DE3788792T2

DE3788792T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Schweissanordnung vom Kurzschlusstyp.

Info

Publication number: DE3788792T2
Application number: DE3788792T
Authority: DE
Inventors: John Morris Parks; Elliott Keith Stava
Original assignee: Lincoln Electric Co
Current assignee: Lincoln Electric Co
Priority date: 1986-12-11
Filing date: 1987-03-13
Publication date: 1994-06-16
Anticipated expiration: 2007-03-14
Also published as: CN1006450B; ES2050111T3; CN1033448A; JP2707077B2; EP0273540A1; AU579505B2; US4717807A; KR910001003B1; CA1273408A; AU6965087A; EP0273540B1; JPS63149074A; KR880007162A; DE3788792D1

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet des Schweißens mit einem elektrischen Lichtbogen und insbesondere ein verbessertes Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Schweißanordnung vom Kurzschlußtyp, um das Spritzen stark zu verringern, das normalerweise diese Art von Schweißverfahren begleitet.
Beim Schweißen mit Abbrandelektroden ist eine der anerkannten Betriebsarten der Kurzschlußmodus, bei dem eine Stromversorgung über die Abbrandelektrode oder den Schweißdraht und das Werkstück verbunden wird, auf dem eine Schweißraupe abgesetzt werden soll. Ein Lichtbogen wird erzeugt, das Ende der Elektrode schmilzt, um eine kugelförmige Masse geschmolzenen Metalls zu bilden, die an der Elektrode hängt und sich in Richtung zu dem Werkstück erstreckt. Wenn diese Masse an geschmolzenem Material groß genug wird, überbrückt sie den Zwischenraum zwischen der Elektrode und dem Werkstück, um einen Kurzschluß zu bilden. Zu diesem Zeitpunkt sinkt die Spannung zwischen der Elektrode und dem Werkstück sehr stark, wodurch die Stromversorgung veranlaßt wird, sehr stark den Strom durch den Kurzschluß zu erhöhen. Ein solch hoher Stromfluß wird aufrechterhalten und wird tatsächlich mit der Zeit durch die geschmolzene Masse erhöht, wenn die Induktivität der Stromversorgung überwunden wurde. Da dieser Kurzschlußstrom weiterhin fließt, schnürt ein elektrischer Pinch einen Teil der geschmolzenen Masse nahe dem Ende des Schweißdrahtes nach unten ein. Die Kraft, die den geschmolzenen Schweißdraht veranlaßt, sich nach unten einzuschnüren, ist dem Quadrat des Stromes proportional, der durch das geschmolzene Metall an dem Ende des Schweißdrahtes fließt. Dieser elektrische Pinch-Effekt wird durch die Northrup- Gleichung erläutert:
G(dynes/cm²) = I² (R²-r²)/100 πr R&sup4;
I ist die Stromdichte, r ist der Abstand von der Mitte des Schweißdrahtes und R ist der Durchmesser der Einschnürung. Während des Kurzschlusses besteht ein Bedürfnis nach einem relativ hohen Stromfluß, der sich natürlich ergibt, wenn der Kurzschluß auftritt. Der hohe Stromfluß ist wünschenswert, damit der eingeschnürte Teil der geschmolzenen Masse veranlaßt wird, sich zu einem sehr kleinen Bereich oder Einschnürung zu bilden, die letztendlich wie eine elektrische Sicherung explodiert, um die geschmolzene Kugel von dem Draht zu trennen und zu ermöglichen, daß sie durch die Oberflächenspannung in das Schweißbad gezogen wird. Diese Explosion der Einschnürung bewirkt ein Spritzen von dem Schweißvorgang. Spritzen ist nachteilig für den gesamten Wirkungsgrad des Schweißvorganges und verlangt ein beträchtliches Maß an Reinigung nahe der Schweißraupe, nachdem der Schweißvorgang abgeschlossen ist. Da der Stromfluß durch den Draht oder den Stab zu dem Werkstück sehr hoch ist, wenn die Einschnürung oder Sicherung explodiert, gibt es eine enorme Energiemenge, die von der Einschnürungsexplosion freigesetzt wird, die sich zu der Schleuderstrecke und der Menge an Spritzen summiert.
Wie man sehen kann, besteht ein Widerspruch zwischen dem Kurzschlußstrom, der hoch sein sollte, um wirksam die Einschnürungsgröße durch einen elektrischen Pinch zu verringern, aber niedrig sein sollte, die Energie der Schmelzexplosion zu verringern und entsprechend das Spritzen und die Entfernung zu verringern, über die Spritzteilchen fortgeschleudert werden.
Ein beträchtliches Maß an Anstrengungen ist dem Begrenzen des Spritzens gewidmet worden, wenn der Bogen durch die Explosion an der Einschnürung oder des Schmelzfadens der Metallkugel wiederhergestellt wird, der von dem Schweißdraht herunterhängt und mit dem Werkstück oder Schweißbad in Eingriff steht. Zunächst wurde vorgeschlagen, den Durchmesser des Schweißdrahtes zu verringern, das heißt einen 1/32 Draht zu verwenden; jedoch rief dieser Ansatz, das Spritzen zu verringern, alle Nachteile hervor, die normalerweise mit der Verwendung eines kleinen Schweißdrahtes verbunden sind. Beispielsweise war es schwierig, große Mengen an Schweißraupe zu legen, und der Draht war manchmal abgeknickt oder trat ohne Schmelzen in das Schweißbad ein. Wenn der Drahtdurchmesser erhöht wurde, um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wurde das Spritzen beträchtlich erhöht. Diesem Dilemma konfrontiert wurde vorgeschlagen, daß eine Hochfrequenzstromversorgung verwendet werden soll, wie es in dem US-Patent 4,544,826 gelehrt wird, das unter Bezugnahme auf es hier mit eingegliedert wird, wobei ein Hochfrequenzumwandler während eines Kurzschlußzustandes oder beim Erfassen eines Vorliegens einer erneuten Lichtbogenbildung, das heißt des Fortblasen des Schmelzfadens, abgeschaltet wird. Um umlaufende Ströme zu verhindern, wenn eine Hochspannungsstromversorgung gerade vor einer Schmelzexplosion ausgeschaltet wird, stellt dieses US-Patent einen Schalter SWD dar, der geöffnet wird, einen Widerstand in dem Ausgangsschwingkreis des Festkörperumwandlers zur schnellen Dämpfung der umlaufenden Ströme anzuordnen. Dieses System ist nicht bei allen Stromversorgungen anwendbar und hängt von einem komplexen Logiksteuersystem ab, das wirklich die Form der Stromkurve vom Zeitpunkt, zu dem ein Kurzschluß erfaßt wird, bis zu dem Zeitpunkt bildet, wenn der Lichtbogen nach der Explosion der Einschnürung oder des Schmelzfadens wiederhergestellt wird. Eine Stromverringerung zu der Zeit eines Kurzschlusses erfolgt durch abgestimmte Dämpfung, welche Erscheinung eine Zeitkonstanten-Kurve zwischen der Zeit t&sub1; und t&sub2; bewirkt. Bei der Erfassung einer Einschnürung oder eines Schmelzfadens, die dabei ist ausgeblasen zu werden, wird dasselbe Dämpfungskonzept verwendet. Dieses Merkmal ist zwischen den Zeiten t&sub5; und t&sub6; bei diesem früheren Patent gezeigt. Die vorausgewählte Wellenform, wie es in diesem Patent gezeigt ist, hängt stark von der vorgenannten Dämpfung des Ausgangsschwingkreises eines Festkörperinverters ab, was eine strenge Begrenzung insbesondere beim Verringern des Stromflusses durch die Einschnürung selbst im Moment der Explosion ist. Eine solche vorausgewählte Stromformung ist anwendbar, wenn überhaupt, auf eine Hochfrequenz-Festkörperinverters-Stromversorgung, die intern ohne wesentliche Ausgangsinduktion ausgeschaltet werden kann. Bei einer beträchtlichen induktiven Reaktanz in dem Ausgangskreis wäre eine Dämpfung durch den Widerstand parallel zu dem Schalter SWD Schwierigkeit und nicht immer sichergestellt. Da Gleichstrom-Schweißsysteme eine Ausgangsinduktivität aufweisen, besitzt dieses Dämpfungskonzept zum Verringern des Spritzens große praktische Nachteile.
Ein anderes Patent, das ein System zum Erzeugen einer Wiederholung eines Stromzyklus zeigt, der ursprünglich von einer Kurzschlußerfassung ausgelöst worden ist, ist das US- Patent Nr. 4,546,234. Wiederum ist die Stromwellenform in gewissem Maße festgelegt. Nach einer vorausgewählten Zeitverzögerung wird ein Strom über die kurzgeschlossene, geschmolzene Metallkugel oder den Metallball angelegt, um die Metallüberführung zu erleichtern. Ein konstanter Strom wird aufrechterhalten, bis eine Einschnürung vorausgesagt wird, zu welchem Zeitpunkt der Strom schnell auf einen niederen Pegel sinkt und sich dann unmittelbar zu einem zweiten hohen Pegel nach oben verschiebt. Dieses System bewirkt vorausgewählte Stromwellenformen, die komplex und im allgemeinen verwendbar sind, wenn überhaupt nur mit einer Stromversorgung vom Hochfrequenz-Festkörperinvertertyp.
Wie man sehen kann, gibt es einen wirklichen Bedarf nach einem relativ einfachen System zum Verringern des Schweißspritzens, indem ein begrenztes Maß an momentaner Steuerung an dem Schweißstromfluß ausgeübt wird, so daß der Stromfluß eine natürliche Arbeitsweise über den größten Teil des Zyklus zwischen dem Kurzschluß und der Schmelzexplosion annehmen kann. Zusätzlich besteht eine beträchtliche Nachfrage nach einer Spritzverringerungsschaltung, die mit Stromversorgungen vom Typ mit Transformatorzuführung und vom Festkörperinvertertyp verwendet werden kann und die nicht von einer Ausgangsdämpfung von Schaltungen geringer Induktivität noch von einigen bestimmten Strompegelbegrenzungen abhängen.
Lichtbogenschweißverfahren, die auf eine Verringerung des Spritzens zielen, sind in den japanischen Patent Abstracts Vol. 10, Nr. 83, (M-466) (2140) 2. April 1986; JP-A-60 223 661 und JP-A-60 223 662 geoffenbart. Durch die in diesen Veröffentlichungen erörterten Verfahren wird die Schweißspannung mit einem Bezugspegel verglichen, um einen Kurzschlußzustand zu erfassen, der einen plötzlichen Spannungsabfall zum Ergebnis hat. Ein vorausgewählter Pulsstrom wird statt des normalen Stromversorgungsstromes während eines Kurzschlußzustandes angelegt, um die Metallüberführung zu steuern.
Die vorliegende Erfindung überwindet die Nachteile von Versuchen beim Stand der Technik, das Spritzen in einem Schweißsystem von dem Typ, der den Kurzschluß-Überführungsmodus verwendet, wobei das System ein Minimum an Logikschaltungen benötigt und bei einer großen Vielzahl von Stromversorgungen mit und ohne einer wesentlichen Induktivitätsgröße in der Ausgangsschaltung anwendbar ist.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Einrichtung, wie sie in Anspruch 1 festgelegt ist, der hier beigefügt ist, sowie ein Verfahren zum Verringern von Spritzen, wie es in dem hier beigefügten Anspruch 12 festgelegt ist.
Somit ist gemäß der Erfindung ein Hauptschweißstrom vorhanden, wenn immer die Lichtbogenspannung einen vorausgewählten Schwellenwert, wie 10 Volt, überschreitet. Wenn die Lichtbogenspannung unter diesem vorausgewählten Wert fällt, wird der Hauptschweißstrom während einer ausgewählten Zeit ausgeschaltet und wird dann wieder eingeschaltet. Während dieser Periode oder dieses Zyklus wird ein niederer Hintergrundstrom aufrechterhalten, so daß die geschmolzene Metallmasse oder die Kugel, die von dem Schweißdraht hängt und mit dem Werkstück in Berührung steht, entweder abbricht oder sich zu einem Metallüberführungskurzschluß unter dem Einfluß nur des niederen Hintergrundstromes und nicht des Hauptstromes entwickelt. Infolgedessen wird jede geschmolzene Metallkugel, die nicht zu der Schweißraupe oder dem Schweißbad auf dem Werkstück gerade übertragen wird, nur dem niederen Hintergrundstrom ausgesetzt sein, wenn sie sich von dem Schmelzbad trennt. Ein solch geringer Strom neigt nicht dazu, die Kugel oder Teile von ihr von dem Draht von dem Schweißbad fortzutreiben. Diese Verdickungen oder Kugeln aus geschmolzenem Metalls mögen nur vorübergehend mit dem geschmolzenen Schweißbad oder der Schweißraupe in Eingriff stehen, womit sie ein Phänomen hervorrufen, das als ein "beginnender Kurzschluß" bezeichnet wird. Ein beginnender Kurzschluß ist nicht ein Metallüberführungskurzschluß, sondern ist der Eingriff der Kugel an dem Schweißbad, der von einem Fortstoßen der Kugel von dem geschmolzenem Bad durch elektrische Pinch-Kräfte folgt, um erneut einen Lichtbogen ohne Metallüberführung herzustellen. Der vorübergehende Kurzschluß würde gut innerhalb der ausgewählten Zeit des Niederstromes auftreten. Im praktischen Fall ist diese Zeit 1,0 ms. Wenn beginnende Kurzschlüsse erzeugt werden, wird der Hauptschweißstrom ausgeschaltet, wodurch Pinch-Kräfte an der Berührungsstelle zwischen der geschmolzenen Metallkugel und dem Schweißbad verringert werden. Indem die Schweißtätigkeit bei einem Stromfluß mit niederem Pegel aufrechterhalten wird, gibt es einen ausreichenden Strom, um den Schmelzvorgang aufrechtzuerhalten, aber im allgemeinen ein unzureichender Strom, um starke Pinch-Kräfte zu erzeugen, die dazu neigen, den Lichtbogen wieder herzustellen und Lichtbogenstrahlkräfte zulassen, die geschmolzene Kugel von dem Schweißbad fortzutreiben. Infolgedessen wandelt sich der Kurzschluß in einen Metallüberführungskurzschluß um und schreitet ohne Bilden eines beginnenden Kurzschlusses fort. Der Ausdruck "Werkstück" wird hier verwendet, um entweder das Metall zu bezeichnen, auf das die Schweißraupe gelegt wird oder auf dem sie abgesetzt wird, die Raupe selbst oder das Schweißbad. Alle diese liegen elektrisch an der Stromversorgung auf Masse.
