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Title:
METHOD USED IN GAS-SHIELDED METAL-ARC WELDING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2002/085565
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to a method used in gas-shielded metal arc welding during the striking phase of welding. The aim of the invention is to provide a method which allows for an as low an energy input as possible in the short circuit phase. To this end, the method is characterized in that when the short circuit phase begins a control is activated and remains active for the duration of the short circuit. When a characteristic threshold value S1 is fallen short of, the control increases the energy input (phase A), and stops the energy input when a threshold value S2 is reached and then reduces the energy input (phase B).

Inventors:
GOECKE SVEN-FRITHJOF (DE)
HUEBNER MARC (DE)
Application Number:
PCT/EP2002/004416
Publication Date:
October 31, 2002
Filing Date:
April 22, 2002
Export Citation:
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Assignee:
UNIV BERLIN TECH (DE)
GOECKE SVEN-FRITHJOF (DE)
HUEBNER MARC (DE)
International Classes:
B23K9/095; B23K9/073; B23K9/10; (IPC1-7): B23K9/10
Foreign References:
DE4029117A11991-03-21
GB2242547A1991-10-02
EP0769343A21997-04-23
Other References:
CHEN ET AL.: "Intelligent methodology for sensing, modelling and control of pulsed gtaw part 2-butt joint welding" ****, Bd. 00, Nr. 00, Juni 2000 (2000-06), Seiten 00-00, XP000954654 ***
See also references of EP 1379354A2
Attorney, Agent or Firm:
BOEHMERT & BOEHMERT (P.O.B 10 71 27 Bremen, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zum MetallSchutzgasLichtbogenschweißen beim Wiederzünden im Schweißprozess, dadurch gekennzeichnet, dass bei Beginn eines Kurzschlusses eine Regelung akti viert. wird und für. die _Kurzschlussdauer. aktiv ist., die bei Unterschreiten eines charakteristischen Schwellwertes Sl den Energieeintrag erhöht (Phase A), und den Energieeintrag bei Erreichen eines Schwell wertes S2, beendet und im Anschluss den Energieein trag vermindert (Phase B).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert Sl eine Spannung und der Schwellwert S2 eine Spannung, ein Strom, ein Widerstand, eine Leistung oder ein beliebiger anderer geeigneter Schwellwert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Phasen A und B solange wiederholt werden, bis der Kurzschluss aufgetrennt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastfrequenz des Schwellwertes und damit die Dauer der Phase A und der Phase B veränderbar sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufreißen der Kurzschlussbrücke sowie das an schließende Zünden des Lichtbogens immer in der Phase B erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch. gekennzeichnet, dass der Energieanstieg in der Phase A und der Energieab fall in der Phase B beliebig sind.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieanstieg in der Phase A und der Energieab fall in der Phase B durch eine polynomische, exponen tielle, trigonometrische, zyklometrische oder hyper bolische Funktion beschrieben werden kann.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieanstieg in der Phase A und der Energieab fall in der Phase B durch eine Kombination oder Anei nanderreihung von Funktionen beschrieben wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf des Energieeintrags vor und nach dem Kurzschluss beliebig abläuft.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf des Energieeintrags vor und nach dem Kurzschluss durch eine polynomische, expo nentielle, trigonometrische, zyklometrische oder hy perbolische Funktion beschrieben wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf des Energieeintrags vor und nach dem Kurzschluss durch eine Kombination und/o der Aneinanderreihung von Funktionen beschrieben wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von einer zu einer anderen Funktion durch ein Zeitkriterium und/oder eine Bewertung von einem oder mehreren Schweißprozesssignalen ausgelöst wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesssignale mittels eines neuronalen Netzes bewertet werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von einer zu einer anderen Funktion durch einer logische Verknüpfung von Kriterien ausge löst wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als solches Schweißprozesssignal die Schweißspannung, der Schweißstrom oder jede beliebige durch einen Sen sor messbare Prozessgröße gewählt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass . die Prozessgröße eine Strahlung, Schall ; ein elektri sches Feld oder ein magnetisches Feld ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißenergiequelle vorzugsweise stromgeregelt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißenergiequelle spannungs, leistungsoder widerstandsgeregelt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißenergiequelle in verschiedenen Prozesspha sen mit unterschiedlichen Regelungen geregelt wird.
Description:
Verfahren zum Metall-Schutzgas-Lichtbogenschweißen Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Metall-Schutzgas- Lichtbogenschweißen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspru- ches 1.

Metall-Schutzgas-Lichtbogen-Schweißen (MSG-Schweißen) wird seit langer Zeit zum Auftragsschweißen, Verschweißen oder Verlöten von ein, zwei oder mehreren Fügepartnern aus me- tallischen Werkstoffen eingesetzt. Dabei wird in einer Schutzgasatmosphäre der Zusatzwerkstoff in Form eines Drahtes oder eines Bandes in einem von einer elektrischen Schweißstromquelle erzeugten Lichtbogen abgeschmolzen. Der Lichtbogen brennt hierbei zwischen dem Grundwerkstoff und dem abschmelzenden Zusatzwerkstoff (Elektrode). Je nach verwendetem Schutzgas spricht man von Metall-Aktivgas- Schweißen (MAG-Schweißen) oder Metall-Inertgas-Schweißen (MIG-Schweißen). Weitere Unterscheidungsmerkmale ergeben sich durch die Wahl unterschiedlicher Verfahrensparameter.

