DE69607273T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Schweissen in einer Fuge mit verbesserten Lichtbogenspannungsdetektierung und Steuerung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft das automatische Schweißen von Metallkomponenten. In Lichtbogenschweißverfahren bestehen die bekanntesten Verfahren zum Beibehalten einer konstanten Lichtbogenspannung darin, die Spannung des Lichtbogens elektronisch zu messen und die axiale Position der Elektrode mit einem servobetätigten Element entsprechend in eine Richtung zu verfahren, die im wesentlichen senkrecht zu dem Schweißbad ist, so daß die Länge des Lichtbogens (und damit dessen elektrischer Widerstand) konstant gehalten wird. Dieses Verfahren ist allgemein bekannt als automatische Spannungssteuerung (AVC). Da der Lichtbogenwiderstand konstant gehalten wird, ist auch der Spannungsabfall über den Lichtbogen für einen gegebenen Schweißstrompegel gemäß des Ohmschen Gesetzes konstant (d. h., U = RI, worin U die Spannung, I der Strom und R der Widerstand ist). Das mechanisierte AVC-Schweißverfahren wird entweder mit Dauerstrom oder mit Impulsstrom durchgeführt, wobei die Spannung sowohl während der Nieder- als auch während der Hochleistungsperiode des Strompegels gemessen wird.
• Typische Schweißsysteme mit mechanisierter Brennerpositionierung und gepulster Leistung bieten die Möglichkeit, mit einer AVC ausgestattet zu werden, die eine Servosteuerung zur Spannungsmessung und axialen Positionienmg der Elektrode benutzt. Diese Teilsysteme sind derart gestaltet, daß sie einen konstanten, voreingestellten Wert der Lichtbogenspannung und eine entsprechende Lichtbogenlänge bereitstellen, neigen allerdings dazu, den Lichtbogen für einen "Aufstieg" an den Seitenwänden zu sensibilisieren, sobald ein Teil des Lichtbogens die Seitenwand berührt.
• Der "Aufstieg" bezieht sich auf das Problem in AVC-Schweißsystemen, das auftritt, wenn der Schweißpunkt versehentlich auf eine Oberfläche gerät, die einen spitzen Winkel zur Elektrodenachse hat. [Ein Schweißpunkt ist der Ort, an dem der Lichtbogen auf das Werkstück auftrifft und mit ausreichender elektrischer Leistung ein schmelzflüssiges Bad infolge der elektrischen Aufheizung durch den Lichtbogen erzeugt.] Dies führt normalerweise zu einer Reduzierung der Lichtbogenlänge sowie einer sich daraus ergebenden Verringerung der Lichtbogenspannung. Als Reaktion auf die Verringerung der Lichtbogenspannung versucht die AVC-Servosteuerung, die Elektrode entlang der Elektrodenachse und weg vom Fugengrund zu bewegen, um die voreingestellte Lichtbogenspannung wieder herzustellen. Unter dieser Bedingung reagiert der Lichtbogen auf den Versuch des Servosystems, eine konstante Lichtbogenspannung unter der Annahme, daß der Lichtbogen richtig und direkt auf dem Grund der Fuge auftrifft, nicht kontrollierbar, da der Lichtbogen auf den Seitenwänden auftrifft. Insbesondere in einem Fall, in dem die Wände einer sehr engen Fuge annähernd parallel sind, neigt die AVC-Servosteuerung dazu, die Elektrode kontinuierlich und annähernd parallel zu den Seitenwänden nach oben zu bewegen, da die Lichtbogenlänge als Resultat dieser parallelen Bewegung nicht größer wird. In Impulschweißsystemen tritt der "Aufstieg" des Lichtbogens typischerweise während der Hochleistungsschweißperiode auf, in der der Lichtbogen sowohl das Hauptschweißbad als auch die Seitenwände der Fuge berührt. Dieser Umstand tritt ein, wenn die Schweißelektrode nicht richtig in einer sehr engen Fuge zentriert ist, oder wenn sich das zugegebene Zusatzmetall nicht gleichmäßig über die Naht verflüssigt, oder wenn die Schweißelektrode zu nah an eine Seitenwand in einer herkömmlichen engen oder breiten Fuge oder an eine ähnlich elektrische Oberfläche einer benachbarten Metallkomponente gerät. Historisch wird der "Aufstieg" des Lichtbogens als eines der größten Probleme beim Schweißen von Nähten hoher Volumeneffizienz mit sehr engen Fugen und / oder steilen Seitenwänden angesehen, und als Ergebnis davon wurden diese wesentlich effizienteren Geometrien vermieden, da sie als unschweißbar galten.
• Das Problem des "Aufstiegs" rührt daher, daß die meisten Systeme zur Messung der Lichtbogenspannung die Spannung messen, wenn der Lichtbogen in dessen unvorteilhaftem Hochleistungsmodus mit großem Schweißbad ist, was einen Teil des resultierenden größeren Lichtbogens dazu zwingt, sich entlang der benachbarten Seitenwände nach oben auszubreiten. Die typischen Lösungen bzgl. des "Aufstiegs" bestehen darin, daß die Position des Lichtbogens durch periodisches Verschieben oder Eigendrehung der Spitze der Elektrode weg von der Wand stabilisiert wird, wobei eine Hin- und Herbewegung der Elektrode (bei geraden Elektroden) oder eine Rotationsbewegung (für Elektroden mit versetzter Spitze) durchgeführt wird oder daß verbesserte Elektroden-, Lichtbogen- und Schweißbadzentrierung beibehalten wird, oder daß die Naht erweitert und die Elektrodenposition weiter weg von der Wand angeordnet wird. Ein anderes bekanntes Verfahren, das stärker dazu neigt, Bindefehler an den Wänden zu erzeugen, besteht im "Lenken" und Beibehalten einer Position, die weiter von der nächstliegenden Fugenwand entfernt ist.
• Das konventionelle AVC-Verfahren mißt die Spannung nicht nur während der Niederleistungsperiode, in der die Schweißbadgröße am geringsten ist, wobei die Lichtbogenlänge auf einem Wert konstant gehalten wird (auch bekannt als "geschlossen"), der in der vorangegangenen Niederleistungsperiode gemessen wurde, sondern auch während der späteren Hochleistungsperiode. Die Schweißbadgröße ist am Ende der Niederleistungsperiode minimal, nachdem sie in erster Linie durch Leitungskühlung ausgehend von ihrer maximalen Größe am Ende der Hochleistungsperiode verringert wurde. Herkömmliche AVC-Systeme sind stark vereinfacht gestaltet, um die Lichtbogenlänge durch den vollen gepulsten Leistungspegel zu messen und zu kontrollieren, anstatt selektiv am optimalen Endbereich des Leistungspegels und lediglich bei dem bevorzugten Niederleistungspegel zu messen.
• Alle bekannten mit AVC ausgestatteten Lichtbogenschweißsysteme haben eine Spannungsmeßperiode, die nahe dem Ende der Strom-/Spannungs-Impulse eingeleitet wird und solange wie diese dauert. Keine Verschiebung der Meßperiode hinter den Beginn der Sekundärperiode (anders als extrem kurze Verschiebungen, um Zeit für die Stabilisierung der Elektronik des Schaltkreises zur Verfügung zu stellen) oder Ausdehnung in die spätere Hauptleistungsperiode ist mit den bekannten AVC-Elementen möglich. Diese Einschränkungen bzgl. der Konstruktion und der Leistung konventioneller Schweißeinrichtungen verhindern die Nutzung der vorteilhaften Beschaffenheit des Lichtbogens und des Schweißbades, die erreicht ist, wenn beide eine begrenzte Zeit nach dem Ende der Hauptperiode auf ihre minimale Größe während des sekundären Leistungspegels vermindert wurden.
• Andere Systemgestaltungen basieren auf der Beibehaltung einer konstanten Lichtbogenlänge durch mechanische, optische, Schall- und Wirbelstrom-Mittel, wie z. B. Nockennachläufer, Laser, etc. Diese Gestaltungen steuern die Lichtbogenlänge jedoch nicht genau, da die Nachläufer in einem gewissen Abstand zum Schweißbad angeordnet sein müssen, oder sogar in Kontakt mit dem Erzeugnis vollständig außerhalb der Schweißnaht stehen müssen. Diese Systeme steuern die Lichtbogenspannung nur unzureichend, da die Spannung eine Funktion des Stromes ist, der derart programmiert sein kann, daß er zwischen niedrigen und hohen Werten wechselt, wie dies beim Impulsstromschweißen durchgeführt wird, und die entsprechenden Veränderungen in dem Schweißbad werden nicht durch Systeme ermittelt, die anderes als den Lichtbogen selbst messen. Einige dieser Systeme benutzen eine Zeitverschiebung zur annähernden Lichtbogenlängensteuerung, wenn der Arbeitsoberflächenhöhensensor aus verschiedenen Gründen, wie z. B. der verfügbare Raum, vor dem Schweißbad angeordnet ist. In diesen Fällen kompensiert die Zeitverschiebung lediglich die vordere Anordnung des Sensors und bezieht sich nicht auf die Schweißbadgeometrie in der Sekundärperiode.
