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Die Erfindung befaßt sich mit Weiterentwicklungen beim
gepulsten Lichtbogen-MIG-Schweißen (Metall-Inertgas-Schweißen).
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Das gepulste Lichtbogenschweißen wurde zuerst zu Beginn im
Jahre 1960 vorgeschlagen und seit dieser Zeit ist es eines
der am häufigsten eingesetzten und fortentwickelten
Lichtbogen-Schweißverfahren. Jedoch hat man bei dem gepulsten
Lichtbogen-Schweißen niemals alle Möglichkeiten hauptsächlich auf
Grund der Anzahl und der Kompliziertheit der Steuerungen
ausgeschöpft, welche eine Bedienungsperson vornehmen muß, um
zufriedenstellende Schweißbedingungen insbesondere bei den
am häufigsten auftretenden Schweißbedingungen zu erzielen,
wodurch beispielsweise ein Schweißmetalltropfen bei jedem
Schweißstrompuls unabhängig von der Drahtvorschubrate gelöst
wird.
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Die Variablen, welche bei einem gepulsten
Lichtbogen-Schweißsystem wesentlich sind, sind die folgenden:
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(a) Pulshöhe - Amplitude des Strompulses,
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(b) Pulsbreite - Dauer des Strompulses,
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(c) Drahtvorschubrate - lineare Geschwindigkeit, mit
der die Elektrode zum Schweißbogen vorgeschoben wird,
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(d) Pulsfrequenz - Wiederholungsrate der Strompulse,
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(e) Hintergrundstrom - der relativ niedrige Wert des
Gleichstroms, welcher im Bogen in den Perioden zwischen den
Strompulsen fließt,
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(f) der Lichtbogenstrom, und
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(g) die Lichtbogenspannung.
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Die Pulshöhe in Kombination mit der Pulsbreite bestimmen den
Energieinhalt des Pulses, und dieser muß immer so ausreichend
sein, daß ein Schweißmetalltropfen gebildet und abgelöst wird.
Die Pulshöhe muß oberhalb des "Schwellwert" Stromwerts bei
einer speziellen Kombination aus Drahtgröße/Art/Schutzgas sein,
um einen Sprühübergang des Schweißmetalls zu erzielen. Es ist
für ein praktisches Schweißsystem erwünscht, eine
Rückführungseinrichtung irgendeiner Art zu haben, um Änderungen der
Schweißparameter, die Änderungen der Netzspannung und der
Drahtvorschubrate infolge von Änderungen der
Motorgeschwindigkeit oder des Schlupfs in dem Drahtzufuhrsystem, zu
berücksichtigen. Obgleich eine Vielzahl von unterschiedlichen
Rückführungssystemen vorgeschlagen worden ist, hat keines dieser
Systeme den gewünschten Effekt, die Schweißparameter konstant
zu halten, wodurch das Ablösen eines einzigen Tropfens bei
jedem Strompuls sichergestellt wird, welcher durch das System
erzeugt wird. Dies ist insbesondere auf die Tatsache
zurückzuführen, daß die Schaltung sich nicht in adäquater Weise an
die Änderungen der Schweißbedingungen anpaßt, welche durch
Änderungen bei der Drahtvorschubrate und Änderungen in der
Position der Elektrode relativ zum Werkstück (Bogenlänge)
verursacht werden. Die meisten Versuche zur Kompensation
derartiger Änderungen konzentrierten sich auf die Steuerung der
Pulsbreite, um eine relativ konstante
Elektrodenabschmelzrate aufrechtzuerhalten. Bei diesem Vorschlag wird jedoch die
Bedeutung der genauen Zuordnung zwischen der Pulsfrequenz und
der Drahtvorschubrate, welche dazu führt, daß mehr als ein
Metalltropfen pro Strompuls erzeugt wird, unberücksichtigt
gelassen, oder es wird die Notwendigkeit unberücksichtigt
gelassen, daß man mehr als einen Puls zum Ablösen des
Metalltropfens benötigt, wodurch sich ein Verspritzen des
Schweißmetalls oder andere unerwünschte Nebeneffekte ergeben.
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Viele Versuche wurden unternommen, die vorstehend beschriebenen
Schwierigkeiten zu überwinden, und während einigen hiervon ein
Erfolg beschieden war, ist nach wie vor noch eine Anzahl von
bedeutenden Nachteilen vorhanden. Beispielsweise beschreiben
die US-A-4 409 465 von Yamamoto et al. und US-A-4 438 317 von
Ueguri et al. im wesentlichen den gleichen Vorschlag, die
Lichtbogenstrompulse zu steuern, wobei die Spannung an dem
Lichtbogen überwacht wird und eine Rückführungsschaltung bzw. eine
Regelschaltung eingesetzt wird, um die Lichtbogenspannung auf
einem vorbestimmten, gewünschten Mittelwert konstant zu halten.
Wie in den vorstehend angegebenen Patenten aufgezeigt ist, kann
die Spannung an dem Lichtbogen nach Maßgabe einer der
folgenden Methoden gemessen werden:
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(1) Eine Messung nur während der Pulsperiode,
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(2) als ein Mittelwert von Puls und
Hintergrund-Lichtbogenspannung, oder
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(3) gemessen nur in Form der Hintergrundperiode.
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Da bei dem ersten vorstehend aufgelisteten Meßverfahren die
Messung zum Zeitpunkt des maximalen Stroms durchgeführt wird,
hat jegliche praktische Spannungsmessung leicht beträchtliche
Spannungsabfallkomponenten miteingeschlossen, welche
zurückzuführen sind auf folgendes:
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(a) ein Spannungsabfall an der Elektrodendrahtverlängerung,
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(b) ein Spannungsabfall an der Grenzfläche an der
Kontaktspitze und dem Elektrodendraht, und/oder
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(c) ein Spannungsabfall an den Verbindungsleitungen
zwischen der Schweißenergiequelle und dem Schweißlichtbogen.