So unterscheidet man Kurz (schluss) lichtbogen-, Langlicht- bogen-, Sprühlichtbogen-, Rotationslichtbogen-und Impuls- lichtbogen-Schweißen.

Das Kurzlichtbogen-Schweißen (Klb-Schweißen) ist charakte- risiert durch eine Lichtbogenbrennphase und eine Kurz- schlussphase. In der Lichtbogenbrennphase wird am Elektro- denende ein schmelzflüssiger Tropfen erzeugt. Aufgrund der stetigen Drähtzufuhr und dem wachsenden Tropfenvolumen be- rührt der Tropfen nach einer gewissen Zeit das Schmelzbad.

In dieser Kurzschlussphase wird der Tropfen durch den sich einstellenden hohen Kurzschlussstrom abgeschnürt und der Lichtbogen zündet neu. Der Schweißprozess wechselt also in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen zwischen zwei Pro- zesszuständen hin und her, wobei der Werkstoffübergang aus- schließlich in der Kurzschlussphase stattfindet.

In diesem zyklisch ablaufenden Schweißprozess treten sto- chastische Schwankungen der Prozessparameter auf, die durch äußere Störeinflüsse und durch die Charakteristik der Pro- zessregelung in der Maschine verursacht werden. Dabei sind die Kurzschlussdauer und üblicherweise auch die Höhe des Stroms beim Aufreißen eines Kurzschlusses und Wiederzünden des Lichtbogens nicht definierbar.

Bisher nimmt beim Klb-Schweißen der Strom in einer Kurz- schlussphase entsprechend der Maschinencharakteristik mit der Zeit (dt) stetig zu. In neueren Maschinen wird der Kurzschlussstromanstieg z. T. mehrphasig mit unterschiedli- chen dl/dt ermöglicht. Ähnlich ist auch die Kurzschlussbe- handlung beim Impulslichtbogenschweißen. Bei Aufreißen des Kurzschlusses und anschließender Lichtbogenzündung liegt daher ein wesentlich höherer Strom vor.

Hauptnachteil eines hohen Wiederzündstroms ist die starke Erwärmung der schmelzflüssigen Brücke zwischen dem Elek- trodendraht und dem Schmelzbad, die zu einem schlagartigen Aufreißen führt.

Als Folge entstehen Fehler im Schweißergebnis, wie : - Schweißspritzer - Herausblasen der Schmelze mit einer Lochbildung insbeson- dere bei Dünnblechen - Verdampfungsverluste insbesondere bei Legierungselementen mit hohem Dampfdruck, z. B. Zn und Mg.

In der DE 41 29 247 Al wird das STT-Verfahren beschrieben, das das bevorstehende Kurzschlussaufreißen durch eine Mes- sung des Spannungsgradienten dU/dt erkennt. Bei Überschrei- ten eines Grenzwertes wird der Strom einige Mikrosekunden vor dem Aufreißen auf 50 A reduziert.

Nachteile dieses Verfahrens sind zum einen die sehr aufwen- dige Signalaufbereitung der Spannungsmessung, die durch e- lektromagnetische Felder im Schweißprozess sehr stark ge- stört wird und damit die Signalempfindlichkeit beschränkt.

Zum Anderen begrenzt die Induktivität der Schweißenergie- quelle die Geschwindigkeit der Umkehr und Reduzierung des Stroms, so dass ausgehend von einem hohen Niveau beim Auf- reißen noch ein sehr hoher Energieeintrag erfolgt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Metall-Schutzgas- Lichtbogenschweißverfahren anzugeben, das es ermöglicht beim Lichtbogenschweißen einen möglichst geringen Energie- eintrag in der Kurzschlussphase zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbil- dungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

So wird mittels einer Definition von Schwellwerten in der Kurzschlussphase die Charakteristik der Schweißenergiequel- le erreicht, so dass beim Aufreißen der Kurzschlussbrücke und Wiederzünden des Lichtbogens zum Einen der Energieein-

trag einen möglichst geringen Wert hat und zum Anderen der Energieeintrag schnellstmöglich abfällt. Daneben wird das bevorstehende Aufreißen der Brücke vor seinem Eintreten er- kennbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nun dadurch gekennzeich- net, dass bei Beginn eines Kurzschlusses eine Regelung ak- tiviert wird und für die Kurzschlussdauer aktiv ist, die bei Unterschreiten eines charakteristischen Schwellwertes Sl einen Energieeintrag erhöht (Phase A), und den Energie- eintrag bei Erreichen eines Schwellwertes S2 beendet, und im Anschluss den Energieeintrag vermindert (Phase B).

Der Schwellwert Sl ist z. B. eine Spannung und der Schwell- wert S2 ist z. B. eine Spannung, ein Strom, ein Widerstand, eine Leistung oder ein beliebiger anderer geeigneter Schwellwert.

In einer Weiterbildung der Erfindung wiederholen sich die beiden Phasen A und B solange, bis der Kurzschluss aufge- trennt ist, wobei die Abtastfrequenz der Schwellwerte und damit die Dauer der Phase A und der Phase B veränderbar sind.

Das Aufreißen der Kurzschlussbrücke sowie das anschließen- de Zünden des Lichtbogens erfolgt immer in der Phase B.

Der Energieanstieg in der Phase A und der Energieabfall in der Phase B sind hierbei beliebig.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird der Ener- gieanstieg in der Phase A und der Energieabfall in der Pha- se B durch eine polynomische, exponentielle, trigonometri- sche, zyklometrische oder hyperbolische Funktion beschrie- ben.

Hierbei wird in einer Weiterbildung der Energieanstieg in der Phase A und der Energieabfall in der Phase B durch eine Kombination oder Aneinanderreihung von Funktionen beschrie- ben.

Der zeitliche Verlauf des Energieeintrags vor und nach dem Kurzschluss ist beliebigd.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird der zeitli- che Verlauf des Energieeintrags vor und nach dem Kurz- schluss durch. eine polynomische, exponentielle,. trigonomet= rische, zyklometrische oder hyperbolische Funktion darge- stellt, wobei in einer Weiterbildung der zeitliche Verlauf des Energieeintrags vor und nach dem Kurzschluss durch eine Kombination und/oder Aneinanderreihung von Funktionen be- schrieben werden kann.

Erfindungsgemäß wird der Übergang von einer zu einer ande- ren Funktion durch ein Zeitkriterium und/oder eine Bewer- tung von einem oder mehreren Schweißprozesssignalen ausge- löst wobei die Prozesssignale mittels eines neuronalen Netzes bewertet werden können.

Der Übergang von einer zu einer anderen Funktion wird er- findungsgemäß durch einer logische Verknüpfung von Krite- rien ausgelöst.

Ein solches Schweißprozesssignal ist die Schweißspannung, der Schweißstrom oder jede beliebige durch einen Sensor messbare Prozessgröße, wobei die Prozessgröße eine Strah- lung, Schall, ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld ist.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird die Schweißenergiequelle vorzugsweise stromgeregelt aber auch spannungs-, leistungs-oder widerstandsgeregelt wird.

Die Schweißenergiequelle arbeitet in verschiedenen Pro- zessphasen mit unterschiedlichen Regelungen.

Der Energieeintrag passt sich über den zeitlichen Verlauf an den Werkstoffübergang selbstregelnd an und verringert sich beim Auftrennen des Kurzschlusses auf ein Minimum.

Der Schweißprozess wird gleichmäßiger und ruhiger. Eine Spritzerbildung tritt nicht mehr auf.

Das Wiedesrzünden des Lichtbogens erfolgt nicht mehr. explo sionsartig, und insbesondere beim Dünnblechschweißen wird die Schmelze nicht mehr herausgeschleudert.

Die Verdampfung von Elektrodenmaterial wird wesentlich ver- ringert.

Weiterhin lassen sich sehr dünne Bleche fehlerfrei fügen.

Bei oberflächenveredelten Blechen verringert sich die Ge- fahr der unzureichenden Entgasung, und der Abbrand der Ver- edelungsschicht ist sehr gering.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.

Es zeigen Fig. 1 einen schematischen Strom-und Spannungsverlauf eines Klb-Schweißprozesses, Fig. 2 einen schematischen Strom-und Spannungsverlauf eines Kurzschlusses beim Impulsstromschweißen und Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Strom-und Spannungsver- lauf im Kurzschluss.

Beim Kurzlichtbogen-Schweißen gemäß Fig. 1 kommt es in be- kannter Weise zu einem dauernden Wechsel zwischen einer Lichtbogenbrennphase und einer Kurzschlussphase. In der Kurzschlussphase erlischt der Lichtbogen, und es entsteht eine schmelzflüssige Verbindung zwischen der abschmelzenden

Elektrode und dem werkstückseitigen Schmelzbad. Wie im Stromverlauf in Figur 1 erkennbar ist, steigt der Strom vom Zeitpunkt a mit der Zeit stetig an, so dass beim Aufreißen der Kurzschlussbrücke und Zünden des Lichtbogens zwischen c und d ein hoher Energieeintrag erfolgt.

Dieses tritt ebenfalls gelegentlich beim ansonsten kurz- schlussfreien Impulslichtbogenschweißen gemäß Fig. 2 auf.

In « Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel. des _prinzipiellen....

Verlaufs von Strom und Spannung dargestellt. Der Schwell- wert Sl ist eine Spannungswert, und der Schwellwert S2 ein Stromwert.




 
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