AT505377A1

AT505377A1 - Vorrichtung zum fügen mit einem kurzschlussbehafteten msg-prozess

Info

Publication number: AT505377A1
Application number: AT0045508A
Authority: AT
Original assignee: Schuler Volkmar Dr Ing; Rauscher Toni
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2008-03-25
Publication date: 2008-12-15
Also published as: AT505377B1; DE102008017172A1; DE102008017172B4

Description

Anmelder:

Prof. Dr.-Ing. Volkmar Schüler Brandenburgweg 97

Toni Rauscher Fasanenweg 4 89075 Ulm 72531 Hohenstein-Bernloch

Vorrichtung zum Fügen mit einem kurzschlussbehafteten MSG-Prozess Stand der Technik

Metallschutzgasschweißen und -löten (MSG-Schweißen und -Löten oder zusammengefasst MSG-Fügen) werden als Technik schon seit langer Zeit zum Verschweißen und Verlöten von zwei oder mehreren Fügepartnern sowie zum Aufträgen von Schweißzusätzen und Loten verwendet. Dazu wird in einer Schutzgasatmosphäre ein Zusatzwerkstoff in Form eines Fülldrahtes, Massivdrahtes oder in Bandform in einem von einer elektrischen Energiequelle erzeugten Lichtbogen abgeschmolzen. Der Lichtbogen brennt hierbei zwischen dem Grundwerkstoff und dem abschmelzenden nachgeführten Draht, der die Elektrode darstellt.

Je nach verwendetem Zusatzwerkstoff und Schutzgas spricht man von Metallinertgasschweißen und -löten (MIG-Schweißen, MIG-Löten) oder von Metallaktivschweißen und -löten (MAG-Schweißen, MAG-löten) . Zusammenfassend werden diese Verfahren als MSG-Prozesse bezeichnet.

Abhängig von Verfahrensparameter ergeben sich verschiedene Unterscheidungsmerkmale und Verfahren. -2-

Es werden Kurzlichtbogen, Übergangslichtbogen, Sprühlichtbogen, Langlichtbogen, Rotationslichtbogen und Impulslichtbogen unterschieden.

Es können kurzschlussbehaftete Lichtbogenprozesse erzeugt werden, die zwei unterschiedliche Phasen, die sog. Lichtbogenbrennphase und die Kurzschlussphase aufweisen. In der Lichtbogenbrennphase wird die Elektrode, ein Zusatzwerkstoff aufgeschmolzen und berührt aufgrund eines wachsenden Tropfenvolumens am aufschmelzenden Zusatzwerkstoff und der weiteren Drahtzufuhr das Werkstück. Es kommt zum Kurzschluss. In dieser Kurzschlussphase wird der Tropfen durch einen ansteigenden Kurzschlussstrom noch weiter eingeschnürt und auch aufgrund der Oberflächenspannung in das Schmelzbad abgezogen. Durch eine durch die Trennung des Tropfen von dem noch festen Draht entstehende Lücke zündet der Lichtbogen erneut.

Charakteristisch für diesen Prozess ist ein Wechsel zwischen einer Lichtbogenbrennphase und einer Kurzschlussphase von jeweils sich durch den Prozess ergebenden Zeitdauern der Phasen. Der oben beschriebene Tropfenübergang beim Kurzlichtbogenprozess findet ausschließlich in der Kurzschlussphase statt. Bei anderen Lichtbogenarten treten mehr oder weniger große Anteile des Werkstoffübergangs auch in der Lichtbogenbrennphase auf.

Bislang werden kurzschlussbehaftete MSG-Prozesse überwiegend mit Gleichstrom betrieben. Dabei ist die Elektrode positiv und das Werkstück negativ gepolt. Es gibt jedoch auch Ausführungsformen, um einen Kurzlichtbogenprozess mit wechselnder Polarität zu realisieren. Die Polaritätswechsel werden durch eine Frequenz von außen vorgegeben.

