweißdrahtes in einer Kurzschlussphase in das Schmelzbad übertragen wird und die Auflösung des Kurzschlusses durch Stoppen oder Zurückziehen des Schweißdrahtes vom Werkstück zumindest unterstützt wird und nach der Auflösung des Kurzschlusses ein Lichtbogen wieder zündet sowie der Schweißdraht wieder reversiert wird zur Bewegung desselben in Richtung zum Werkstück, wobei zu einem Kurzschluss ein erster Polaritätswechsel durchgeführt wird, bei welchem der Schweißdraht negativ gepolt wird, und nach dem Polaritätswechsel ein Lichtbogen mit negativ gepoltem Schweißdraht zündet, und wobei nach Ablauf einer Lichtbogenphase mit negativ gepoltem Schweißdraht ein zweiter Polaritätswechsel innerhalb des Prozesszyklus durchgeführt wird, bei welchem der Schweißdraht positiv gepolt wird, wobei nach der Impulsphase eine dritte Prozessphase...

Description

Die Erfindung betrifft ein Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Erfindung betrifft ferner ein Schutzgas-Lichtbogen-Schweißvorrichtung zur Durchführung eines solchen Schweißprozesses.
Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren umfassen sowohl MIG-(Metall-Inertgas) als auch MAG-(Metall-Aktivgas)Schweißverfahren. Ein Schweißverfahren ist beispielsweise in der internationalen Offenlegungsschrift WO 00/64620 A1 beschrieben, das die Verwendung eines Kurzlichtbogens mit zyklisch reversiertem Drahtvorschub lehrt, wobei ein Schweißen mit geringem Wärmeeintrag in das Werkstück realisiert ist. Dabei wird in einem Gleichstromlichtbogen das Ende des als abschmelzende Elektrode ausgebildeten Schweißdrahtes aufgeschmolzen und der Draht solange in Richtung des Werkstückes bewegt, bis das flüssige Ende das Schmelzbad berührt und einen Kurzschluss verursacht. Nach dem Erreichen des Kurzschlusses wird die Vorwärtsbewegung des Drahtes gestoppt und unter Umständen zurückgezogen, sodass der Draht vom Werkstück wegbewegt wird. Eine solche Rückwärtsbewegung kann den Übergang des schmelzflüssigen Volumens (Tropfen) vom Draht zum Schmelzbad unterstützen. Wesentlicher Vorteil eines solchen Verfahrens ist neben dem geringen Wärmeeintrag ein im Wesentlichen spritzerfreier Tropfenübergang in das Schmelzbad.
Ein solches bekanntes Schweißverfahren weist jedoch den Nachteil auf, dass der Wärmeeintrag in das Werkstück wesentlich erhöht werden muss, wenn mehr Volumen abgeschmolzen werden soll, um die Schweißgeschwindigkeit zu erhöhen. Je nach Schweißaufgabe ist jedoch durch das verwendete Werkstück der vertretbare Wärmeeintrag in das Werkstück beschränkt, beispielsweise bei dünnen Blechen, sodass das bekannte Schweißverfahren trotz der beschriebenen Vorteile bei bestimmten Anwendungen doch nachteilig ist.
Die Offenlegungsschrift US 2006/0207983 A1 betrifft ein Schweißverfahren mit einer Folge von Schweißzyklen unter Einschluss einer Kurzschlussphase bei Verwendung von zwei Schweißelektroden, wobei jeder Zyklus eine Lichtbogen- und eine Kurzschlussphase umfasst und wobei eine oder beide Elektrodenströme in einer Phase des Schweißzyklus umgekehrt werden, um vor einer Kurzschlussphase eines nachfolgenden Schweißzyklus geschmolzenes Metall von der zweiten Elektrode zu der ersten Elektrode zu transferieren. Der Fachartikel „Solutions to Problems of tiny spatter and arc interruption in AC pulsed MIG arc welding” betrifft die Untersuchung des Auftretens von Schweißspritzern und Lichtbogenunterbrechungen beim gepulsten Wechselstrom-Lichtbogenschweißen von Aluminiumlegierungen und Edelstahl.
Die gattungsbildende Offenlegungsschrift AT 501489 A1 betrifft ein Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren zur Durchführung eines Schweißprozesses, bei welchem Material eines als abschmelzende Elektrode verwendeten Schweißdrahtes in ein Schweißbad übertragen wird, mit einem Prozesszyklus, der eine Grundphase sowie eine Impulsphase umfasst, in denen ein Lichtbogen brennt und der Schweißdraht positiv gepolt ist, wobei Material des Schweißdrahtes in einer Kurzschlussphase in das Schmelzbad übertragen wird und die Auflösung des Kurzschlusses durch Stoppen oder Zurückziehen des Schweißdrahtes vom Werkstück zumindest unterstützt wird und nach der Auflösung des Kurzschlusses ein Lichtbogen wieder zündet sowie der Schweißdraht wieder reversiert wird zur Bewegung desselben in Richtung zum Werkstück. Zu einem Kurzschluss wird ein erster Polaritätswechsel innerhalb des Prozesszyklus durchgeführt, bei welchem der Schweißdraht negativ gepolt wird, wobei nach dem Polaritätswechsel ein Lichtbogen mit negativ gepoltem Schweißdraht zündet und nach Ablauf einer Lichtbogenphase mit negativ gepoltem Schweißdraht ein zweiter Polaritätswechsel innerhalb des Prozesszyklus durchgeführt wird, bei welchem der Schweißdraht wieder positiv gepolt wird. Ferner wird nach der Impulsphase eine dritte Prozessphase mit im Vergleich zur Impulsphase vermindertem Energieeintrag in den Schweißdraht durchgeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein herkömmliches Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren soweit zu verbessern, dass auch dünnste Bleche verarbeitbar sind und darüber hinaus das Entstehen von Schweißspritzern noch besser vermieden wird.
Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache Weise schon mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie mit einer Schutzgas-Lichtbogen-Schweißvorrichtung gemäß Anspruch 16 gelöst.
Dabei weist das erfindungsgemäße Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren einen Prozesszyklus auf, welcher neben einer Grundphase und einer Impulsphase, in denen ein Lichtbogen brennt und der Schweißdraht positiv gepolt ist, auch eine Kurzschlussphase umfasst, bei welchem der Tropfenübergang startet, mit Abschluss der Kurzschlussphase ist der Tropfenübergang vollständig abgeschlossen. Zu einem Kurzschluss wird ein erster Polaritätswechsel durchgeführt, bei welchem der Schweißdraht negativ gepolt wird, wobei nach dem Polaritätswechsel ein Lichtbogen mit negativ gepolter Elektrode zündet, und wobei nach Ablauf einer Lichtbogenphase mit negativ gepoltem Schweißdraht ein zweiter Polaritätswechsel innerhalb des Prozesszyklus durchgeführt wird, bei welchem der Schweißdraht wieder positiv gepolt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in der dritten Prozessphase nach Ablauf einer Maximalzeit und vor Erreichen des Kurzschlusses ein Polaritätswechsel durchgeführt wird, bei welchem der Schweißdraht von positiv nach negativ gepolt wird. Dadurch, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren in der dritten Prozessphase mit einem im Vergleich zur Impulsphase vermindertem Energieeintrag in den Schweißdraht gearbeitet wird und nach Ablauf einer vorgegebenen Maximalzeit und vor dem Erreichen des Kurzschlusses eine Umpolung der Schweißspannung erfolgt, ist insbesondere sichergestellt, dass in einer der dritten Prozessphase nachfolgenden Phase bis zum Erreichen des Kurzschlusses kein weiterer Energieeintrag erfolgt. Der Schweißprozess ist im Vergleich zum bekannten Prozess noch „kälter”, so dass mit dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren dünnste Bleche geschweißt werden können, wobei durch das leistungslose Eintauchen der flüssigen Kugel am Ende des Schweißdrahtes in das Schweißbad vollkommen ausgeschlossen ist, dass Spritzer erzeugt werden.