• Während des Schweißens in sehr engen Fugen ohne seitliche Oszillation des Lichtbogens und während der Strom einen hohen Pegel aufweist, bildet der Lichtbogen vorzugsweise einen Schweißpunkt auf beiden Seiten gleichzeitig aus, wie dies erforderlich ist, um eine adäquate Verschmelzung der Seitenwände zu erzielen, wenn lediglich eine Schweißbahn pro Schicht vorgesehen ist. Wenn die Spannung jedoch gemessen wird, während ein Teil des Schweißpunktes auf den Seitenwänden ist, neigt der Lichtbogen unerwünschterweise dazu, die nächstliegende Seitenwand zu berühren. Es existieren verschieden Techniken, um die seitliche Ausrichtung der nicht abschmelzenden Elektrode (WIG- und Plasmaschweißen) oder der Abschmelzelektrode (Metall-Inert-Gas- und Unterpulver-Lichtbogenschweißen) zu beeinflussen, so daß der Lichtbogen gezwungen wird, den Schweißpunkt abwechselnd auf der einen und dann auf der anderen Seitenwand auszubilden, wie auch auf dem Schweißbad. Der Nutzen dieser Beeinflussung besteht in der Aufheizung und Verschmelzung des Schweißbades mit beiden Wänden in nahezu simultaner Weise, während der "Aufstieg" verhindert wird. Das einschränkende Merkmal derartiger Techniken besteht darin, daß die Fugenbreite notwendigerweise breiter sein muß als bei einer Technik, bei der keine seitliche Beeinflussung benötigt wird, um abwechselnd beide Seitenwände zu erhitzen, ohne Auftreten des "Aufstiegs" des Lichtbogens.
• Während die AVC-Techniken nach dem Stand der Technik aus den oben genannten Gründen nicht bei extrem engen Schweißfugen einsetzbar sind, ist der Einsatz sehr enger Fugen aus den folgenden Gründen sehr erwünscht.
• Spannungskorrosionsrisse (SCC) haben zu dem dringenden Bedürfnis nach Reparatur oder Austausch von vielen Reaktorkomponenten und Rohrleitungen in der ganzen Welt geführt. Geschweißte Nähte sind höchstwahrscheinlich historisch die Bereiche, die am häufigsten aufgrund von SCC versagen, was auf die typisch hohen Werte der Eigenzugspannungen und den hohen Grad thermischer Sensibilisierung in der WEZ zurückzuführen ist. Eine Lösung dieses Problems besteht darin, Komponenten durch neues Material mit Verbesserungen in der chemischen Zusammensetzung zu ersetzen. Aufgrund der überaus hohen Kosten, die mit dem Ersetzen einiger Komponenten, wie z. B. dem Kernmantel, verbunden sind, muß der Ersatz haltbar sein. Der Ersatz besteht im allgemeinen in einer Anbringung eines neuer SCC-resistenten Materials, das mit älterem, SCC- anfälligem Material verbunden wird, so daß es selbst für diese Fälle stark erwünscht ist, daß das Verbindungsverfahren die Eigenspannungen und die mikrostrukturellen Bedingungen in dem älteren Material verbessert, da der relativ niedrige thermische Wirkungsgrad konventioneller Verbindungsverfahren häufig der unmittelbare Grund für das Versagen der alten Komponente war.
• Somit besteht ein Bedürfnis nach einem mechanisierten Schweißprozess, der Schweißnähte mit bedeutend verbesserter SCC-Beständigkeit herstellt. Dies kann durch die Benutzung eines Nahtaufbaus mit einer tiefen aber sehr schmalen Fuge erreicht werden, um die Menge der in das Schweißmaterial eingebrachten Hitze zu minimieren, wodurch die Eigenzugspannungen in der Nähe der Schweißnaht reduziert werden. Ein anderer Vorteil besteht in der Verbesserung der SCC- Resistenz der Mikrostruktur der Wärmeeinflußzone (WEZ), die der Schweißung benachbart ist.
• Eine Schlüsselanwendung eines derartigen Schweißverfahrens ist die Ersatzschweißnaht zwischen einem Siedewasserreaktor(BWR)-Kernmantel und dessen Befestigungsleiste, oder alternativ, eine Aufbau- oder Reparaturschweißnaht zwischen benachbarten Teilen des Kerns oder zwischen anderen Komponenten, die ein erneutes Zusammenfügen wegen der Reparaturen am Kern oder der Reparatur/ dem Ersatz anderer Reaktorkomponenten erfordern. In beiden Fällen können eine oder beide Seiten dieser Nähte aus einem Material bestehen, das aufgrund dessen Zusammensetzung SCC-anfällig ist. Diese Schweißnähte können entweder während der Installation des neuen Kerns oder nach dem Betrieb des Werkes während des Auswechseln des Kerns hergestellt werden. Andere Anwendungen als in dem Reaktorbehälter umfassen die verschiedenen Schweißnähte am Rohrleitungssystem des Kraftwerkes wie auch die strukturellen Schweißungen an schwerem Formstahl.
• Zusätzlich besteht ein Bedürfnis nach einem Schweißverfahren, das die Schweißzeit verringert sowie die entsprechende Äquivalenzdosis der Strahlungsaussetzung des Personals und die Produktionskosten senkt, in Verbindung mit der Arbeit auf einem "kritischen Weg" eines betriebenen Kraftwerkes. Konventionelle Schweißpraktiken, die auch diejenigen für die Außenarbeit umfassen, haben einen relativ niedrigen thermischen Wirkungsgrad, da eine großer Anteil der Hitze eher für das Aufschmelzen des notwendigen Volumens an Schweißdraht benötigt wird, als für die Verschmelzung der Wände der Naht. Dieser Zustand resultiert unmittelbar aus der Benutzung unnötig breiter Nähte. Im Gegensatz dazu verbessert die Benutzung sehr schmaler Schweißfugen die Produktivität auf Grund des höheren thermischen und volumetrischen Wirkungsgrades dieses neuen Verfahrens, was in erster Linie auf die verringerte Wärmeeinbringung bzw. den Nahtaufbau mit reduzierter Breite zurückzuführen ist. Das Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) gilt im allgemeinen als das beste auf Lichtbogen basierende Verfahren für hohe Schweißqualität, erreicht dies aber nur bei mittelmäßiger Produktivität. Andere komplizierte Variationen des WIG- Schweißens, wie z. B. die Zufuhr eines heißen Drahtes, konnten die Produktivität nur mit geringem Erfolg verbessern. Somit besteht ein Bedürfnis nach einem verbesserten AVC- System, das das WIG-Verfahren unterstützt, die einfache Zufuhr eines kalten Drahtes nutzt und als ein Verfahren mit sowohl hoher Qualität als auch hoher Produktivität gilt.
• Die vorliegende Erfindung schafft eine Verfahren und eine Vorrichtung wie sie in den Ansprüchen 1 und 8 definiert sind. Das Verfahren ist im wesentlichen eine Lichtbogenschweißspannungsmessung und ein Verfahren zum Positionieren der Elektrode, die es ermöglichen, die Breite und die Schrägstellung der Seitenwände einer Naht signifikant auf Werte zu reduzieren, die andernfalls beim konventionellen Fugenschweißen instabil wären. Dieses einzigartige Verfahren der Lichtbogenspannugsmessung und Elektrodenpositionssteuerung während des mechanisierten Lichtbogenschweißens nutzt einen Niederleistungsmodus des Lichtbogens, der eine verbesserte Spannungsmessungsgeometrie aufweist, und erlaubt es, verläßliche Schweißnähte zwischen Komponenten herzustellen, wobei Schweißnahtbreiten möglich sind, die bedeutend geringer sind als die der Schweißnähte, die durch andere Lichtbogenschweißverfahren hergestellt wurden. Dieses Verfahren verbessert die Spannungstabilität und die Lichtbogenposition des Schweißprozesses, wobei das Problem vermieden wird, daß der Lichtbogen die Seitenwände der Schweißfuge "aufsteigt".