Kurzschlussbehaftete MSG-Prozesse, die mit rein negativ gepolter Elektrode durchgeführt werden, sind nur für

I I • · • · • · • · -3- Fülldrähte bekannt. Bei Massivdrähten entsteht ein instabiler Prozess, der für sämtliche Fügeaufgaben nicht geeignet ist.

Der Prozess mit positiv gepolter Elektrode bringt beobachtungsgemäß mehr Wärme in das Werkstück {Schmelzbad) als der Prozess mit negativ gepolter Elektrode und kann geringere Mengen an Zusatzwerkstoff abschmelzen. Dafür lässt sich eine konstante Tropfenablösung bei einer positiv gepolten Elektrode erreichen.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kurzschlussbehafteten MSG-Prozess mit abschmelzender Elektrode zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterentwicklungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung geht von einer Vorrichtung zum Fügen mit einem kurzschlussbehafteten MSG-Prozess mit abschmelzender Elektrode aus. Der Kern der Erfindung liegt darin, dass Steuermittel vorgesehen sind, die in Abhängigkeit einer Detektion einer bei einem kurzschlussbehafteten MSG-Prozess zyklisch variierenden physikalischen Größe, die Rückschlüsse auf einen Kurzschlussbeginn und/oder ein KurzSchlussende zulässt, einen Polaritätswechsel an der Elektrode einleiten. Dadurch werden die Vorteile einer plusgepolten Elektrode bezüglich einer regelmäßigen Tropfenablösung und die Vorteile einer negativ gepolten Elektrode bezüglich einer höheren Abschmelzleistung bei einem kälteren Werkstück verbunden, ohne eine zusätzliche Regelung außer der selbsttätigen inneren Regelung des Lichtbogenprozesses selbst zu verwenden. I ··· • · • · • · * ·

Ein Polaritätswechsel wird nur bestimmt von einer zyklisch variierenden physikalischen Größe, die lediglich erfasst werden muss.

Somit ist eine gesonderte Regelung der Lichtbogenlänge wie bei einem Prozess mit aufgeprägter Frequenz nicht notwendig.

Der Lichtbogenprozess kann bis auf die sich ändernde Polarität sozusagen seinen „natürlichen Gegebenheiten" im Wesentlichen frei folgen.

Vorzugsweise wird ein Polaritätswechsel an der Elektrode innerhalb eines Zyklusses durchgeführt. Ein Zyklus ergibt sich aus einer Gesamtzeit von Kurzschlussphase und darauffolgender Lichtbogenbrennphase. Die Zyklusdauer ist dabei eine Funktion der nachstehenden Faktoren: A. Charakteristik der Spannungskennlinie der Energiequelle zum Fügen mit dem MSG-Prozess B. Verhalten der Übergangswiderstände zwischen der

Drahtelektrode und dem Werkstück sowie dem Kontaktrohr und der Elektrode C. Veränderungen in der Legierung der Drahtelektrode und/oder des Werkstücks D. Veränderungen in der Oberflächenbeschaffenheit der Bauteile und der Drahtelektrode. E. Änderungen des Abstands eines Kontaktrohres zum Werkstück F. Änderungen in der Schweiß- bzw. Lötgeschwindigkeit G. Änderungen der Schutzgaszusammensetzung H. Änderungen der Umgebungsfaktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit, Luftbewegungen etc.

Da alle diese Faktoren Änderungen unterworfen sind, ergeben sich immer unterschiedlich lange Lichtbogenbrenn- und Kurzschlussphasen und damit unterschiedlich lange -5-

Zyklusdauern. Je kleiner die Differenz der einzelnen Zyklusdauern zueinander ist, desto gleichmäßiger ist der Prozess. Exakt gleiche Zyklusdauern können sich demnach nicht einstellen.

Um die unterschiedlichen Phasenzeiten und damit die innere Regelung des Prozesses nutzen zu können, werden die Umpolzeitpunkte und die Verweildauern in den einzelnen Polaritäten erfihdungsgemäß durch charakteristische Merkmale innerhalb eines Zyklusses bestimmt. Das heißt, wenigstens ein Umpolzeitpunkt richtet sich nach einem wiederkehrenden Ereignis innerhalb einer Zyklusdauer. Der andere UmpolZeitpunkt kann nach Ablauf einer bestimmbaren Zeit erfolgen oder durch ein anderes wiederkehrendes Ereignis innerhalb derselben Zyklusdauer ausgelöst werden.