Durch die beschriebene Maßnahme wird erreicht, dass innerhalb eines Prozesszyklus durch die negative Polung der Drahtelektrode in einer Lichtbogenphase mehr Material aufgeschmolzen wird, das beispielsweise nach einem Polaritätswechsel mit darauf folgendem Kurzschluss in das Schweißbad mittels eines Kurzlichtbogens mit mechanisch unterstützter Kurzschlussauflösung übertragen werden kann. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass trotz des höheren abschmelzenden Drahtvolumens die Vorteile des gattungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens bei dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren beibehalten werden können. Aufgrund des höheren Energieeintrags in den negativ gepolten Schweißdraht kann auch in dieser Phase des Prozesszyklus die Lichtbogenleistung und damit der Energieeintrag in das Werkstück reduziert gehalten werden. Letztlich kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch bei höheren Drahtgeschwindigkeiten ein spritzerfreier Tropfenübergang ermöglicht werden.
Dabei sei darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren einen Prozesszyklus aufweist, der zumindest die in Anspruch 1 angegebenen Prozessphasen umfasst. Darüber hinaus kann er natürlich auch noch weitere Phasen aufweisen, beispielsweise mehrere hintereinander ablaufende Impulsphasen mit jeweils zugeordneter Kurzschlussphase zum Übertragen zumindest eines Tropfens in das Schweißbad, wobei nicht in jedem Fall einem solchen Kurzschluss ein Polaritätswechsel zugeordnet sein muss. Wesentlich ist, dass zumindest einmal innerhalb des Prozesszyklus ein Polaritätswechsel erfolgt, ein Lichtbogen mit negativ gepolter Elektrode zündet und danach wieder eine Umpolung des Schweißdrahtes erfolgt. Ferner sei noch darauf hingewiesen, dass die Bezeichnung „zweiter Kurzschluss” nicht ausschließt, dass zwischen dem ersten Kurzschluss und dem zweiten Kurzschluss ein weiterer Kurzschluss vorgesehen ist, gleiches gilt für die Bezeichnung „zweiter Polaritätswechsel”. In der Regel läuft der erfindungsgemäße Prozesszyklus periodisch ab, es kann jedoch auch sein, dass Prozesszykluszeiten aufeinander folgender Zyklen je nach Prozesssteuerung variieren. Wesentliche Prozessparameter, welche gesteuert bzw. geregelt werden, sind dabei die Drahtgeschwindigkeit bzw. -richtung, die Schweißspannung, der Schweißstrom und/oder die Lichtbogenlänge.
Während die Schweißspannung in der Regel die Spannung zwischen der Drahtelektrode und dem Werkstück bezeichnet, gibt der Schweißstrom den Strom an, welcher von der Elektrode zum Werkstück fließt. Es ist jedoch auch möglich, als Schweißspannung die Ausgangsspannung der Schweißstromquelle für den erfindungsgemäßen Prozess zu nehmen. Im ersten Fall ist eine genauere Steuerung bzw. Regelung des Schweißprozesses möglich.
Die Impulsphase unterscheidet sich von der Grundphase in der Regel dadurch, dass mit höheren Werten, beispielsweise mit höherem Schweißstrom oder mit höherer Schweißspannung gearbeitet wird.
Zur Unterstützung des Tropfenübergangs vom Schweißdraht kann, vorzugsweise nach dem Erfassen des Kurzschlusses, die Zuführung des Schweißdrahtes zum Werkstück hin gestoppt und/oder der Schweißdraht vom Werkstück zurückgezogen werden. Um den Schweißvorgang wieder aufzunehmen, ist die Reversierung des Schweißdrahtes notwendig.
Zweckmäßigerweise kann diese Reversierung zur Bewegung des Schweißdrahtes in Richtung zum Werkstück nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer ab dem Zeitpunkt der Auflösung oder des Auftretens des Kurzschlusses gestartet werden. Hierdurch wird ein ausreichender Abstand zwischen dem Schweißdraht und dem Werkstück erzielt, sodass ein stabiler Lichtbogen erzeugt werden kann, bevor der Schweißdraht wieder in Richtung zum Werkstück bewegt wird.
In ähnlicher Weise kann es auch zweckmäßig sein, wenn nach der Auflösung des Kurzschlusses die Reversierung des Schweißdrahtes zur Bewegung desselben in Richtung zum Werkstück erst dann gestartet wird, wenn der Schweißdraht einen vorgegebenen Abstand vom Werkstück erreicht hat.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Draht in Richtung zum Werkstück nach der Auflösung des Kurzschlusses dann zu reversieren, wenn eine vorgegebene negative Drahtgeschwindigkeit erreicht ist. Negativ bedeutet dabei, dass sich der Draht vom Werkstück entfernt.
Die Zeitdauern bestimmter Phasen des Prozesszyklus ergeben sich erst während des Ablaufs der Phase je nach Regelung bzw. Steuerung des Schweißprozesses, insofern können aufeinander folgende Prozesszyklen unterschiedliche Zeitlängen aufweisen. Um derartige Unbestimmtheiten zu vermeiden, kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass die Prozesszyklusdauer der einzelnen Prozesszyklen konstant ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Zeitdauer einer gesteuerten, d. h. vorgebbaren Prozessphase an die Zeitdauer einer geregelten Prozessphase angepasst wird, derartig, dass die gesamte Prozesszyklusdauer, welche die Summe der Zeitdauer der einzelnen Prozessphasen ist, konstant gehalten werden kann. Beispielsweise kann die Grundphase des Schweißprozesses, bei welcher der Schweißdraht positiv gepolt ist, an die Prozessphase angepasst werden, in welcher der Draht bis zum Erreichen einer vorgegebenen Bedingung reversiert wird.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass bei Beginn des Prozesszyklus dessen Dauer festgelegt wird, jedoch aufeinander folgende Prozesszyklen in der Zeitdauer voneinander abweichen können.
