DD147513A1 - Verfahren zur prozesssteuerung beim lichtbogenschmelzschweissen mit abschmelzender elektrode - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Prozeszsteuerung beim Lichtbogenschmelzschweiszen mit abschmelzender Elektrode zur Durchfuehrung des automatischen Schweiszens mit endlosem Zusatzwerkstoff. Ziel ist, eine hohe Nahtqualitaet mit Gleichmaeszigkeit des Einbrandes und der Nahtgeometrie sowie eine Feinschuppigkeit der Nahtoberflaeche zu erreichen. Die Aufgabe, durch eine geeignete Beeinfluszung der Zufuhrbewegung des Elektrodenwerkstoffes die Lichtbogengeometrie, die elektrischen Lichtbogenparameter, den Energieumsatz im Bogenbereich sowie die Werkstoffab- und -aufschmelzung zuverlaessig zu steuern, wird erfindungsgemaesz dadurch geloest, dasz die Zufuhrbewegung des Elektrodendrahtes diskontinuierlich erfolgt, wobei sich die Bewegungs- und Stillstandsphasen periodisch abwechseln und in der Stillstandsphase bei kurzschluszbehaftetem Werkstoffuebergang zwischen den zwei Spannungsflanken der Lichtbogenbrennphasen der Mittelwert oder das Zeitintegral der Schweiszspannung durch eine logische Verarbeitungseinheit erfaszt, mit einem eingestellten Sollwert verglichen und fuer die Bestimmung der Amplitude der naechstfolgenden Bewegungsphase derart ausgwertet wird, dasz ueber jedem Vorschubzyklus der zeitliche Mittelwert oder das Zeitinegral der Schweiszspannung nahezu identisch mit dem vorgegebenen Sollwert ist.

Description

Verfahren zur Prozeß steuerung beim lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozeß steuerung beim Lichtbogenschmelzschweißen mit abschmelzender 'Elektrode zur Durchführung des automatischen Schweißens mit endlosem Zusatzwerkstoff.

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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, das Lichtbogenschmelzschweißen mit endlosem Zusatzwerkstoff durchzuführen, indem dieser als Draht, Band, Fülldraht oder in ähnlicher Gestalt kontinuierlich der Werkstückschmelzzone zugeführt und unter Einwirkung des Lichtbogens abgeschmolzen wird, wobei als Schutz der Werkstückschmelzzone, des Lichtbogens und des Zusatzwerkstoffes aktive und inerte Gase, Pulver, Flußmittel und andere Hilfsstoffe zugesetzt werden.

Diese Verfahren vieräen in Abhängigkeit von der technologrschen Aufgabe mit Stromquellen, die im Bereich der Schweißparameter über eine fast horizontal verlaufende statische Kennlinie verfügen, unter Anwendung der als Δ I -Regelung bekannten Methode der Beeinflussung des Abschmelzverhaltens und zeitlich konstanten Elektrodenvorschub oder mit Stromquellen, die im Bereich der Schweißparameter eine stark fallende statische Belastungskennlinie aufweisen, unter Anwendung der als^U - Regelung bekannten Methode der Beeinflussung des Abschmelzverhaltens mit lichtbogenspannungsabhängigem Elektrodenvorschub durchgeführt (BRD OS 2614494).

Nachteilig bei der Anwendung der/^ I -Regelung ist der durch die flache Stromquellencharakteristik bedingte große Schwankungsbereich des Schweiß stromes, der bedingt durch den mit dem Quadrat der Stromstärke anwachsende Lichtbogendruck zu unkonizollierten BadSchwankungen unterschiedlicher Amplitude führt und zusammen mit der Abschmelzbewegung an der Elektrodenspitze und der stochastischen Auslenkung der Licht bogensäule infolge laufend er Katoden- bzw. Anodenfallgebiete zu einem z^esul tierenden Nahtbildungsprozeß führt, der gekennzeichnet ist durch einen stochastisch ablaufenden Merkstoff üb er gang, durch unterschiedliche Bogenbrenn- und Kurzschlußphasen bzw. bei kurzschlußfreiem Werkstoffübergang

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durch erheblich unterschiedliche Tropfengrößen. Das Ergebnis ist eine in ihrem Aufbau unregelmäßige Schweißnaht bei einer in vielen Fällen zu großen Wahrscheinlichkeit der verminderten Schweißnahtqualität bei automatischen Verfahren.