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Derartige Spannungsabfälle können nicht auf einfache Weise
insbesondere dann kompensiert werden, wenn sich die
Elektrodendrahtverlängerung bzw. die Elektrodendrahterstreckung sich nach
Maßgabe der Bedienungsweise ändert.
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Wenn die Lichtbogenspannung nach Maßgabe des voranstehenden
Punkts (2) gemessen wird, muß eine übergroße Wicklungszeit
an das Lichtbogenspannungssignal angelegt werden, da ein
Verhältnis von etwa 2 : 1 zwischen der Pulsgröße und der Hintergrundspannungsgröße
insbesondere bei niedrigen Drahtvorschubraten
vorhanden ist, wenn der Puls/Hintergrund-Tastgrad niedrig ist.
Hierdurch erhält man natürlich eine unerwünschte Verzögerung
im Steuersystem. Wenn die Drahtvorschubrate hoch ist, ist der
Puls/Hintergrund-Tastgrad entsprechend hoch und die Wirkungen
bezüglich den Einzelheiten für die Spannungsmessung nur
während der Pulsperiode herrschen dann notwendigerweise vor.
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Wenn die Lichtbogenspannung nur während der Hintergrundperiode
gemessen wird, sind die Spannungsabfallprobleme, welche
vorstehend angegeben sind, weniger signifikant, da
Hintergrundstromwerte typischerweise wesentlich niedriger als
Pulsstromwerte sind. Wenn jedoch der Lichtbogenspannungswert während
der Hintergrundperiode gemittelt wird, kann die Genauigkeit
des Ergebnisses in nachteiliger Weise durch das Auftreten eines
Kurzschlusses im Bogen beeinträchtigt werden. Dies tritt
typischerweise unmittelbar im Anschluß an eine Pulsperiode und
insbesondere dann auf, wenn die Maschine derart eingestellt ist,
daß eine kurze Bogenlänge erzeugt wird. Es ist noch zu
erwähnen, daß dann, wenn die Lichtbogenlänge kurz ist, eine Brücke
aus geschmolzenem Elektrodenmetall nach wie vor in Takt
zwischen dem Elektrodendraht und dem sich ablösenden Tropfen zu
dem Zeitpunkt sammeln kann, zu dem der Tropfen das Werkstück
oder die Schweißschmelzmasse berührt. Dieser Kurzschluß
beeinflußt natürlich die mittlere Lichtbogenspannung und führt zu
einer Ungenauigkeit bei der Steuerung, die man bei dem
Lichtbogen-Schweißsystem erhält.
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Die vorstehend genannten Schwierigkeiten sind insbesondere bei
Elektroden mit hohem spezifischen elektrischen Widerstand, wie
Inconel, offensichtlich, und die Erfindung zielt darauf ab, ein
Pulslichtbogen-Schweißsystem bereitzustellen, bei dem
wenigstens
die vorstehend genannten Schwierigkeiten vermindert sind
und man eine verbesserte Steuerung beim Schweißverfahren
erhält.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Nach der Erfindung wird ein gepulstes Lichtbogen-Schweißsystem
mit einer Schaltung zur Erzeugung von Strompulsen und einer
Schaltung zur Erzeugung eines Hintergrundstromes mit einer zur
Verbindung mit einer Last über einen Elektrodendraht vorgesehenen
Gleichspannungs-Versorgungsschaltung, Schalteinrichtungen zum
Anlegen von Strompulsen, die durch die Schaltung zur Erzeugung
von Strompulsen erzeugt werden, an die Last, Einrichtungen zur
Erfassung der von den Schaltungen an die Last angelegten
Spannung, sowie Einrichtungen zur Steuerung der
Schalteinrichtungen zur Steuerung der Pulswiederholungsrate, um eine im
wesentlichen konstante vorbestimmte Bogenspannung an der Last
aufrecht zu erhalten, bereitgestellt, welches sich dadurch
auszeichnet, daß die Einrichtungen zur Erfassung der
Bogenspannung Einrichtungen zur Bestimmung der niedrigsten
Bogenspannung aufweisen, die in einer vorbestimmten Zeitperiode auftritt,
welche unmittelbar dem Einsatz jedes Strompulses vorausgeht.
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Es wird bevorzugt, daß die Lichtbogenlänge und somit die
Lichtbogenspannung sich konstant ändern, wenn die Tropfen des
schmelzflüssigen Elektrodenmaterials gebildet werden und sich von dem
Elektrodendraht lösen, und als Folge hiervon ist die
tatsächliche Lichtbogenspannung eine komplexe Kombination aus sich
ändernden Spannungswerten. Wenn man die Lichtbogenspannung mit
dem niedrigst möglichen Wert wählt und diese Spannung
verwendet, um die Pulswiederholungsrate zu bestimmen, lassen sich
die Einflüsse auf die Lichtbogenspannung durch die vorstehend
angegebenen Einzelheiten so gering wie möglich machen und
Fehler infolge eines Kurzschlusses lassen sich vermeiden.
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Die Einrichtung, mittels der die Lichtbogenspannung überwacht
wird, ist für die Erfindung nicht wesentlich, und es kann
irgendeine von vielen an sich bekannten Einrichtungen
beispielsweise jenen, die in den vorstehend genannten US-PSen angegeben
sind, eingesetzt werden, oder es kann eine Einrichtung
eingesetzt werden, welche nachstehend näher beschrieben wird, um
zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen. In ähnlicher Weise
ist die Einrichtung, mit der die minimale Lichtbogenspannung
vor dem Beginn des jeweiligen Strompulses erfaßt wird, nicht
wesentlich und zahlreiche Alternativen können von einem
fachkundigen Elektroingenieur hierzu vorgeschlagen werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform, welche nachstehend
näher erläutert wird, ist eine Abtast- und Halteschaltung
hiermit verbunden, um die Lichtbogenspannung während einer
Zeit-"Fenster"-Periode unmittelbar vorausgehend dem Beginn des
jeweiligen Schweißstrompulses abzutasten, und die Schaltung ist
derart ausgelegt, daß die während der Abtastperiode
aufgefundene kleinste Spannung gehalten wird und diese Spannung als
ein Steuerparameter an die Schaltung abgegeben wird, welche
das Schweißsystem steuert. Die Länge des Zeit-"Fensters" ist
nicht von einflußnehmender Bedeutung, sondern eine Zeit von
etwa 1000 us hat sich als zufriedenstellend erwiesen. Die
niedrigste während der Abtastperiode aufgefundene Spannung kann
mittels einer Erfassungsschaltung für eine minimale Spannung
gehalten werden, welche als ein negativer
Spitzengleichrichter arbeitet.