Nachdem innerhalb eines Prozesszyklus ein erster Polaritätswechsel durchgeführt wurde, derartig, dass der Schweißdraht negativ gepolt ist, und nachdem eine Lichtbogenphase mit negativ gepolter Elektrode durchlaufen wurde, erfolgt ein zweiter Polaritätswechsel, bei welchem der Schweißdraht wiederum positiv gepolt wird. Dabei kann der zweite Polaritätswechsel des Prozesszyklus durchgeführt werden, ohne dass ein zugeordneter Kurzschluss zwischen dem Schweißdraht und dem Werkstück angefahren wird. Ein solches Verfahren bietet sich dann an, wenn eine zusätzliche Zündhilfe genutzt werden kann, die sicherstellt, dass nach dem zweiten Polaritätswechsel der Lichtbogen wieder zündet. Eine solche Zündhilfe kann beispielsweise darin bestehen, dass eine große Stromänderungsgeschwindigkeit zusammen mit einer hohen Kreisinduktivität, insbesondere der Induktivität der Schweißdrossel genutzt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht beispielsweise im Kurzschließen des Ausgangs der Schweißstromquelle, wobei wiederum die Kreisinduktivität verwendet wird, um die notwendige Zündspannung zwischen dem Schweißdraht und dem Werkstück zum Zünden des Lichtbogens mit positiv gepoltem Schweißdraht zu erzeugen.
Andererseits kann es jedoch auch zweckmäßig sein, wenn auch dem zweiten Polaritätswechsel des Prozesszyklus ein Kurzschluss zugeordnet ist, bei welchem beispielsweise auch auf spritzerfreie Weise ein Tropfenübergang von der Spitze des Schweißdrahts in das Schweißbad realisiert ist. Die Einleitung eines solchen Kurzschlusses kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass an eine Lichtbogenphase, bei welcher der Schweißdraht negativ gepolt ist, eine weitere Lichtbogenphase mit negativ gepoltem Schweißdraht angeschlossen wird, innerhalb dessen vorgegebene Prozessparameter, insbesondere Lichtbogenspannung, der Lichtbogenstrom und/oder die Drahtgeschwindigkeit so eingestellt werden, dass innerhalb einer vorgegebenen maximalen Zeitdauer in der Regel ein zweiter Kurzschluss zwischen Schweißdraht und Schmelzbad erzeugt wird. Auch in diesem Fall ist die Zeitdauer bis zum Erreichen des Kurzschlusses wie beim ersten Kurzschluss, welcher einem ersten Polaritätswechsel zugeordnet ist, nicht genau determiniert. Wie schon für den ersten Polaritätswechsel beschrieben, kann auch beim zweiten Polaritätswechsel nach Ablauf einer vorgegebenen maximalen Zeitdauer der Polaritätswechsel eingeleitet werden, auch wenn der Kurzschluss noch nicht erreicht ist.
Andererseits kann der zweite Polaritätswechsel in einem weiteren zweckmäßigen Verfahren trotz Erreichens des Kurzschlusses erst dann durchgeführt werden, wenn die weitere Lichtbogenphase mit negativ gepoltem Schweißdraht zumindest eine vorgegebene minimale Zeitdauer angedauert hat. Bei diesem Verfahren erfolgt insofern der Polaritätswechsel verzögert auf den Kurzschluss.
Es sei darauf hingewiesen, dass die weitere Lichtbogenphase mit negativ gepoltem Schweißparameter mit den gleichen Schweißparametern wie die vorhergehende Lichtbogenphase mit negativ gepoltem Schweißdraht ausgeführt werden kann, sodass dann letztlich der Prozesszyklus nur eine einzelne Lichtbogenphase mit negativ gepoltem Schweißdraht aufweisen kann, die wie angegeben durch Anfahren des Kurzschlusses und Durchführung des Polaritätswechsels beendet wird. Andererseits kann erfindungsgemäß der Prozesszyklus jedoch auch noch weitere Lichtbogenphasen mit negativ gepoltem Schweißdraht aufweisen.
Vorzugsweise wird im Anschluss an die Lichtbogenphase, bei welcher der Schweißdraht negativ gepolt ist, der zweite Polaritätswechsel durchgeführt, wobei Prozessparameter wie Schweißstrom, Schweißspannung und/oder Drahtgeschwindigkeit so eingestellt werden können, dass nach dem zweiten Polaritätswechsel in einer zweiten Kurzschlussphase des Prozesszyklus der zweite Kurzschluss zwischen Schweißdraht und Werkstück erzeugt wird. Dabei kann es zweckmäßig sein, wenn mit dem zweiten Kurzschluss auch flüssiges Material des Schweißdrahts in das Schweißbad eingebracht wird, sodass die Drahtgeschwindigkeit weiter erhöht werden kann.
In einer besonderen Ausführungsform kann es zweckmäßig sein, wenn vor Ablauf der Lichtbogenphase, bei welcher der Schweißdraht negativ gepolt ist, und vor dem zweiten Polaritätswechsel der Lichtbogen gelöscht wird, beispielsweise über die Einschiebung einer Totzeit. Gleiches gilt für den ersten Polaritätswechsel. Insofern kann es vorteilhaft sein, wenn vor Ablauf der Lichtbogenphase, bei welcher der Schweißdraht positiv gepolt ist, und vor dem oben beschriebenen ersten Polaritätswechsel der Lichtbogen gelöscht wird
Das Zurückziehen des Schweißdrahtes und das nachfolgende Reversieren des Drahtes kann wie vorstehend für die Auflösung des ersten Kurzschlusses beschrieben ausgebildet sein. Insbesondere kann auf den zweiten Kurzschluss der Schweißdraht zurückgezogen werden, um diesen vom Werkstück wegzubewegen, wobei nach Auflösung des zweiten Kurzschlusses der Schweißdraht wiederum reversiert wird, um diesen in Richtung zum Werkstück zu bewegen. Nach Auflösung des zweiten Kurzschlusses und nach dem zweiten Polaritätswechsel kann dann wiederum ein Lichtbogen gezündet werden, bei welchem der Schweißdraht positiv gepolt ist.
Zur Vermeidung von Überlastungen der Schweißquelle ist vorzugsweise vorgesehen, in den Kurzschlussphasen des erfindungsgemäßen Prozesszyklus den Kurzschlussstrom zu regeln, beispielsweise auf eine Konstante oder einen vorgegebenen Kurvenverlauf. Dagegen können die Lichtbogenphasen, sowohl die mit positiv, als auch die mit negativ gepoltem Schweißdraht mittels Regeln des Schweißstroms oder der Schweißspannung auf einen konstanten Wert oder einen vorgegebenen Kurvenverlauf durchgeführt werden.