• Das hierin beschriebene Schweißverfahren verhindert den "Aufstieg" des Lichtbogens durch Messung der Lichtbogenspannug während eines Niederleistungsmodus mit kleinem Schweißbad, wenn der Schweißpunkt und der Lichtbogen kleiner sind und somit nicht dazu neigen, die Seitenwände zu berühren. Während der hierin offenbarten bevorzugten Lichtbogenspannungsmessung bei Niederleistung ist der Lichtbogen schmaler und somit eher auf der bevorzugten Meßposition der Schweißraupenmitte der Schweißbahn fokussiert als über die benachbarten Seitenwände ausgebreitet.
• Die Spannungsmessung bei minimaler Schweißbadgröße schafft den größten Widerstand gegen den "Aufstieg" des Lichtbogens an den Seitenwänden der Naht, und ist ein bedeutender und einzigartiger Vorteil des Schweißverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz zu konventionellen AVC-Systemen, die die Lichtbogenspannug während der Hochleistungs-(Haupt-)impulsperiode messen, nutzt die vorliegende Erfindung die bevorzugte Konfiguration des Lichtbogens und des Schweißbades, die erreicht ist, wenn beide eine begrenzte Zeit nach dem Ende der Hauptperiode während des sekundären Leistungspegels auf deren Minimalgröße verringert wurden. Die Länge der Zeitverschiebung hängt von den aktuellen programmierten Schweißbedingungen ab und reagiert empfindlich auf bestimmte Parameter, die die Impulspegel des Schweißstroms / der Schweißspannung, die Impulsdauer und verschiedene andere Parameter umfassen, von denen alle festsetzen, wie schnell der Schweißlichtbogen und das Schweißbad nach dem Beginn der Sekundärperiode stabil werden. Die Lichtbogengröße reagiert schneller als die Schweißbadgröße nach einer Verringerung des Stromes, aber die Größe des Schweißpunktes und dessen Position sind eine Funktion der Schweißbadgröße und der Schweißbadform bei einem vorgegebenen Strompegel, wodurch die Oberflächengeometrie des Schweißbades eine limitierende Bedingung zur Etablierung einer stabilen Lichtbogengröße nach einer Verringerung des Stromes wird. Insbesondere bevorzugt der Lichtbogen die Berührung mit einer Flüssigkeit anstelle mit einem Festkörper. Die Einbeziehung einer Meßperiodenverschiebung wird wichtiger, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Schweißapparates erhöht wird und die entsprechenden Impulsperioden auf reduzierte Werte programmiert werden (oder die Impulsfrequenz wird in Abhängigkeit von dem verfügbaren Timing-Modus der Maschine erhöht). Während die Sekundärimpulsperiode auf sehr kurze Zeiten verringert ist, geht die sekundäre Spannungsmeßzeit gegen Null, so daß die sekundäre Spannungssteuerzeit ungenügend sein kann, um in einer vollen Lichtbogenlängenreaktion zu resultieren. Dieser Bedingung wird begegnet durch Fortsetzung der sekundären Steuerperiode hinter die sekundäre Meßperiode in die Hauptimpulsperiode, die in dem Schweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung effektiv ist, da die Hauptperiode nicht für entweder Hauptspannungsmessung oder -steuerung benutzt wird (die Lichtbogenlänge ist anderweitig verschlossen). Verschiedene Verfahren sind offenbart, die die Steuerung des Lichtbogens während eines Niederleistungsmodus ermöglichen (mit niedriger Spannung, niedrigem Strom, oder beides; und mit Meßzeitverschiebungen, Steuerzeiterweiterung, oder beides, etc.).
• Eines der bedeutendsten Merkmale dieses Verfahrens besteht darin, daß es die Herstellung extrem schmaler Schweißnähte mit verbesserter Stabilität der Lichtbogenposition bzgl. aller anderen konkurrierenden Verfahren ermöglicht (trotz des schmaleren Schweißnahtaufbaus). Die durch die Benutzung dieses Spannungsmeß- und Elektrodenpositionssteuerungsverfahrens ermöglichten verringerten Fugenbreiten und -winkel, die den zusätzlichen technischen Vorteil einer reduzierten totalen Wärmeeinbringung und dem entsprechenden thermischen Schaden schaffen, einschließlich des Potentials für die Sensibilisierung, die Verzerrung und der Eigenspannungen in der fertiggestellten Schweißnaht. Die kommerziellen Vorteile des Verfahrens umfassen eine verbesserte Effektivität bei der Produktion aufgrund des geringeren Volumens an Metall, daß zum Füllen einer Schweißnaht benötigt wird, als auch eine gesteigerte Bedienerfreundlichkeit aufgrund einer Reduzierung der seitlichen Steuerungssensibilität des Schweißapparates und der Beseitigung der langwierigen Schweißraupenplazierung nahe der Seitenwände.
• Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin:
• Fig. 1 ein Querschnitt durch eine konventionelle Schweißfugengeometrie, der die Beeinflussung der Elektrode, eine große Lichtbogenmorphologie und die Schweißpunktposition auf der Seitenwand während der Spannungsmessung im Hauptmodus nach dem Stand der Technik,
• Fig. 2 ein Querschnitt durch eine Schweißfugengeometrie mit reduzierter Breite, der eine unbeeinflußte Elektrode, eine kleine Lichtbogenmorphologie und eine Schweißpunktposition abseits der Seitenwand während der Spannungsmessung im Sekundärmodus gemäß der vorliegenden Erfindung,
• Fig. 3A eine Kombination aus einer Prinzipsskizze und einem Blockschaltbild, die ein Schweißsystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der ein fakultativer Zündlichtbogen mit AVC- Steuerung eingesetzt wird,
• Fig. 3B eine Teilansicht, die Schweißmaterial zeigt, daß in einer sehr engen Schweißfuge verschmolzen wird, wobei das in Fig. 3A dargestellte Schweißsystem benutzt wird. Der Schweißapparat ist zugunsten einer größeren Klarheit nicht dargestellt.
• Fig. 4 ein Taktdiagramm, das grundlegende Parametersequenzen beim Impulsschweißen für die konventionelle Schweißspannungssteuerung zeigt, wobei L die Lichtbogenlänge ist; V ist die Lichtbogenspannung; I ist der Lichtbogenstrom, P ist die Schweißleistung, 1/t sind beliebige Maßeinteilungen für die Meß-/Steuerungsperioden, und die Indizes 1, 2, S, C bzw. A bedeuten Hauptperiode, Sekundärperiode, Messung, Steuerung und abwechselnd periodisch und
• Fig. 5 ein Taktdiagramm ist, das grundlegende Parametersequenzen beim Impulsschweißen für das Schweißspannungssteuerungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung (gleiche Festlegungen wie in Fig. 4) zeigt.
• Gemäß des hierin offenbarten neuen Schweißverfahrens zur Lichtbogenspannugsmessung und Steuerung wird keine relative seitliche Bewegung zwischen der Elektrode und den Seitenwänden benötigt, der Strom ist vorzugsweise zwischen zwei Pegeln gepulst und die Spannung wird lediglich bei dem unteren Wert des Stromes gemessen. Der niedrigere Strompegel ist niedrig genug voreingestellt, so daß die Breite des Lichtbogens so stark wie erforderlich reduziert ist, wodurch sichergestellt wird, daß der Schweißpunkt nicht auf den Seitenwänden ist und somit daß die Elektrode und der Lichtbogen nicht derart empfindlich sind, daß sie außermittig in der Fuge sind. Der höhere Strompegel ist derart abgestimmt, daß die Hitze zur Verfügung gestellt wird, die zur Herstellung eines brauchbaren Schweißschmelzgutes benötigt wird, wobei die Zusatzmetallzugabe vollständig mit den Seitenwänden verschmolzen wird, und die allgemeinen Schweißwärmesinkbedingungen der Schweißnaht angepaßt werden. Das entscheidende Ergebnis dieses Spannungsmeßverfahrens besteht darin, daß das die Schweißnahtbreite limitierende Merkmal der verschiedenen beeinflußten Lichtbogenschweißtechniken beseitigt ist und die Schweißnahtbreite weiterhin bedeutend reduziert werden kann. Die konventionellen Beeinflußungsmechanismen, die typischerweise benötigt werden, um das Schweißbad mit den Seitenwänden zu verschmelzen, wie z. B. das Hin- und Herbewegen oder Rotieren von außermittigen nicht abschmelzbaren Elektroden und vorgebogene oder gewundene Abschmelzelektroden, sind dann nicht mehr erforderlich und können beseitigt werden, um das Schweißsystem zu vereinfachen und dessen Verläßlichkeit zu verbessern.