Wenn der Kurzschluß nur ein vorübergehender Kurzschluß ist, der mit einem beginnenden Kurzschlußzustand verbunden ist, kommt der Hauptstrom vorzugsweise auf, wenn der Kurzschluß unterbrochen und der Lichtbogen wiederhergestellt wird. Wenn der beginnende Kurzschlußzustand in einen Überführungskurzschluß während der Zeit erzwungenen, niederen Stromes umgewandelt wird, was das allgemeine Ergebnis ist, bleibt ein Kurzschlußzustand nach der anfangs ausgewählten Zeit niederen Stromes. Die Lichtbogenspannung bleibt auf einem niederen Pegel, aber der Hauptstrom ist eingeschaltet. Wenn dies auftritt nimmt der Strom durch das geschmolzene Bad zwischen dem Schweißdraht und dem Werkstück schnell wegen des fortdauernden Kurzschlusses zwischen dem Schweißdraht und dem Werkstück zu. Wenn der Hauptstrom fortfährt, durch den Schweißdraht zu fließen, wird der Draht weiterhin erhitzt und sein Widerstandswert nimmt zu. Die Kugel, die den Zwischenraum überbrückt, beginnt damit, durch den elektrischen Pinch-Effekt mit einer zu dem Quadrat des Schweißstromes proportionalen Geschwindigkeit sich nach unten einzuschnüren. Wenn der Widerstandswert zunimmt und die Einschnürung im Durchmesser abnimmt, beginnt die Spannung anzusteigen. Da die Einschnürwirkung im allgemeinen selbst aufrechterhaltend ist, nachdem sie beginnt, zeigt das Anfangen des Einschnürungssignals ein unmittelbar bevorstehendes Schmelzfadenzerreißen dem eine erhöhte Spannung und eine Änderung des Vorzeichens der Stromsteigung vorausgegangen ist. Eine Zeitableitung der Betriebsspannung oder des Schweißstromes bei über das kurzgeschlossene Metall angelegten Hauptstrom vorgenommen wird, zeigt an, wenn das Metall elektrisch durch den Hauptstromfluß gepincht ist. Ein schneller Anstieg der Spannung oder der Änderung der Steigung des Schweißstromes zeigt ein unmittelbar bevorstehendes Zerplatzen des Schmelzfadens oder der Einschnürung an. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird, wenn eine unmittelbar bevorstehende Schmelzeexplosion durch die Spannungs- oder Stromableitung angezeigt wird, der Hauptstrom erneut unmittelbar gerade vor dem Verlust der Metallberührung abgeschaltet. Bei abgeschaltetem Hauptstrom bewirkt der niedere Hintergrundstrom die Schmelzeexplosion an der Einschnürung. Dies ist eine Niederenergieexplosion, ohne daß eine wirkungsvolle Trennung geopfert wird. Während der Trennung des Überbrückungsmetalls wird das Plasma oder der Lichtbogen durch den Hintergrundstrom wiederhergestellt und die Lichtbogenspannung nimmt zu. Wenn die Lichtbogenspannung den Steuerwert überschreitet, wird der Hauptstrom erneut eingeschaltet und erwartet den nächsten Kurzschluß.
Um eine Unterbrechung des Hauptstromes unmittelbar, nachdem ein Kurzschluß erfaßt worden ist, zu verhindern, kann die Schaltung, die die Zeitableitung der Spannung oder des Stromes mißt, während einer kurzen Zeit unmittelbar nach der ersten Zeitverzögerung nach einer Kurzschlußerfassung außer Betrieb gesetzt werden. Dieses Außerbetriebsetzen verhindert eine Ableitungsmessung oder -erfassung, wenn der Hauptstrom nach der Zeitverzögerung eingeschaltet wird. Wenn diese Ableitungserfassungseigenschaft unmittelbar nach der Verzögerung arbeiten würde, würde der Hauptstrom erneut ausgeschaltet, wodurch die Bildung eines hohen, kurzschließenden Stromes und die Entwicklung von einem starken, elektrischen Pinch verhindert wird. Während dieses Überganges zu dem Hauptstrom gibt es Änderungen bei der Spannung, die irrtümlicherweise als ein Einschnürzustand von der Schaltung erkannt werden könnte, die die Zeitableitung der Lichtbogenspannung oder die Zeitableitung des Schweißstromes mißt.
Die Erfindung, wie sie vorstehend umrissen ist, gestattet, daß der Hauptstrom so ausgeschaltet wird, daß ein Hintergrundstrom mit niederem Pegel während einer vorausgewählten, maximalen Zeit unmittelbar nach der Erfassung eines Kurzschlusses aufrechterhalten wird. Beim Erfassen eines unmittelbar bevorstehenden Schmelzfadendurchbruches an dem Ende eines Metallüberführungszyklus wird derselbe Hintergrundstrom mit niederem Pegel vorzugsweise während einer ausgewählten Zeitverzögerung angewendet. Während dieser Zeitverzögerungen wird, sollte die Spannung über den ausgewählten Wert ansteigen und somit einen Lichtbogenzustand anzeigen, der Hauptstrom vorzugsweise unmittelbar angewendet und der Schweißvorgang fährt fort, als wenn es keine Steuerung über den Schweißstrom gegeben hätte.
Einer tatsächlichen Metallüberführung bei einem Kurzschluß- Betriebsmodus folgt ein Kurzschlußzustand, der durch die geschmolzene Kugel bewirkt wird, die das Schmelzbad berührt. Nach dem Kurzschluß nimmt der Stromfluß sehr stark durch die kurzgeschlossene Kugel hindurch zu, bis der Stromfluß ein Einschnüren der geschmolzenen Metallkugel an dem Ende des Schweißdrahtes bewirkt. Wenn dies auftritt, nimmt der Widerstand durch die geschmolzene Metallkugel hindurch zu, wodurch eine entsprechende Abnahme bei dem angewendeten Hauptstrom hervorgerufen wird. Unmittelbar danach nimmt, da der Hauptstrom weiterhin fließt, die Einschnürungsgröße ab, bis sie explodiert. Indem die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird, wird der Strom, der gerade durch die Einschnürung oder den Schmelzfaden fließt, wenn er explodiert, äußerst stark auf einen Pegel sehr weit unterhalb des normalen Strompegels verringert, der durch die Verwendung des Hauptschweißstromes während der tatsächlichen Schmelzfadenexplosion vorliegt. Eine Verringerung des Stromflusses zur Zeit des Bruches verringert äußerst stark ein Spritzen, indem die Energie der Schmelzfadenexplosion verringert wird. Indem eine Ableitung der Spannung oder des Stromes verwendet wird, kann die Einschnürung genau erfaßt werden, so daß der Strom verringert werden kann, bevor die Schmelze aufplatzt.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die erste Zeitverzögerung unterbrochen und der Hauptstrom wird unmittelbar angewendet, wenn immer ein Lichtbogen nach einem Kurzschluß wiederhergestellt wird. Dies tritt während eines beginnenden Kurzschlusses auf. Der Hauptstrom nimmt dann auf den Plasmapegel zu, wobei er einen tatsächlichen Überführungskurzschluß erwartet. Infolgedessen wird die Metallkugel an dem Ende oder der Schweißdraht keinen starken Antriebskräften ausgesetzt. Die geschmolzenen Kugeln neigen nicht dazu, durch wiederholte, momentane Kurzschlüsse zu wachsen, die durch Lichtbogenstrahlen getrennt sind. Auf diese Weise erkennt die vorliegende Erfindung die Schwierigkeiten und überwindet sie, die durch beginnende Kurzschlüsse hervorgerufen werden, indem eine wirkliche Metallüberführung zu dem Schweißbad während der normalen Überführungskurzschlüsse zugelassen wird, aber auch nur ein Niederstromzustand während der Bildung von beginnenden Kurzschlüssen vorgesehen ist. Somit bewirkt ein hoher Stromfluß keine besonders hohe Aktivität beim Brechen der Schmelzkugel von dem Schmelzbad, wie es in einem System ohne Verringerung des Stromes zu Beginn eines Kurzschlusses auftritt. Jedoch kann die vorliegende Erfindung die Steuereigenschaft für den niederen oder Hintergrundstrom überlagern, wenn es einen Lichtbogen gibt, wobei unmittelbar ein Kurzschlußzustand folgt, wie bei einem beginnenden Kurzschluß auftreten würde, wenn einer erscheinen sollte. Indem die Erfindung verwendet wird, werden beginnende Kurzschlüsse allgemein vermieden. Ferner wird der Schweißstrom nicht durch eine vorausgewählte Kombination von Strompegeln hindurch gezwungen, die rein auf Zeitzyklen basieren, wie es manchmal beim Stand der Technik aus anderen Gründen als der Steuerung eines beginnenden Kurzschließens verwendet wird.
Zusammenfassend gesagt, ist der Gedanke des beginnenden Kurzschließens als eine mechanische Komponente des Spritzens und die Verwendung der vorliegenden Erfindung, um nahezu alle beginnenden Kurzschlüsse auszuschließen, eine wesentliche Verbesserung bei der Steuerung des Spritzens. Gemäß der Erfindung wird von jedem Kurzschluß angenommen, daß er ein beginnender Kurzschluß ist, und der Schweißstrom wird auf einen Hintergrundpegel verringert, so daß das Aufrühren des Schweißbades und die Kräfte des Lichtbogens minimiert werden. Dies erhöht stark die Wahrscheinlichkeit, daß selbst eine beginnende Berührung zwischen der geschmolzenen Kugel und dem geschmolzenen Schweißbad in einen normalen, wünschenswerten Überführungskurzschluß durch Anziehen der Schweißbadoberfläche umgewandelt wird. Sollte die beginnende Berührung oder Kurzschluß einer sein, der anormal heftig ist und nicht in einen Überführungskurzschluß umgewandelt werden kann oder sich nicht umwandelt, wird die Tatsache, daß die Kugel das Schweißbad bei niederem Hintergrundstrompegel berührt und von ihm alles trennt, aber Spritzen ausschließt, das normalerweise durch diesen Nicht-Überführungsvorgang erzeugt wird, hier als beginnender Kurzschluß bezeichnet.
Indem die Nachteile der beginnenden Kurzschlüsse erkannt und korrigiert werden und indem auch die Schwierigkeiten der Hochenergieschmelzfadenexplosion durch nur eine Verschiebung zwischen dem Hauptstrom und dem Hintergrundstrom korrigiert wird, ist das Problem des Schweißspritzens im wesentlichen ausgeschlossen worden.
Indem der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann das Spritzen in hohem Maße beim normalen Schweißen vom Kurzschlußtyp ohne die Komplexität und das Stromwellenformen bei anderen Spritzverringerungstechniken verringert werden.
Die Verwendung der vorliegenden Erfindung verringert heftige Schwingungen des geschmolzenen Schweißbades, was weiter die Neigung zum Spritzen verringert. Ferner gestattet ein ruhigeres Schweißbad, daß die Oberflächenspannung die Spaltbreite zwischen den zwei zu schweißenden Stücken besser überbrückt. Auch paßt sich das Bad besser an die zu schweißenden Stücke bei verringerter Aufrührung an, die durch die Hochenergieschmelzfadenexplosionen und beginnenden Kurzschlüsse veranlaßt wird. Das Schweißbad erlaubt, wenn es weniger aufgerührt ist, die Verwendung großer Elektroden bei einem Schweißen außerhalb der Lage. Kurze Lichtbogenlängen können ohne Umbiegen aufrechterhalten werden. Infolgedessen ermöglicht die Erfindung die Verwendung größerer Elektroden, höherer Absetzgeschwindigkeiten, größerer Ströme und auch eine geringere Verunreinigung durch Auffangen von Abschirmgasen.
Die Hauptzielsetzung der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Steuern des Stromes zwischen einem Hauptschweißstrom und einem Hintergrundschweißstrom in einer Weise, um äußerst stark das Spritzen bei einem Schweißsystem vom Kurzschlußtyp zu verringern.
Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um das Folgende bereitzustellen:
(1) Ein Verfahren und eine Vorrichtung, wie sie oben festgelegt sind, wobei das Verfahren und die Vorrichtung nicht den Steuerstrom in einer Reihe von vorausgewählten Pegeln steuert, die eine ungenaue Beziehung zu der tatsächlichen Anforderung nach verringertem Spritzen aufweisen.
(2) Ein Verfahren und eine Vorrichtung, wie sie oben festgelegt sind, wobei das Verfahren und die Vorrichtung verhindern, daß beginnende Kurzschlüsse großes Teilchensprühen von dem Schweißvorgang bewirken;
(3) Ein Verfahren und eine Vorrichtung, wie sie oben festgelegt sind, wobei das Verfahren und die Vorrichtung die Verwendung eines größeren Bereiches von Drahtdurchmessern erlauben. Infolgedessen kann größerer Schweißdraht ohne schädliches Spritzen verwendet werden. Die Ausdrücke "Draht" und "Elektrode" werden in gewisser Weise austauschbar verwendet, um das längliche Abbrand-Metallelement zu bezeichnen, das in dem Schweißbereich zugeführt wird und während des Schweißvorganges übertragen werden soll. Die Erfindung kann auch mit Stabelektroden von Hand verwendet werden.
(4) Ein Verfahren und eine Vorrichtung, wie sie oben festgelegt sind, wobei das Verfahren und die Vorrichtung bei Netzgeräten vom Invertertyp, bei Motorgeneratoreinheiten und herkömmlichen vom Transformatortyp verwendet werden kann. In der Vergangenheit waren Spritzsteuersysteme hauptsächlich auf Hochfrequenz -Festkörperinverter begrenzt, weil diese Stromversorgungen eine wesentlich verringerte, induktive Reaktanz in dem Ausgangskreis zeigten. Die Spritzsteuersysteme der Vergangenheit verlangten eine niedere, induktive Ausgangsreaktanz.