Vorrichtungsseitig löst die Erfindung die obige Aufgabe mit einer Schutzgas-Lichtbogen-Schweißvorrichtung mit einer Schweißstromquelle, einer Steuereinrichtung, einer Drahtvorschub- und Rückzieheinrichtung, sowie einem Schweißbrenner, wobei die Steuereinrichtung nach dem Starten des Schweißprozesses einen Prozesszyklus durch Steuern bzw. Regeln von Prozessparametern wie Schweißstrom, Schweißspannung, Drahtvorschub bzw. Rückzug, Lichtbogenlänge und/oder Zeitenintervalllängen von Prozessphasen steuert bzw. regelt, wobei der Prozesszyklus eine Grundphase und eine Impulsphase aufweist, in welchem ein Lichtbogen brennt und der Schweißdraht positiv gepolt ist, und wobei in einer Kurzschlussphase nach dem Löschen des Lichtbogens ein Tropfenübergang von dem Schweißdraht in das Schweißbad erfolgt, die Steuerung die Drahtvorschub- und Rückzieheinrichtung nach dem Erreichen des Kurzschlusses ansteuert zum Stoppen des Schweißdrahtes oder zum Rückziehen des Schweißdrahtes vom Werkstück und nachfolgend zum Reversieren, d. h. zum Hinbewegen des Schweißdrahtes zum Werkstück. Die erfindungsgemäße Schutzgas-Lichtbogen-Schweißvorrichtung umfasst ein Mittel zur Erzeugung eines Polaritätswechsels am Ausgang der Stromquelle, um in dem Prozesszyklus den Schweißdraht nach einem Kurzschluss negativ zu polen, wonach ein Lichtbogen mit negativ gepoltem Schweißdraht zündet, nach dessen Erlöschen ein weiterer Polaritätswechsel innerhalb des Prozesszyklus erfolgt, um den Schweißdraht wieder positiv zu polen. Dabei wird auch die Polwechseleinrichtung von der Steuereinrichtung angesteuert. Ferner wird nach der Impulsphase dabei eine dritte Prozessphase mit im Vergleich zur Impulsphase vermindertem Energieeintrag in den Schweißdraht durchgeführt. Die erfindungsgemäße Schutzgas-Lichtbogen-Schweißvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, das sie zur Durchführung eines der oben beschreiben Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren ausgebildet, bei dem in der dritten Prozessphase nach Ablauf einer Maximalzeit und vor Erreichen des Kurzschlusses ein Polaritätswechsel durchgeführt wird, bei welchem der Schweißdraht von positiv nach negativ gepolt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden durch das Beschreiben mehrerer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei
1 in einer Blockschaltbilddarstellung ein erfindungsgemäß ausgebildetes Schweißgerät,
2 den Zeitverlauf der Schweißgrößen Schweißstrom, Schweißspannung und Drahtgeschwindigkeit für eine erste Ausführungsform eines Lichtbogen Schweißverfahrens,
3 den Zeitverlauf für die Schweißgrößen Schweißstrom, Schweißspannung, Schweißdraht für eine zweite Ausführungsform eines Lichtbogen-Schweißverfahrens,
4 den Zeitverlauf für die Schweißgrößen Schweißstrom, Schweißspannung und Drahtgeschwindigkeit eines Prozesszyklus für eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schweißverfahrens,
5 den Zeitverlauf der Schweißgrößen Schweißstrom, Schweißspannung und Drahtgeschwindigkeit eines Prozesszyklus für eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schweißverfahrens und
6 den Zeitverlauf der Schweißgrößen Schweißstrom, Schweißspannung und Drahtgeschwindigkeit eines Prozesszyklus für ein herkömmliches Schweißverfahren zeigt.
1 zeigt in einem Blockschaltbild ein Schweißgerät 1, mit welchem das erfindungsgemäße Schutzgas-Lichtbogen-Schweißverfahren ausführbar ist. Das Schweißgerät 1 umfasst eine an einem Drehstromnetz 10 angeschlossene Schweißstromquelle, der eine Polwechseleinrichtung 4 zur Umkehrung der Polarität am Ausgang nachgeschaltet ist. Am Ausgang des Polwechslers liegt die Schweißspannung U_S an, der Schweißstrom I_S wird abgegeben. Die Schweißstromquelle 2 wandelt die vom Netz 10 bereitgestellte Energie in eine geregelte Gleichspannung oder in einen geregelten Gleichstrom. Die Polaritätswechseleinrichtung 4 und die Schweißstromquelle 2 werden von der Steuereinrichtung 3 gesteuert. Letztere steuert auch eine Drahtvorschubeinrichtung 5, welche den Schweißdraht an den Schweißprozess liefert. Die Einrichtung 5 umfasst einen Drahtvorschubmotor, welcher den Draht von einem Drahtvorrat, beispielsweise einer Drahtspule fördert. Die Steuerung 3 veranlasst den Drahtvorschubmotor, diesen in vorgegebener Weise, beispielsweise mit vorgegebener Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung in Richtung zum Brenner 7 zu fördern. Dieser sorgt für die Kontaktierung des Schweißdrahtes 11 mit der Schweißspannung und weist in der beschriebenen Ausführungsform einen zweiten, auch nicht dargestellten Drahtvorschubmotor auf, mit welchem der Schweißdraht vom Werkstück weggezogen werden kann. Dabei sorgt ein Drahtpuffer 6 zwischen Brenner und Drahtvorschubeinrichtung 5 für die Aufnahme des Drahtes beim Zurückziehen des Drahtes bzw. bei eingestellter negativer Drahtgeschwindigkeit. Am Ende des Brenners, d. h. zwischen dem Ende des Schweißdrahts 11 und des Werkstückes 9 bildet sich ein Lichtbogen 8 aus, der von einem Schutz- oder Aktivgas bedeckt ist. Das Werkstück 9 ist zum Schließen des Schweißstromkreises mit dem zweiten Pol der Polwechseleinrichtung 4 verbunden. Je nach Ausführungsform des Schweißgeräts umfasst dieses diverse, nicht dargestellte Messeinrichtungen zur Erfassung von Prozessparametern, beispielsweise von Schweißspannung und Schweißstrom. In einer besonderen Ausführungsform sind Messeinrichtungen vorgesehen, welche die Schweißspannung und den Schweißstrom direkt am Schweißprozess zwischen Drahtelektrode und Werkstück erfassen, sodass eine besonders genaue Steuerung des Prozesszyklus möglich ist. Auf diese Weise kann insbesondere die Lichtbogenspannung erfasst werden.
Bevor auf die Verwendung des in 1 dargestellten Schweißgeräts zur Durchführung des erfindungsgemäßen Schutzgas-Lichtbogen-Schweißverfahrens eingegangen wird, sei zuerst zur Klarheit der Darstellung ein herkömmliches Verfahren mit Bezug auf 6 beschrieben. 6 zeigt den zeitlichen Verlauf der drei Prozessparameter Schweißstrom I_S, Schweißspannung U_S und Drahtgeschwindigkeit V_D des Schweißdrahts über die Zeitdauer von etwa zwei Prozesszyklen. Der Impulslichtbogen ist als Kurzlichtbogen ausgeführt und umfasst einen Strompuls pro Prozesszyklus. Die Prozessparameter sind so eingestellt, dass sich beim Puls kein Tropfenübergang von der Drahtelektrode in das Schmelzbad erfolgt, sondern erst nach der Berührung des Schweißdrahtes mit dem Schweißbad, sodass der Tropfenübergang spritzerfrei ist. Nach dem Erreichen des Kurzschlusses wird der Schweißdraht zurückgezogen und nach dem Lösen des Kurzschlusses wieder reversiert, sodass der Draht wieder in Richtung zum Werkstück bewegt wird. Das in 6 dargestellte Kurzlichtbogenverfahren mit mechanisch unterstützter Kurzschlussauflösung weist einen sehr geringen Wärmeeintrag in das Werkstück auf, wenn das abgeschmolzene Drahtvolumen pro Zeiteinheit gering ist.