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Die Art und Weise, mit der der niedrigste
Lichtbogenspannungswert zur Steuerung der Pulswiederholungsrate genutzt wird, kann
auf irgendeine geeignete Weise beispielsweise so gewählt
werden, wie dies in den vorstehend genannten US-Patenten
angegeben ist oder wie dies nachstehend noch näher beschrieben wird.
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Wenn die Drahtzuführungsrate auf einen hohen Wert eingestellt
wird, können die Stromimpulse so nahe beieinander sein, daß
die Periode des Hintergrundstromwertes minimal ist. Unter diesen
Umständen arbeitet die Strompuls-Steuerschaltung auf der Basis
einer Kombination aus der mittleren Lichtbogenspannung und der
niedrigsten Lichtbogenspannung, welche unmittelbar vor dem
Beginn des jeweiligen Strompulses auftritt. Wenn das System
eine minimale Hintergrundspannung nicht erfassen kann,
arbeitet die Steuerschaltung auf der Basis lediglich der
mittleren Lichtbogenspannung.
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Während in der nachstehenden Beschreibung die
Schalteinrichtungen derart erläutert werden, daß eine Schaltung an der
Sekundärseite der Gleichstrom-Energieversorgungsschaltung
vorgenommen wird, können natürlich bei der Erfindung in gleicher
Weise Schaltanordnungen vorgesehen werden, welche an der
Primärseite der Gleichstrom-Energieversorgungsschaltung
vorgesehen sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend
unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in
welcher gilt:
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Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer
Steuerschaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
nach der Erfindung;
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Fig. 2 ist ein detaillierteres Schaltungsdiagramm des
Lichtbogenspannungs-Minimumdetektors;
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Fig. 3 ist ein beispielhaftes Zeitablaufdiagramm, welches
der Erfassungsschaltung für die minimale
Lichtbogenspannung zugeordnet ist;
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Fig. 4 ist ein detailliertes Schaltungsdiagramm zur
Verdeutlichung der Einzelheiten der
Steuerschaltung gemäß dem Blockdiagramm nach Fig. 1, und
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Fig. 5 ist eine schematische Darstellung zur
Verdeutlichung der Änderungen bei der Pulsfrequenzrate.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Zuerst wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 der Zeichnung die
Steuerschaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nach
der Erfindung gezeigt,welche einen
Mehrkanalanalog/Digitalwandler umfaßt, welcher einen Analog-Multiplexer 1 und einen
Analog/Digitalwandler 2 aufweist, an welchem einige analoge
Eingangssignale anliegen. Die Eingangssignale umfassen
folgendes:
- Ein Null-zu-10-Voltanalogsignal, abgeleitet von einer
Stromsteuerschaltung C, welche von der Bedienungsperson
derart eingestellt wird, daß der gewünschte mittlere
Schweißstromwert des Systems einjustiert wird;
- ein Null-zu-10-Voltanalogsignal, welches durch die
Lichtbogenlängen-Steuerschaltung A eingestellt wird, welche
von der Bedienungsperson zur Einstellung der Länge des
Lichtbogens eingestellt wird;
- Spannungssignale "V arc" und "V mux", welche die
tatsächliche Lichtbogenspannung oder genauer gesagt die
ausgewählten Teile der Lichtbogenspannung darstellen, und
- ein Spannungssignal "I arc", welches den tatsächlichen
Lichtbogenstrom wiedergibt.
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Zwei digitale Eingabe/Ausgabe-Einrichtungen 3 (Fig. 4) stellen
insgesamt vierundvierzig verfügbare parallele I/O-Leitungen
bereit. Diese Leitungen sind verbunden mit folgendem:
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1. Eine alphanumerische Flüssigkristallanzeige LCD.
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2. Einer einfachen Tastatur K, welche zwei Tasten aufweist,
die mit "change" (P2/2) und "accept" (P2/3) bezeichnet sind,
und welche in Verbindung mit der Anzeige D zum Zweck des
Auswählens der Schweißaufgabenparameter eingesetzt werden.
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3. Eingänge von:
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a. Schweißpistolenschalter - (P2/4)
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b. Gasspülschalter - (P2/5)
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c. Drehgrößen (inch) Schalter - (P2/6)
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4. Einer gesonderten Schaltungssteuerung der folgenden
Funktionen:
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a. Schutzgasstrom - (P6/4)
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b. Drahtvorschub Ein/Aus - (P6(5)
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5. Analoge Multiplexer und
Demultiplexerkanalwähleinrichtungen - (PD/0-7).
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6. Eine Erfassungsschaltung für eine minimale
Lichtbogenspannung - (Eingang PD/7, Ausgang PE/6).
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7. Diagnoseausgänge "Arc Active" (P6/6) und "Processed Arc
Active" (P6/7)
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Die Ausgänge von dem Analog/Digitalwandler 2 und der Eingangs/
Ausgangseinrichtung 3 sind mit einer zentralen
Verarbeitungseinheit und einem Datenspeicher 4 verbunden, welcher einen acht
Bit Mikroprozessor (Typ 8085), einen 2K RAM Datenspeicher und
einen 8K EPROM Softwarespeicher (Fig. 4) aufweist.