• Die wichtigen Merkmale des WIG-Schweißverfahrens mit mechanisierter Schweißapparatbewegung sind in Fig. 1 für das konventionelle Fugenschweißen mit Impulsleistung schematisch gezeigt, wobei die in der Industrie bestehenden Lichtbogensteuerungspraktiken zum Einsatz kommen. Die entsprechenden Merkmale des Spannungsmeß- und Steuerungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, wie es für das Schweißen einer sehr enge Fuge verwendet wird, sind in Fig. 2 gezeigt. Ein Vergleich der Fig. 1 und 2 veranschaulicht, daß, obwohl bei der Schweißung der sehr engen Fuge der Lichtbogen zum "Aufsteigen" neigen würde, wenn dies mit den konventionellen Praktiken versucht würde, das Schweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die einfache Herstellung einer derartigen Schweißung mit einer geringeren Tendenz zum "Aufstieg" des Lichtbogens als bei einem, konventionellen Aufbau erlaubt, wobei eine derartige Schweißung einen höheren thermischen und volumetrischen Wirkungsgrad besitzt.
• Die Impulsleistungs-Zeitsequenz für die beim konventionellen Lichtbogenschweißen typischen elektrischen Parameter sind in Fig. 4 gezeigt und verdeutlichen den Unterschied in den Perioden, während denen die Spannungen gemessen und entsprechend gesteuert werden. Beim konventionellen Schweißen wird die Spannung typischerweise in einer von drei Arten gemessen: Fall A) nur den Hochleistungshauptmodus; oder alternativ Fall B) sowohl den Hauptmodus als auch den Niederleistungssekundärmodus. Ein Muster für eine kommerzielle WIG-Schweißeinrichtung mit der Möglichkeit zur AVC-Steuerung ist in der Lage, die Messung der gesamten Periode und eine simultane Steuerung in entweder einer ersten Impulsperiode oder einer zweiten Impulsperiode oder in beiden Perioden zu programmieren, wobei die Spannung sowohl für die erste als auch für die zweite Impulsperiode einstellbar ist. Jedoch ist nicht bekannt, die Einrichtung derart zu programmieren, daß die Lichtbogenspannung während der zweiten Impulsperiode gemessen wird, in der die Lichtbogenspannung niedriger eingestellt ist als die Lichtbogenspannung während der ersten Impulsperiode. Statt dessen wurden andere Verfahren, wie z. B. die Beeinflussung der Elektrode und/oder des Schweißdrahts, eingesetzt, um die Lichtbogenstabilität bei adäquater Verflüssigung der Seitenwände zu erhalten (kein "Aufstieg"). Wenn die Lichtbogenspannung lediglich in dem Hauptleistungsmodus (Fall A) gemessen wird, ist die Lichtbogenlänge während der Sekundärleistungsperiode fest auf dem Lichtbogenlängenwert der Hauptleistung eingestellt. Wenn die Spannung sowohl in dem Haupt- als auch in dem Sekundärleistungsmodus (Fall B) gemessen wird, dann werden die Lichtbogenlängen entsprechend der während der jeweiligen Phase gemessenen Werte relativ zu den programmierten Werten gesteuert.
• Die vorliegende Erfindung betrifft in erster Linie die Spannungsmessung während des Sekundär- oder Niedrigstleistungsmodus. Der Fall C1 entspricht einer Spannungsmessung während des Sekundärleistungsmodus eines Impulsschemas mit zwei Modi. Der Fall C2 entspricht einer Spannungsmessung während des Niedrigstleistungsmodus eines Impulsschemas mit drei Modi. Eine zusätzliche hierin offenbarte Konfiguration, Fall D1, besteht entweder aus Impuls- oder kontinuierlicher Schweißleistung, die mit einem Zündlichtbogen kombiniert ist, der in erster Linie der Spannungsmessung und -steuerung und nicht dem Erhalt des Schweißbades dient. Bei Impulsschweißleistung ist der Zündlichtbogen auf der gleichen Elektrode wie der Schweißlichtbogen, allerdings mit einer vergleichsweise niedrigeren Leistung als die Sekundärimpulsleistung (oder niedrigster Schweißleistungspegel, wenn mehr als zwei Pegel vorgesehen sind). Für die Schweißstromkonfiguration aus dem Fall D2 kann der Zündlichtbogen über eine separate Elektrode erreicht werden, die das Bezugsstück für die Lichtbogenlänge des Schweißlichtbogens ist und seinerseits die Schweißlichtbogenspannung über das Ohmsche Gesetz steuert.
• Die technische Rechtfertigung für das Schweißverfahren gemäß der Erfindung besteht darin, daß bei allen bekannten konventionellen Schweißkonfigurationen eine oder mehr der folgenden unerwünschten Bedingungen existieren:
• 1. Die Spannungsmeßperiode ist ebenso lange wie Zeit des entsprechenden Schweißleistungsimpulses. Es wird kein Wert darauf gelegt, zu der vorteilhaftesten Zeit während der Impulsdauer zu messen (wie z. B. nahe dem Ende des Niederleistungsimpulses, wenn der Schweißpunkt am kleinsten und der Lichtbogen am wenigsten zum "Aufstieg" an den Seitenwänden neigt).
• 2. Die Spannungsmeßperiode und die entsprechende Steuerungsperiode erfolgen simultan für jede Impulsleistungsphase. Die Spannungssteuerung wird nicht verzögert, ausgeweitet oder verschoben in eine spätere Phase basierend auf einem Spannungsmeßwert aus einer vorangegangenen Periode (wie dies notwendig werden kann, wenn die Messung bis nahe an das Ende der vorangegangenen Periode verzögert wird).
• Für die Sequenz der elektrischen Parameter des Schweißverfahrens, wie gezeigt in Fig. 5, sind zwei einzigartige Lichtbogenlängen- und Lichtbogenspannungsmerkmale wie folgt definiert.
• Der Spannungswert wird nur in der Niederleistungssekundärperiode gemessen (ohne notwendigerweise zu steuern oder darauf zu reagieren), in der die Leistung (Strom und/oder Spannung) speziell eingestellt ist, so daß der Lichtbogen, wenn überhaupt, keinen großen Teil des Schweißpunktes auf den Seitenwänden der Naht abbildet. In diesem Beispiel ist die Naht als sehr enge Fuge gewählt, die derart gering in der Breite ist, daß der Lichtbogen andernfalls zum "Aufstieg" der Nahtwände neigen würde.
• 2. Die entsprechende Spannungssteuerungsreaktion der Sekundärperiode (durchgeführt als Lichtbogenlängeneinstellung) wird wie gewünscht entweder während der Sekundärperiode oder während sowohl der Haupt- (Hochleistungs-) als auch der Sekundärperiode gesteuert, wobei dies von der Leistungsimpulsrate und der Möglichkeit des Sytems zu reagieren abhängt. Wenn die Steuerungsreaktion bis in die nächste Hauptperiode fortschreitet, bleibt der Steuerungswert auf dem in der vorherigen Sekundärperiode gemessenen Wert bestehen, aber nicht bis nach der nächsten Hauptperiode.
• Da dieses Verfahren nicht die Hochleistungshauptperiode zur Hauptspannungsmessung oder -spannungssteuerung benutzt, kann der Lichtbogen aufgrund der Schweißparameter in dieser Periode nicht an den Seitenwänden "aufsteigen". Wenn die Lichtbogenlängeneinstellung lediglich während der Niederleistungsperiode durchgeführt wird und wenn die Niederleistungsperiode im Vergleich zu der Zeit, die für den benötigten Wechsel erforderlich ist, sehr kurz ist, dann kann, um eine ausreichende Reaktionsfähigkeit gegenüber abrupten Wechseln zu erhalten, der Gewinn oder die "Empfindlichkeit" des Steuerungssystem erhöht, die Einstellungsperiode in die nächste Hochleistungsphase ausgeweitet werden (unter Beibehaltung des Niederleistungswertes), oder beides. Die Variation der relevanten Schweißparameter für konventionelle gepulste Lichtbogenschweißverfahren mit AVC-Steuerung und für das Verfahren gemäß der Erfindung ist in Tabelle dargestellt.
