DE19548093C1 - Verfahren zur Steuerung des Wärmeeintrages beim Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode und kurzschlußbehaftetem Werkstoffübergang - Google Patents

Description

Das Lichtbogenschweißen ist in in der Industrie weit verbreitetes Verfahren zum Verbinden von Stoffen. Die Anpassung der beim Schweißen in den Prozeß eingebrachten Energie erfolgt durch Veränderung des Schweißstromes und/oder Schweißspannung.

Wird nun ein sehr geringer Energieeintrag erforderlich, wie z. B. das Schweißen von Blechen unterhalb von 0,8 mm Dicke, so ist es nicht möglich, die in den Prozeß eingebrachte Energie während der Lichtbogenbrennphase beliebig zu verringern. Lichtbogenbrennspannungen kleiner als 14 V und Lichtbogenbrennströme kleiner als 15 A sind nicht erreichbar. Das bedeutet, daß die Leistung als Produkt aus Strom und Spannung bestimmte Werte nicht unterschreiten kann, ohne daß es zum unkontrollierten Abreißen und damit Verlöschen des Lichtbogens kommt. Eine weitere Verringerung der eingebrachten Energie ist aber deshalb erforderlich, weil bei dünnen Blechen die Energie nur schlecht abgeleitet werden kann, so daß es zur Überhitzung des Werkstücks und damit zum Durchbrennen des Lichtbogens durch das Werkstück kommen kann.

Die heute überwiegend zum Lichtbogenschweißen eingesetzten elektronischen Stromquellen verfügen über vielfältige Möglichkeiten zur optimalen Anpassung der von der Quelle gelieferten Energie an die unterschiedlichen Erfordernisse der einzelnen Prozeßphasen beim Lichtbogenschweißen. In den vergangenene Jahren ist dazu eine Vielzahl von Beeinflussungsmöglichkeiten bekannt geworden. In mehreren Veröffentlichungen wird die Benutzung einer sog. "elektrischen Drossel" vorgeschlagen (z. B. US 4 469 933), mit der die Stromänderungsgeschwindigkeit beim Schweißen verändert werden können. Zur besseren Beeinflussung der Phase, in der der Lichtbogen brennt, wird z. B. in der DE 41 29 247 vorgeschlagen, einzelne Stromimpulse zu verwenden. Dabei wird zwischen einem niedrigen Grundstrom und einem wesentlich höheren Pulsstrom umgeschaltet.

Kennzeichnendes Merkmal und Nachteil aller dieser Verfahren und Anordnungen ist aber, daß während der Lichtbogenbrennphase immer das Aufrechterhalten und/oder das Beeinflussen des Lichtbogens angestrebt wird, so daß wie schon beschrieben, aus physikalischen Gründen ein für das Verschweißen von Dünnblechen erforderliches Verringern der in den Prozeß eingebrachten Energie nicht möglich ist.

Es sind zwar Schweißverfahren bekannt, bei denen der Lichtbogen zum Verlöschen gebracht wird.

So wird in der 1 765 498 der Lichtbogen am Nahtende zum Verlöschen gebracht, um Konflikte zwischen dem Drahtfördersystem und der Schweißstromquelle zu vermeiden.

Weiterhin sind ältere Lichtbogen-Punktschweißverfahren (z. B. DE 15 15 073) bekannt, bei denen der Lichtbogen - unabhängig vom Prozeßzustand, d. h. Lichtbogenbrennphase oder Tropenkurzschluß - während der Bewegung von Brenner oder Werkstück zum nächsten Schweißpunkt zum Erlöschen gebracht wird, da eine Lichtbogenbrennphase während dieser Zeit technologisch unsinnig ist. Dies trifft auch für das Verfahren gemäß DE 15 15 074 zu, bei dem jedoch zwischen dem Beenden des eigentlichen Punktschweißvorganges und der Bewegung zum nächsten Schweißpunkt ein einmaliges Lichtbogenwiederzünden erfolgt, um der Kraterbildung sowie der Versprödung und Rißbildung am Schweißpunkt vorzubeugen.

Es ist weiterhin aus der DE 19 04 267 bekannt, daß die Schweißzeit beim Lichtbogen- Punktschweißen mit abschmelzender Elektrode in Abhängigkeit von Prozeßstörungen - wie z. B. einem kurzzeitigen Lichtbogenabriß - verändert werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung des Wärmeeintrages beim Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode und kurzschlußbehaftetem Werkstoffübergang zu entwickeln, mit dem es möglich ist, den Energieeintrag während der Lichtbogenbrennphase deutlich zu verringern und damit das Anwendungsgebiet des Lichtbogenschweißens zu erweitern. Als eine aus dieser Aufgabe abgeleitete Teilaufgabe soll insbesondere das spezielle Anwendungsproblem gelöst werden, Bleche unterhalb von 0,8 mm Dicke sowie geeignete Folien mittels Lichtbogenschweißen zu verbinden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch gelöst.

Das Grundprinzip der Erfindung besteht demnach darin, zur Steuerung des Wärmeeintrages beim Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode und kuzrschlußbehaftetem Werkstoffübergang die Dauer der Lichtbogenbrennphase zwischen zwei aufeinanderfolgenden Tropfenkurzschlußphasen gezielt zu reduzieren. Dabei wird das Maß der gesteuerten Verkürzung der Lichtbogenbrennphase durch die Bedingung begrenzt, daß ein schmelzflüssiger Tropfen gebildet wird. In einem Grenzfall des Verfahrens wird daher die Löschung des Lichtbogens so lange beibehalten, bis ein Tropfenkurzschluß auftritt.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorzug, daß sich damit die in den Prozeß eingebrachte Energie gezielt verringern läßt, so daß die Überhitzung des Werkstückes zuverlässig vermieden werden kann. Deshalt ist dieses Verfahren besonders vorteilhaft beim Schweißen von Dünnblechen, d. h. Blechen mit Dicken unterhalb von 3 mm, oder für Folienschweißungen einsetzbar. Eine weitere vorteilhafte Anwendung besteht beim Schweißen von Wurzellagen und beim Schweißen in Zwangslagen. Ein besonderer Vorzug des Verfahren besteht auch darin, daß der Verlauf von Schweißstrom und/oder Schweißspannung in weiten Grenzen variierbar ist.

Verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben. Entsprechend einer speziellen Ausführungsform kann, sofern dies für die Steuerung des Wärmeeintrages in besonderen Fällen erforderlich ist, jeweils nach einer vorbestimmten Zeitdauer nach dem gesteuerten Erlöschen des Lichtbogens mindestens eine Lichtbogenwiederzündung vor dem Beginn des nächsten Tropfenkurzschlusses erfolgen.

Die Erfindung soll einschließlich ihrer Funktionsweise nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Anordnung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 charakteristische Spannungs- und Stromverläufe beim Schweißen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Gemäß Fig. 1 besteht die Anordnung aus dem Kurzschlußsensor 1, dem Generator 2 zur Generierung der Lichtbogenbrennzeit, dem Einstellregler 3 zur Beeinflussung der Lichtbogenbrenndauer, dem elektronischen Schalter 4, der Anordnung 5 zur Bereitstellung der Sollwerte für Schweißstrom bzw. Schweißspannung, der Anordnung 6 zur Erfassung der Istwerte von dem Schweißstrom und Schweißspannung, dem Regler 7 und der Anordnung 8 zur Steuerung der Schweißenergiequelle.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende:
Beim Erkennen des Prozeßzustandes "Lichtbogen" nach Beendigung der Tropfenkurzschlußphase zum Zeitpunkt KS_E (Fig. 2 Signalverlauf A) durch den Kurzschlußsensor 1 werden mit Hilfe des Generators 2 für die mit Hilfe des Einstellreglers 3 einstellbare Lichtbogenbrennzeit t_LB (Fig. 2 Signalverlauf B) die in der Anordnung 5 erzeugten Sollwerte von Schweißstrom bzw. Schweißspannung an den Regler 7 gelegt. Nach Vergleich mit den von der Anordnung 6 ständig bereitgestellten und an den zweiten Eingang des Reglers 7 gelegten Istwerten von Schweißstrom und Schweißspannung erzeugt der Regler 7 ein Ausgangssignal, mit dem in der Anordnung zur Ansteuerung der Schweißenergiequelle 8 die leistungselektronischen Ventile so angesteuert werden, daß der mit Hilfe der Anordnung zur Bereitstellung der Sollwerte 5 vorgegebene Verlauf von Schweißstrom und Schweißspannung erzielt wird. Nach Ablauf der Zeitdauer t_LB wird mit Hilfe des vom Generator 2 kommenden und das Ende der eingestellten Lichtbogenbrenndauer t_LB anzeigenden Signales der elektronische Schalter 4 angesteuert, so daß dieser den einen Eingang des Reglers 7 aus Massepotential legt. Diese Verfahrensweise führt dazu, daß vom Regler 7 ein Ausgangssignal erzeugt wird, welches mit Hilfe der Anordnung 8 dafür sorgt, daß die leistungselektronischen Ventile der Schweißenergiequelle ausgeschaltet werden und während der Zeitdauer t_AUS abgeschaltet bleiben. Dadurch bleibt während der Zeitdauer t_AUS (Fig. 2 Signalverlauf B) der Lichtbogen gezielt gelöscht. Diese Löschung des Lichtbogens kann bis zum Beginn des nächsten Tropfenkurzschlusses zum Zeitpunkt KS_A (Fig. 2 Signalverlauf A) aufrecht erhalten bleiben.

Claims (8)

1. Verfahren zur Steuerung des Wärmeeintrages beim Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode und kurzschlußbehaftetem Werkstoffübergang, gekennzeichnet dadurch, daß der Lichtbogen, nachdem er jeweils nach dem Ende der Tropfenkurzschlußphase wiedergezündet und eine vorbestimmte Zeitdauer t_LB gebrannt hat, die ausreicht, um einen schmelzflüssigen Tropfen zu bilden, zum Verlöschen gebracht und innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer t_AUS, die sich höchstens bis zum Beginn des jeweils nächsten Tropfenkurzschlusses erstreckt, nicht wiedergezündet wird, wobei der schmelzflüssige Tropfen jeweils während des Tropfenkurzschlusses in das Schmelzbad überführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Wärmeeintrag verändert wird, indem jeweils nach einer vorbestimmten Zeitdauer nach dem gesteuerten Erlöschen des Lichtbogens mindestens eine Lichtbogenwiederzündung vor dem Beginn des nächsten Tropfenkurzschlusses erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Lichtbogen durch Verringerung von Schweißstrom und/oder Schweißspannung oder der daraus ableitbaren Größen zum Verlöschen gebracht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß der Schweißstromverlauf während der Tropfenkurzschlußphase unter der Maßgabe, daß während der Tropfenkurzschlußphase der Tropfenübergang in das Schmelzbad gewährleistet ist, beliebig ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß der Verlauf von Schweißstrom und/oder Schweißspannung während der Lichtbogenbrenndauer unter der Maßgabe, daß der Lichtbogen nicht erlischt, beliebig ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß der Typ der benutzten Schweißenergiequelle unter der Maßgabe, daß das Erlöschen des Lichtbogens steuerbar ist, beliebig ist.

7. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, für das Verbinden von Werkstücken mit Blechdicken unterhalb 3 mm.

8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für das Verbinden von Folien.