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Der Mikroprozessor 4 gibt Parameter "Drahtvorschubrate",
"Pulshöhe" und "Hintergrundhöhe" in digitaler Form auf der Basis
der im EPROM gespeicherten Software aus. Diese Signale werden
in eine analoge Form mit Hilfe eines Digital/Analogwandlers 5
umgewandelt und werden dann mit Hilfe eines De-Multiplexers 6
gemäß einer Demultiplexbehandlung bearbeitet. Der
Mikroprozessor 4 gibt auch digitale Informationen an eine
Zeiteinrichtung 7 aus, welche ihrerseits drei gesonderte digitale Pulse
ausgibt, welche den Beginn und das Ende des Tastfensters und
den Beginn und das Ende des Schweißstrompulses definieren,
und somit die Pulsbreite und die Pulsfrequenz definieren.
Zwei der Ausgabeimpulse werden genutzt, um die
Lichtbogenspannungs-Tastfensterschaltung 26 zu steuern. Einer dieser
Ausgänge und der weitere Ausgang sind mit einem bistabilen
Flip-Flop 8 verbunden, welches umschaltet, wenn die Ausgänge
niedrig-pegelig werden, wodurch die SCR-Triggerschaltung. 9
gesperrt wird, so daß nur der Hintergrundstrom in dem
Lichtboten zwischen den Schweißstrompulsen fließt.
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Der Analogparameter "Hintergrundhöhe", welcher von dem
Demultiplexer 6 ausgegeben wird, wird mit einem Eingang eines
Komparators 12 verbunden. Ein weiterer Komparator 13 hat
einen Eingang, welcher mit der
"Hintergrundhöhen"-Parameterleitung von dem Mikroprozessor 4 verbunden ist, an den
zusätzlich eine feste Spannung angelegt wurde, welche ein
Hintergrundfenster darstellt. Der zweite Eingang des jeweiligen
Komparators 12 und 13 ist mit dem Spannungssignal "I arc"
verbunden, welches den tatsächlichen Lichtbogenstrom wiedergibt.
Die Komparatoren 12 und 13 sind ferner derart ausgelegt, daß,
wenn der Lichtbogenstrom unter den unteren Kegelwert des
Hintergrundfensters abfällt, der Ausgang des bistabilen Flip-
Flops 14 auf einen hohen Pegelwert umgeschältet wird, woraus
resultiert, daß eine Hintergrundtreiberschaltung 15 die
Hintergrundstrom-Schalterschaltung 16 einschaltet, welche bei
der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform von einer
parallel geschalteten Gruppe von MOSFET-Transistoren (Fig. 4)
gebildet wird. Wenn der tatsächliche Lichtbogenstrom den
oberen Wert des Hintergrundfensters überschreitet, wird der
Ausgang von dem bistabilen Flip-Flop 14 auf niedrig
umgeschaltet, woraus resultiert, daß die
Hintergrundtreiberschaltung 15 die Hintergrundstromschalterschaltung 16
ausschaltet. Die Anstiegs- und Abnahmezeiten des
Hintergrundstroms sind durch die Impedanz der Serienschaltung der
Indukturen 17 und 18 und durch den Schweißlichtbogen begrenzt.
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Die erforderliche Energie wird von einer
Dreiphasen-Transformator-Gleichrichterschaltung
19 genommen, welche irgendeine
geeignete Form haben kann und eine kapazitive Filterung
umfaßt, und welche sowohl den Lichtbogenstrom einschließlich der
Hintergrundversorgung als auch die Strompulse liefert.
Obgleich wie voran stehend beschrieben bei der vorliegenden
Schaltung das gesteuerte Schalten der Stromimpulse an die
Sekundärseite der Transformator/Gleichrichterschaltung 19 angelegt ist,
kann natürlich selbstverständlich gegebenenfalls die Schaltung
auch an der Primärseite der
Transformator/Gleichrichterschaltung mit gleichen zufriedenstellenden Ergebnissen zur Anwendung
kommen.
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Der "Pulshöhen"-Parameterausgang von dem Demultiplexer 6 wird
mit einem Eingang eines Komparators 20 verbunden, während ein
zweiter Komparator 21 einen Eingang hat, welcher mit dem
"Pulshöhen"-Parameter vom Mikroprozessor 4 verbunden ist, zu dem
eine feste Spannung hinzugefügt wurde, welche ein
Pulshöhenfenster darstellt. Der zweite Eingang jedes Komparators 20 und
21 wird mit der Spannung "I arc" verbunden, welche den
tatsächlichen Lichtbogenstrom darstellt, und die Komparatoren sind
derart ausgelegt, daß, wenn der tatsächliche Lichtbogenstrom
unter den niedrigeren Pegelwert des Pulsfensters abfällt, der
Komparator 20 ein Signal für die SCR-Triggerschaltung 9
liefert, welches wiederum einen SCR-Aufwärts-Abwärts-Treiber 9A
triggert, welcher seinerseits die Haupt-SCR-Schalterschaltung
22 in den leitenden Zustand leitet, vorausgesetzt, daß die SCR-
Triggerung 9 nicht unterdrückt wird und daß das "weld on"-
Signal tief ist. In diesem Zusammenhang werden die
SCR-Triggerschaltung 9, die Hintergrundtreiberschaltung 15 und eine
Abschalt-Treiberschaltung 23 jeweils gesperrt, wenn das "weld
on"-Signal sich im Aus-Zustand befindet.
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Ein Pulsstrom fließt nunmehr von der Energiequelle 19 durch
den Lichtbogen,durch den Induktor 18 und durch die
SCR-Schalterschaltung 22. Wenn der tatsächliche Lichtbogenstrom über
den oberen Pegelwert des Pulsfensters ansteigt, liefert der
Komparator 21 der Abschalt-Treiberschaltung 23 ein Signal,
welche ihrerseits die Ausschalt-MOSFET-Transistorschaltung 24
in den leitenden Zustand für eine vorbestimmte Zeitperiode
schaltet. Diese Periode ist derart gewählt, daß die
SCR-Schalterschaltung 22 in umgekehrter Richtung unter
für eine Zeitperiode gehalten wird, die größer als die
Ausschaltzeit ist und in typischer Weise in der Größenordnung
von 50 us liegt. Auf diese Weise wird die
SCR-Schalterschaltung 22 in den Aus-Zustand,oder nichtleitenden Zustand
geschaltet. Eine Hilfsstromquelle 25 liefert eine Spannung, um
die SCR-Schalterschaltung 22 in Gegenrichtung mit einer
Vorspannung zu belegen.
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Auch ist mit der SCR-Triggerschaltung 9 der Ausgang von der
Zeiteinrichtung bzw. dem Zeitgeber 7 verbunden, welcher die
Zeitperiode des jeweiligen Strompulses vorgibt. Somit wird
ein Startsignal von dem Zeitgeber 7 zu der Triggerschaltung
9 verzögert, um einen Schweißstrompuls abzugeben. Ein weiterer
Ausgang von dem Zeitgeber 7 ist mit der
Ausschalt-Treiberschaltung 23 verbunden, um den Schweißstrompuls zu beenden,
nachdem eine vorbestimmte Pulsperiode verstrichen ist.
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Das Schweißlichtbogen-Spannungssignal "V arc", welches an
dem Multiplexer 1 anliegt, ist proportional zu dem
momentanen Spannungswert an dem Schweißbogen. Das Spannungssignal
"V mux" ist proportional zu der niedrigsten
Schweißlichtbogenspannung, welche mit Hilfe der Abtast- und Halteschaltung
26 erfaßt wurde, welche derart ausgelegt ist, daß die
Lichtbogenspannung während einer Fensterzeitperiode unmittelbar
dem jeweiligen Schweißstrompuls vorausgeht (Fig. 3) abtastet
und die niedrigste Spannung während der Abtastperiode hält
und diese- Spannung als einen stabilen Spannungswert an den
Multiplexer 1 abgibt, um die
Lichtbogenpuls-Wiederholungsrate zu steuern, und die erfaßte Spannung auf dem
vorbestimmten
eingestellten Wert konstant zu halten, wie dies
nachstehend noch näher beschrieben wird.
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Nunmehr unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 der Zeichnung
wird die gegenwärtig bevorzugte Form der
Spannungsminimum-Detektorschaltung 26 detailliert gezeigt. Der Mikroprozessor 4
leitet einen Abtastvorgang während dem letzten Teil der
Pulszeitperiode, welche vorstehend angegeben ist, ein, indem die
"Aktivierungs"-Leitung über die Eingangs/Ausgang-Schaltung 3
niedrig gepulst wird, welche das bistabile Flip-Flop
zurücksetzt, welches die Verknüpfungsglieder 26A und 26B umfaßt,
wodurch der Sperreingang zu dem ODER-Verknüpfungsglied 26C
niedriger gemacht wird. Wenn das erste Zeitgebersignal "out0"
das ODER-Verknüpfungsglied 26C niedrig pulst, wird das "Vor"-
Signal kurz vermindert, der Transistor 26E eingeschaltet und
somit wird der Speicherkondensator 26H auf die positive
Versorgungsspannung aufgeladen. Das "out0"-Signal triggert auch
den zweiten Zeitgeber in der Tastfensterzeit, welche in der
Größenordnung von 1000 us (Fig. 3) liegt. Da das Tastfenster
im letztgenannten Teil der "Hintergrund"-Stromperiode liegt,
werden Kurzschlüsse vermieden, da diese unmittelbar nach dem
Ende der Pulsperiode auftreten. Dies ergibt sich aus dem
Lichtbogenspannungsverlauf Fig. 3.
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Der momentane Lichtbogenspannungseingang "V arc" wird mit
der Spannung an dem Kondensator 26H mit Hilfe des
Operationsverstärkers 26F verglichen. Wenn "V arc" niedriger ist, wird
der Kondensator 26H über die Diode 260 entladen. Wenn "V arc"
höher ist, isoliert die Diode 260 den Kondensator. Auf diese
Weise speichert der Kondensator den Minimalwert "Varc" seit
dem Beginn des Fensters.
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Am Ende der Fensterperiode wird das zweite Zeitgebersignal
"out1" niedrig gepulst, der Beginn des Schweißstrompulses
wird getriggert, die Flip-Flop-Verknüpfungsglieder 26A und 26B
werden gesetzt. Der "Halte"-Ausgang von dem Verknüpfungsglied
26A wird niedrig, der Transistor 26D wird durchgeschaltet,
wodurch der positive Eingang zu dem Operationsverstärker 26F
gezwungenermaßen hoch wird und somit wird auch gezwungenermaßen
der Ausgang des Operationsverstärkers "Vcom" hoch, welcher
durch die Diode 26G an einem Entladen des Kondensators 26H
gehindert wird. Die Spannung wird somit an dem Kondensator
aufrechterhalten und durch den JFET-Operationsverstärker 261 für
den Ausgang als Lichtbogenspannungsminimalsignal "Vmin"
gepuffert. Der "Ready"-Ausgang wird dann angehoben, um den
Mikroprozessor 4 anzugeben, daß das Signal "Vmin" an dem
Multiplexer 1 das Nutzbare ist. Der Mikroprozessor liest den Wert
von "Vmin" mit Hilfe des Multiplexers 1, und der
Analog/Digitalwandler 2 arbeitet dann in der Form, daß die Leitung
"aktiviert wird", um den nächsten Zyklus zu beginnen.
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Die Steuerschaltung, welche in Fig. 1 der Schaltung
schematisch gezeigt ist, wird in Fig. 4 der Zeichnung näher
erläutert, in welcher die zuvor nur in Blockform angegebene
Schaltung detailliert gezeigt ist. Da der Großteil der in Fig. 4
gezeigten Schaltung als Standardausführung : betrachtet werden
kann, kann eine Beschreibung dieser Schaltung über die
allgemeine Beschreibung hinausgehend für den jeweiligen Teil der
Schaltung entfallen. Die Arbeitsweise der Schaltung ergibt
sich aus der Beschreibung, wenn man diese im Zusammenhang mit
den nachstehend noch angegebenen zusätzlichen Ausführungen
betrachtet. Insbesondere wird die Drehvorschub-Steuerschaltung
10 nicht näher beschrieben, da sie für die Erfindung nicht
wesentlich ist. Nähere Einzelheiten der Schaltung betreffend
die Hauptschweißstromquelle 19 und die Hilfsstromquelle 25,
können den Anmeldeunterlagen von PCT/AU80/0008
(Veröffentlichungsnummer W081/01323) entnommen werden, deren Inhalt durch
die Bezugnahme vollinhaltlich zum Offenbarungsgehalt der
vorliegenden Anmeldung zu rechnen ist.
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Die Energieversorgungen 19 und 25 sind mit der
Lichtbogenelektrode
E verbunden, welche von einer üblichen Lichtbogenpistole
(nicht gezeigt) getragen wird, welcher ein
Lichtbogenelektrodendraht E mit Hilfe des Drahtvorschubmotors 11 zu der Steuerung
eines Pistolenschalters (nicht gezeigt) zugeführt wird, um einen
Schweißlichtbogen zwischen der Elektrode E und einem Werkstück
W zu erzeugen. Wie oben beschrieben ist, wird der Lichtbogen
durch eine Pulsschalt-Schaltung gesteuert, welche den
Hauptstromschalter SCR 22, welcher durch die Triggerschaltungen 9, 9A
gesteuert wird, und die Haupttreiber-Schaltschaltung 24 enthält.
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Der Schweißstrom wird als Spannungsabfall an einem
Nebenschlußwiderstand 27 erfaßt, welcher dann mit Hilfe eines
Nebenschlußwiderstandsverstärkers oder eine "Verstärker"-Schaltung
verarbeitet wird, welche detailliert in Fig. 4 der Zeichnung
gezeigt ist. Die "Verstärker"-Schaltung verstärkt den
Spannungsabfall und den Nebenschlußwiderstand 27 um einen Faktor 160,
dividiert das Signal durch 10, puffert das Signal mit Hilfe der
Verstärker U22a und U22b und multipliziert dann das Signal mit
10. Diese Verarbeitungsweise isoliert elektrisch das Stromsignal,
es hat niedrige Rauschcharakteristika und es bleibt selbst bei
niedrigen Hintergrundstromwerten genau, welche die Schaltung
überwachen muß.
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Viele der Arbeitsabläufe der zuvor beschriebenen Schaltung
werden mit Hilfe einer Software gesteuert, welche in EPROM 4
(Fig. 4) gespeichert ist. Zum weiteren Verständnis der
bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung wird nunmehr ein
typischer Arbeitsablauf nachstehend unter Bezugnahme auf das
schematische Diagramm nach Fig. 5 beschrieben.
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Die Maschine befindet sich zu Beginn in einem
"Leerlauf"-Zustand. Wenn der Pistolenschalter niedergedrückt wird, wird
dies durch den Mikroprozessor 4 erfaßt, welcher dann beginnt,
eine Lichtbogenanfangsabfolge einzuleiten. Der
Schutzgasstrom wird durch den Mikroprozessor über den i/o-Anschluß 3
aktiviert,
und dann beginnen der Drahtvorschub und die
Schweißstrompulse. Die Pulsfrequenz ist zu Beginn hoch, um die
Bogenerzeugung zu unterstützen.
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Die im EPROM 4 enthaltene Software prüft den Lichtbogenstrom
und die Lichtbogenspannung, welche beim Vorhandensein beider
genommen werden, um einen wirksamen Lichtbogenzustand
anzugeben, und ein Softwareparameter "arc active" wird auf logisch
"Ein" gesetzt. Im Anschluß an die Lichtbogeneinleitung
initiiert "arc active" in der Software den Beginn einer "Anstiegs"-
Prozedur, durch welche die Parameter der Drahtvorschubrate,
des Hintergrundstroms, der nominalen Lichtbogenspannungen und
der nominalen Pulsfrequenz, ausgehend von ihren jeweils
programmierten minimalen Werten bis zu den jeweiligen
Betriebswerten vergrößert werden, welche durch die Einstellung der
"Strom"-Potentiometerschaltung C in Verbindung mit dem
gewünschten Schweißablauf bestimmt sind. Wenn der
Pistolenschalter losgelassen wird, wird in ähnlicher Weise ein
"Abnehmen" der Parameter vorgenommen. Der Drahtvorschub wird
gestoppt, um ein Abbrennen des Drahtes zu ermöglichen, dann
werden die Schweißstrompulse desaktiviert, und nach einer
kurzen Verzögerung wird der Schutzgasstrom abgeschaltet.
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Bis zu 100 Schweißaufgaben werden in einer Bibliothek in der
EPROM-Software bereitgehalten. Jedes Programm ist eine
spezielle Kombination von vorstehend erwähnten Parametern der
Pulsbreite, der Pulshöhe, der minimalen Drahtvorschubrate,
der maximalen Drahtvorschubrate, des minimalen
Hintergrundstroms, des maximalen Hintergrundstroms, der minimalen
(nominalen) Lichtbogenspannung, der maximalen (nominalen)
Lichtbogenspannung, der minimalen (nominalen) Pulsfrequenz, und
der maximalen (nominalen) Pulsfrequenz. Jedes Programm wurde
zuvor erstellt, um eine entsprechende Anpassung an die
Kombination von Elektrodendrahtgröße, Art und Schutzgas
bereitzustellen.
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Der gewünschte Schweißablauf wird mit Hilfe der Tasten ACCEPT
und CHANGE gewählt, wodurch die Bedienungsperson eine
Schweißabfolge aus einer Untergruppe von 12 wählt, welche zuvor aus
der Bibliothek am Anfang ausgewählt wurde. Eine durch die
Software betriebene alphanumerische Anzeige ist vorgesehen, welche
ermöglicht, daß der Bediener durch ein Menü von
Schweißabläufen geführt wird, und daß weitere Optionen berücksichtigt
werden können.
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Die Lichtbogenspannung "Vmin", abgetastet mit Hilfe der
Abtast- und Halteschaltung 26 gemäß der voranstehenden
Beschreibung, ist ein Gleichstromwert gleich der niedrigsten
Lichtbogenspannung, welche in dem Abtastfenster auftritt, welches
dem jeweiligen Strompuls vorangeht. Diese Spannung, welche
in einer mathematischen- Kombination mit der gemittelten
Lichtbogenspannung "Varc" genutzt werden kann, wird in der Software
mit einer gewünschten Lichtbogenspannung (bestimmt durch die
Bedienungsperson mittels der "Strom"-Steuerung in Verbindung
mit der ausgewählten Schweißabfolge) und einem
Lichtbogenspannungskorrekturfaktur bestimmt durch die Vorgabe der
Bedienungsperson gemäß der Steuerung "Bogenlänge" verglichen.
Das Ergebnis dieses Vergleiches ist ein
Frequenzkorrekturfaktor, welcher bei dem Beispiel der tatsächlichen
Lichtbogenspannung größer als die gewünschte Lichtbogenspannung ist
und einen derartigen Einfluß hat, daß die Pulsfrequenz kleiner
wird und somit die Elektrodendraht-Abschmelzrate verkleinert
wird, wodurch die Tendenz gegeben ist, daß die tatsächliche
Lichtbogenspannung kleiner wird. Natürlich können auch die
umgekehrten Vorgänge ausgeführt werden (siehe beispielsweise
das Diagramm in Fig. 5A).
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Die abschließende Pulsfrequenz wird als Ergebnis der
Summierung der Nennpulsfrequenz (bestimmt durch die Einstellung der
Bedienungsperson mit Hilfe der "Strom"-Steuerung in
Verbindung mit dem ausgewählten Schweißprogramm) und dem
Frequenzkorrekturfaktor
gemäß der voranstehenden Beschreibung bestimmt,
sowie in Verbindung mit einem zweiten
als eine direkte Funktion der Einstellung der
Bedienungsperson gemäß der "Lichtbogenlängen"-Steuerung. Bei dem Beispiel
dieser Steuerung und der Vorgabewerte zur Verminderung der
Lichtbogenlänge wird dann der Effekt erzielt, daß die
Pulsfrequenz und umgekehrt vermindert wird. Die Software begrenzt die
Änderungsrate der Pulsfrequenz und gibt auch eine maximal
zulässige Abweichung von der Nennpulsfrequenz vor. Diese
Grenzwerte bestimmen die Antwort des Systems auf Änderungen beim
Arbeiten der Lichtbogenlänge, welche in typischer Weise mit
der Änderung der Pistolenposition relativ zum Werkstück
auftreten.
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Um den jeweiligen Schweißstrompuls mit der abschließenden
Pulsfrequenz einzuleiten, wird der Anschlußstift 10 von U6 auf einen
niedrigen Wert gebracht, wodurch die SCR-Triggerschaltung 9
getriggert wird, deren Ausgang am Anschlußstift 3 für eine kurze,
vorbestimmte Periode einen hohen Wert annimmt. Dieser Ausgang
seinerseits triggert den Ausgang der
Aufwärts-Abwärts-SCR-Triggerschaltung 9A auf einen hohen Pegelwert und schaltet die
Haupt-SCR-22 in einen leitenden Zustand. Zugleich wird das
Signal im Anschlußstift 6 des Flip-Flops 8 hoch, und die
Triggerschaltung 9 wird in den nicht gesperrten Zustand gebracht.
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Die Breite des Schweißstrompulses wird durch das ausgewählte
Schweißprogramm vorgegeben und bleibt bei allen
Betriebsbedingungen dieses Programms fest. Zur Beendigung eines
Schweißstrompulses mit der gewünschten Pulsbreite wird der
Signalwert an dem Anschlußstift des Zeitgebers 7 niedrig, wodurch
das Haupt-Abschalttreiber 23 (U21) getriggert wird, und der
Ausgang desselben an dem Anschlußstift 3 für eine kurze
vorbestimmte Periode einen hohen Wert einnimmt. Dieser Ausgang
wiederum bewirkt über einen optischen Isolator U26, daß H8
des Treibers 23 mit einer Vorspannung belegt wird und die
Vorspannung
an H9 aufgehoben wird. Diese beiden Komponenten bilden
einen Aufwärts/Abwärts-Treiber für die Transistorschaltung 24,
wodurch bewirkt wird, daß die Haupt-SCR 22 in einen
nichtleitenden Zustand umgeschaltet wird.
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Die Höhe des Schweißstrompulses wird durch das ausgewählte
Schweißprogramm eingestellt und bleibt bei allen
Betriebsbedingungen dieses Programms fest. Ein Gleichstromspannungswert
unter Zuordnung zu dem minimalen Pulshöhenfenster wird über den
Anschlußstift 12 der U10 ausgegeben, diese Spannung wird an den
Anschlußstift 5 des Komparators 20 angelegt, dessen anderer
Eingangsanschluß 4 mit einer den tatsächlichen Lichtbogenstrom
wiedergebenden Spannung verbunden ist. Der Komparator ist
derart ausgelegt, daß, wenn der tatsächliche Lichtbogenstrom
unter das minimale Pulshöhenfenster abfällt, daß dann der Wert
an dem Ausgangsanschlußstift einen niedrigen Wert annimmt, und
ein SCR-Triggerimpuls gemäß der voran stehenden Beschreibung
ausgegeben wird, vorausgesetzt, daß der Trigger 9 nicht im
gesperrten Zustand ist.
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Zu der minimalen Pulshöhe am Anschlußstift 5, des Komparators 20
wird eine konstante Gleichspannung hinzugefügt, wenn diese über
R24 abfällt, und zwar mit Hilfe eines konstanten Stroms, welcher
von H1 und den zugeordneten Komponenten R20, R22, R23, D11
zugeführt wird. Somit wird ein Gleichstromwert entsprechend dem
Maximum des Pulshöhenfensters an den Anschlußstift 7 des
Komparators 21 angelegt, dessen anderer Eingangsanschluß 6 mit der
vorstehend genannten Spannung verbunden ist, welche den
tatsächlichen Lichtbogenstrom darstellt. Der Komparator 21 ist derart
ausgelegt, daß, wenn der tatsächliche Lichtbogenstrom das
maximale Pulshöhenfenster überschreitet, der Ausgangsanschluß 1
auf einen niedrigen Wert geht, so daß U21 des Abschalttreibers
23 getriggert wird und bewirkt wird, daß SCR 22 in den
nichtleitenden Zustand geschaltet wird, wie dies vorstehend
beschrieben wurde.
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Der Hintergrundstrom wird durch die Einstellung durch die
Bedienungsperson gemäß "Strom"-Steuerung in Verbindung mit
dem ausgewählten Schweißprogramm bestimmt. Ein
Gleichspannungswert wird an dem Anschluß 14 des Demultiplexers 6
ausgegeben, welcher dem minimalen Hintergrundstromfenster
entspricht, und er ist mit dem Anschluß 5 von U10b verbunden,
welcher den Komparatoren 12 und 13 zugeordnet ist. Während
des-jeweiligen Schweißstrompulses, erfaßt mit Hilfe des
Komparators U22D in Verbindung mit den Komparatoren 12 und 13, wird
ein Kondensator C22 auf die Spannung gleich dem vorstehend
angegebenen Spannungsabfall an D18 und D19 aufgeladen. Nach
jedem Schweißstrompuls wird C22 über U19b entladen, welcher
als eine Senke wirkt, die durch eine Pufferung auf einen Wert
vornimmt, welcher äquivalent zu dem minimalen
Hintergrundstromfenster ist, wobei die Entladerate eine Funktion von C22/R21
ist. Auf diese Weise wird der Hintergrundstrom nach jedem
Schweißstrompuls erhöht, wodurch verhindert wird, daß der
Lichtbogen an der Stelle erlischt, an welcher der
Hintergrundstrom den Pulsstrom übernehmen muß. Die Spannung an C22 ist mit
einem Eingangskomparator 12 verbunden. Zu diesem Wert wird
eine konstante Gleichspannung hinzugefügt, wenn ein Abfall an
R42 auftritt, und zwar mit Hilfe einer
Konstantstromversorgung, welche über H3 und den zugeordneten Komponenten R73,
R41, D20, D21 erfolgt. Somit wird ein Gleichspannungswert
entsprechend dem maximalen Hintergrundstromfenster mit den
Anschluß 11 des Komparators 13 verbunden. Beide Komparatoren
12 und 13 haben Eingänge, welche mit der Spannung verbunden
sind, welche den tatsächlichen Lichtbogenstrom darstellt.
Die Komparatoren 12, 13 sind derart ausgelegt, daß, wenn der
tatsächliche Lichtbogenstrom unter den minimalen
Hintergrundfensterwert abfällt, das Flip-Flop 14 eingeschaltet wird und
der Ausgang des Anschlusses 3 desselben einen hohen Wert
annimmt. Dieses Signal wird über den optischen Isolator U25
und die Transistoren H6 und H7 der Treiberschaltung 15 derart
gelenkt, daß H6 mit einer Vorspannung versehen wird und die
Vorspannung H7 aufgehoben wird, wodurch bewirkt wird, daß die
Transistorschaltung 16 leitend wird. Wenn in ähnlicher Weise
der tatsächliche Lichtbogenstrom über den Wert des maximalen
Hintergrundfensters ansteigt, wird die Schaltung 16
nichtleitend.
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Die Drahtvorschubrate wird durch die Einstellung durch die
Bedienungsperson gemäß der "Strom"-Steuerung in Verbindung mit
dem ausgewählten Schweißprogramm bestimmt. Ein
Gleichstromspannungswert, welcher die ,Drahtvorschubrate darstellt, wird
an dem Anschluß 15 des Demultiplexers 6 ausgegeben und durch
U18d gepuffert, dessen Ausgang mit einer gesonderten
Steuereinrichtung für den Drahtvorschubmotor verbunden ist, welcher
eine Drahtvorschubgeschwindigkeit proportional zu der
Eingangsspannung aufrechterhält.
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Zum Einleiten des Schweißens schließt die Bedienungsperson
den Pistolenschalter G, welcher üblicherweise in das Handteil
des Schweißgeräts integriert ist. Dies wird vom
Mikroprozessor gelesen, welcher dann folgendes bewirkt:
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(1) Das Gasventil wird betrieben, um Schutzgas der
Schweißzone zuzuleiten,
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(2) Aktivierung der drei Treiber 9, 15 und 23, um zu
ermöglichen, daß Triggerimpulse an SCR 22 abgegeben werden und
daß die Transistoren und der Hintergrundstromschalter
entsprechend den Erfordernissen gepulst werden,
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(3) Aktivierung des Drahtvorschubmotorantriebs, um zu
bewirken, daß der Elektrodendraht zu der Lichtbogenzone
vorgeschoben wird.
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Der gesamte Inhalt der Voranmeldungen der entsprechenden
australischen Patentanmeldungen, von denen die vorliegende die
vervollständigte Beschreibung ist, wird hierdurch zum
Gegenstand dieser Beschreibung gemacht und bildet einen Teil der
Offenbarung dieser Beschreibung. Die Ansprüche bilden einen
Teil der Offenbarung der Anmeldung.