• Da die Breite der Schweißnaht geringer ist, ist der Abstand zwischen den Seitenwänden der Fuge und dem Schaft der Elektrode reduziert. Wenn dieser Abstand wesentlich geringer wird als die Entfernung zwischen der Elektrodenspitze und dem Fugengrund, dann können verschiedene Verfahren eingesetzt werden, um den Widerstand gegen die hochfrequente Lichtbogenzündungsspannung, die einen Lichtbogen zwischen dem Schaft und der Seitenwand erzeugt. Diese anderen Messungen können ebenso eingesetzt werden, um den Strom vor Kurzschlüssen mit den Seitenwänden für den Fall eines unbeabsichtigten Kontaktes mit der Elektrode zu schützen. Tabelle 1 Logische Matrix für Schweißparametervariationen von Impulsleistungsmodi mit automatischer Spannungssteuerung
• Jede der folgenden Variationen des Schweißverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung basiert auf den einzigartigen Prinzipien, nach denen: 1) die Lichtbogenlänge und -spannung immer unabhängig von sowohl dem Hauptlichtlichtbogenstrom als auch von den Lichtbogenspannungspegeln gemessen und gesteuert werden, die den dominanten Aufheiz- (Hochleistungs-) Modus bilden; und 2) der Lichtbogen keinerlei wiederholte seitliche relative Kipp- ("tip-to-work")-Beeinflussung der Elektrode benötigt, um eine Verschmelzung der Seitenwände zu erreichen, wie dies in der Industrie praktiziert wird. Alle anderen Lichtbogenschweißverfahren basieren auf Spannungsmessung (anstelle der Lichtbogenlänge) und -steuerung, die abhängen von: 1) den gesamten Perioden (anstelle des optimalen Bereiches) der/des ersten (oder ersten und zweiten) Strompegel(s), und/oder 2) verschiedenen Arten der seitlichen Beeinflussung der Elektrode: Diese anderen Lichtbogenschweißverfahren neigen daher zum "Aufsteigen" der Seitenwände, insbesondere in den Fällen mit sehr engen Fugen, in denen die Elektrode (und somit der Lichtbogen) in ausreichender Nähe zu einer Seitenwand ist, um einen Teil des Schweißpunktes darauf abzubilden. Diese Konfiguration wird hierin als Fall C1 bezeichnet.
• Eine Variation des Basisfalls (Spannungsmessung lediglich in der Sekundärperiode), die sogar mehr Lichtbogenpositionsstabilität und Widerstand gegen das "Aufsteigen" bewirkt, besteht in einer Spannungsmeßzeitverschiebung zwischen dem Anfang des Niederleistungsmodus und dem Anfang der Spannungsmeßperiode. Diese Verschiebung, die für den Basisfall der Messung und Steuerung oder jede der Hauptvariationen, die im folgenden offenbart sind, verwendet werden kann, ermöglicht dem größeren, während des Hochleistungsmodus erzeugten Schweißbad, sich zum Teil zu verfestigen und während der Meßperiode nicht länger die Seitenwände zu beeinflussen. Die Länge der Meßzeitverschiebung ist kürzer als die Dauer der Niederleistungsphase. Eine bevorzugte Art, die Zeitverschiebung zu realisieren, besteht darin, diese elektronisch als Teil einer Servosteuerung des grundlegenden Seuerungsverfahrens oder in den folgenden Hauptvariationen des Basisverfahrens einzubinden.
• Eine andere Variation innerhalb des Basisfalls besteht in der Benutzung einer Ausdehnung der Lichtbogenspannungssteuerungszeit des Niederleistungsimpulses von einer gegebenen Niederleistungsperiode in die spätere Hochleistungsperiode, so daß, wenn die Niederspannungsmeßzeit bis annähernd zu dem Ende der programmierten Niederleistungsperiode wie bevorzugt verschoben ist, ausreichende Zeit verfügbar ist, um die benötigte Spannungssteuerungsreaktion zu erhalten.
Hautvariationen des Meß- und Steuerungsmodus
• 1. Mehrebenen-Impulsstrom-Modus.
• Der Mehrebenen-Impulsstrom-Modus besteht aus drei (oder mehreren) Strompegeln, von denen einer für die Spannungsmessung gestaltet und benutzt wird (vgl. Fall C1) und lediglich einen geringen Beitrag zur Aufheizung beiträgt. Die übrigen beiden (ober mehreren) Pegel werden für konventionelle thermische und pulsierende Zwecke benutzt. Dieser Fall C2 stellt sicher, daß die Lichtbogenbreite in der Meßphase groß genug ist, um einen Schweißpunkt mit ausreichender Größe zu messen, um den interessierenden Bereich genau darzustellen, aber nicht so groß, daß er dazu neigt, die Seitenwände "aufzusteigen". Der verbleibende niedrige Strompegel (für thermische Impulse) wird für andere Zwecke als die AVC-Steuerung eingesetzt, wie z. B. für die Sicherstellung, daß das Schweißbad eine adäquat niedrige Wärmeeinbringung hat, um zwischen den Impulsen mit hohem Pegel zu kühlen, ohne das Risiko, daß der Lichtbogen ausgelöscht wird, oder aufgrund einer instabilen kleinen Größe wandert, oder ohne das Risiko von Schweißfehlern, die auf unzureichende Wärmeeinbringung zurückzuführen sind. Während der anderen Hochleistungsimpulsperioden sind die nicht gemessenen Spannungen von den programmierten Stromwerten (gemäß des Ohmschen Gesetzes) aber nicht von den programmierten Spannungswerten abhängig, da die Lichtbogenlänge für diese Perioden annähernd konstant für alle Strom-/Spannungskombinationen gehalten wird.
• 2. Impulsleistung, Zündlichtbogen-Spannungsmeßmodus.
• Gemäß der in den Fig. 3A und 3B dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind ein oder mehrere Zündstifte und -lichtbogen im feststehenden Verhältnis zur Schweißelekrode angeordnet. Die Schweißelektrode 2 hat vorzugsweise einen nicht kreisförmigen Querschnitt, der einer Elektrode mit einem standardisierten Querschnittsbereich ermöglicht, in eine sehr enge Fuge zu passen. Der Schweißdraht 30 wird durch ein Schweißdrahtzufuhrelement 32 unter die Schweißelektrode vorgeschoben. Das inerte Gas wird über einen Gaseinlaß 34 und eine Gasmanschette 36 in die Schweißfuge geleitet.
• Die Schweißelektrode 2 wird durch eine der Lichtbogenenergieversorgungen 4 betrieben, um einen Hauptlichtbogen 6 zu erzeugen. Ein Zündstift 8 ist auf einer Seite der Schweißelektrode 2 angeordnet und von dieser durch einen elektrischen Isolator 10 isoliert. Der Zündstift 8 ist derart positioniert, daß der Zündlichtbogen 12 dem Schweißlichtbogen 6 während einer nach rechts gerichteten Bewegung (siehe Fig. 3A) der Schweißelektrode 2 vorangeht. Wahlweise kann ein zweiter Zündstift 14 auf der Seite der Schweißelektrode 2, die dem Zündstift 8 gegenüberliegt, angeordnet und über einen Isolator 16 von der Schweißelektrode 2 elektrisch isoliert werden. Das Vorsehen zweier Zündstifte auf gegenüberliegenden Seiten der Schweißelektrode ermöglicht ein bidirektionales Schweißen. Die Zündstifte sind abwechselnd mit einer anderen der Lichtbogenenergieversorgungen 4 über die überwachende Umschalteinheit 18 in Abhängigkeit von der Richtung der Bewegung verbunden.
• Die Schweißelektrode 2 (und die daran angebrachten Zündstifte) können durch den AVC-Antrieb 20 vertikal versetzt werden. Der Aufbau mit dem AVC- Antrieb 20, der Schweißelektrode 2 und der Mittel zum versetzen der Elektrode (nicht gezeigt) wird durch den Bewegungsantrieb 22 in entweder die vorwärts oder rückwärts gerichtete Bewegungsrichtung versetzt. Die Geschwindigkeit der Bewegung wird durch einen mit dem Bewegungsantrieb 22 verbundenen Geschwindigkeitssensor 24 erfaßt.
• Die Zündlichtbogenspannung wird durch den AVC-Sensor 26 ermittelt, der ein zu der Zündlichtbogenspannung proportionales Signal an die zeitverschobene AVC-Steuerung 28 ausgibt. Die AVC-Steuerung 28 steuert den AVC-Antrieb 20 in Abhängigkeit von der Zündlichtbogenlänge, die aus der Lichtbogenspannung ermittelt wurde, wobei die Zündlichtbogenlänge als auch die davon abhängige Hauptlichtbogenlänge konstant gehalten wird. Das Steuerungssignal an den AVC-Antrieb ist verschoben, um den Abstand zwischen den Positionen der Schweißelektrode und dem Zündstift zu kompensieren. Die Zeitverschiebung wird aus der durch den Geschwindigkeitssensor 24 ermittelten Bewegungsgeschwindigkeit berechnet.