Es ist weiterhin denkbar, dass ein Polaritätswechsel nicht in jedem Zyklus vorgenommen wird.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Steuermittel dazu ausgelegt, bei Auftreten eines Kurzschlusses eine positive Polarität an die Elektrode zu legen.

Der Polaritätswechsel kann unmittelbar bei der Kurzschlussdetektion oder nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit vorgenommen werden.

Im Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Steuermittel nach Ende eines Kurzschlusses eine negative Polarität an die Elektrode legen, die unmittelbar zum Detektionszeitpunkt oder nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit eingeleitet werden kann.

Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass charakteristische wiederkehrende Merkmale bei einem I • · I • · • · • · • · ♦ · -6-kurzschlussbehafteten MSG-Prozess zum Einen der Beginn der Kurzschlussphase (entspricht dem Ende der Lichtbogenbrennphase) und zum Anderen das Ende der Kurzschlussphase (entspricht dem Beginn der Lichtbogenbrennphase) sind. Beide Ereignisse führen dazu, dass sich physikalische Größen des Lichtbogenprozesses ändern.

Als Signalgeber für einen Umpolvorgang kann eine derartige physikalische Größe gemessen werden. Die Folgen sind Umpolvorgänge innerhalb eines Zyklusses, die keine feste Frequenz aufweisen, sondern' prozessabhängig der inneren Regelung des Lichtbogenprozesses unterworfen sind.

Vorzugsweise ist die zu messende physikalische Größe die Lichtbogenspannung. Ausgewertet werden kann ein Spannungsanstieg, ein Spannungsabfall oder ein Ober- oder Unterschreiten eines Spannungschwellwertes. Aus dem Spannungsverlauf lässt sich der Kurzschlusszeitpunkt oder auch das Auflösen des Kurzschlusses bestimmen.

Ebenfalls als physikalische Größe für den Vorgang des Umpolens kann der Stromverlauf erfasst werden. Auch hier lässt sich ein Stromverlaufsgradient oder das Über- oder Unterschreiten eines Stromschwellwertes auswerten. Für die Einleitung eines Polaritätswechsels kann auch eine Größe herangezogen werden, die sich aus dem Strom und/oder der Spannung ableitet. Beispielsweise wird ein Leistungsschwellwert oder ein Leistungsgradient bestimmt und ausgewertet. Ebenso denkbar ist die Auswertung eines Impedanzschwellwertes oder eines Impedanzverlaufsgradienten.

Neben diesen Größen kann für eine Einleitung eines Polaritätswechsels ein optischer und/oder akustischer Effekt des kurzschlussbehafteten MSG-Prozesses ausgewertet werden. -7-

Bei dieser Vorgehensweise macht man sich den Umstand zunutze, dass z.B. bei Auftreten des Kurzschlusses der Lichtbogen erlischt und daher eine Helligkeitsänderung an der Fügestelle eintritt. Das Erlöschen und Wiederzünden eines Lichtbogens ist darüber hinaus an einer charakteristischen Akustik erkennbar, die daher ebenfalls Rückschlüsse auf die interessanten Zyklusänderungen im kurzschlussbehafteten MSG-Prozess bietet.

Wenigstens ein UmpolZeitpunkt soll sich erfindungsgemäß nach einem wiederkehrenden Ereignis richten. Ein darauffolgender Polaritätswechsel kann vorzugsweise auch nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne nach einem durch eine physikalische Größe eingeleiteten Polaritätswechsel von Steuermitteln durchgeführt werden.

Analog dazu kann die Vorrichtung auch bei Energiequellen zum Fügen mit einem kurzschlussbehafteten MSG-Prozess eingesetzt werden, die mit einer äußeren Regelung arbeiten. Da bei diesen ebenfalls unterschiedlich lange Lichtbogenbrenn- und Kurzschlussphasen auftreten, wird die Detektion eines charakteristischen Merkmals als Signalgeber für einen Umpolvorgang notwendig.