Demgegenüber weist das nun mit Bezug auf die 4 und 5 beschriebene erfindungsgemäße Verfahren einen ähnlich geringen Wärmeeintrag in das Werkstück auf, wobei jedoch weit größere Volumen pro Zeiteinheit abgeschmolzen werden können.
2 zeigt in ähnlicher Weise wie in der vorhergehenden Abbildung die drei Prozessparameter Schweißstrom I_S, Schweißspannung U_S _, und Drahtgeschwindigkeit V_D für ein weiteres Schweißverfahren.
Da die vorliegende Erfindung nicht das Zünden des Lichtbogens beim Schweißstart betrifft, sei nur kurz darauf hingewiesen, dass das Zünden beispielsweise mit Zurückziehen des Drahtes nach dem erstmaligen Aufsetzen des Drahtes auf das Werkstück durchgeführt werden kann. Entsprechende Startparameter werden eingestellt, um den Bedingungen am Nahtanfang wie ein kaltes Werkstück gerecht zu werden. Die vorliegende Erfindung betrifft den Lichtbogenprozess in einem stabilen Zustand nach der Startphase.
Der in 2 dargestellte Prozess wurde in fünf Zeitabschnitte t₁₁ bis t₁₅ unterteilt. Diese Bezeichnungen werden im Folgenden sowohl zur Angabe der jeweiligen Prozessphase als auch zur Angabe der Zeitdauer dieser Prozessphase verwendet, da sich die jeweilige Bedeutung sofort aus dem Zusammenhang ergibt.
In der Grundphase t₁₄ wird auf einen geringen Stromwert geregelt, wobei Lichtbogen mit positiv gepoltem Schweißdraht brennt. Es kommt zum Aufschmelzen des Schweißdrahtes und des Werkstückes. Am Ende des Drahtes bildet sich eine kleine Kugel flüssigen Metalls. In der nachfolgenden Prozessphase t₁₅ wird im Vergleich zur Grundphase t₁₄ eine höhere Energie eingebracht. In der Pulsphase t₁₅ wird auf einen konstanten Wert oder einen vorgegebenen Kurvenverlauf des Schweißstroms oder der Schweißspannung geregelt. Dabei ist die Leistung im Puls so eingestellt, dass es zu einem weiteren Aufschmelzen des Drahtes an der Spitze kommt, sodass sich die Kugel flüssigen Metalls vergrößert. Gleichzeitig ist der Kurzlichtbogen so eingestellt, dass die erzeugte Pinchkraft nicht zu einem Ablösen des Tropfens innerhalb der Pulsphase t₁₅ führt. Je nach spezifischer Ausführungsform können verschiedene Pulsflanken zwischen dem Übergang von der Prozessphase t₁₄ in die Prozessphase t₁₅ eingestellt werden. Am Ende der Pulsprozessphase hat sich eine Kugel flüssigen Materials am Schweißdrahtende gebildet.
Im Anschluss an die Pulsprozessphase t₁₅ folgt eine weitere Prozessphase t₁₁, in welcher bei weiter brennendem Lichtbogen mit im Vergleich zum Puls verminderten Energieeintrag weiter aufgeschmolzen wird. Für diese dritte Prozessphase t₁₁ wird eine minimale und eine maximale Zeitdauer t_11max definiert. In der Regel wird das Zeitintervall in der Prozessphase t₁₁ durch das Auftreten des Kurzschlusses bestimmt. Bei diesem Kurzschluss, d. h. mit dem Abschluss dieses Kursschlusses wird der aufgeschmolzene Tropfen am Schweißdrahtende an das Schweißbad übergeben. Sinkt die Lichtbogenspannung bzw. die Schweißspannung unter eine bestimmte Schwelle von beispielsweise 10 Volt, wird das Ereignis von der Prozessregelung als Kurzschluss interpretiert und es erfolgt der Wechsel von der Prozessphase t₁₁ in die Prozessphase t₁₂, welche als Kurzschlussphase bezeichnet werden kann. Sollte jedoch nach Ablaufen einer maximalen Zeit t_11max in der Prozessphase t₁₁ kein Kurzschluss auftreten, wird von der Regelung trotzdem in die Prozessphase t₁₂ gewechselt.
In den Prozessphasen t₁₄ und t₁₅ ist die Drahtgeschwindigkeit positiv, wodurch sich der Schweißdraht auf das Werkstück 9 bewegt. Die Drahtgeschwindigkeit wird auf einen Wert entsprechend der gewünschten Abschmelzleistung eingestellt, sodass sich in Verbindung mit den anderen von der Steuereinrichtung gesteuerten bzw. geregelten Prozessparametern ein stabiler Schweißprozess einstellt.
Mit dem Beginn der Prozessphase t₁₂ beginnt das Rückziehen des Drahtes wie es der Verlauf der Drahtgeschwindigkeit in der Phase t₁₂ zeigt. Der Draht bewegt sich vom Werkstück weg, was durch die negative Drahtgeschwindigkeit der Prozessphase t₁₂ angezeigt wird. Innerhalb der Kurzschlussphase wird auf einen konstanten Kurzschlussstrom geregelt.
Nach einer bestimmten Zeit öffnet sich die Kurzschlussbrücke zwischen Schweißdrahtende, flüssigem Metall und dem Werkstück 9 durch das Zurückziehen des Drahtes. Darüber hinaus wurde mit Beginn der Prozessphase t₁₂ die Polarität am Ausgang der Schweißstromquelle umgekehrt, wie der Kurvenverlauf für die Schweißspannung zu Beginn der Phase t₁₂ zeigt. Die Stromrichtung ändert sich damit ebenfalls. Durch das Aufreißen der Kurzschlussbrücke bildet sich ein Lichtbogen, es fließt ein Strom in negativer Richtung. Der Strom innerhalb der Prozessphase t₁₂ kann auf einen niedrigen Wert geregelt werden, um nach dem Wiederzünden die Leistung auf einen vorbestimmten Wert zu begrenzen und um Spritzern vorzubeugen.