(5) Ein Verfahren und eine Vorrichtung, wie sie oben festgelegt sind, wobei das Verfahren und die Vorrichtung einen Darlington-Leistungstransistor verwenden. Diese Art von Transistor besitzt eine kurze Sperrzeit und einen hohen Spannungs- und Stromnennwert.
(6) Ein Verfahren und eine Vorrichtung, wie einen hohen Strom während des Überführungskurzschlusses erlaubt, um die Bildung einer Einschnürung zwischen dem Stab und der Kugel aus Material zu veranlassen, die überführt wird und dann plötzlich den Strom gerade davor zu verringern, bevor die Einschnürung wie eine Schlezsicherung wirkt und explodiert. Dieser verringerte Strom zum Zeitpunkt des "Platzens" oder der Explosion erzeugt eine niedere Energie während des tatsächlichen erneuten Zusammenbrechens des Lichtbogens durch Zerreißen der Einschnürung. Der hohe Kurzschlußstrom bei der Anfangsstufe des Bildens der Einschnürung bewirkt einen wesentlichen elektrischen Pinch. Dieser Vorteil wird durch den bekannten, elektrischen Grundgedanken bestätigt, daß der elektrische Pinch ein Faktor des Quadrates des durch die geschmolzene Metallkugel zwischen dem Schweißdraht und dem Werkstück fließenden Stromes ist. Sollte der Strom ausgeschaltet oder verringert werden, bevor die Einschnürung gut gebildet ist und sich einer Explosion nähert, wäre der erwünschte Einschnürungsvorgang nachteilig beeinflußt. Die Einschnürung wird mit einem hohen Strom begonnen und dann fährt die Zusammendruckwirkung an der Einschnürung fort, wobei der niedere Strom unmittelbar einen kurzen Zeitpunkt bevor der Schmelzfaden zerreißt, angewendet wird.
(7) Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verringern des Spritzens bei einem Schweißvorgang vom Kurzschlußtyp, die mit einer Vielzahl von Abschirmgasen arbeiten und mit Elektroden unterschiedlicher Arten und Größen arbeiten kann.
(8) Ein Spritzenverringerungssystem, das sowohl das eine Einschnürung zeigende Spritzen am Ende eines Metallüberführungspulses und auch das beginnende, kürzere Spritzen zu Beginn des Überführungspulses verringert.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mehr im einzelnen in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Schweißsystems vom Kurzschlußtyp ist, das die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
Fig. 2A, 2B u. 2C schematische Ansichten sind, die das Fortschreiten des geschmolzenen Metallbades darstellen, das an dem Ende des Schweißdrahtes während des Kurzschlußzustandes und beim Brechen des Schmelzfadens gebildet wird;
Fig. 3 eine graphische Darstellung des Schweißstromes während einer gewissermaßen normalen Metallüberführung ist, wie es in den Fig. 2A, 2B und 2C gezeigt ist;
Fig. 4 Spannungs- und Stromkurven zeigt, die Arbeitskennlinien der vorliegenden Erfindung im einzelnen darstellen;
Fig. 5 ein Schaltdiagramm eines alternativen Systems zum Voraussagen des Auftretens der Schmelzfadenwirkung oder Einschnürungsexplosion ist, wie es in Fig. 2C dargestellt ist;
Fig. 6A, 6B, 6C u. 6D schematische Ansichten sind, die einen "beginnenden Kurzschluß", wie dieser Ausdruck in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, und gewisse physikalische und elektrische Eigenschaften dieses überraschenden Phänomenes darstellen;
Fig. 7 eine graphische Darstellung ist, die den Schweißstrom zeigt, der gewisse elektrische Eigenschaften aufweist, die mit dem Phänomen der beginnenden Kurzschlüsse verbunden sind, die schematisch in den Fig. 6A-6D gezeigt sind;
Fig. 8 eine Stromkurve ist, die zwei unerwünschte, beginnende Kurzschlüsse zeigt, die von einem erwünschten Metallüberführungskurzschluß gefolgt sind, wobei die Zeitabszisse gedehnt und unterbrochen und die Stromordinate etwas übertrieben ist;
Fig. 9 ein schematisches Diagramm der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, das zum Erläutern einer Eigenschaft der vorliegenden Erfindung verwendet wird, die in Fig. 10 dargestellt ist;
Fig. 10 eine graphische Darstellung ist, die eine Schweißstrom-Wellenform zeigt, wobei ein Merkmal der Erfindung zum Verringern des Stromes an der Einschnürung verwendet wird;
Fig. 11 eine Wellenformdarstellung ist, die einen Metallüberführungspuls zeigt, wobei alle Grundgedanken der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
Fig. 12 die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bauteilen zum Schützen des Leistungs-Darlington-Transistors gegen Hochspannung und einen hohen Umlaufstrom darstellt;
Fig. 13 ein Schaltdiagramm des tatsächlich bei der Verwirklichung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendeten Schaltkreises ist, wobei das Diagramm in zwei mit Fig. 13A und 13B bezeichnete Blätter aufgeteilt ist;
Fig. 14 ein schematisches Diagramm des Schweißstromes, der Lichtbogenspannung für jeden Zustand des Schweißvorganges und einer Gegenüberstellung eines üblichen Kurzschluß-Schweißsystems mit einem System ist, das das neue Spritzsteuersystem verwendet.
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen die Darstellungen den Zweck der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsform und nicht zu deren Begrenzung dienen, wobei Fig. 1 ein Schweißsystem A darstellt, das gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert worden ist. Das System A enthält eine Spritzverringerungs- oder Steuerschaltung SC, die später benötigt wird. Da die Spritzsteuerschaltung SC zu einer üblichen Schweißeinheit vom Kurzschlußtyp hinzugefügt werden kann, stellt das System A der Fig. 1 einem Schweißvorgang gemeinsame Bauteile dar, ob die erfindungsgemäße Schaltung SC verwendet wird oder nicht. Fig. 1 wird zunächst verwendet, um den allgemeinen Hintergrund und die Grundgedanken zu erläutern, die beim Schweißen vom Kurzschlußtyp verwendet werden. Die im allgemeinen verwendeten Bauteile des Systems A enthalten eine herkömmliche Stromversorgung 10 vom Transformatortyp, die einen konstanten Spannungsausgang mit einer induktiven Reaktanz in der Stromversorgung aufweist, die eine schnelle Unterbrechung des Schweißstromes beim Verwenden normaler Festkörper-Schaltvorgänge verwendet. Ausgangsleitungen 12, 14 sind in Reihe über eine Gasdüse 20, den Schweißdraht 22 und das Werkstück 30 verbunden. Diese Bauteile sind in einer Reihenschaltung angeordnet, die schematisch in Fig. 1 dargestellt ist; jedoch wäre ein Mechanismus zum Zuführen des Drahtes 22 in Richtung zu dem Schweißbad auf dem Werkstück 10 zum Zwecke, eine Schweißraupe längs des Werkstückes zu legen, ein integrales Bauteil des Systems A. Ein solch normaler Drahtzuführmechanismus bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung kann bei einem üblichen Kurzschlußmodus zum Schweißen verwendet werden, wie er mit Hilfe der üblichen Bauteile erläutert wird, die in dem System A der Fig. 1 dargestellt sind. Dieses System verwendet eine herkömmliche Stromversorgung vom Transformatortyp, wobei eine Lichtbogenspannung über dem Draht 22 und ein Lichtbogen oder ein Plasma P angewendet werden. Eine solche Spannung bewirkt, daß ein Schweißstrom von dem Draht 22 zu dem Werkstück 30 fließt. Gemäß allgemeiner Praxis wird ein geeignetes Abschirmgas 40 von der Düse 20 um den Draht 22 herumgelenkt, um eine Oxidierung und eine Verunreinigung des Metalls zu verringern, das in dem Schweißbad auf dem Werkstück 30 abgesetzt ist. Natürlich wird entweder das Werkstück 30 oder der Schweißkopf unter Einschluß der Düse 20 längs eines erwünschten Weges bewegt, um eine linienförmige Schweißraupe entweder auf der Oberfläche des Werkstückes oder in einer zwischen den aneinanderstoßenden Werkstücken gebildeten Nut abzusetzen.
Bei einem üblichen Kurzschluß-Überführungsmodus beim Schweißen, soweit er erörtert wurde, wird das Metall von dem Draht auf dem Werkstück durch den Durchgang eines Schweißstromes durch den Draht und zu dem Werkstück abgesetzt, der zwischen einem Kurzschlußzustand, bei dem die Stange oder der Draht das Werkstück berührt, und einen Lichtbogenzustand oder Plasmazustand wechselt, bei dem ein Zwischenraum zwischen dem Draht und dem Werkstück vorliegt. Dieser Zwischenraum unter dem Draht wird durch einen Lichtbogen oder ein Plasma überbrückt. Der Ausdruck "Werkstück" bezieht sich auf das Schweißbad, das bereits auf der Oberfläche, die bearbeitet wird, oder dem Werkstück selbst abgesetzt ist, wobei diese Definition der Bequemlichkeit halber hier verwendet wird. Die Fig. 2A, 2B und 2C zeigen schematisch das Kurzschluß-Überführungsphänomen zum Übertragen von Metall, das an dem Ende des Drahtes 22 geschmolzen ist und auf das Werkstück durch die Oberflächenspannung abgesetzt wird, die das Metall in das Schweißbad des geschmolzenen Metalls zieht, das das vorhergehend abgesetzte Metall enthält. Dieses Schweißbad ist von Natur aus dynamisch und hält seine Flüssigkeit während einer beträchtlichen Zeit aufrecht, nachdem sich die Düse 20 fortschreitend längs des Werkstückes bewegt. Wie es gut bekannt ist, wird das untere Ende des Drahtes 22 beabstandet von dem Werkstück oder dem geschmolzenen Schweißbad, das vorhergehend abgesetzt worden ist, in einem Abstand b aufrechterhalten, der wesentlich größer als der Durchmesser a des Drahtes ist. In der Praxis kann der Durchmesser a stark variieren und dabei einem Schweißsystem verwendet werden, das die vorliegende Erfindung verwendet. In der Vergangenheit wurden kleine Drahtdurchmesser, typischerweise, 0,035 Zoll verwendet, um das Spritzen zu verringern, da so kleiner Draht in das Schmelzbad eingelegt worden ist und ein Spritzen, wenn überhaupt, physikalisch in dem Schmelzbad eingefangen wurde, das um das Ende des Drahtes gebildet wird, wenn er sein Metall in dem Schmelzbad absetzt. Da der Abstand bd größer als der Durchmesser a ist, hat eine geschmolzene Metallknolle oder eine Metallkugel B, der in Fig. 2A gezeigt ist, eine geometrische Kugelform etwas größer als Halbkugel. Diese Kugelform erleichtert die Trennung und einen Oberflächenspannungsübergang von dem Stab 22 zu dem geschmolzenen Schweißbad oder Werkstück 30. Zusammengefaßt geht bei dem üblichen Kurzschlußmodus beim Schweißen ein Strom durch den Draht 22 hindurch und ein Lichtbogen wird zwischen dem unteren Ende des Drahtes und dem Schweißbad oder Werkstück 30 hervorgerufen, wodurch die Hitze des Lichtbogens oder Plasmas bewirkt, daß das Ende des Drahtes 22 geschmolzen wird. Dieses geschmolzene Material nimmt an Größe zu, bis es den durch den Abstand bd angegebenen Zwischenraum überbrückt, indem eine Kugel B gebildet wird, und einen Kurzschluß veranlaßt. Da der Schaltkreiswiderstand sehr stark abfällt, wenn dieser Kurzschluß auftritt, nimmt der Strom sofort zu und die Spannung fällt unmittelbar. Der schnelle Stromanstieg ist auf der linken Seite des Metallüberführungspulses MT gezeigt, der in Fig. 3 dargestellt ist, in der der Schweißstrom über eine normale Kurzschluß-Metallüberführung schematisch dargestellt ist. Der Schweißstrom IW hat einen normalen Lichtbogen- oder Plasmastrompegel IP, der ein minimaler Strompegel ist und hauptsächlich durch den Ausgangswiderstand gesteuert wird. Zwischen den Lichtbogen- oder Plasmaperioden, wenn ein Plasmastrom IP fließt, gibt es einen kurzen Metallüberführungspuls MT, bei dem der Schweißstrom IW erhöht wird und dann zurück zum Plasmastrom IP abgesenkt wird. Der Puls MT der normal ist, wenn ein Überführungskurzschluß auftritt, enthält eine vorlaufende, schnell ansteigende, gekrümmte Seite 50, die bis zu einem Maximum von dem Punkt S ansteigt. Ein Kurzschlußzustand ist in Fig. 2A dargestellt. Wenn der Strom zunimmt, heftet sich die Kugel B durch die Oberflächenspannung an das geschmolzene Schweißbad an und bildet gemäß dem elektrischen Pinch-Effekt eine deutliche Einschnürung N. Der Durchmesser der Einschnürung N wird durch strominduzierte Kräfte gemäß der Northrup-Gleichung verringert. Dies bewirkt, daß der Widerstand durch die Kugel B hindurch zunimmt. Infolgedessen kehrt, wenn die Einschnürung beginnt, die Kurve des Schweißstromes IW in Fig. 3 die Richtung um und beginnt mit einem Verlauf nach unten wegen des zunehmenden Widerstandes, wenn der Durchmesser der Einschnürung N schnell abnimmt. Da sich die Einschnürungskraft oder der elektrische Pinch-Effekt mit dem Quadrat des Schweißstromes ändert, werden beträchtliche Kräfte an dem oberen Ende der Kugel B ausgeübt, um eine schnelle Abschnürung nach unten zu bewirken. Aus diesem Grund nimmt, sobald die Einschnürung beginnt, wie es allgemein in Fig. 2B gezeigt ist, der Einschnürungsdurchmesser schnell mit einer beschleunigten Geschwindigkeit ab. Dies ergibt eine Schlezfadenwirkungs- oder Einschnürungsexplosion F, die schematisch in Fig. 2C dargestellt ist. Diese Explosion am Punkt 54 in Fig. 3 unterbricht unmittelbar ein Plasma oder Lichtbogen zwischen dem Draht 22 und dem Werkstück 30, so daß der Strom IW zuerst schnell längs des Abschnittes 55 des Pulses MT und dann nach und nach längs der Linie 56 abfällt, wenn sich der Bogen stabilisiert. Am oberen Ende 52 des Metallüberführungs-Kurzschlußpulses MT wird die Stromableitung di/dt umgekehrt und wird negativ. Sobald die Einschnürung gebildet wird, zerreißt sie sofort, wie es durch die steile Linie 57 zwischen dem oberen Ende 52 und dem Explosionspunkt 54 dargestellt ist. Der Zeitkonstantenabschnitt 56 des Metallüberführungspulses MT folgt dem anfänglichen schnellen Stromabfall längs der Linie 55 unmittelbar nach der Explosion am Punkt 54. Wie man erkennen kann, beginnt die Bildung der Einschnürung und wird sofort in kurzer Zeit TN in Fig. 3 zerrissen, die maßstabsgerecht gezeichnet ist.