• Der Zündstift dient hauptsächlich dem Zweck, die Lichtbogenlänge des Impulsleistungshauptlichtbogens zu erhalten, in dessen Nähe er angeordnet ist, wird aber mit einem Strom betrieben, der niedrig genug ist, so daß sein Schweißpunkt klein genug ist, um ein "Aufsteigen" des Lichtbogens nicht zuzulassen. Ein Vorteil dieser Variation besteht darin, daß der Zündlichtbogen durch einen festen Strompegel angetrieben werden kann, der unabhängig von den Überlegungen bezüglich Aufheizung und Kühlung des Impulspegels gewählt werden kann. Für die beste Spannungs- und Lichtbogenlängensteuerung ist die Position des Zündlichtbogens nahe an der des Hauptlichtbogens. Ein weiterer Vorteil des Zündlichtbogens besteht in der Konditionierung (Vorreinigung/ Vorbeheizung/ Temperierung/- Wärmebehandlung nach dem Schweißen/ etc.) der Arbeit vor und/oder hinter dem Hauptimpulslichtbogen.
• Für den Hauptlichtbogen kann der Strom gemäß der programmierten Werte gepulst werden. Die Hauptspannung, die nicht programmiert ist, wird in Abhängigkeit von dem voreingestellten Strom und dem ohmschen Gesetz variieren, da die Lichtbogenlänge durch die Zündlichtbogenspannung gesteuert wird und unabhängig von der Impulsleistung ist. In diesem Modus folgt die Schweißelektrodenposition der (oder ist abhängig von der) Führung der Zündstiftposition, die durch den Niederleistungszündlichtbogen gesteuert wird, der wiederum der Kontur der Werkstückoberfläche folgt. Die Vorteile der Verflüssigung der Seitenwand durch das Schweißbad während eines Hochleistungsmodus bleiben somit ohne das Risiko des "Aufstiegs" des Lichtbogens während dieser Zeit erhalten.
• Die Variation des Zündlichtbogen-Spannungsmeßmodus kann auch vorteilhaft mit einer konstanten Schweißleistung (nicht gepulst) eingesetzt werden. In dieser Anwendung kann die Hauptlichbogenlänge derart erzeugt werden, daß sie der Kontur der Werkstückoberfläche durch eine Abhängigkeit von dem Zündlichtbogen folgt, der die AVC-Funktionen der Spannungsmessung und Steuerung durchführt. Wie bevorzugt kann ein hoher Grad an Verflüssigung der Seitenwände durch das Schweißbad ohne weiteres und ohne Risiko des "Aufsteigens" des Hauptlichtbogens erhalten werden. Aufgrund dessen relativ niedrigen Leistungspegels und der entsprechenden geringen Größe, tritt nur sehr geringe oder gar keine Verflüssigung der Seitenwände an dem Schweißpunkt des Zündlichtbogens auf.
• 3. Konstanter Strom, Impulsspannungsmodus.
• Diese Variation wird eingesetzt, wenn geringer oder kein Impulsstrom (im wesentlichen konstanter Strom) für konventionelle thermische Impulse zum Zwecke der Aufheizung/Kühlung aber die Zurverfügungstellung der Lichtbogenbreite- und -längensteuerung benötigt wird, um die Unanfälligkeit für den "Aufstieg" des Lichtbogens durch Variation der Haupt- und Sekundärspannungspegel zu erhalten. Die Differenz der Strompegel, sofern gepulst, kann gering genug sein, daß die Veränderungen der Lichtbogengröße effektiv unbedeutend sind, und die Spannung ist somit alternativ gepulst, um eine bevorzugte Niederleistungsperiode und eine entsprechend kleine Schweißbad- und Schweißpunktgröße zur verbesserten Spannungsmessung zu erhalten. Lichtbogenspannungsmessung erfolgt nur während des bevorzugten Niederspannungspegels, bei dem die Lichtbogenbreite und die Schweißbadgröße beide einen geringen Wert annehmen.
• Während der Hauptperiode ist der Wert der Hauptlichtbogenlänge ein programmierter Wert, der einen Prozentsatz oder einen Zuwachs größer als der Sekundärwert ist, und die entsprechende Lichtbogenspannung wird gemäß des Ohmschen Gesetzes für einen konstanten Strom gesteuert. In diesem Modus ist der Ausgangsbefehl des AVC-Antriebs um einen festen Wert größer als der Sekundärwert und läßt den Lichtbogen während des Hochleistungspegels nicht "aufsteigen", da er zu diesem Zeitpunkt nicht in einem autonomen Servomodus ist, aber vielmehr in einer Lichtbogenlängensteuerung mit schrittweiser Erhöhung. In diesem Modus folgt die Elektrodenposition während des Hauptleistungsimpulses (oder ist abhängig von) der Führung der Elektrodenposition während des Sekundärimpulses, die ihrerseits der Kontur der Werkstückoberfläche folgt. Die Vorteile der Verflüssigung der Seitenwand bei einem Hochleistungsimpuls bleiben dadurch ohne das Risiko des "Aufstiegs" des Lichtbogens in dieser Periode erhalten.
• 4. Impulsstrom, Impulsspannungsmodus.
• Diese Variation ähnelt dem Basisfall des Mehrebenen-Impulsstrom-Modus mit konstanter Lichtbogenlänge, mit der Ausnahme, daß die Spannungen sowohl der Haupt- als auch der Sekundärperiode gepulst und mit der Absicht ausgewählt sind, die Lichtbogenlänge durch Verursachung einer axialen Bewegung der Elektrode während jedes Impulses zu variieren, um ferner den Widerstand des Lichtbogens gegen das "Aufsteigen" entlang der Seitenwände während des Niederstrom-, Niederspannungsimpulses zu erhöhen. In diesen Fällen E1 und E2 wird die Spannung lediglich während der Niederleistungsperiode gemessen, so daß die Lichtbogenlänge kürzer ist, die Lichtbogenbreite enger ist, und dadurch der Schweißpunkt derart gesteuert werden kann, daß dieser während dieser Periode nicht auf den Seitenwänden ist. Während des Hochleistungsmodus ist die Hauptlichtbogenspannung auf einen Wert programmiert, der inkemental größer als der Sekundärwert ist (z. B. ein Volt mehr, eher als ein durch AVC gesteuerter vorherbestimmter Wert) und die Lichtbogenlänge hängt von dem programmierten Pegel des Hauptstromes gemäß des Ohmschen Gesetzes ab. Die Hauptlichtbogenspannung und damit die Hauptlichtbogenlänge ist effektiv von dem programmierten Sekundärspannungswert abhängig (oder dem niedrigsten Steuerungsspannungswert, wenn mehr als zwei Modi benutzt werden).
• Die axiale Bewegung der Elektrode wurde als "Springen" des Schweißapparates bezeichnet und ist typischerweise in der konventionellen Praxis aufgrund der Tatsache unerwünscht, daß, wenn an dem Schweißapperat eine Schweißdrahtführung angeordnet ist, diese nicht auf den richtigen Bereich des Schweißbades gerichtet ist, wenn der Schweißapparat "springt". Eine Möglichkeit, mit diesen möglichen Bedingungen umzugehen, besteht darin, eine Schweißdrahteinrichtung (und die beobachtende Kamera, etc.) separat anzuordnen, damit diese einer mittleren Position der/des Elektrode/Schweißapparates folgt. Für diese Variation der Erfindung sind das gesteuerte "Springen" der Elektrode und des Lichtbogens die bevorzugte Bedingung.
Nebenvariationen des Basisfalls - Beschränkungen der AVC-Reaktion
• [Bemerkung: Als Analogie funktionieren diese Beschränkungen der AVC Reaktion "Stoßdämpfer" und "Puffer", um den Lichtbogen in dessen bevorzugter Position auf einer Schweißraupe anstelle einer Seitenwand zu halten, wenn ausgeprägte Unregelmäßigkeiten auf der Oberflächenkontur oder "Stöße" vorhanden sind, oder das "Lenken" der Elektrode den Lichtbogen aus dessen bevorzugter seitlicher Position verschiebt.]