Nach der Prozessphase t₁₂ schließt sich die Phase t₁₃ an, bei welcher der Lichtbogen mit negativ gepoltem Schweißdraht weiter brennt und der Strom für eine vorgegebene Zeitdauer t₁₃ auf einen bestimmten Strom- oder Spannungswert geregelt wird. Durch die Minuspolung des Schweißdrahtes wird im Vergleich zu den Verhältnissen in der Grundphase t₁₄ bei gleicher elektrischer Leistung erheblich mehr Draht angeschmolzen. Nach Ablauf des Zeitintervalls t₁₃ erfolgt ein zweiter Polaritätswechsel durch erneutes Umpolen der Ausgangsspannung, womit die Prozessphase t₁₄ startet. In dem in 2 dargestellten Beispiel tritt beim zweiten Polaritätswechsel zum Ende der Prozessphase t₁₃ kein Kurzschluss auf. Die Prozessparameter sind deshalb so eingestellt, dass zu diesem Zeitpunkt kein Tropfen an das Schweißbad abgegeben wird, was ansonsten durch die Beabstandung des Schweißdrahts vom Schweißbad mit Spritzern verbunden wäre.
Prozessseitig ist sichergestellt, dass nach der Durchführung der zweiten Polaritätsänderung mit Beginn der schon beschriebenen Grundphase t₁₄ der Lichtbogen wieder startet. Hierzu kann beispielsweise mit einer ausreichend hohen Schweißstromänderungsgeschwindigkeit gearbeitet werden, welche in Verbindung mit den Induktivitäten im Schweißkreis, insbesondere einer Schweißdrossel dafür sorgt, dass eine hohe Zündspannung zum Zünden des Lichtbogens bereitsteht.
In ähnlicher Weise kann zum genannten Zeitpunkt auch der Ausgang der Schweißstromquelle durch einen schnellen Schalter kurzgeschlossen werden, wodurch der Strom ansteigt und danach der Schalter wieder geöffnet werden kann. Es wird in beiden Fällen eine Zündspannung erzeugt, die wesentlich höher als die Lehrlaufspannung des Schweißkreises ist. Danach kann der beschriebene Prozesszyklus wieder von vorne beginnen.
In der beschriebenen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Gesamtdauer der Prozesszyklen konstant ist, wobei die Zeitintervalle t₁₁ und t₁₄ variabel sind und dementsprechend aufeinander abgestimmt werden, wobei die anderen Prozessphasenzeitintervalle innerhalb eines Prozesszyklus vorgegeben sind. Es gilt: t₁₁ + t₁₂ + t₁₃ + t₁₄ + t₁₅ = konstant.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Gesamtprozessdauer jeweils für den folgenden Prozesszyklus vorbestimmt. Somit kann die Prozessregelung in Abhängigkeit von Prozessparametern wie der Pulsspannung eine gewünschte Zeitdauer des Prozesszyklus berechnen und vor dem nächsten Zyklus festlegen. Dabei können Zeitintervalle, welche vor dem Ablauf des Prozesszyklus festgelegt wurden, in darauf folgenden Prozesszyklen auf andere Werte festgelegt werden.
2 zeigt ein Verfahren, bei welchem die Geschwindigkeit des Schweißdrahtes zur Auflösung des Kurzschlusses vermindert und in negative Werte geändert wird. In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass der Schweißdraht gestoppt wird, ohne dass der Draht zurückgezogen wird. Während des Kurzschlusses wird dann die Geschwindigkeit des Schweißdrahtes auf Null gehalten.
3 zeigt für ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Schweißverfahrens den zeitlichen Verlauf der Prozessparameter Schweißstrom, Schweißspannung und Drahtgeschwindigkeit, wobei sich der Prozess zu dem in 2 gezeigten beim Ablauf des zweiten Polaritätswechsels zeigt. Wiederum wird in einer Grundphase t₃₈ am Ende des Schweißdrahtes eine kleine Kugel flüssigen Metalls gebildet, die in der Impulsphase t₃₉ verstärkt wird. Wiederum ist die Pulsleistung so eingestellt, dass es nicht zum Ablösen des Tropfens kommt. An die Pulsphase t₃₉ schließt sich wiederum eine dritte Phase t₃₁ an, in welcher der Schweißdraht weiter geschmolzen und in Richtung zum Werkstück bewegt wird. Das Ende der Prozessphase t₃₁ wird in dem Beispiel durch das Erreichen des Kurzschlusses festgelegt, zu diesem Zeitpunkt startet die Prozessphase t₃₃, in welcher der Tropfenübergang startet, die Reversierung des Drahtes beginnt und der erste Polaritätswechsel durchgeführt wird. In der Kurzschlussphase t₃₃ wird wieder auf einen vorgegebenen Kurzschlussstrom geregelt. Nach Ablauf einer bestimmten Zeit öffnet sich wieder die Kurzschlussbrücke zwischen Drahtende, flüssigem Teil und dem Werkstück 9 durch das Zurückziehen des Drahtes, der Tropfenübergang ist beendet worauf sich ein Lichtbogen ausbildet mit negativ gepoltem Schweißdraht. Der Strom nach der Prozessphase t₃₃ kann auf einen niedrigen Wert geregelt werden, um nach dem Wiederzünden zu Beginn der Prozessphase t₃₄ die Leistung auf einen bestimmten Wert zu begrenzen, so dass Spritzer vermieden werden.
Danach schließt sich wiederum eine Prozessphase, hier t₃₅ an, in welcher mit einem im Vergleich zur vorhergehenden Phase erhöhten Energieeintrag gearbeitet wird. Die Zeitdauer t₃₅ wird für einen einzelnen Prozesszyklus vorbestimmt, kann jedoch von Zyklus zu Zyklus variieren. Dadurch, dass der Schweißdraht von der Phase t₃₅ negativ gepolt ist, erfolgt ein hoher Energieeintrag in dem Schweißdraht. Im Gegensatz zu dem in 2 dargestellten. Beispiel wird hier dem zweiten Polaritätswechsel ein Kurzschluss zugeordnet, der insbesondere zum spritzerfreien Abgeben eines weiteren Tropfens an das Schmelzbad genutzt werden kann. Darüber hinaus kann damit auf externe Zündhilfen verzichtet werden, da keine Gefahr besteht, dass der Lichtbogen nach dem Polaritätswechsel nicht zündet. Am Ende der Lichtbogenbrennphase t₃₅ mit negativ gepoltem Schweißdraht wird der Polaritätswechsel durchgeführt. Dabei kann vorgesehen sein, dass zwischen den Phasen t₃₅ und t₃₆ eine Totzeit eingefügt wird um sicher zu stellen, dass der Lichtbogen aus ist. In dieser Zeit wären Schweißspannung und Schweißstrom gleich Null.
Nach dem Polwechsel zu Beginn der Prozessphase t₃₆ liegt die Leerlaufspannung an. Ein Schweißstrom fließt nicht und der Draht bewegt sich auf das Werkstück. Beim Erreichen des Kurzschlusses zu Beginn der Prozessphase t₃₇ geht die Schweißspannung auf den Kurzschlusswert, wobei auf einen niedrigen Schweißstrom geregelt wird, der konstant sein kann oder eine bestimmte Kurvenform aufweisen kann. Mit dem Kurzschluss wird die Drahtförderung umgekehrt, wodurch die Kurzschlussbrücke zwischen flüssigem Metall, Draht und Werkstück zu Beginn der dann folgenden Grundphase t₃₈ aufreißt, wodurch ein Lichtbogen mit positiv gepoltem Schweißdraht wieder zündet. Mit dem Lösen des Kurzschlusses geht flüssiges Material von der Schweißelektrode vollständig in das Schweißbad über.