Nachteilig bei dem als Λ U_ß-ßegelung bekannten Verfahren ist, daß durch die zur Sicherung eines stabilen Prozesses erforderliche zeitliche Mittelwertbildung des die Elektrodenvorschubgeschwindigkeit bestimmenden Schweißspannnungswertes über einen stochastisch ablaufenden Prozeß sowie durch die Trägheit verwendeter Vorschubsysteme eine Zuordnung des Meßsignals zum Auf- und Abschmelzprozeß insbesondere zum momentanen Abstand zwischen Elektrodenspitze und Werkstückschmelzzone nicht gegeben ist· Died U-Eegelung kommt deshalb zweckmäßigerweise nur dort zum Einsatz, wo große Lichtbogenlängen und hohe Stromstärken vorliegen.-

Zur Vermeidung der Nachteile der genannten Verfahren mit kontinuierlichem Vorschub wurde nach WP B 23 k/199709 ein Verfahren zur Prozeßregelung beim Lichtbogenschweißen mit pulsierendem Elektrodenvorschub angegeben, wobei bei vorgegebener Frequenz der Vorschubbewegung eine Regelung des mittleren Schweißstromes durch eine Verstärkereinheit erfolgt, die entsprechend dem Vergleich zwischen einem eingestellten Sollwert und dem zeitlichen Mittelwert des Schweißstromes die mittlere Elektrodenvorschubgeschwindigkeit bestimmt. Nachteilig ist hierbei die aus der erforderlichen Mittelwertbildung resultierende Trägheit der Eegelung, die eine ausreichend schnelle Beeinflussung des Energieumsatzes und der damit im Zusammenhang· stehenden Abschmelzvorgänge ausschließt. Nachteilig ist weiterhin die notwendige Eingrenzung der vorgeschlagenen Lösung auf Verfahren mit flacher Stromquellencharakteristik.

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Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung beim Lichtbogenschmelzschweißen mit abschmelzender Elektrode eine hohe Nahtqualität, wie Gleichmäßigkeit des Einbrandes und der Nahtgeometrie sowie Feinschuppigkeit der Hahtoberflache zu erreichen.

Das Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine geeignete Beeinflussung der Zufuhrbewegung des Elektrodenwerkstoffes die Lichtbogengeometrie, die elektrischen Lichtbogenparameter, den Snergieumsatz im Bogenbereich sowie die Werkstoff ab- und -aufschmelzung zuverlässig zu steuern«

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst:

Die Zufuhrbewegung der abschmelzenden Elektrode setzt sich aus einer zyklischen Folge von Vorschub- und Stillstandsphasen zusammen, wobei das Verhältnis von Bewegungs- und Stillstandszeit möglichst klein ist. Bedingt durch die zyklische Bewegung des Elektrodenwerkstoffes kommt es zu einer Beschleunigung und Abbremsung des flüssigen Werkstofftropfens an der Elektrodenspitze bzw. zu dessen Eintauchen in das Schmelzbad. Daraus resultiert eine Synchronität zwischen Vorschubbewegung und Werkstoffübergang, vorausgesetzt, daß die Vorschubfrequenz in einem für diese Erscheinung geeignetem. Frequensbereich liegt. Die Tropf en ab lösung erfolgt dabei unmittelbar vor der Stillstandsphase, so daß während dieser reproduzierbare Verhältnisse an der Elektröfenspitze vorliegen» Über die Periodendauer einer Vorschubbewegung wird der Mittelwert oder das Zeitintegral der Schweißspannung gebildet und mit einem für den Prozeß ge-

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forderten Sollwert verglichen. Die Istwerfbildung erfolgt durch Mittlung der über den Verlauf einer Periode anfallenden Momentanwerte oder als Integration über den Verlauf einer Bewegung speriode, wobei im zweiten Fall zur reproduzierbaren Wiederholung des Meßvorg-anges ein Nullsetzen des Intigrators vor Beginn des neuen Meßvorganges erfolgt. Ausgehend von dem Soll-Ist-Wertvergleich erfolgt durch eine geeignete logische Verarbeitungseinheit, die aus einem digitalen oder analogen Rechner besteht, die Festlegung bzw. Berechnung der ,Amplitude der nächstfolgenden Bewegungsphase, und zwar derart, daß nach jedem Bewegungszyklus die Eegelabweichung möglichst klein ist und somit annähernd gleiche geometrische Verhältnisse sowie vergleichbare elektrische und energetische Zustände im Bogenraum vorliegen und somit gleichartige, mit großer Näherung zyklische Auf- und Abschmelzvorgänge ablaufen. Bei Verfahren mit kurzschlußbehaftetem Y/erks to ff üb ergang kann die Wahl des Meßzeitraumes neben der Synchronisation mit der Vorschubbewegung aufgrund der Synchronität mit dem Werkstoffübergeng bei großer Ähnlichkeit der FoIgezyklen auch durch Nutzung der Spannungsflanken bei der Kurzschlußbildung erfolgen.