Zusammengefaßt bildet sich die Kugel B an dem Ende des Drahtes 22 und vergrößert sich, bis sie mit dem Schweißbad oder Werkstück in Berührung kommt, wie es in Fig. 2A gezeigt ist. Die Oberflächenspannung zieht dann die Kugel B von dem Ende der Stange 22 in Vorbereitung zu dem elektrischen Pinch-Effekt, der bewirkt, daß die Kugel B nach unten eingeschnürt wird, wie es bei N in Fig. 2B gezeigt ist. Unmittelbar darauf bricht oder zerplatzt der Schmelzfaden, wie es in Fig. 2C gezeigt ist. Wie es in Fig. 3 gezeigt ist ist bei der Sicherung F der Strom nahezu 300 Ampere; deshalb wird eine enorme Energie freigesetzt, wenn sich die Kugel B von dem Draht 22 trennt. Dies bewirkt das Spritzen von geschmolzenem Metall, das als Pfeile SP in Fig. 2C gezeigt ist. Diese Spritzer fliegen mit einem großen Impuls nach außen, wobei das gespritzte Metall eine Strecke von dem tatsächlichen Schweißvorgang entfernt fortgetragen wird. Um das Spritzen SP in der Vergangenheit zu verringern, wurde der Draht 22 größenmäßig so verringert, daß er den Lichtbogen in dem Schweißbad vergräbt, wodurch somit erlaubt wird, daß das Schweißbad die meisten Spritzteilchen geschmolzenen Metalls auffängt und die Neigung verringert, Spritzteilchen von dem Schweißbad fortzutreiben. Es wurden auch komplexe Schaltungen vorgeschlagen, um die Form des Metallüberführungspulses MT während des Metallüberführungszyklus zu steuern. Diese Anordnungen nach dem Stand der Technik neigten dazu, den Puls MT zu einer vorausgewählten Pulsform zu bringen. Häufig wurden die Pulse wiederholt, unabhängig davon, ob sie benötigt wurden oder nicht oder ob die Metallüberführung gerade auftrat. Die vorliegende Erfindung überwindet diese Nachteile, indem nur geringe Abänderungen bei dem herkömmlichen, bisher erörterten System in bezug auf gewisse Bauteile des Systems A in Fig. 1 gemacht werden. Die normale Schweißstromkurve, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, wird durch einfache, leicht durchzuführende, strukturelle Abänderungen des normalen, soweit beschriebenen Kurzschlußsystems gesteuert.
Es wird erneut auf die Fig. 1 und die Fig. 4 Bezug genommen; die in Kombination mit den üblichen Merkmalen des Systems A hinzugefügten Bauteile ergeben die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 1 dargestellt ist, bei der eine Spritzverringerungsschaltung SC einen parallel mit einem Darlington-Leistungstransistorschalter SW verbundenen Widerstand R enthält. Diese Parallelschaltung ist in Reihe mit der Düse 20, dem Draht 22 und einem Werkstück 30 verbunden. Um die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu vervollständigen, enthält die Spritzverringerungsschaltung SC auch ein Festkörper-Logiksteuersystem L zur Betätigung des Schalters SW. Die Art der Betätigung des Schalters in Beziehung auf die Parameter auf der Schweißseite schließt beträchtliches Spritzen SP aus, das bei üblichem Kurzschlußschweißen angetroffen wird. Die Steuerung L steuert den Darlington-Schalter SW, entweder leitend oder nichtleitend zu sein. Wenn er nichtleitend ist, ist der Widerstand R in Reihe mit dem Schweißvorgang, um einen Schweißstrom mit niederem Pegel zu erzeugen, der nachfolgend als der Hintergrundstrom IB bezeichnet wird. In der Praxis ist der Widerstand R 1,0 Ohm, was ungefähr 300 Volt über den Widerstand entwickelt, wenn der Schalter SW ausgeschaltet wird, während der Hauptstromfluß nahe bei 300 Ampere ist. Infolgedessen wird die Stromversorgung 10 niemals tatsächlich unterbrochen oder auf Masse gelegt, um den Stromfluß durch den Schweißvorgang unabhängig von dem Zustand des Schalters SW zu verringern. Lediglich das Schalten zwischen einer direkten Verbindung über den Schalter SW und einem Stromfluß durch nur den Widerstand R bewirkt, daß der Schweißstrom IW entweder (a) schwimmt in Übereinstimmung mit dem üblichen Puls MT oder (b) nach unten durch Öffnen des Schalters SW bei einer logischen Steuerung L getrieben wird. Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines als Darlington geschalteten Leistungstransistors, der eine Leistung von mehreren hundert Ampere und mehreren hundert Volt hat. Das entsprechend Darlington geschaltete Transistornetzwerk SN wird wegen der Fähigkeit des schnellen Schaltens bei schweren Strombedingungen bevorzugt. Diese Art Schalter ist Teil der vorliegenden Erfindung, der den Schweißstrom von einem Hochpegel-Hauptstrom auf einen Niederpegel-Hintergrundstrom IB innerhalb weniger als 120 Mikrosekunden absenken muß, wenn der Schalter geöffnet wird oder im nichtleitenden Zustand ist.
Ein geeigneter Spannungssensor, der schematisch als Einrichtung 60 dargestellt ist, und ein Stromsensor 62 liefern der Logiksteuerung L den momentanen Schweißstrom IW und die Lichtbogenspannung EARC, so daß die Logiksteuerung L den Schalter SW öffnet und schließt, um eine Schweißstromsteuerung zu schaffen, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Die grundlegenden Gedanken der vorliegenden Erfindung werden in graphischer Darstellung in der oberen Kurve der Fig. 4 angegeben, wobei die graphische Darstellung Spannungsschwankungen darstellt. Die untere, graphische Darstellung stellt einen Schweißstrom IW durch den Draht und das Werkstück dar, wie er auf einer Zeitbasis mit der oberen Spannungskurve korreliert ist.
Um einen Grundgedanken der vorliegenden Erfindung zu würdigen, die Schmelzfadenenergie zu verringern, um das Spritzen SP zu verringern, wird auf das rechtsseitige Ende des Metallüberführungspulses MT (neu) in Fig. 4 hingewiesen. Dieser Puls hat eine vordere gekrümmte Form, Seite oder Linie 100, die unmittelbar mit dem Abschnitt 102 der Lichtbogenspannung korreliert, die in Verbindung mit einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung beschrieben wird, der an dem linken Ende des Pulses MT verwendet wird. Wenn der Strom IW nach rechts zunimmt, nimmt die Steigung gegebenenfalls ab, wobei die Änderung des Stromes an dem rechten Ende der Linie 100 eine leichte Zunahme der Spannungssteigung bei dem Abschnitt 104 bewirkt. Diese Zunahme bei der Spannung entspricht dem oberen, allgemein flachen Abschnitt des Überführungspulses MT (neu). Wenn der Strom sich einer Nullsteigung annähert und wenn die Spannung eine vergrößerte Steigung erfährt beginnt die Einschnürung N, sich zu bilden, wie es in Fig. 2B gezeigt ist. Zu diesem Zeitpunkt wird in Übereinstimmung mit diesem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung entweder durch Erfassen von di/dt oder dv/dd der Schalter SW geöffnet. Dies verschiebt unmittelbar den Strom zu dem niederen Hintergrundstrompegel IB, der schematisch als ungefähr 50 Ampere in Fig. 4 dargestellt ist. Der Schweißstrom bleibt bei diesem Hintergrundpegel nur solange, wie die Lichtbogenspannung EARC einen vorausgewählten Wert, wie 10 Volt, nicht überschreitet, wie es in der oberen Spannungskurve dargestellt ist. Dann zerreißt die Einschnürung, der Kurzschluß wird entfernt und die Spannung steigt längs der vertikalen Linie 106 an. Wenn die Lichtbogenspannung EARC den ausgewählten, niederen Pegel (das heißt in der Praxis 10 Volt) überschreitet, wenn sie sich längs der Linie 106 bewegt, wird der Schalter SW geschlossen und der Schweißstrom IW bewegt sich längs einer Kurve 110, wobei diese Kurve eine Zeitkonstantenkurve ist, die zu dem Plasma- oder Lichtbogenschweiß-Stromwert IP ansteigt, wie es bei dem Abschnitt 112 gezeigt ist. Dieser Plasmastrom ist als wesentlich oberhalb von 200 Ampere dargestellt. Zur gleichen Zeit nimmt die Spannung ihre feste Zustandsbedingung an dem Abschnitt 108 ein, die als etwas oberhalb von 20 Volt dargestellt ist.
Der Puls MT (neu) bewirkt eine Metallüberführung von dem Schweißstab zu dem Werkstück, das heißt dem geschmolzenen Schweißbad, wie es der herkömmliche Metallpuls MT tat. Die Zeit TP (4) ist der Metallüberführungsabschnitt des Pulses. Der erste Grundgedanke der vorliegenden Erfindung tritt, wie es oben erläutert wurde, an dem Ende des Pulses MT (neu) auf und enthält das Erkennen, wenn die Einschnürung beginnt, ein Schmelzfadenzerplatzen vorweg zu nehmen. Dann wird der Schweißstrom IW auf einen niederen Pegel im wesentlichen unterhalb des Plasmapegels IP durch Öffnen des Schalters SW verschoben, und es wird erneut das Fließen nur des Hintergrundstromes IB durch das Einfügen des Widerstandes R gestattet, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Eine Schmelzfadenexplosion niederer Energie bei niederem Strom tritt auf. Bei der Explosion wird der Metallüberführungspuls beendet, ein Lichtbogen wird hergestellt und die Spannung steigt entlang der Linie 106 an. Dies schließt den Schalter SW. Der Hauptstrom kann fließen und nimmt entlang des Zeitkonstantenabschnittes 110 zu, der von dem niederen Pegel IB startet, der mit weniger als 50 Ampere in Fig. 4 dargestellt ist. Die schnelle Zunahme des Schweißstromes entlang der Linie 110 in Richtung zu dem Plasmapegel 112 ist eine Zeitkonstantenkurve. Durch Verwendung des Schalters SW schwingt der Stromwiederaufbau nicht nach oben über den normalen Plasmapegel IP hinaus. Ein solches unerwünschtes Stromschwingen würde Steuerschwierigkeiten beim Wiedraufnehmen des Lichtbogens bewirken, da der angewendete Strom wesentlich höher wird als für die tatsächliche Zündung und das Aufrechterhalten des Plasma benötigt wird. Gemäß diesem ersten Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ist die Schaltung SC ausgelegt, den Strom auf einen niederen Pegel beim Erkennen einer beginnenden Schmelzfadenexplosion abzusenken. Ferner wird der Schweißstrom IW auf dem Hintergrundpegel IB während einer Zeit T&sub3; gehalten, die in der Praxis 1,0 ms ist. Jedoch hat die Schaltung SC einen Steuerparameter, so daß, wenn immer die Spannung VARC einen vorausgewählten Pegel überschreitet, 10 Volt bei diesem Beispiel, der Schalter SW geschlossen wird. Da die Lichtbogenspannung zunimmt, wenn die Einschnürung N zerreißt, tritt der Spannungsanstieg stets vor der Zeit T&sub3; auf. Infolgedessen ist die Haltewirkung der Schaltung SC für die Zeitverzögerung T&sub3; nur ein Sicherheitsmerkmal, das sicherstellt, daß der Strom IW schließlich zur Bewegung auf den Plasmapegel IP an dem Punkt oder der Position 112 freigegeben wird, nachdem er zu dem Hintergrundpegel 13 längs der allgemein vertikalen Linie 114 gerade vor dem Zerreißen der Einschnürung verschoben worden ist.
Das Schalten auf einen niederen Pegelwert IB wird entlang der vertikalen Linie 114 durchgeführt, was schnell genug ist, um eine Verringerung des Stromes mit einem Verhältnis von ungefähr 6 : 1 sicherzustellen. Eine genaue Steuerung des Schweißstromes wird durch die vorliegende Erfindung unter Verwendung des Darlington-Schalters SW durchgeführt, der ein unmittelbares Abschalten des Stromes IW ohne Stromspeicherung in Ausgangsinduktoren oder Stromverbindungsleitungen liefert, die die Rückführungskurve ergeben würde, die beträchtlich den Plasmapegel 112 überschreitet.
Es wird nun auf die Fig. 5 Bezug genommen; eine Schaltung zum Erfassen des oberen Endes 52 eines Metallüberführungspulses ist als eine di/dt-Erfassungseinrichtung dargestellt, wodurch, wenn sich der Strom von einer positiven Steigung zu einer Nullsteigung verschiebt, ein geeigneter Ausgang von der Leitung 120 durch die Logiksteuerung L verarbeitet und verwendet wird, den Schalter SW zu öffnen. Diese Schaltung nimmt die erste Ableitung des Schweißstromes IW durch die Differenziereinrichtung 122. Die Ableitung auf der Leitung 124 wird durch den Verstärker 126 verstärkt und dem Eingang 128 des Komparators 130 zugeführt. Der Ausgang liefert ein Logiksignal, das anzeigt, wenn K di/dt auf einem vorausgewählten Pegel ist. Andere Anordnungen könnten zum Erfassen des oberen Endes 52 des Pulses MT vorgesehen sein. Die Zeit zwischen diesem oberen Ende 52 und dem Schmelzfadenbruchpunkt 54 wird durch den Abstand TN angegeben. Wie man durch den Maßstab der graphischen Darstellung in Fig. 3 erkennen kann, ist die Zeit TN ziemlich klein. Infolgedessen wird, sobald ein Erfassungssignal auf der Leitung 120 erzeugt wird, der Schalter SW unmittelbar geöffnet. Dies zieht den Strom IW entlang der Linie 114 nach unten auf den Hintergrundstrompegel IP. Der Strom 13 ist wesentlich niederer als der Plasmastrom IP, wie es in Fig. 4 angegeben ist.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Spritzsteuerung SC mit einem Merkmal vorgesehen, das das Spritzen verringert, das durch das Phänomen von beginnenden Kurzschlüssen hervorgerufen wird. Gemäß diesem Merkmal wird, wie es graphisch in Fig. 4 gezeigt ist, der Lichtbogen- oder Plasmastrom IP unmittelbar auf weniger als 50 Ampere (das heißt den Hintergrundpegel IB) abgesenkt, wenn irgendeine Art von Kurzschluß auftritt. Die Spannung fällt schnell längs der Linie 116 ab, der Strom IW fällt längs der Linie 118 dadurch, daß die Logiksteuerung L den Schalter W öffnet. Der Schweißstrom IW wird zu dem Hintergrundstrom IB verschoben, wenn der Kurzschluß zuerst auftritt. Der Hintergrundstrom 13 wird hauptsächlich durch den Wert des Widerstandes R gesteuert und während einer vorausgewählten Zeit oder eines Zyklus T&sub1; bei IB gehalten. Nachdem dieser Zyklus oder die Zeit T&sub1; abgelaufen ist, wird der Schalter SW geschlossen und die Spannung beginnt bei dem niederen Pegel 120 auf den festen Zustandspegel 102 anzusteigen, wie es vorhergehend erörtert wurde. Dieser Abfall des Stromes, sobald ein Kurzschluß erfaßt wird, und das Halten des niederen Pegels während einer ausgewählten Zeit schließt ein beginnendes Spritzen aus.
Um zu würdigen, wie die Spritzsteuerung das Spritzen von beginnenden Kurzschlüssen verringert, sind gewisse technische Eigenschaften des "beginnenden Kurzschluß" -Phänomens diagrammartig in den Fig. 6A, 6B, 6C, 6D, 7 und 8 dargestellt. Wenn, nun Bezug nehmend auf Fig. 6A, eine Kugel D an dem Ende des Drahtes 22 gebildet wird, haftet die Kugel zu gewissen Zeiten nicht unmittelbar durch Oberflächenspannung an dem geschmolzenen Schweißbad an. Die Kugel mag gerade das Schweißbad berühren, wie es in Fig. 2B gezeigt ist. Dies wird dadurch erklärt, daß erkannt wird, daß das Schweißbad geschmolzenes Metall ist, das hohen Lichtbogenströmen sowie der Schwerkraft und magnetomotorischen Kräften ausgesetzt wird. Es gleicht einem welligen Wasserkörper. In vielen Fällen greift das Schweißbad an der Kugel B, wie es in Fig. 6B gezeigt ist, während einer kurzen Zeit durch ein geschmolzene Metallfront ein, die die Kugel B trifft. Die elektrischen und mechanischen Kräfte, die durch die Wellenfronten in dem Schweißbad hervorgerufen werden und an der Kugel B eingreifen, treiben manchmal die Kugel von dem welligen Schweißbad fort. Dies ist in Fig. 6C gezeigt. Infolgedessen gibt es einen Kurzschluß, wenn die Kugel B das Schweißbad WP berührt. Dieser Kurzschluß kann unmittelbar durch mechanische Kräfte geöffnet werden, wie es in Fig. 6C gezeigt ist. Wenn dieser Vorgang andauert und die Kugel B nicht von dem Schweißbad aufgenommen wird, wächst die Kugel durch die fortlaufende Schmelzwirkung an dem Ende des Drahtes 22 weiter. Schließlich kann die Kugel B von dem Schweißbad als eine beträchtliche Masse an geschmolzenem Metall fortgetrieben werden. Das ist eine Form von Spritzen. Aufgrund der Metallmasse in der Kugel ergibt das mechanische Spritzen, das durch diese beginnenden Kurzschlüsse bewirkt wird, daß Metallhäufchen zufällig unmittelbar nahe dem Schweißbereich abgesetzt werden. Diese Spritzteilchen stellen wesentliche Schwierigkeiten beim Reinigen dar und bewirken eine Vergeudung von Schweißmaterial und Schweißenergie. Fig. 7 stellt die Strom- und Spannungsschwankungen während eines beginnenden Kurzschlusses dar, wenn die Kugel B das Schweißbad WP berührt, wie es in Fig. 6B gezeigt ist. Wenn die Kugel berührt, aber nicht überträgt, schwingt sie fort, wie es in Fig. 6C dargestellt ist. Der Strom durch die Kugel B nimmt zu, wenn die Kugel das Schweißbad berührt. Dieser erhöhte Strom bewirkt Kräfte, da der Lichtbogen wiederhergestellt wird, in Fig. 6C, die dazu neigen, die Kugel B von dem Schweißbad fortzutreiben. Ein beginnender Kurzschluß bewirkt, daß die Lichtbogenspannung nach unten verschoben wird, wenn der Strom zwischen dem Schweißbad und der berührenden Kugel zunimmt. Dies ist in der unteren Kurve der Fig. 7 gezeigt. Sobald es eine durch mechanische Kräfte zwischen der Kugel und dem Schweißbad hervorgerufene Unterbrechung gibt, bewegt sich die Spannung vertikal entlang der Linie 130 auf den Plasma-Lichtbogenspannungspegel nach oben. Da es keine große Berührungsfläche für die Oberflächenspannung gibt, die geschmolzene Kugel B in das Schweißbad beim Zustand eines beginnenden Kurzschlusses zu ziehen, bewirkt der beginnende Kurzschluß, daß die Kugel B wächst, und bewirkt hohe mechanische Kräfte, einen Impuls auf die Kugel B aufzuüben, der dazu neigt, die Kugel von dem Schweißbad fortzuschleudern. Dieses Phänomen des beginnenden Kurzschlusses ist schematisch in Fig. 8 dargestellt, in der der Schweißstrom I- eine Reihe von beginnenden Kurzschlüssen vor einem aktiven Überführungskurzschluß erfährt. In vielen Fällen bleibt die geschmolzene Kugel nach einem oder mehreren beginnenden Kurzschlüssen geschmolzen und geht dann in eine normale Überführung über, ohne ein großes Teilchenspritzen zu bewirken. Jedoch tritt dies häufig nicht auf. Die beginnenden Kurzschlüsse veranlassen, daß die Kugel B wächst und nach außen durch die hohen mechanischen Kräfte während des Kurzschlußzustandes fortgestoßen wird. Wenn die Wirkung der beginnenden Kurzschlüsse, wie es durch die kleinen Pulse 140, 142 in Fig. 8 dargestellt wird, vernachlässigt wird, werden große Teilchenspritzer auftreten. Diese Art von Schweißspritzen stellt mehr Reinigungsschwierigkeiten dar, als Spritzer, die durch Brechen des Schmelzfadens F in Fig. 2C bewirkt werden. Indem die vorliegende Erfindung verwendet wird, den Schweißstrom auf den Hintergrundpegel IB zu verringern, sobald ein Kurzschluß durch einen abgenommenen Spannungspegel erfaßt wird, treten beginnende Kurzschlüsse, wie es schematisch in den Fig. 6A, 6B, 6C, 6D, 7 und 8 gezeigt ist, nicht auf. Der niedere Pegelstrom 13 erlaubt, daß die Metallberührungsfläche zunehmen kann und somit zu einem Überführungskurzschluß entwickelt. Es gibt keinen großen Strom, einen beginnenden Kurzschluß zu erzwingen.
Der Kurvenabschnitt "beginnender Kurzschluß" der Fig. 4 stellt dar, was auftritt, sollte ein beginnender Kurzschluß als das Ergebnis einiger vorübergehender, mechanischer Aufrührung während der Zeit T&sub1; auftreten, wenn der Niederpegel- Strom 13 angewendet wird. Es wird erneut auf die Fig. 4 Bezug genommen, wobei der Zyklus oder die Zeit T&sub1; 1,0 ms sind, wobei diese Zeit im wesentlichen größer als die Dauer des beginnenden Kurzschlusses ist, die durch die Weite der Pulse 140, 142 beim Stand der Technik bestimmt ist, wie es in Fig. 8 gezeigt ist. Es sei angenommen, daß ein beginnender Kurzschluß bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung auftritt, so erkennt, sobald der Kurzschluß auftritt, wie es in Fig. 6B gezeigt ist, die Überlagerungssteuerung das Verringern der Lichtbogenspannung auf einen Wert unterhalb des vorausgewählten Schaltwertes. Somit wird der Schweißstrom durch das Öffnen des Schalters SB nach unten verschoben. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der während irgendeines Kurzschlusses fließende Strom verringert, womit die mechanischen Kräfte verringert werden, von denen bekannt ist, daß sie einen beginnenden Kurzschlußzustand bewirken. Der Strom IB ist bedeutend unterhalb des Hauptstrompegels, so daß eine großflächige Berührung und eine Überführung der Kugel in das Schweißbad erleichtert werden.
Sollte am Punkt 150, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, eine mechanische Aufrührung die Kugel B von dem Schweißbad fortbewegen, wie es in Fig. 6B gezeigt ist, wird der Lichtbogen beim Strompegel IB wiederhergestellt. Dies minimiert die enthaltene Energie, wenn dieser kleine Schmelzfaden explodiert, um mit diesem kleinen Schmelzfaden verbundenes Spritzen zu verringern. Die Lichtbogenspannung verschiebt sich schnell nach oben entlang der Kurve 152. Sobald die Lichtbogenspannung den vorausgewählten Wert überschritten hat, was ein Überlagern ist, einen während der ganzen Zeit in der Steuerung Sc gültige Schaltbedingung, würde der Schalter SB geschlossen werden. Der Schweißstrom IW würde dann von dem Hintergrundstrompegel IB auf den Plasmastrompegel IP ansteigen.
Die Stromversorgung 10 ist ein Konstantspannungsgerät, das auf eine Plasmaspannung von ungefähr 20-30 Volt eingestellt ist, und es versorgt einen Kurzschluß im allgemeinen im Bereich von 1-6 Volt. Wenn diese Art Gerät verwendet wird, gestattet das Anwenden eines Hauptstromes, indem der Schalter SW geschlossen wird, daß der Schweißstrom den normalen, unbehinderten Strompegel erreicht, der schematisch als die ansteigende Linie 100 in Fig. 4 dargestellt ist. Wenn der Schalter SW geöffnet wird, steuert der Widerstand R den Schweißstrom auf den niederen Hintergrundpegel IB. In Wiederholung bei der vorliegenden Erfindung gilt, daß der Hauptstrom der normale, unbehinderte Strom und der Hintergrundstrom der Strom ist, der durch den Widerstand gesteuert wird.
Es wird nun auf die Fig. 9 und 10 Bezug genommen, wobei ein Vorteil bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung dargestellt wird. In Übereinstimmung mit der Erfindung steigt während der Metallüberführung der Strom, wenn der Schalter SW geschlossen ist, wie es durch den Puls MT (neu) gezeigt ist, von einem Niederpegel-Hintergrundstrom IB auf einen erfaßten, oberen Abschnitt 52a an, zu welcher Zeit der Schalter SW geöffnet wird und der Strom entlang des Abschnittes 180 abstützt. Diese Wirkung wird durch die Zeitkonstante beeinflußt, die die induktive Reaktanz XL der Drossel 190 enthält, die üblicherweise innerhalb der Stromversorgung 10 ist. Diese Induktanz wird auch durch die Länge der Leiter 12, 14 erzeugt, die sich von der Stromversorgung zu der Düse 20 und dem Werkstück 30 erstrecken. Die Zeit, um vom oberen Ende 52a auf den Hintergrundstrom 13 abzufallen, der in der geoffenbarten Formeln als IB dargestellt ist, ist relativ kurz. Somit wird der Strom zum Zeitpunkt des Schmelzfadenrisses von der Vorlaufzeit des Schalterabschaltens vor dem Zerreißen des Schmelzfadens abhängig. Vorlaufzeiten wurden ausgewählt, damit der Schmelzfadenbruch bei ungefähr 10% der Höhe am oberen Ende 52a bewirkt wird, wenn sie 200 Ampere ist. Diese Stromverringerung nach dem Erreichen des oberen Endes 52a kombiniert mit dem anfänglichen Abfall von dem Plasmastrom IP auf den Hintergrundstrom 13 ergibt eine wesentliche Verringerung der Trennenergie, wenn der Schmelzfaden F explodiert oder zerplatzt in Antwort auf einen weiteren Stromfluß durch den Schweißdraht 22. Die Verringerung der Energie wird somit durch zwei Phänomene erreicht. Eines ist das Beginnen des Überführungspulses bei einem niederen Hintergrundpegel, das heißt in Praxis bei weniger als 50 Ampere. Das zweite ist die Verwendung eines Darlington-Transistorschalters, um unmittelbar den Schalter zu öffnen und den Strom auf einen durch den Widerstand R gesteuerten Pegel zu bringen.
Eine Stromversorgung oder ein Schweißsystem, das die vorliegende Erfindung verwendet, weist drei bestimmte Stufen auf, den Schweißstrom zu bestimmen. Zuerst ist der Strom auf dem Plasmapegel während der Lichtbogenbedingung. Zweitens wird der Strom auf einen Hintergrundpegel in Antwort auf einen Kurzschluß heruntergedrückt. Drittens wird am Ende eines Kurzschlusses, der durch Metallüberführung gebildet ist, der Strom erneut niedergedrückt. Während der Metallüberführung wird der Strom durch die elektrischen Parameter der Schaltung gesteuert. Eine schematische Darstellung dieser verschiedenen Schweißstromstufen während eines normalen Metallüberführungspulses ist in Fig. 11 zu finden. Diese Ansicht entspricht allgemein dem Puls MT (neu) in dem unteren Abschnitt der Fig. 4. In der Spritzverringerungs-Steuerschaltung SC wird, wenn immer die Lichtbogenspannung den vorausgewählten Wert überschreitet, in diesem Fall 10 Volt, der Schalter SW geschlossen, um den Hauptstrom durch den Schalter hindurch, zu dem Schweißvorgang zu lenken. Der Hauptschalter wird während des Pulses MT (neu) geschlossen; jedoch verschiebt sich die Hintergrundspannung VB in dem Abschnitt 120 der Fig. 4 nach oben zu dem allgemein horizontalen Abschnitt 102.