Auch bei dem in 3 dargestellten Beispiel ist vorgesehen, dass innerhalb eines Prozesszyklus bestimmte Prozessphasen jeweils eine vorbestimmte Zeitintervalllänge aufweisen, die vor dem Prozesszyklus festgelegt werden. Darüber hinaus sind die Intervalle von bestimmten Prozessphasen variabel gehalten bzw. einerseits durch den Prozess selbst bestimmt, andere Intervalle werden dann daran angepasst, dass sich letztlich eine konstante Periodendauer für aufeinander folgende Prozesszyklen ergibt. Bei dem in 4 dargestellten Beispiel können insbesondere die Intervalle t₃₄, t₃₅ und t₃₉ vorbestimmt sein, während die Zeitintervalle t₃₁, t₃₃, t₃₆, t₃₇ und t₃₈ variabel gehalten sind.
4 zeigt den Zeitverlauf der drei angegebenen Schweißparameter I_S, U_S und V_D für eine erfindungsgemäße Variante eines Lichtbogen-Schweißverfahrens. Wiederum sind etwa zwei Prozesszyklen dargestellt, wobei die im Folgenden nicht beschriebenen Prozessphasen analog zu den in 3 gezeigten verlaufen. Insbesondere der zweite Polaritätswechsel mit zugeordneter Kurzschlussphase unterscheidet sich nicht zu dem der 3. Nach der Pulsphase t₄₉ folgt eine Prozessphase t₄₁, bei welcher bis zum Ende kein Kurzschluss auftritt. Aus diesem Grunde wird nach Ablauf der Maximalzeit t₄₁ ein Polaritätswechsel durchgeführt, bei welchem der Schweißdraht von positiv nach negativ gepolt wird. Der Lichtbogen erlischt, sodass in der Prozessphase t₄₂ die Leerlaufspannung mit negativer Polarität anliegt. Zwischen den Phasen t₄₁ und t₄₂ kann eine Totzeit eingefügt werden um sicherzustellen, dass der Lichtbogen vor dem Polaritätswechsel erloschen ist. Der Draht wird weiter in Richtung des Werkstückes bewegt, sodass am Ende der Prozessphase t₄₂ ein Kurzschluss erzeugt wird. In dieser Kurzschlussphase t₄₃ wird der Kurzschlussstrom auf einen vorgegebenen Wert bzw. Verlauf gehalten. Nach dem Erreichen des Kurzschlusses wird der Draht abgebremst und zurückgezogen, was durch die negative Drahtgeschwindigkeit in 4 dargestellt ist. Mit dem Auflösen des Kurzschlusses erfolgt der Tropfenübergang vom Draht in das Schweißbad. In der nachfolgenden Prozessphase t₄₄ startet ein Lichtbogen beim Aufreißen der Kurzschlussbrücke. Der weitere Verlauf entspricht dem in 3 beschriebenen Verfahren. Auch bei dem Lichtbogen-Schweißverfahren gemäß 4 wird die Periodendauer konstant gehalten, wobei die Zeitintervalle der Prozessphasen t₄₁, t₄₄, t₄₅, t₄₈ und t₄₉ vorbestimmt werden und die anderen Zeitintervalle t₄₂, t₄₃, t₄₆ und t₄₇ sich aus dem Prozess ergeben bzw. daran angepasst werden.
5 zeigt den Zeitverlauf der angegebenen Schweißparameter für ein erfindungsgemäßes Schweißverfahren, das ähnlich dem in 4 gezeigten ist. Der Unterschied besteht im zweiten Polaritätswechsel, der bei dem in 5 angegebenen Verfahren nach Erreichen des Kurzschlusses durchgeführt wird, nicht jedoch vor dem Erreichen des Kurzschlusses wie bei dem in 4 gezeigten Verfahren. Der Wechsel von der Prozessphase t₅₅ zur Prozessphase t₅₇ erfolgt durch das Eintreten des Kurzschlusses. Mit dem Auftreten des Kurzschlusses erfolgt der Polaritätswechsel, bei welchem der Schweißdraht von Minus nach Plus gepolt wird. Gleichzeitig wird der Draht während der Prozessphase t₅₇ zurückgezogen. Mit dem Aufreißen der Kurzschlussbrücke wird die Grundphase t₅₈ gewechselt und auf den Grundstrom geregelt. Die in den 4 und 5 dargestellten Verfahren können auch ineinander übergehen. Sollte beispielsweise nach einer vorbestimmten Maximalzeit t_55max während der Prozessphase t₅₅ kein Kurzschluss auftreten, wird der zweite Polaritätswechsel wie in 4 gezeigt, erfolgen. Bei dem Verfahren gemäß 5 ist die Zykluszeit aufeinander folgenden Prozesszyklen konstant. Vor Beginn des Prozesszyklus werden die Zeitintervalle t₅₁, t₅₅, t₅₈ und t₅₉ auf vorbestimmte Werte gesetzt, während die weiteren Zeitintervalle des Prozesszyklus t₅₂, t₅₃, t₅₅ und t₅₇ prozessbestimmt werden, derartig, dass die Summe der Zeitintervalle des Prozesszyklus einen vorbestimmten Wert ergibt.
Erfindungsgemäß muss das erneute Reversieren des Drahtes von negativer zu positiver Drahtgeschwindigkeit nicht in Abhängigkeit vom Auflösen des Kurzschlusses zwischen Draht, flüssigem Metall und Werkstück erfolgen. Stattdessen kann als Trigger für das erneute Umkehren der Drahtbewegung von der negativen Richtung in die positive Richtung auch das Erreichen einer vom Draht zurückgelegten vorgegebenen Wegstrecke, die für Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer oder das Erreichen einer vorbestimmten Drahtgeschwindigkeit in negativer Richtung dienen.
Bezugszeichenliste

1: Schweißgerät
2: Schweißquelle
3: Steuerungseinrichtung
4: Polaritätswechseleinrichtung
5: Drahtvorschubeinrichtung
6: Drahtpuffer
7: Brenner
8: Lichtbogen
9: Werkstück
10: Drehstromversorgung
11: Schweißdraht
I_S: Schweißstrom
U_S: Schweißspannung
V_D: Drahtgeschwindigkeit
T_ij: Prozessphase bzw. Zeitdauer der Prozessphase; i = 1..5; j = 1..9

Claims

Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren zur Durchführung eines Schweißprozesses bei welchem Material eines als abschmelzende Elektrode verwendeten Schweißdrahtes in ein Schweißbad übertragen wird, mit einem Prozesszyklus, der eine Grundphase sowie eine Impulsphase umfasst, in denen ein Lichtbogen brennt und der Schweißdraht positiv gepolt ist, wobei Material des Schweißdrahtes in einer Kurzschlussphase in das Schmelzbad übertragen wird und die Auflösung des Kurzschlusses durch Stoppen oder Zurückziehen des Schweißdrahtes vom Werkstück zumindest unterstützt wird und nach der Auflösung des Kurzschlusses ein Lichtbogen wieder zündet sowie der Schweißdraht wieder reversiert wird zur Bewegung desselben in Richtung zum Werkstück, wobei zu einem Kurzschluss ein erster Polaritätswechsel durchgeführt wird, bei welchem der Schweißdraht negativ gepolt wird, und nach dem Polaritätswechsel ein Lichtbogen mit negativ gepoltem Schweißdraht zündet, und wobei nach Ablauf einer Lichtbogenphase mit negativ gepoltem Schweißdraht ein zweiter Polaritätswechsel innerhalb des Prozesszyklus durchgeführt wird, bei welchem der Schweißdraht positiv gepolt wird, wobei nach der Impulsphase eine dritte Prozessphase mit im Vergleich zur Impulsphase vermindertem Energieeintrag in den Schweißdraht durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der dritten Prozessphase (t41, t51) nach Ablauf einer Maximalzeit (t41) und vor Erreichen des Kurzschlusses ein Polaritätswechsel durchgeführt wird, bei welchem der Schweißdraht von positiv nach negativ gepolt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erfassen des Kurzschlusses die Zuführung des Schweißdrahtes (11) zum Werkstück (9) gestoppt und/oder der Schweißdraht vom Werkstück zurückgezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, das s die Reversierung des Schweißdrahtes zur Bewegung desselben in Richtung zum Werkstück nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer ab dem Zeitpunkt der Auflösung oder des Auftretens des Kurzschlusses gestartet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Auflösung des Kurzschlusses die Reversierung des Schweißdrahtes (11) zur Bewegung desselben in Richtung zum Werkstück gestartet wird, wenn der Schweißdraht einen vorgegebenen Abstand vom Werkstück oder eine vorgegebene negative Geschwindigkeit erreicht hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesszyklusdauer konstant ist.
Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Polaritätswechsel des Prozesszyklus ohne die Einstellung eines zugeordneten Kurzschlusses zwischen Schweißdraht (11) und Schweißbad durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Lichtbogenphase (t44, t54), bei welcher der Schweißdraht negativ gepolt ist, eine weitere Lichtbogenphase (t45, t55) mit negativ gepoltem Schweißdraht durchgeführt wird, innerhalb dessen vorgegebene Prozessparameter, insbesondere die Lichtbogenspannung, der Lichtbogenstrom und/oder die Drahtgeschwindigkeit so eingestellt werden, dass innerhalb einer vorgegebenen maximalen Zeitdauer in der Regel ein zweiter Kurzschluss zwischen Schweißdraht (8) und Werkstück (9) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Polaritätswechsel nach Ablauf einer vorgegeben maximalen Zeitdauer in der weiteren Lichtbogenphase (t45, t55) mit negativ gepoltem Schweißdraht durchgeführt wird, auch wenn der Kurzschluss in der weiteren Lichtbogenphase mit negativ gepoltem Schweißdraht noch nicht erreicht wurde.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Polaritätswechsel trotz Erreichen des Kurzschlusses erst durchgeführt wird, wenn die weitere Lichtbogenphase (t45, t55) mit negativ gepoltem Schweißdraht zumindest eine vorgegebene minimale Zeitdauer angedauert hat.
Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Lichtbogenphase (t44, t45; t54, t55), bei welcher der Schweißdraht negativ gepolt ist, der zweite Polaritätswechsel durchgeführt wird, und wobei Prozessparameter wie Schweißstrom, Schweißspannung und/oder Drahtgeschwindigkeit so eingestellt werden, dass nach dem zweiten Polaritätswechsel in einer zweiten Kurzschlussphase (t47, t57) des Prozesszyklus der zweiter Kurzschluss zwischen Schweißdraht und Werkstück erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem zweiten Kurzschluss Material des Schweißdrahtes in das Schmelzbad übertragen wird.
Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf einer Lichtbogenphase (t41, t45, t51) und vor einem Polaritätswechsel der Lichtbogen gelöscht wird, wenn kein Kurzschluss vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf den zweiten Kurzschluss der Schweißdraht zurückgezogen wird, um diesen vom Werkstück wegzubewegen, wobei nach Auflösung des zweiten Kurzschlusses der Schweißdraht wiederum reversiert wird, um diesen in Richtung zum Werkstück zu bewegen und wobei nach Auflösung des zweiten Kurzschlusses und nach dem zweiten Polaritätswechsel wieder ein Lichtbogen gezündet wird, bei welchem der Schweißdraht positiv gepolt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kurzschlussphasen (t43, t47, t53, t57) des Prozesszyklus der Kurzschlussstrom geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Grundphase (t48, t58), in der Impulsphase (t49, t59) und in der dritten Phase (t41, t51) jeweils entweder der Schweißstrom (I_S) oder die Schweißspannung (U_S) geregelt wird.
Schutzgas-Lichtbogen-Schweißvorrichtung, mit einer Schweißstromquelle, einer Steuereinrichtung, einer Drahtvorschub- und Zurückzieheinrichtung, sowie einem Schweißbrenner, wobei die Steuereinrichtung nach dem Starten des Schweißprozesses einen Prozesszyklus durch Steuern bzw. Regeln von Prozessparameter wie Schweißstrom, Schweißspannung, Drahtgeschwindigkeit, Lichtbogenlänge und/oder Prozessphasenintervalllängen steuert bzw. regelt, wobei der Prozesszyklus eine Grundphase und eine Impulsphase aufweist, in welchen ein Lichtbogen brennt und der Schweißdraht positiv gepolt ist, und wobei in einer Kurzschlussphase nach dem Löschen des Lichtbogens sich zumindest ein Tropfen von dem Schweißdraht löst und in das Schweißbad übergeht, die Steuerung die Drahtvorschub- und Zurückzieheinrichtung nach dem Erreichen des Kurzschlusses ansteuert zum Stoppen des Schweißdrahtes oder zum Zurückziehen des Schweißdrahtes vom Werkstück und nach dem Lösen des Kurzschlusses zum Hinbewegen des Schweißdrahtes zum Werkstück, wobei ein Mittel zum Umpolen der Schweißspannung vorgesehen ist, um in dem Prozesszyklus den Schweißdraht nach einem Kurzschluss negativ zu polen, worauf ein Lichtbogen mit negativ gepoltem Schweißdraht zündet, nach dessen Erlöschen ein weiterer Polaritätswechsel innerhalb des Prozesszyklus erfolgt, um den Schweißdraht wieder positiv zu polen, wobei sich nach der Impulsphase eine dritte Prozessphase mit im Vergleich zur Impulsphase vermindertem Energieeintrag in den Schweißdraht anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass in der dritten Prozessphase (t41, t51) nach Ablauf einer Maximalzeit (t41, t51) und vor Erreichen des Kurzschlusses ein Polaritätswechsel durchgeführt wird, bei welchem der Schweißdraht von positiv nach negativ gepolt wird.