Der als Maß für die geometrischen, elektrischen und energetischen Verhältnisse nach Ablauf eines Meßvorganges vorliegende Meßwert kann zur Steuerung weiterer Ab- bzw. Aufschmelzvorgänge in der gleichen Werkstückschmelzzone verwendet werden.

Durch die beschriebene Zuordnung der Vorschubbewegung zum ι zeitlichen Verlauf der Lichtbogenspannung ist dieses Verfahren in erster Linie für das Lichtbogenschweißen mit fallender Stromquellen-Charakteristik geeignet, wobei durch die extrem schnelle Meßwertverarbeitung eine Einschränkung auf Prozesse mit hohen Schweißspannungen und -strömen entfällt.

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Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden» In der dazugehörigen Zeichnung wird das Blockschaltbild der Funktionseinheiten zur Prozeßsteuerung beim MIGr- Schweiß en gezeigt·

Durch ein Drahtvorschubsystem 5 wird der Elektrodendraht 1 diskontinuierlich vorgeschoben, wobei ein periodischer Wechsel zwischen Bewegungs- und Stillstandsphasen vorliegt. Dieses Drahtvorschubsystem 5 besteht aus einem elektromagnetischen Schwingungssystem mit einer selbsthemmenden Mitnehmeranordnung, die die Schwingungsbewegung in nur einer Bewegungsrichtung auf den Elektrodendraht 1 überträgt. Die Frequenz der Vorschubbewegung wird entsprechend den technologischen Gegebenheiten über eine Frequenzvorwahl 4 eingestellt. Die Stromzufuhr zum Elektrodendraht 1 erfolgt über eine Stromkontaktdüse 6 durch eine Stromquelle 2 mit fallender Belastungscharakteristik. Durch eine Verarbeitungseinheit 10 wird die Spannung zwischen der Stromkontaktdüse 6 und dem Werkstück 9 erfaßt· Zwischen der Spitze des aus der Gasdüse 5> kommenden Elektrodendrahtes 1 und dem Werkstück 9 brennt ein Lichtbogen 8 unter Argonatmosphäre ?. In der Pause zwischen zwei Bewegungsphasen₅ die der Verarbeitungseinheit 10 durch das Drahtvorschubsystem 5 signalisiert wird, erfolgt innerhalb der Verarbeitungseinheit 10 die Ermittlung des Spannungsmittelwertes während dieser Zeit. Dieser wird mit einer über die Sollwertvorgabe 11 vorgegebenen Spannung vorzeichenbehaftet verglichen. Ausgehend von diesem Soll-Ist-Wertvergleich erfolgt innerhalb der Verarbeitungseinheit 10 durch einen analogen Festwertrechner auf der Basis von Operationsverstärkern die Berechnung der Amplitude der nächsten Vorschubbewegung, die dem Drahtvorschubsystem 5 signalisiert wird. Der Berechnungsalgorithmus

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ist dabei so festgelegt, daß die Differenz zwischen SoIl- und Istwert gegen O tendiert. Bei der nächsten Vorschubbewegung werden der flüssige Werkstofftropfen von der Elektrodenspitze abgestoßen und somit die Voraussetzungen für den nächsten Meßzyklus geschaffen·

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch

   Verfahren zur Prozeßsteuerung beim Lichtbogenschmelzschweißen, mit abschmelzender Elektrode, g e k e η η - ζ ei ch net dadurch, daß die Zufuhrbewegung des Elektrodendrahtes (1) diskontinuierlich erfolgt, wobei sich die-Bewegungs- und Stillstandsphasen periodisch abwechseln und in der Stillstandsphase oder bei kurzschlußbehaftetem Werkstoffübergang zwischen den zwei Spannungsflanken der Lichtbogenbrennphasen der Mittelwert oder das Zeitintegral der Schweißspannung durch eine logische Verarbeitungseinheit (10), bestehend aus einem digitalen oder analogen Eechner erfaßt, mit einem eingestellten Sollwert verglichen und für die Bestimmung der Amplitude der nächstfolgenden Bewegungsphase derart ausgewertet wird, daß über jedem Vorschubzyklus der zeitliche Mittelwert oder das Zeitintegral der Schweiß-spannung nahezu identisch mit der Sollwertvorgabe (11) ist.

   Verfahren zur Prozeßsteuerung beim Lichtbogenschmelzschweißen mit abschmelzender Elektrode nach Punkt 1, g eken'n zeichnet dadurch, daßdas von der logischen Verarbeitungseinheit (10) ermittelte Meßsignal zur Prozeßsteuerung eines zweiten in der gleichen Werkstückschmelzzone .ablaufenden Ab- oder Aufsehmelzprozesses verwendet wird.

   Hierzu ein Blatt Zeichnungen -