• 1. Bereitstellung einer Einschränkung der lokalen axialen Bewegungsdistanz der Elektrode in der Richtung, die parallel zur AVC-Achse ist, während der Lichtbogenlängenkorrektur, die die festgelegte Lichtbogenspannung erhält. Dieses betriebssichere Merkmal verhindert das Auftreten eines Durchgehens des Lichtbogens, wenn die Schweißraupe und damit der Schweißpunkt einen Augenblick die Seitenwand verflüssigt und somit den Nebenlichtbogen zwingt, sich fälschlicherweise dort zu positionieren und wird möglicherweise durch das Messen dieser unnormalen Spannung anfällig für den "Aufstieg". Die Beschränkung wird als eine maximale Bewegungsdistanz der Elektrode pro Einheit der Vorwärtsbewegungsdistanz oder alternativ pro Einheit des Lichtbogens auf Zeit (welche für eine konstante Bewegungsgeschwindigkeit direkt voneinander abhängen). Z. B. würde die AVC-Steuerung derart eingestellt werden, daß die Elektrode in Richtung deren Achse nicht mehr als, 0,381 mm (0,015 Inch) pro 2,54 mm (0,1 Inch) der Vorwärtsbewegung entlang der Schweißnaht verschoben wird.
• 2. Zusätzlich kann dieser Einschränkung der lokalen Bewegung, um das Schweißen über relativ unebenen Oberflächen zu ermöglichen, selektiv durch eine Beschränkung der Spannungsänderung und/oder eine Beschränkung einer Spannungswechselrate überlagert werden, wenn der absolute Wert der Spannungswechsels (ob positiv oder negativ) den Nominalwert der Spannung um einen Wert übersteigt, der größer ist als eine programmierter Prozentsatz. Die Beschränkung der Spannungswechselrate ist auf einen programmierten Wert bezogen, der gemäß der Verstärkung des AVC-Regelkreises ausgewählt ist.
• 3. Eine Einschränkung der Bewegungsgeschwindigkeit und/oder der Wechselrate der Geschwindigkeit (Beschleunigung) der Elektrodenbewegung in Richtung der AVC-Achse während einer AVC-Reaktion, die auf einen programmierten Wert bezogen ist, der unter Berücksichtigung der Verstärkung des Regelkreises des AVC-Systems ausgewählt wurde. Alternativ kann eine Einschränkung der Bewegungszeit eingesetzt werden, um die gesamte lokale Reaktion des AVC- Regelkreises zu steuern, um ein "Aufsteigen" des Lichtbogens zu minimieren oder vorzugsweise zu beseitigen. Diese Einschränkungen ermöglichen ein AVC-gesteuertes Folgen entlang der Werkstückoberflächenkontur, verhindern aber ein Durchgehen des Lichtbogens und des Schweißapparates in Verbindung mit dem "Aufstieg".
• 4. Eine Einschränkung der seitlichen Bewegungsdistanz der Elektrode unter Berücksichtigung der Mittellinie der Naht oder des programmierten Weges der Schweißraupe. Diese Einschränkung kann eingesetzt werden, um eine ungeeignete Schweißapparatslenkung zu überlagern, wenn diese die Elektrode und demzufolge den Lichtbogen nahe genug zu den Seitenwänden der Naht positioniert, so daß das Risiko von entweder einem Lichtbogenaufstieg oder einem Elektrodenkurzschluß mit den Seitenwänden gegeben ist. Die Beschränkung der seitlichen Bewegungsdistanz kann mechanisch mit einer Schweißapparatszentrierungseinrichtung umgesetzt werden (wie z. B. Seitenwandnachläufer, die an einem Teil der Elektrode innerhalb der Naht befestigt werden können oder direkt am Schweißapparat selbst). Alternativ kann diese Einschränkung einen elektrischen Schaltkreis ausgelöst werden, wenn der Betrag des lokalen Wechsels (als eine Funktion der Vorwärtsbewegungsdistanz oder -zeit) der axialen Position der Elektrode oder die Wechselrate der axialen Position der Elektrode einen programmierten Betrag überschreitet, oberhalb dessen ein "Aufstieg" gewöhnlich auftritt.
Technische Vorteile der Erfindung
• Die technischen Vorteile der Möglichkeit in einer sehr engen Fuge zu schweißen, sind eine Reduzierung des Schweißgesamtvolumens, was eine Fertigstellung jeder Schweißbahn der Schweißung mit geringerer Wärmeeinbringung ermöglicht, was zu niedrigeren Temperaturen in der Wärmeeinflußzone (WEZ), einer engeren WEZ und damit einer reduzierten thermischen Beschädigung des zu verbindenden Materials führt. Thermische Beschädigungsmechanismem für viele Stähle, einschließlich die Stähle mit einer austhenitischen Mikrostruktur, sind die Sensibilisierung der WEZ, starkes Kornwachstum in der WEZ und Erzeugung von Eigenzugspannungen in der WEZ, von denen jeder zu einer Anfälligkeit für Spannungskorrosionsrisse (SCC) führen kann, wenn eine aggressive Umwelt einwirkt. Ein zusätzlicher thermischer Beschädigungsmechanismus ist eine lokale Verzerrung oder Schrumpfung der gefertigten Komponente. Thermische Beschädigungsmechanismen für ferritische/ martensitische/ perlitische Mikrostrukturen umfassen übermäßiges Kornwachstum in der WEZ, was zur Senkung des Bruchwiderstands, des Ermüdungswiderstands und der Schlagzähigkeit führen kann, als auch extremes Autotemperieren, was die benötigten Härte- und Festigkeitseigenschaften verringert.
• Die kommerziellen Vorteile der verringerten Nahtbreite umfassen eine starke Verbesserung der Schweißproduktivität aufgrund der geringeren Anzahl von benötigten Bahnen, um die Naht zu füllen, als auch die Verringerung potentieller Schweißbahnneubeginne und/oder -reparaturen, die aus dem "Aufsteigen" des Lichtbogens und der entsprechenden Unterbrechung der Schweißbahn resultieren Ein zusätzlicher Vorteil besteht in einer Reduzierung oder Beseitigung der langwierigen seitlichen Bewegung der Elektrode (auch als "Lenken" bekannt) und der mechanisierten Oszillation quer zur Naht, die normalerweise beide benötigt würden, um eine stabile Lichtbogenposition und ein vollständiges Verschmelzen (auch bekannt als "Anschluß") der zu verbindenden Basismaterialien zu erhalten. Lenken ist die beabsichtigte seitliche Bewegung der Elektrode, um wechselnde Bedingungen in der Nähe des Schweißbades zu kompensieren, und kann entweder automatisch oder manuell gesteuert werden.
• Ein zweiter bedeutender kommerzieller Vorteil des Schweißverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung besteht in der Reduzierung des Schweißvolumens (aufgrund der einzigartig schmalen Naht) und damit der Schweißzeit im Vergleich zu konventionellen Schweißverfahren. Zum Beispiel, das typische Mantelschweivolumen für 38,1 mm (1 ¹/&sub2; Inch) dicke Basismaterialen und die entsprechende für das Schweißen verstrichene Zeit würde durch einen Faktor von annähernd 3, bezüglich der konventionellen Praxis, und durch einen Faktor von 1,5, bezüglich der Praxis bei engen Fugen, reduziert werden. Vorsichtige Verbesserungsfaktoren für die für das Schweißen verstrichene Zeit, die bei 31,75 mm (1 ¹/&sub4; Inch) dicken Modellen gemessen wurden, lagen für diese beiden Praktiken bei 2,7 bzw. 1,6. Für betriebene Kraftwerke wird von der für das Schweißen verstrichenen Zeit angenommen, daß sie auf dem kritischen Weg des Stillstandsplanes ist.
• Eine andere Verbesserung der Schweißproduktivität des Schweißverfahrens, die auf die sehr enge Nahtgestaltung zurückzuführen ist, besteht in der Beseitigung der Notwendigkeit für eine langwierige Steuerung der seitlichen Schweißraupensetzung, wie dies normalerweise bei konventionellen Schweißungen mit mehreren Schweißraupen in jeder Schicht benötigt wird.
• Bei sehr enger Nahtgestaltung ist die einzelne Schweißraupe einer jeden Schicht vorzugsweise in der Fugenmitte zentriert, was entweder voreingestellt sein kann oder während einer Schweißung automatisch beibehalten werden kann. Typischerweise haben lediglich sich wiederholende Schweißbahnen, die (statt in einer Fuge) auf die Oberfläche einer Komponente aufgetragen Werden, wie z. B. bei einer Plattierung und einer Überziehung, derart ausgestattet, daß sie eine automatisierte seitliche Schweißraupensetzung aufweisen. Während des konventionellen Fugenschweißens wird das Setzen der Schweißraupen durch den Schweißer manuell gesteuert.
• Das Schweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann eingesetzt werden, um die Effizienz und die Verläßlichkeit verschiedener mechanisierter elektrischer Lichtbogenschweißverfahren bedeutend zu verbessern, die mit AVC- Systemen ausgestattet sind, umfassend, aber nicht beschränkt auf WIG-, Metallinertgas-, "flux cored arc"-, Plasmalichtbogen-, Elektrogas- und Unterpulverlichtbogen-Verfahren, und Variationen davon. Dieses Verfahren eignet sich für, ist aber nicht auf Fugenschweißungen begrenzt, und kann profitabel in jeder Gestaltung eingesetzt werden, in der die Schweißelektrode in der Nähe einer leitfähigen Oberfläche der zu verbindenden Komponente zu verfahren ist, wie z. B. bei einer Kehlnahtschweißung, bei der die Elektrode den eingeschlossenen Winkel zwischen den angrenzenden Seiten der Naht nicht in zwei Teile teilt.
• Die Benutzung des Schweißverfahrens mit anderen mechanisierten Schweißnahtgestaltungen, wie z. B. "Enge Spalte/Fuge"- und konventionelle "V"- und "U"- Nähte, kann auch zu bedeutenden technischen Vorteilen und Produktivitätsvorteilen führen. Diese Vorteile hängen in erster Linie von der Verringerung oder der Beseitigung der Anfälligkeit des AVC-Systems zu der relativen Position der Elektrode gegenüber der Seitenwand ab, und nicht von dem Schweißverfahren, der Nahtbreite oder dem Seitenwandwinkel, während eine ähnlich oder sogar verbesserte Fähigkeit erhalten bleibt, der Oberflächenkontur zu folgen.
• Das Schweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann effektiv benutzt werden, um die Produktivität von geschweißten Nähten, die durch konventionelle manuelle Verfahren hergestellt wurden, durch Verringerung der Schweißausschußrate zu verbessern, die auf nicht akzeptable Bindefehler in den Seitenwänden zurückzuführen ist. Für dickere Materialien und größere Produktionsläufe können die Kostenersparnisse, die mit diesem Verfahren aufgrund der Reduzierung des Schweißgesamtvolumens möglich sind, die Betriebskosten der Einrichtung übersteigen, wodurch sich Nettokostenersparnisse ergeben. Sowohl die Produktivität als auch die Qualität manuellen Schweißens kann durch das Aufrüsten mit diesem mechanisierten Verfahren für Anwendungen verbessert werden, die eingeschränkte Zugangsbeschränkungen aufweisen, da die Größe vieler mechanisierter Schweißköpfe ohne weiteres kleiner als der benötigte Platz zum manuellen Schweißen gestaltet werden kann.
• Dieses Schweißverfahren, das eine einzigartige Lichtbogenmeß- und Steuerungstechnik mit mechanisierten Systemen benutzt, kann effektiv für die meisten Schweißnahtgestaltungen eingesetzt werden, um Schweißqualität für nukleare Anlagen zu erzeugen. Aufgrund der einzigartig dünnen Nahtgestaltungen, die ohne weiteres mit dem Verfahren und der entsprechenden Reduzierung der Schweißzeit geschweißt werden können, insbesondere zur Verbindung dicker Teilkomponenten, ist das Verfahren am besten für das Schweißen kerntechnischer Anlagen geeignet, wo die Einhaltung einer minimalen Zeit des kritischen Weges von größter Bedeutung ist. Die größten Vorteile können als eine Reduzierung der Breite einer gegebenen Schweißfugengestaltung erreicht werden, obwohl der Vorteil der Verbesserung des Widerstandes gegen den "Aufstieg" des Lichtbogens an den Seitenwänden der Naht am besten in den dünnsten Nähten realisiert ist, wie z. B. in der Naht, die in den Fig. 2 und 3B gezeigt ist.
• Eine potentielle Anwendung ist der Aufbau, die Reparatur oder die Ersetzung eines Reaktorkernmantels, da das Schweißgesamtvolumen aufgrund der gesamten, Schweißlänge relativ groß ist und deshalb derart gestaltet sein muß, daß der geringste praktikable Wert erreicht ist. Dies wird in einer Schweißnahtgestaltung umgesetzt, die unter Benutzung der geringsten Breite erzeugt wird, die verläßlich und mit hoher Qualität verschweißt werden kann. Eine andere Anwendung besteht in der Befestigungsschweißnaht Steuerungsstangen-Antriebshohlwellen - an - Wellengehäuse, da die Elektrode in der Nähe des Gehäuses verfahren werden muß, um den Grund der sehr engen Fuge erreichen zu können.
• Bei dem Kernmantel und anderen inneren Komponenten des Reaktorbehälters werden im allgemeinen beide Seiten des verbundenen Materials dem potentiell aggressiven Reaktorwasser ausgesetzt, so daß die Notwendigkeit eines mechanisierten Schweißverfahrens mit verbessertem SCC-Widerstand um so größer für derartige Anwendungen ist. Das Schweißverfahren der vorliegenden Erfindung erfüllt diese Aufgabe durch Verbesserung der Wärmeeinbringung und des thermischen Wirkungsgrades des WIG-Schweißverfahrens und anderer Schweißverfahren, so daß diese bedeutend besser als alle bekannten Lichtbogenverfahren für die Außenarbeit sind, einschließlich Schweißverfahren für enge Fugen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Schweißen in einer Fuge mit einem Lichtbogen, gekennzeichnet durch die Schritte:

Halten des Lichtbogenstromes auf einem ersten Strompegel während einer ersten Leistungsperiode und auf einem zweiten Strompegel während einer zweiten Leistungsperiode nach der ersten Leistungsperiode, wobei der erste Strompegel größer als der zweite Strompegel ist; und

Messung der Lichtbogenspannung lediglich während der zweiten Leistungsperiode.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung zu einer Meß Zeit durchgeführt wird, die relativ zu dem Beginn der zweiten Leistungsperiode verschoben ist, wobei die Dauer der Verschiebung ausreicht, um das in der ersten Leistungsperiode erzeugte Schweißbad zum Teil erhärten zu lassen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch den Schritt der Einleitung der Einstellung der axialen Position der Schweißelektrode (2) während der zweiten Leistungsperiode zu einer Zeit nach der Meßzeit, in der die Einstellung eine im wesentlichen konstante Lichtbogenlänge beibehält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch den Schritt des Haltens des Lichtbogenstromes auf einem dritten Strompegel während einer dritten Leistungsperiode nach der ersten Leistungsperiode und vor der zweiten Leistungsperiode, wobei der dritte Strompegel größer als der zweite Strompegel und kleiner als der erste Strompegel ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch den Schritt des Einhaltens einer Bewegungsgrenze der Schweißelektrode (2) in einer vorgegebenen Richtung.

6. Verfahren nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch den Schritt des Einhaltens einer Grenze des Wechsels der Lichtbogenspannung.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenspannung während der ersten Leistungsperiode auf einen Wert eingestellt ist, der um einen vorherbestimmten Betrag größer als die Lichtbogenspannung während der zweiten Leistungsperiode ist.

8. Vorrichtung zur Verhinderung des Aufstiegs eines Schweißlichtbogens einer Schweißelektrode (2) an der Seitenwand einer Schweißfuge, aufweisend:

einen Zündstift (8), der derart angeordnet ist, daß er der Schweißelektrode mit einem vorherbestimmten Abstand während der Bewegung in der Schweißfuge vorangeht;

Mittel (4, 18) zur Versorgung des Zündstiftes mit einem vorbestimmten Strom;

Mittel (26) zur Messung der Lichtbogenspannung zwischen dem Zündstift und der Schweißfuge; und

Mittel (20, 28) zur Einstellung der axialen Position der Schweißelektrode als eine Funktion der Lichtbogenspannung zwischen dem Zündstift und der Schweißfuge.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8 ferner gekennzeichnet durch:

Mittel (24) zur Messung der Geschwindigkeit der Bewegung der Schweißelektrode; und

Mittel (28) zur Verschiebung der Einstellung der axialen Position der Schweißelektrode um eine Zeitdauer, die der Zeit entspricht, die zur Zurücklegung des Abstandes zwischen der Schweißelektrode und dem Zündstift bei der Bewegungsgeschwindigkeit der Schweißelektrode benötigt wird.

10. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zu dem Zündstift geleitete Strom niedrig genug voreingestellt ist, daß die Breite des Lichtbogens so weit wie nötig reduziert ist, um sicherzustellen, daß der Schweißpunkt des Zündlichtbogens im wesentlichen weg von den Seitenwänden der Fuge ist, in der sich der Schweißlichtbogen befindet, und daß die Stromstärke der Schweißelektrode eingestellt ist, um die Hitze bereitzustellen, die zur Herstellung eines dauerhaften Schweißschmelzgutes mit einem Zusatzmetall benötigt wird, das vollständig mit den Seitenwänden verschmolzen wird.