Die Vorrichtung kann bereits eine Energiequelle zum Fügen mit dem MSG-Prozess mit umfassen.

Es ist allerdings auch denkbar, dass die Vorrichtung keine Energiequelle mit umfasst, jedoch in Verbindung mit einer separaten Energiequelle verwendet wird. Damit ist es möglich, die Vorrichtung einer bestehenden Energiequelle nachzuschalten und somit als Nachrüstschaltung eine konventionelle Energiequelle zu verbessern.

Zeichnungen

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Zeichnungen nachstehend unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Strom- und

Spannungsverlauf zwischen einer Elektrode und einem Werkstück bei Einsatz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Fügen mit einem kurzschlussbehafteten MSG-Prozess und

Fig. 2 in einem schematischen Schaltbild eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Fügen mit einem kurzschlussbehafteten MSG-Prozess.

Beschreibung der Ausführunqsbeispiele

In Fig. 1 sind die sich ergebenden Strom- und Spannungsverläufe 1, 2 zwischen Elektrode und Werkstück bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Fügen mit einem kurzschlussbehafteten MSG-Prozess dargestellt.

In durchgezogener Linie ist der Stromverlauf 1 und in gepunkteter Linie der Spannungsverlauf 2 über die Zeit t aufgetragen.

In einer Kurzschlussphase KSi steht eine positive Polung an einer Elektrode an. Diese Polung erleichtert das Ablösen eines Tropfens vom Zusatzwerkstoff. Die Verweilzeit dieser Polung ist mindestens so lange wie es nötig ist, den Kurzschluss aufzulösen. Sie kann jedoch verlängert werden, um den Wärmeeintrag ins Schmelzbad bzw. ins Werkstück zu ändern. -9-

Das Auflösen des Kurzschlusses zum Zeitpunkt Ai wird erfasst durch die messbare Änderung einer zyklisch variierenden Messgröße, z.B.den Anstieg der Lichtbogenspannung ü über einen vorgegebenen Spannungsschwellwert. Diese Prozessgröße wird als Auslösesignal verwendet, um einen Polaritätswechsel W2 an der Elektrode durchzuführen. Es ist jedoch auch möglich, den Stromverlauf I auszuwerten.

Der Polaritätswechsel kann entweder sofort oder, wie in Fig. 1 dargestellt, mit einer vorgegebenen Verzögerungszeit tv erfolgen. Nach dem Polaritätswechsel W2 ist die Elektrode negativ gepolt. Die negative Polung wird dann bis zum Beginn der darauf folgenden Kurzschlussphase KS2 beibehalten. Der Beginn K2 der Kurzschlussphase ist gekennzeichnet durch die messbare Änderung einer zyklisch variierenden Prozessgröße, z.B. den Abfall der Lichtbogenspannung ü unter einen vorgegebenen Spannungsschwellwert. Diese Prozessgröße kann daher als Auslösesignal verwendet werden, um einen erneuten Polaritätswechsel W3 an der Elektrode zur ursprünglichen positiven Polarität durchzuführen. Es beginnt ein neuer Zyklus Z2.

Falls der wieder auftretende Kurzschluss W3 früher auftritt als die Verzögerungszeit tv abgelaufen ist, findet kein Polaritätswechsel zur negativen Polung an der Elektrode statt.

Da bei dieser Ausführungsform prozesstypisch unterschiedlich lange Lichtbogenbrenn- und Kurzschlussphasen auftreten, findet eine Ausregelung der Lichtbogenlänge nur durch die selbsttätige innere Regelung statt. Es ist somit keine gesonderte Regelung der Lichtbogenlänge nötig.

Die erforderlichen Bauteile zur Erkennung der charakteristischen wiederkehrenden Ereignisse innerhalb einer Zyklusdauer oder innerhalb mehrerer Zyklusdauern sowie die • · · » · * « ο · • · · · · I · * · · · · · • · · · · • · · · · · · · -10-erforderlichen Bauteile, um einen Polaritätswechsel vornehmen zu können, lassen sich entweder in einer Energiequelle integrieren oder sie können als ein separates Gerät ausgestaltet sein, um dieses mit einer bereits existierenden Energiequelle, mit der es möglich ist, kurzschlussbehaftete MSG-Fügeprozesse durchzuführen, zu verbinden.

Bei der letzten Variante erfolgt eine Erweiterung einer existierenden Energiequelle, um einen weiteren Einstellparameter, der es möglich macht außer den schon vorhandenen Minimalparametern Spannungsstufe und zugehörige Drahtvorschubgeschwindigkeit die Wärmeeinbringung in das Schmelzbad bzw. das Werkstück durch einen Polaritätswechsel zu variieren.

Die Vorrichtung kann auch in Verbindung mit einer Energiequelle zum Fügen mit einem kurzschlussbehafteten MSG-Prozess verwendet werden, die eine äußere Regelung nutzt. Da auch hier unterschiedliche lange Zykluszeiten auftreten, muss für die Umpolvorgänge ebenfalls auf ein charakteristisches Merkmal Bezug genommen werden.

In Fig. 2 ist das schematische Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum kurzschlussbehafteten Fügen mit dem MSG-Prozess gezeigt.

Es zeigt die Verschaltung einer Energiequelle la zum Fügen mit dem MSG-Prozess mit einer Vorrichtung 2a, die zum Erzeugen von Polaritätswechseln notwendig ist. An einem Anschluss 5 wird ein Brennerschlauchpaket nicht dargestellt angeschlossen und ein Rückstromkabel 6 führt zu einem Werkstück (nicht dargestellt). Durch Leitungen 3 und 4 können zyklisch wiederkehrende physikalische Größen gemessen werden, die der Vorrichtung 2a als Signalgeber für Polungswechsel dienen. -11-

Bezugszeichenliste: 1 Stromverlauf la Energiequelle 2 Spannungsverlauf 2a Vorrichtung 3 Leitung 4 Leitung 5 Anschluss 6 Rückstromkabel

Claims

-12- Ansprüche: 1. Vorrichtung zum kurzschlussbehafteten Fügen mit einem MSG-Prozess mit abschmelzender Elektrode, dadurch gekennzeichnet, dass Steuermittel vorgesehen sind, die in Abhängigkeit einer Messung einer bei einem kurzschlussbehafteten MSG-Prozess zyklisch variierenden physikalischen Größe (U, I), die Rückschlüsse auf einen Kurzschlussbeginn (Κι, K2, K3) und/oder ein Kurzschlussende (Ai, A2, A3) zulässt, einen Polaritätswechsel an der Elektrode einleiten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel dazu ausgelegt sind, bei Auftreten eines Kurzschlusses eine positive Polarität an die Elektrode zu legen.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel derart ausgebildet sind, nach Ende eines Kurzschlusses eine negative Polarität an die Elektrode zu legen.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende physikalische Größe der Stromverlauf (I) ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende physikalische Größe der Spannungsverlauf (ü) ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel dazu ausgelegt sind, für die Einleitung eines Polaritätswechsels eine Größe heranzuziehen, die sich aus dem Strom-(I) und/oder dem Spannungsverlauf (Ü) ableitet. W t • · • · ♦ · -13-
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel ausgebildet sind, für die Einleitung eines Polaritätswechsels optische und/oder akustische Effekte des Prozesses auszuwerten.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel ausgelegt sind, nach einem durch eine physikalische Größe (I, U) eingeleiteten Polaritätswechsel, die Polarität nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne erneut zu wechseln.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel derart ausgebildet sind, einen Polaritätswechsel erst nach Ablauf einer Verzögerungszeit (tv) vorzunehmen.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Energiequelle zum Fügen mit dem MSG-Prozess bereits mit umfasst.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Verbindung mit einer separaten Energiequelle zum Fügen mit dem MSG-Prozess ausgelegt ist.