Fig. 11 stellt eine Zeitverzögerung T&sub2; dar, die in der Praxis 100 Mikrosekunden ist und unmittelbar nach dem Zyklus T&sub1; auftritt. Wenn dieser Verzögerungszyklus bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, sperrt er die Schaltung, die verwendet wird, zu erfassen, wenn der Schmelzfaden dabei ist, zu zerplatzen, was an einer Stelle nahe dem oberen Ende 52a der Kurve 100 ist. Eine solche Schaltung ist in Fig. 5 dargestellt, um die Änderung des Vorzeichens di/dt zu erfassen. Fig. 13 offenbart eine Schaltung, die eine vorausgewählte Steigung oder Ableitung der Lichtbogenspannung, das heißt dv/dt, mißt und erfaßt. Diese Erfassungsschaltungen sind gesperrt, bis die Zeitverzögerung T&sub2; abgelaufen ist. Der Grund für diese Eigenschaft wird erkannt, wenn der Abschnitt 122 der Lichtbogenspannung unmittelbar nach dem Schließen des Schalters SW betrachtet wird, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Der Strom bewirkt einen Spannungsanstieg, der seinerzeit einen Wert für dv/dt erzeugt, der fälschlicherweise eine dv/dt-Schaltung wegen der Stromzunahme auslösen würde. Dies würde fehlerhafterweise den Schalter SW öffnen. Aus diesem Grund ist eine geringe Verzögerung d&sub2; nach dem Ablauf des Zyklus T&sub1; und Schließen des Schalters SW vorgesehen.
Zum Zeitpunkt der Überführungsschmelze und des Stromabfalls entlang der Linie 114, bevor die Schmelze explodiert, wird eine Zeit T&sub3; eingestellt. Die Zeitverzögerung T&sub3; folgt dem Erfassungssignal 200, das durch eine Erfassung des Punktes auf der Kurve 100 gerade vor der Schmelzfadenexplosion oder dem Schmelzezerplatzen bewirkt wird, und einen maximalen Wert hat. Die Zeitverzögerung T&sub3; ist in Fig. 11 gezeigt; jedoch ist sie selten, wenn sie je verwendet wird. Wenn der Schalter SW in Antwort auf ein Erfassungssignal 200 geöffnet wird, zerplatzt der Schmelzfaden mit geringem Stromfluß. Eine Lichtbogenbedingung zwingt dann die Spannung entlang der Linie 106 der Fig. 4 über die 10 Voltgrenze hinaus, eine Wirkung, die den Schalter SW schließt und veranlaßt, daß der Strom entlang der Linie 110 zum Abschnitt 112 ansteigt, der der Plasmastrompegel ist. Eine beginnende Zunahme der Spannung durch Unterbrechung des Kurzschlusses bringt das System der vorliegenden Erfindung dahin, den nächsten Metallüberführungszyklus zu suchen und die Steuerung am vorderen und rückwärtigen Ende des Schweißstrompulses zu steuern. In dem Zwischenabschnitt liegt ein schwimmender Zustand längs der Linien 100, 102 vor, wie es in Verbindung mit Fig. 4 erläutert worden ist. Sollte der Lichtbogen keine Spannungsüberlagerung bewirken, den Schalter zu schließen, wird der Schalter nach der Zeit T&sub3; geschlossen.
Die Steuerung des Hintergrundstromes tritt auf, wenn ein Steuersignal 210 den Schalter SW öffnet, wie es schematisch in Fig. 12 dargestellt ist. Dieser Vorgang setzt den Widerstand R (1,0 Ohm) unmittelbar in die Schweißschaltung und entfernt einen Stromfluß durch den Schalter SW. Für den Zweck der Erläuterung gewisser Gesichtspunkte der Erfindung wird angenommen, daß der Plasmastrom IP, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, ungefähr 300 Ampere ist. Wenn der Schalter in Antwort auf das Abfallen der Lichtbogenspannung durch einen Kurzschlußzustand geöffnet wird, entwickelt der Stromfluß von 300 Ampere, wenn der Schalter geschlossen ist, 300 Volt über den Widerstand R. Diese hohe Spannung wird unmittelbar über den Darlington-Transistorschalter SW angewendet. Um die Spannung über den Schalter SW während des Abschaltens zu verringern, ist ein Kondensator 192 mit einem Wert von 30 mf parallel zu dem Widerstand R geschaltet. Infolgedessen lädt der Widerstand R unmittelbar den Kondensator 192 auf die 300 Volt des Widerstandes auf. Bei diesem Beispiel würde es ungefähr 30 Mikrosekunden für den Kondensator 192 benötigen, um auf 300 Volt aufzuladen. Die tatsächliche Abfallzeit des Darlington-Kollektorstromes ist kleiner als 5 Mikrosekunden; deshalb schützt das Aufladen des Kondensators 192 den Darlington-Transistor gegenüber einer übergroßen Leistungsschaltungsdissipation. Ein Dämpfungsglied oder Diode 194 verhindert die Entladung des Kondensators 192 über den Schalter SW, wenn der Schalter schließen sollte, wenn der Kondensator 192 voll geladen ist. Der Widerstand R hat wenigstens zwei bestimmte Aufgaben gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Widerstand stellt die Größe des Hintergrundstromes 13 her. Wenn die Spannung von der Stromversorgung 10 20 Volt Gleichspannung ist, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, berechnet sich der Hintergrundstrom zu 20 Ampere, indem 20 Volt durch 1,0 Ohm dividiert werden. Als eine zweite Aufgabe schützt der Widerstand R den Darlington-Transistorschalter SW gegen eine Überspannung. Ein grundlegender Vorteil des Widerstandes R ist, daß mit dem Widerstand R parallel zu dem Darlington-Schalter SW keine Notwendigkeit für eine zweite Stromquelle vorliegt, um den Hintergrundstrom zu erzeugen. Ferner besteht keine Notwendigkeit für eine komplizierte Schaltung, die versucht, den Strom auf der Grundlage von erfaßten Bedingungen oder Parametern zu steuern. Lediglich dadurch, daß der Widerstand R parallel zu dem Darlington- Schalter SW angeordnet wird, wird der Hauptstrom erzeugt, wenn der Schalter geschlossen wird, und der Hintergrundstrom 13, wenn der Schalter geöffnet ist. Dies ist das einzigartige Konzept zum Bereitstellen von Strompegeln, die in einem einzigartigen System verwendet werden, um in bequemer Weise das Spritzen sowohl vom elektrischen Typ, der durch das Wachsen der Schmelze F bewirkt wird, und vom mechanischen Typ zu steuern, der durch das beginnende Kurzschlußphänomen veranlaßt wird. Mit in parallel zu dem Widerstand R geschaltentem Kondensator 192 wird von dem Induktor 190 gespeicherte Energie abgeführt, wenn der Schalter zuerst geöffnet wird und nichtleitend ist. Diese Energieabführung tritt schnell auf und wird durchgeführt, bevor der Schalter SW leitend ist oder eingeschaltet ist, wie es durch die unterbrochene Linie 126 in Fig. 4 angegeben ist. Da die Energie zerstreut worden ist, kann die Kurve 110 nach und nach in den Plasmastrompegel entlang einer Kurve übergehen, die durch die Zeitkonstante der Induktanz oder Drossel 190 bestimmt ist. Ohne den Widerstand und seinen Kondensator zum Ableiten der in der Induktanz gespeicherten Energie gäbe es keinen Hintergrundstrom und somit keine Ionisierung, die durch Schmelzwirkung bei Niederstrom gebildet wird, und somit einen instabilen Lichtbogenbeginn oder Lichtbogenwiederaufnahme bewirken.
Die Fig. 13A und 13B beschreiben zusammengenommen die bevorzugte Schaltung zur Umsetzung der Erfindung, die am besten in den Fig. 4 und 11 gezeigt ist. Jeder der Bauteile ist bezeichnet; deshalb ist die Schaltung in gewisser Weise selbsterläuternd und nur eine kurze Beschreibung der Arbeitsweise der Schaltung ist ausreichend, um zu verstehen, wie die Schaltung die Parameter der vorliegenden Erfindung erfüllt. Die Lichtbogenspannung geht durch eine Rauschverringerungsschaltung 300 hindurch, die einen Ausgang 302 hat, der mit ARC-Spannung bezeichnet ist. Eine Bezugsspannung auf der Leitung 304 wird mit dem Ausgang 302 durch den Komparator 310 kombiniert, um an dem Ausgang 312 einen logischen Pegel zu erzeugen. Die Logikpegel auf dieser Leitung steuert einen monostabilen Multivibrator oder Kugel-Pulsgenerator 320, der ausgelöst wird, wenn sich der logische Pegel der Leitung 312 auf Null verschiebt, um anzuzeigen, daß die ARC- Spannung unter den auf Leitung 304 eingestellten Bezug abgenommen hat. Wenn dies auftritt, erscheint ein negativer Impuls von 1,0 ms an dem Q Ausgang 322 zum Steuern der NICHT-UND-Torschaltung 330. Eine logische 0 auf der Leitung 37
322 zwingt den Ausgang 332 der NICHT-UND-Torschaltung 330, daß sie eine logische 1 wird. Dies öffnet den Schalter SW durch eine geeignete Schaltung 340. Die Steuerung der Leitung 322 entspricht allgemein der Steuersignalleitung 210 der Fig. 12. Auf diese Weise wird der Schalter SW während 1,0 ms eingeschaltet, was dem Zyklus T&sub1; entspricht. Sollte die Spannung auf oberhalb des vorausgewählten Wertes zunehmen, der durch die Bezugsleitung 304 bestimmt ist, verschiebt der Rücksetzgenerator 350, dessen einer Eingang 352 mit der Leitung 312 verbunden ist, die Ausgangsleitung 354 auf eine logische 0, wodurch somit der Kugel-Pulsgeneratur 320 gelöscht und der T&sub1; Zeitpuls beendet wird. Eine logische 1 wird auf die Eingangsleitung 322 der Torschaltung 330 angewendet. Zur gleichen Zeit setzt die Rücksetzlogik auf der Leitung 354 den Schmelzzeitgenerator 360 zurück, wenn er noch nicht zurückgesetzt oder gelöscht worden ist. Eine logische 1 wird somit als ein Puls auf die Leitung 362 gegeben. Dieser logische Wert kombiniert mit der logischen 1 am Eingang 322, um eine logische 0 auf der Leitung 332 zu erzeugen. Dies schaltet den Darlington-Transistorschalter SW ein, wenn immer die Lichtbogenspannung den vorausgewählten Wert überschreitet, der bei der bevorzugten Ausführungsform auf 10 Volt gesetzt ist. Diese Spannung ist ausgewählt, daß sie größer als der Spannungsabfall über den Draht 22 ist, um einen ausreichenden, zur Verfügung stehenden Spannungsabfall zur richtigen Erfassung sicherzustellen.
Wie es vorhergehend in bezug auf Fig. 4 erörtert worden ist, kann das Annähern an einen Schmelzfaden F aus dem Auftreten des Einschnürens vorausgesagt werden, wie es durch dv/dt erfaßt wird. In Fig. 13, die beide Fig. 13A und 13B einschließt, wird eine Ableitung der Lichtbogenspannung mit einer Konstanten K für den Zweck des Vorhersagens des Schmelzfadens unmittelbar beim Herstellen der Einschnürung N verglichen. Dies ist schematisch in dem oberen Teil der Fig. 4 beim Abschnitt 104 dargestellt. Um diesen Vergleich von dv/dt mit K auszuführen, verwendet die bevorzugte Schaltung in Fig. 13 ein Abtast- und Haltekonzept. Ein Abtastoszillator 380 erzeugt eine Reihe von Abtastpulsen am Ausgang 382. Dieser wird auf die Abtast- und Halteschaltung 390 angewendet, um die Spannung bei genau beabstandeten Augenblicken abzutasten, wenn die Spannung auf der Leitung 302 empfangen wird. Der Ausgang der Abtast- und Halteschaltung 390 ist die Leitung 392, die eine gehaltene Abtastspannung mit einer Augenblicksspannung auf der Leitung 302 vergleicht. Diese zwei zeitlich beabstandeten Spannungen (das heißt VN und VN-1) werden durch den Komparator 400 verglichen, um einen Spannungsunterschied, wie mit der Zeit verglichen, zu erzeugen. Dieses Differenzsignal wird durch den Verstärker 410 verstärkt, um eine Spannungsdifferenz in bezug auf die Zeit auf der Leitung 412 zu erzeugen. Die Konstante oder K wird durch das Potentiometer 414 ausgewählt, das eine ausgewählte Konstante über die Leitung 416 zu dem Eingang des Flip-Flop 420 über die Leitung 418 führt. Wenn dv/dt die Steigung K überschreitet, wird der Flip-Flop 420 getaktet. Dies gibt eine logische 1 auf die Leitung 422, was eine logische 0 auf der Leitung 362 erzeugt, wobei die Schaltung 340 durch eine logische 1 auf der Leitung 332 abgeschaltet wird. Soweit es beschrieben worden ist, wird, wenn die Spannung kleiner als 10 Volt ist, der Schalter SW während einer Zeit T&sub1; geöffnet, die durch eine Spannungszunahme auf oberhalb von 10 Volt überlagert werden kann, wie es bei einem beginnenden Kurzschluß auftreten würde. Dies bewirkt eine Unterbrechung des Zyklus T&sub1;, wie es durch die Linie 152 in Fig. 4 angegeben ist. Bei während eines Kurzschlusses geschlossenem Schalter SW erwartet das Flip-Flop 420 ein Signal auf der Leitung 418, das anzeigt, daß dv/dt die Konstante K überschritten hat. Wenn dies auftritt, tritt ein Puls von 1,0 ms auf der Leitung 362 auf, wodurch die Leitung 332 auf einer logischen 1 gehalten wird. Dies ist die Zeit oder Zyklus T&sub3;, der in Fig. 4 gezeigt ist, wobei dieser Zyklus im allgemeinen niemals erreicht wird und nur ein Merkmal ist, eine Rückversicherung zu liefern, daß sich das System nach einem Kurzschluß zu einem Plasmastrom verschiebt. Bevor dies auftritt, nimmt die Lichtbogenspannung auf der Leitung 106 auf einem Pegel oberhalb eines vorausgewählten Wertes von 10 Volt zu. Dies veranlaßt den Rücksetzgenerator 310 den Kugel-Pulsgenerator 360 zurückzusetzen, indem eine logische 1 auf die Leitung 322 gegeben wird. Zur gleichen Zeit erzeugt ein Rücksetzpuls auf der Leitung 354 eine logische 1 auf der Leitung 362. Diese zwei logischen 1 Eingaben an die Torschaltung 330 erzeugen eine logische 0 auf der Leitung 332, die den Schalter SW einschaltet.
Die Sperreigenschaft, die durch die Zeit T&sub2; angegeben ist, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, stellt sicher, daß das Ableitungs-Flip-Flop 420 nicht arbeitet, bis 100 Mikrosekunden nach T&sub1; abgelaufen sind. Dies wird durch einen weiteren monostabilen Multivibrator 430 durchgeführt, der einen Ausgang 432 hat, der logisch mit dem logischen Wert auf der Kugel- Pulsleitung 322 durch die NICHT-UND-Torschaltung 440 kombiniert wird. Der Ausgang 442 ist als Löschen-Halten bezeichnet. Er bleibt bei einer logischen 1 bis der Zyklus T&sub1; abläuft, wie es durch den logischen Wert auf Leitung 322 angegeben ist. Danach endet der negative Puls von 100 Mikrosekunden auf der Leitung 432. Dieser Puls ist unten in Fig. 13B gezeigt. Solange eine logische 1 auf der Leitung 442 aufrechterhalten wird, kann der Flip-Flop 420 nicht kippen, um eine logische 1 auf die Leitung 422 zu geben. Infolgedessen hält die Zeit T&sub2; am Ende des Zyklus T&sub1; die Differenzschaltung während einer kurzen Zeit inaktiv, was ermöglicht, daß sich die Spannung und der Strom Stabilisieren und in einem schwimmenden Zustand zu arbeiten, wobei eine endgültige Erfassung bei oder nahe dem oberen Ende 52a des Metallüberführungspulses MT (neu) abgewartet wird.
Es wird nun auf die Fig. 14 Bezug genommen, in der die oberste graphische Darstellung Stufen eines üblichen Kurzschluß-Schweißvorganges darstellt, wobei Lichtbogenstrahlkräfte und Plasma bei der ersten Stufe I erzeugt werden. Die Kugel beginnt in den Stufen II und III zu wachsen. Dann tritt ein beginnender Kurzschluß mit Spritzen bei der Stufe IV auf. Nachdem der beginnende Kurzschluß abgeschlossen worden ist und eine Überführung gestartet ist, beginnt die Kugel, sich bei der Stufe V einzuschnüren. Dann zerplatzt die Schmelze bei der Stufe VI. Strom- und Spannungskurven für diese Stufen sind für ein System ohne eine Spritzverringerungseinrichtung der vorliegenden Erfindung dargestellt und mit "übliches Verfahren" bezeichnet. Die entsprechenden Verfahrenskurven, die die vorliegende Erfindung verwenden, sind in dem unteren Teil der Fig. 14 dargelegt. Wie man sehen kann, hält die vorliegende Erfindung einen gesteuerten Plasmastrom sowie eine Steuerung des Überführungspulses aufrecht, um nahezu Schweißspritzen auszuschließen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung gibt es ein auf eine Spannung ansprechendes Überlagern, wodurch der Hauptstrom angewendet wird, indem der Schalter SW geschlossen wird, wenn immer die Spannung einen vorausgewählten Wert überschritten hat, bei der dargestellten Ausführungsform 10 Volt. Diese Überlagerungsspannung wird allgemein als ungefähr die Hälfte der Lichtbogen- oder Plasmaspannung ausgewählt.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Verringern von Spritzen, wenn eine Schweißstromversorgung zum Absetzen von Metall von einem Schweißdraht auf einem Werkstück durch einen Kurzschluß-Überführungsmodus verwendet wird, bei dem ein Schweißstrom bewirkt, daß der Schweißdraht zwischen einem Kurzschlußzustand und einem Lichtbogenzustand abwechselt, wobei die Metallüberführung während eines Kurzschlußzustandes eine Überführungszeit TP verlangt, während welcher Überführungszeit der Schweißstrom ansteigt und dann abfällt.
Die Einrichtung kann umfassen:
(a) eine Einrichtung zum Erfassen einer Steuerspannung, die die Spannung zwischen dem Schweißdraht und dem Werkstück anzeigt;
(b) eine Komparatoreinrichtung zum Erzeugen eines Kurzschlußsignals, wenn die genannte Steuerspannung kleiner als eine vorausgewählte, einen kurzschlußzustandanzeigende Spannung ist, und eines Lichtbogensignals, wenn die genannte Steuerspannung größer als die genannte vorausgewählte Spannung ist;
(c) eine Schalteinrichtung mit einem ersten geschalteten, leitenden Zustand, bei dem der genannte Schweißstrom ein hoher Hauptstrom ist, der den normalen, ungehinderten Strompegel erreichen kann, und mit einem zweiten geschalteten, nichtleitenden Zustand, bei dem der genannte Schweißstrom ein Niederpegel-Hintergrundstrom ist;
(d) eine Einrichtung zum Erfassen eines vorausgewählten elektrischen, kennzeichnenden Parameters, der unmittelbar vor einer plötzlichen Änderung von dem Kurzschluß zustand, bei dem das Drahtmetall das Werkstück berührt, zu dem Lichtbogenzustand während der Metallüberführungszeit TP auftritt, und eine Einrichtung zum Verschieben der genannten Schalteinrichtung in den genannten zweiten Zustand beim Erfassen des genannten Parameters.
Die Einrichtung kann andererseits umfassen:
(a) Eine Einrichtung zum Erfassen einer Steuerspannung, die die Spannung zwischen dem Schweißdraht und dem Werkstück anzeigt;
(b) eine Komparatoreinrichtung zum Erzeugen eines Kurzschlußsignals, wenn die genannte Steuerspannung kleiner als eine vorausgewählte, einen kurzschlußzustandanzeigende Spannung ist, und eines Lichtbogensignals, wenn die genannte Steuerspannung größer als die genannte vorausgewählte Spannung ist;
(c) eine Schalteinrichtung mit einem ersten geschalteten, leitenden Zustand, bei dem der genannte Schweißstrom ein Hauptstrom ist, der den normalen, ungehinderten Strompegel erreichen kann, und mit einem zweiten geschalteten, nichtleitenden Zustand, bei dem der genannte Schweißstrom ein Niederpegel-Hintergrundstrom ist;
(d) eine Einrichtung zum Erfassen eines vorausgewählten elektrischen, kennzeichnenden Parameters, der unmittelbar vor einer plötzlichen Änderung von dem Kurzschluß zustand, bei dem das Drahtmetall das Werkstück berührt, zu dem Lichtbogenzustand während der Metallüberführungszeit TP auftritt, und eine Einrichtung zum Verschieben der genannten Schalteinrichtung in den genannten zweiten Zustand beim Erfassen des genannten Parameters und
(e) wobei die genannte Schalteinrichtung ein Festkörperschalter in Reihe mit dem genannten Draht und Werkstück und einem Überbrückungswiderstand parallel zu dem genannten Festkörperschalter ist, um den genannten Hintergrundstrom festzulegen, wenn der genannte Schalter nichtleitend ist.
Die Einrichtung kann alternativ umfassen:
(a) eine Einrichtung zum Erfassen einer die Spannung zwischen dem Schweißdraht und dem Werkstück anzeigende Steuerspannung;
(b) eine Einrichtung zum Verschieben des genannten Schweißstromes auf einen niederen Hintergrundstrompegel, wenn die genannte Steuerspannung unterhalb eines gegebenen Wertes abfällt, wobei dies einen Kurzschlußzustand darstellt;
(c) eine Einrichtung zum Erfassen einer Einschnürung des Metalls von dem genannten Draht zwischen einem Kurzschlußzustand und einem Lichtbogenzustand;
(d) eine Einrichtung zum Verschieben des genannten Schweißstromes zu dem genannten niederen Hintergrundpegel, wenn das genannte Einschnüren erfaßt wird; und
(e) eine Einrichtung zum Halten des genannten Schweißstromes auf dem genannten Hintergrundpegel bis die genannte Steuerspannung auf oberhalb des genannten gegebenen Wertes ansteigt oder bis eine gegebene Zeit abläuft.
Die Einrichtung kann umfassen:
(a) eine erste Verschiebeeinrichtung zum Verschieben des genannten Schweißstromes von dem genannten Plasmapegel auf einen Niederpegel-Hintergrundwert, wenn ein Kurzschlußzustand zuerst auftritt;
(b) eine Einrichtung zum Halten des genannten Schweißstromes auf dem genannten Hintergrundwert während einer vorausgewählten Zeit;
(c) eine Einrichtung, die dann gestattet, daß der genannte Schweißstrom von dem genannten niederen Pegel während des genannten Kurzschlußzustandes zum Übertragen von Metall zu dem genannten Werkstück ansteigt;
(d) eine Einrichtung zum Erfassen, wenn das genannte Überführungsmetall beginnt, sich in Vorbereitung eines Schmelzrisses einzuschnüren;
(e) eine Einrichtung zum erneuten Verschieben des genannten Schweißstromes zu dem genannten Niederpegel-Hintergrundwert; und
(f) eine zweite Verschiebeeinrichtung zum Verschieben des genannten Schweißstromes zurück zu dem genannten Plasmapegel, wobei der nächstfolgende Kurzschlußzustand erwartet wird.
In einem solchen Fall mag die Einrichtung eine Einrichtung zum Erfassen der Lichtbogenspannung einschließen, und wobei die genannte erste Verschiebeeinrichtung auf die genannte Lichtbogenspannung anspricht, die kleiner als ein vorausgewählter Wert ist, und die zweite Verschiebeeinrichtung auf die genannte Lichtbogenspannung anspricht, die größer als ein vorausgewählter Wert ist, wobei die zwei ausgewählten Spannungswerte vorzugsweise im wesentlichen gleich sind.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verringern des Spritzens, wenn eine Schweißstromversorgung verwendet wird, um Metall von einem Schweißdraht auf einem Werkstück durch einen Kurzschluß-Überführungsmodus abzusetzen, wobei ein Schweißstrom bewirkt, daß der Schweißdraht zwischen einem Kurzschlußzustand und einem Lichtbogenzustand wechselt, wobei die Metallüberführung während eines Kurzschlußzustandes eine Überführungszeit TP verlangt, wobei während der Überführungszeit der Schweißstrom ansteigt und dann abfällt.
Das Verfahren kann die Schritte umfassen:
(a) Erfassen einer die Spannung zwischen dem Schweißdraht und dem Werkstück anzeigenden Steuerspannung;
(b) Erzeugen eines Kurzschlußsignals, wenn die genannte Steuerspannung kleiner als eine vorausgewählte Spannung ist, die einen Kurzschlußzustand anzeigt, und eines Lichtbogensignals, wenn die genannte Steuerspannung größer als die genannte vorausgewählte Spannung ist;
(c) Erfassen eines vorausgewählten, elektrischen, kennzeichnenden Parameters, der unmittelbar vor einer plötzlichen Änderung von dem Kurzschlußzustand, bei dem der Metalldraht das Werkstück berührt, in den Lichtbogenzustand während der Metallüberführungszeit TP auftritt, und eine Einrichtung zum Verschieben der genannten Schalteinrichtung in den genannten zweiten Zustand beim Erfassen des genannten Parameters;
(d) Verschieben des genannten Schweißstromes zu einem Hintergrund mit niederem Pegel beim Erfassen des genannten vorausgewählten, elektrischen Merkmals;
(e) Halten des genannten Schweißstromes allgemein auf dem genannten Hintergrundstromwert während einer vorausgewählten Zeit;
(f) dann zu gestatten, daß der genannte Schweißstrom den normalen, ungestörten Strompegel erreicht; und
(g) Bewirken, daß der genannte Halteschritt vor der genannten ausgewählten Zeit in Antwort auf einen Lichtbogenzustand beim Erzeugen eines Lichtbogensignals abgeschlossen wird.
In einem solchen Fall ist der Parameter die Steigung der Spannungskurve während eines ausgewählten Abschnittes der genannten Überführungszeit.
Das Verfahren kann andererseits die folgenden Schritte umfassen:
(a) Verschieben des genannten Schweißstromes von dem genannten Plasmapegel zu einem Niederpegel-Hintergrundwert, wo ein Kurzschlußzustand zuerst auftritt;
(b) Halten des genannten Schweißstromes auf dem genannten Hintergrundwert während einer vorausgewählten Zeit;
(c) dann zu gestatten, daß der genannte Schweißstrom von dem genannten niederen Pegel während des genannten Kurzschlußzustandes zum Überführen von Metall auf das genannte Werkstück ansteigt;
(d) Erfassen, wenn das genannte Überführungsmetall beginnt, sich in Vorbereitung auf einen Schmelzeriß einzuschnüren;
(e) Verschieben des genannten Schweißstromes zu dem genannten Niederpegel-Hintergrundwert; und
(f) Verschieben des genannten Schweißstromes zurück zu dem genannten Plasmapegel, wobei der nächste folgende Kurzschlußzustand erwartet wird.
In einem solchen Fall kann das Verfahren das Erfassen der Lichtbogenspannung, das Aktualisieren des genannten ersten Verschiebungsschrittes in Antwort darauf, daß die genannte Lichtbogenspannung kleiner als ein vorausgewählter Wert ist, und das Aktivieren des genannten zweiten Verschiebungsschrittes in Antwort darauf enthalten, daß die genannte Lichtbogenspannung größer als ein ausgewählter Wert ist.
Der Erfassungsschritt kann ferner die Schritte einschließen:
(g) Messen von di/dt des Schweißstromes; und
(h) Erfassen, wenn sich das Vorzeichen von di/dt ändert.
Als eine Alternative zu diesem weiteren Schritt kann dv/dt der Lichtbogenspannung erfaßt werden, dem das Erfassen folgt, wenn die Steigung von dv/dt einem ausgewählten Wert gleicht.

Claims

1. Eine Einrichtung zur Verringerung von Spritzen, wenn eine Schweißstromversorgung verwendet wird, um Metall von einem Schweißdraht auf einem Werkstück durch den Kurzschluß-Überführungsmodus abzusetzen, wobei ein Schweißstrom bewirkt, daß der Schweißdraht zwischen einem Kurzschlußzustand und einem Lichtbogenzustand abwechselt, wobei die Metallüberführung während eines Kurzschlußzustandes eine Überführungszeit TP verlangt, wobei während der Überführungszeit der Schweißstrom ansteigt und dann abfällt, wenn ein geschmolzener Abschnitt des genannten Drahtes zu dem genannten Werkstück überführt wird, wobei die genannte Einrichtung umfaßt:

eine Einrichtung (60) zum Erfassen einer die Spannung zwischen dem Schweißdraht und dem Werkstück anzeigenden Steuerspannung;

eine Komparatoreinrichtung (310) zum Erzeugen eines "Kurzschluß"-Signals, wenn die genannte Steuerspannung kleiner als eine einen kurzschlußzustandanzeigende, vorausgewählte Spannung ist und eines "Lichtbogen"- Signals, wenn die genannte Steuerspannung größer als die genannte vorausgewählte Spannung ist;

eine Schalteinrichtung (340), die einen nichtleitenden Zustand aufweist, bei dem der genannte Schweißstrom ein Niederpegel-Hintergrundstrom ist, und einen leitenden Zustand;

eine Verschiebeeinrichtung (330), die auf das genannte "Kurzschluß"-Signal zum Verschieben der genannten Schalteinrichtung in den genannten nichtleitenden, geschalteten Zustand anspricht;

eine Einrichtung (320) zum Halten der genannten Schalteinrichtung in dem genannten nichtleitenden Zustand während einer maximalen Zeit (T&sub1;), die kleiner als die genannte Überführungszeit TP ist; und

eine Einrichtung (390, 400) zum Erfassen des Wertes eines vorausgewählten, elektrischen Parameters (dv/dt, di/dt), der gerade vor einer plötzlichen Änderung von dem Kurzschlußzustand, bei dem der Metalldraht das Werkstück berührt, in den Lichtbogenzustand während der Metallüberführungszeit TP auftritt;

dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Verschiebeeinrichtung (330) und Halteeinrichtung (320) arbeiten, die Schalteinrichtung (340) in den genannten leitenden Zustand beim Ablaufen der genannten maximalen Zeit (T&sub1;) zurückzuführen; und zusätzliche Rücksetzeinrichtungen (350) vorgesehen sind, um ebenfalls die genannte Schalteinrichtung in den leitenden Zustand beim Erzeugen eines "Lichtbogen"-Signals vor Ablauf der genannten maximalen Zeit (T&sub1;) zurückzuführen und um die genannte Schalteinrichtung (340) in den genannten nichtleitenden Zustand beim Erfassen des genannten Wertes des genannten vorausgewählten, elektrischen Parameters (dv/dt, di/dt) zurückzuführen, der die beginnende Metallüberführung anzeigt.

2. Eine Einrichtung, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Rücksetzeinrichtung eine Rücksetzschaltung (350) zum Beenden der Arbeitsweise der Halteeinrichtung (320) beim Erfassen eines Lichtbogenzustandes und eine Flip-Flop- Schaltung umfaßt, die auf die genannte Erfassungseinrichtung (390, 400) zum Rücksetzen der Schalteinrichtung in den genannten nichtleitenden Zustand umfaßt.

3. Eine Einrichtung, wie sie entweder in Anspruch 1 oder Anspruch 2 beansprucht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Hintergrundstrom kleiner als 50 Ampere ist.

4. Eine Einrichtung, wie sie in irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Schalteinrichtung (340) einen Festkörperschalter enthält, der in Reihe mit dem genannten Draht und dem Werkstück geschaltet ist, und ein Widerstand (R) mit kleinem Widerstandswert parallel dazu vorgesehen ist, um den genannten Hintergrundstrom zu steuern, wenn die genannte Schalteinrichtung in dem genannten nichtleitenden Zustand ist.

5. Eine Einrichtung, wie in Anspruch 4 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner einen Kondensator (192) parallel zu dem genannten Widerstand (R) und eine Dämpfungsdiode (194) in der genannten Parallelschaltung und in Reihe mit dem genannten parallelen Widerstand und Kondensator umfaßt.

6. Eine Einrichtung, wie in irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Stromversorgung eine Ausgangsdrossel (190) enthält und die genannten Schalteinrichtungen zwischen der genannten Drossel und dem genannten Schweißdraht angeordnet sind.

7. Eine Einrichtung, wie in irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Schalteinrichtung einen Leistungstransistor vom Darlington-Typ umfaßt.

8. Eine Einrichtung, wie in irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Überführungszeit TP im allgemeinen Bereich von 2-5 ms ist und die genannte maximale Zeit des Zyklus T&sub1; im wesentlichen kleiner als 2 ms ist, vorzugsweise im Bereich von 1,0 ms.

9. Eine Einrichtung, wie in irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte elektrische Parameter ein Unterschied zwischen der Zeitbasissteigung einer elektrischen Kennlinie, vorzugsweise dv/dt der Spannung, die den genannten Schweißstrom bewirkt, und einem Bezugswert ist.

10. Eine Einrichtung, wie in irgendeinem vorhergehenden Anspruch beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Erfassungseinrichtung eine Einrichtung (390) zum Messen und Speichern eines elektrischen Merkmals und eine Einrichtung (400) zum Vergleichen des Unterschiedes zwischen dem Wert des genannten gespeicherten Merkmals und einem gegenwärtigen Wert des genannten Merkmals mit einem Bezugswert umfaßt, um den genannten Parameter zu erfassen.

11. