DE3807103A1 - Verfahren zum zuenden beim mig-mag-schweissen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Zünden beim MIG-MAG-Schweißen mittels einer kontinuierlich nachgeführten Drahtelektrode sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Beim MIG-MAG-Schweißen mit einer kontinuierlich nachgeführten Drahtelektrode ergibt sich, insbesondere dann, wenn das Schweißverfahren mittels eines Roboters durchgeführt wird, die Notwendigkeit, spezielle Vorkehrungen für die Zündung zu schaffen, um sicherzustellen, daß bei Ansetzen der Drahtelektrode an ein Werkstück sofort in zuverlässiger Weise eine Zündung erfolgt und ein Lichtbogen ausgebildet wird, welcher die störungsfreie Ausbildung einer Naht ermöglicht.

Die Schwierigkeiten bei der Zündung zu Beginn des Schweißvorganges treten insbesondere beim Aluminium-MIG-Schweißen auf, wegen der Bildung schlecht leitender Oxide an der Oberfläche von Drahtelektrode und Werkstück.

Aus der EP-A2-0 147 637 ist ein Verfahren zum stoßfreien Zünden beim MIG-MAG-Schweißen bekannt, gemäß welchem ein berührungsloses Zünden mittels einer Hochfrequenz-Hochspannungszündung erfolgt. Ein derartiges Verfahren beinhaltet jedoch eine Reihe von Nachteilen, welche sich insbesondere dadurch ergeben, daß sich durch die Hochfrequenz-Hochspannungszündung Störungen und Fehlfunktionen von elektronischen Steuerungen ergeben, die in der Nähe des Schweißplatzes angeordnet sind. Insbesondere bei der Verwendung von Schweißrobotern erweist es sich als notwendig, die elektronischen Steuerungen dieser Geräte abzuschirmen oder auszufiltern, um eine Beschädigung oder Beeinflussung zu vermeiden. Dies erweist sich als sehr kostenaufwendig und ist im Industrieeinsatz häufig nicht vollständig realisierbar. Weiterhin besteht bei einem derartigen Verfahren die Gefahr, daß durch Verschmutzung der Schweißpistole, der Schlauchpakete und/oder der Verbindungskabel Nebenschlüsse auftreten, welche einen Teil der Zündenergie vom freien Ende der Drahtelektrode ablenken, so daß dort nicht gewährleistet ist, daß die volle Zündenergie zur Verfügung steht. Durch diese Nebenschlüsse können sich Zündaussetzer ergeben, die, insbesondere bei einer automatisierten Fertigung, Nacharbeitung erforderlich machen und/oder zu Produktionsunterbrechungen führen können.

Aus dem Stand der Technik ist es weiterhin bekannt, den Zündvorgang dadurch durchzuführen, daß der Zündstrom bis in den kA-Bereich erhöht wird. Dies führt jedoch zu dem Nachteil, daß die Übergangswiderstände, vor allem in der Stromdüse auf sehr erhebliche Werte ansteigen, wodurch ein erheblicher Verschleiß, insbesondere der Stromdüse, auftritt. Dies erweist sich insbesondere bei Werkstücken, welche eine Vielzahl kurzer Schweißnähte aufweisen, als besonders nachteilig, da die Stromdüse nur kurze Standzeiten aufweist und das Auswechseln der verschlissenen Teile einen erheblichen Produktionsstillstand mit sich bringt.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, mit der Drahtelektrode während der Zündphase Pendelbewegungen durchzuführen, um auf diese Weise einen Lichtbogen zu zünden. Dies erweist sich jedoch insbesondere bei der Verwendung von Schweißrobotern als nicht zufriedenstellend realisierbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zünden beim MIG-MAG-Schweißen zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und betriebssicherer Handhabbarkeit die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme vermeiden und eine sichere Zündung gewährleisten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens dadurch gelöst, daß bei Beginn des Schweißvorganges bei Berührung der Drahtelektrode mit einem Werkstück der Schweißstrom erhöht wird und die Vorschubgeschwindigkeit der Drahtelektrode herabgesetzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus. Erfindungsgemäß ist es möglich, eine praktisch hundertprozentige Zündsicherheit zu gewährleisten, da die relevanten Verfahrensgrößen, nämlich die Vorschubgeschwindigkeit der Drahtelektrode und der Schweißstrom bzw. die Schweißspannung miteinander in eine Beziehung gebracht werden. Da beim Kontakt der Drahtelektrode, welche üblicherweise aus Aluminium oder Aluminium-Legierung besteht, an einem Werkstück die Schweißspannung auf einen sehr niedrigen Wert abfällt, beispielsweise unterhalb eines Grenzwerts von ca. 12 V, wird erfindungsgemäß diese Beeinträchtigung der Betriebsparameter dadurch ausgeglichen, daß der Schweißstrom entsprechend erhöht wird. Um jedoch zu verhindern, daß die Drahtelektrode weiterhin, bedingt durch eine zu hohe Vorschubgeschwindigkeit, gegen das Werkstück geschoben wird, wird erfindungsgemäß die Vorschubgeschwindigkeit der Drahtelektrode herabgesetzt. Durch diese Maßnahmen ist es möglich, eine sichere Zündung eines Lichtbogens zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird zur Durchführung des Verfahrens eine Vorrichtung mit einer Schweißstromquelle verwendet, bei welcher die Schweißstromquelle in Form einer elektronischen Stromquelle ausgebildet ist, die eine Taktfrequenz für die Grundschwingungstaktung im oberen Hörbereich oder Ultraschallbereich aufweist. Dabei ist die Schweißstromquelle bevorzugterweise so ausgebildet, daß sie zur Abgabe eines kurzzeitigen Stroms, der um den Faktor 1,2 bis 1,5 größer als der Schweißstrom ist, geeignet ist.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Schweißstrom über einen Zeitbereich von einigen Sekunden in der beschriebenen Weise erhöht, um eine sichere Ausbildung des Lichtbogens zu ermöglichen. Beispielsweise wird dabei der Schweißstrom bei einer Stromquelle mit einem Nennschweißstrom von 600 A auf einen Wert von beispielsweise 800 A erhöht. Dieser Wert kann gleichzeitig den Wert der Strombegrenzung darstellen, welcher aus Sicherheitsgründen vorgegeben ist und dem Schutz der in der Stromquelle verwendeten Leistungshalbleiter dient.

Erfindungsgemäß erfolgt entweder gleichzeitig oder zeitversetzt die Herabsetzung der Vorschubgeschwindigkeit der Drahtelektrode. Die zeitliche Abstimmung kann im Rahmen der Erfindung anhand der jeweiligen Gegebenheiten erfolgen, wobei es für den Fachmann dabei insbesondere möglich ist, die spezielle Werkstoffzusammensetzung und Werkstückgeometrie der zu verschweißenden Werkstücke zu berücksichtigen. Erfindungsgemäß wird eine elektronische Regelung für den Vorschub der Drahtelektrode verwendet, welche ein sehr schnelles Ansprechverhalten aufweist und eine exakte Regelung der Vorschubgeschwindigkeit ermöglicht.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gegeben, daß nach erfolgter Zündung die Vorschubgeschwindigkeit der Drahtelektrode langsam erhöht wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß der Abbrand der Drahtelektrode der Vorschubgeschwindigkeit angepaßt wird, wodurch zum einen ein Abreißen des Lichtbogens und zum anderen eine Berührung des Werkstücks durch die Drahtelektrode verhindert werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gegeben, daß nach erfolgter Zündung der Schweißstrom auf den normalen Wert gesenkt wird. Dies kann, nachdem der Lichtbogen gezündet wurde, innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls erfolgen, es ist jedoch auch möglich, den Schweißstrom allmählich innerhalb eines längeren Zeitintervalls zu vermindern.

Wie bereits erwähnt, ist es besonders vorteilhaft, die Erhöhung des Schweißstroms über ein vorgegebenes Zeitintervall beizubehalten. Dieses Zeitintervall kann in der Größenordnung einiger Sekunden bemessen sein, wobei für die Bemessung des Zeitintervalls insbesondere die konstruktiven Bedingungen der Schweißvorrichtung, beispielsweise des Schweißroboters, berücksichtigt werden können. So kann beispielsweise sichergestellt werden, daß kurzzeitige Relativbewegungen zwischen der Drahtelektrode und dem Werkstück nicht zu einem erneuten Abreißen des Lichtbogens führen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gegeben, daß die Herabsetzung der Vorschubgeschwindigkeit der Drahtelektrode nur während des obengenannten Zeitintervalls erfolgt. Somit wird die Vorschubgeschwindigkeit der Drahtelektrode dann wieder auf ihren normalen Wert angehoben, wenn die Schweißspannung ihren normalen Betriebswert erreicht hat und wenn der Schweißstrom auf den normalen Betriebswert abgesenkt wurde. Dabei kann es sich auch als besonders vorteilhaft erweisen, wenn die Schweißspannung mit Ablauf des obengenannten Zeitintervalls auf den normalen Wert angehoben wird. Bei dieser Durchführung des Verfahrens ist sichergestellt, daß nach Ablauf des Zeitintervalls die normalen Betriebsbedingungen vorliegen und in üblicher Weise eine Schweißnaht ausgebildet werden kann.

Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Schweißvorrichtung sowie des zugehörigen Schaltplanes;

Fig. 2 eine Kennliniendarstellung einer erfindungsgemäßen Schweißstromquelle und

Fig. 3 Zeitdiagramme der Vorschubgeschwindigkeit, des Schweißstroms und der Schweißspannung bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 ist in schematischer Weise eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der zugehörige Schaltplan dargestellt. Eine dargestellte Schweißstromquelle ist in Form einer sekundär getakteten Schweißstromquelle ausgebildet, welche einen Netztransformator 1 umfaßt. Die Zwischenkreisspannung wird über einen Gleichrichter 2 und einen Stützkondensator 5 weitgehend konstant gehalten. Sowohl der Transformator 1 als auch der Gleichrichter 2 sind üblicherweise 3phasig ausgebildet, zur Vereinfachung der Darstellung ist in Fig. 1 jedoch nur eine Phase abgebildet. Weiterhin ist ein Leistungsschalter 3 (Transistor) vorgesehen, welcher die Schweißspannung taktet, so daß sich an einer Schweißpistole 11 ein Mittelwert aus der Einschaltdauer und der Ausschaltdauer einstellt. Eine Freilaufdiode 4 und eine Drossel 6 bewirken, daß an einem Lichtbogen 15 ein konstanter Strom fließt. Die Regelung und die Überwachung der Schutzfunktionen während des Schweißens erfolgt über eine Steuerung 8, welcher über externe Anschlüsse 9 die jeweiligen Sollwerte zugeführt werden. Mittels eines Strommeßwiderstands 7 und eines nachfolgenden Verstärkers 10 wird der jeweilige Strom-Istwert aufbereitet und an die Steuerung 8 weitergeleitet.

Eine Drahtelektrode wird in Form eines Schweißdrahtes von einer Rolle 12 abgezogen, wobei diese Abziehbewegung mittels eines Drahtantriebsmotors 13 oder, wie in Fig. 1 dargestellt, mittels zweier Drahtantriebsmotoren 13, 13 a erfolgt, welche einen Push-Pull-Antrieb in Form zweier parallel laufender Antriebe bilden. Der oder die Drahtantriebsmotor(en) 13, 13 a werden mittels einer elektronischen Motorreglung 14 angesteuert. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Schaltung vorgesehen, welche Baugruppen 16 bis 20 umfaßt. Die Baugruppe 16 umfaßt die Eingangslogik, welcher der vom Strommeßverstärker 10 aufgearbeitete Strom-Sollwert zugeführt wird. Weiterhin wird der Eingangslogik von der Steuerung 8 der Spannungs-Sollwert zugeleitet. Diese aufgearbeiteten Signale werden den einen Regler bildenden Baugruppen 16 bis 18 zugeführt, wobei es sich üblicherweise hierbei um einen analogen PI-Regler handelt. Die Baugruppe 18 ist in Form eines Begrenzers ausgebildet, um die Geschwindigkeitsänderung der Vorschubgeschwindigkeit der Drahtelektrode in einem praktikablem Bereich zu halten. Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Vergleichsstelle 19 vorgesehen, welcher über einen Anschluß 20 ein Sollwert der Geschwindigkeit der Drahtelektrode zugeführt wird. Die Vergleichsstelle 19 gibt einen Sollwert ab, welcher der elektronischen Motorregelung 14 zugeführt wird.

Zur vereinfachten Darstellung wurden die einzelnen elektronischen Baugruppen jeweils einzeln dargestellt und beschrieben, es ist im Rahmen der Erfindung jedoch möglich, die gesamte Steuerung bzw. Regelung mittels eines Mikroprozessors über ein geeignetes Rechenprogramm oder einen Regelalgorithmus durchzuführen.

In Fig. 2 ist eine Kennliniendarstellung der Schweißstromquelle zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Schweißstromquelle ist beispielsweise in Form einer 600 A Schweißstromquelle ausgebildet. In Fig. 2 ist mit 30 die Schweißstromkennlinie nach VDE 542 dargestellt. Weiterhin zeigt Fig. 2 den üblicherweise möglichen Schweißstrombereich 32. Erfindungsgemäß muß die Schweißstromquelle eine Konstantspannungscharakteristik während der gesamten oder zumindest während eines Teils der Schweißzeit aufweisen. Es kann jedoch auch eine leicht fallende Kennlinie vorgesehen sein. Wechselnde Kennlinie sind üblicherweise bei Impulsstromquellen zu finden, bei denen in der Impulsphase eine Spannungsregelung erfolgt. Für die Grundstromphase wird üblicherweise eine Konstantstromregelung eingesetzt. Die Umschaltfrequenz liegt bei der erfindungsgemäßen Schweißstromquelle üblicherweise in einem Bereich von 0 bis 400 Hz. Erfindungsgemäß muß nur sichergestellt sein, daß während der Zündphase im Kennlinienfeld der mit 33 bezeichnete Bereich erreicht wird, um auf diese Weise die Möglichkeit einer Beeinflussung der Vorschubgeschwindigkeit der Drahtelektrode zu schaffen.

Fig. 3 zeigt die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens typischerweise auftretenden Zeitverläufe der Vorschubgeschwindigkeit der Drahtelektrode, des Schweißstroms und der Schweißspannung.

In Fig. 3A ist der Verlauf der Vorschubgeschwindigkeit der Drahtelektrode dargestellt. In dem Arbeitspunkt A 0 beginnt der Schweißvorgang damit, daß die Drahtelektrode durch die in Fig. 1 gezeigten Motoren vorwärts bewegt wird. Die Fig. 3A, 3B und 3C sind zueinander passend angeordnet. Es ist somit zu erkennen, daß erfindungsgemäß in den Arbeitspunkten A 1, A 4 und A 7 die Drahtelektrode das Werkstück berührt, wobei zwischen der Drahtelektrode und dem Werkstück ein Strom fließt, welcher ein Ansprechen der in Fig. 1 dargestellten Regelung 16 bis 20 verursacht. Wie Fig. 3B darstellt, wird im Punkt A 4 der Schweißstrom in erfindungsgemäßer Weise über den üblichen Wert erhöht. Durch die Berührung der Drahtelektrode mit dem Werkstück fällt, wie in Fig. 3C dargestellt, die Schweißspannung auf einen sehr niedrigen Wert ab. Nachdem, wie in Fig. 3A dargestellt ist, die Vorschubgeschwindigkeit der Drahtelektrode zwischen den Werten A 1 und A 2 verringert wurde, während der in Fig. 3B gezeigten Zeitperiode zwischen den Arbeitspunkten A 4 und A 5 der Schweißstrom konstant auf dem erhöhten Wert gehalten wurde, ist die Drahtelektrode aufgeschmolzen, so daß sich zwangsweise ein Lichtbogen bildet. Der Lichtbogen erreicht an den Arbeitspunkten A 3, A 6 und A 9 seine normalen Parameter. Fig. 3A zeigt, daß die Vorschubgeschwindigkeit der Drahtelektrode zwischen den Arbeitspunkten A 2 und A 3 langsam auf den üblichen Wert angehoben wird. Wie aus Fig. 3B ersichtlich, wird der Schweißstrom nach dem Arbeitspunkt A 5 auf den Betriebswert gesenkt, wobei dieser im Arbeitspunkt A 6 gehalten wird. Die Schweißspannung steigt zwischen dem Arbeitspunkt A 8 und dem Arbeitspunkt A 9 an und wird, wie aus Fig. 3C ersichtlich ist, ebenfalls konstant gehalten.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren brennt, wie aus der Elektrotechnik bekannt, der Schweißdraht zu Beginn des Schweißverfahrens ähnlich einer Sicherung durch. Für den Fall, daß Zündaussetzer auftreten sollten, beispielsweise bei verschmutzten Werkstücken oder bei einer verschmutzten Schweißpistole, zündet der beschriebene erfindungsgemäße Regelkreis zwangsweise den Lichtbogen und bewirkt, daß dieser weiterhin brennt. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist somit im Vergleich zu den früher bekannten Verfahren ein Höchstmaß an Zündsicherheit gegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde unter Praxisbedingungen im Industrieeinsatz erprobt, wobei es sich herausgestellt hat, daß bei fehlerlos arbeitenden Komponenten keine Fehlzündungen auftraten. Das Zeitintervall, welches zur Zündung erforderlich ist (Zeitintervall zwischen den Arbeitspunkten A 1 und A 2 bzw. A 4 und A 5 in Fig. 3) weist bei Verwendung eines A 1-Drahtes von 1,2 mm Durchmesser ca. 100 ms auf. Bei Verwendung eines A 1-Drahtes mit einem Durchmesser von 1,6 mm sind ca. 300 ms erforderlich.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei sämtlichen Materialien verwendet werden, welche im MIG-MAG-Schweißverfahren verschweißbar sind.

Claims (12)

1. Verfahren zum Zünden beim MIG-MAG-Schweißen mittels einer kontinuierlich nachgeführten Drahtelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß bei Beginn des Schweißvorgangs bei Berührung der Drahtelektrode mit einem Werkstück der Schweißstrom erhöht wird und die Vorschubgeschwindigkeit der Drahtelekrode herabgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubgeschwindigkeit der Drahtelektrode zeitgleich mit der Erhöhung des Schweißstroms herabgesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubgeschwindigkeit der Drahtelektrode zeitversetzt zu der Erhöhung des Schweißstroms herabgesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgter Zündung des Lichtbogens die Vorschubgeschwindigkeit langsam erhöht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgter Zündung der Schweißstrom auf den normalen Wert gesenkt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung des Schweißstroms über ein vorgegebenes Zeitintervall beibehalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Herabsetzung der Vorschubgeschwindigkeit der Drahtelektrode nur während dieses Zeitintervalls erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißspannung beginnend mit Ablauf des Zeitintervalls auf den normalen Wert angehoben wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer Schweißstromquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißstromquelle in Form einer elektronischen Stromquelle ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißstromquelle getaktet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißstromquelle zur Abgabe eines kurzzeitigen Stroms, der um den Faktor 1,1 bis 5, vorzugsweise 1,2 bis 1,5 größer als der Schweißstrom ist, geeignet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter, Schweißstrom, Lichtbogenspannung und Drahtvorschubgeschwindigkeit in einem geschlossenen Regelkreis miteinander verknüpft sind.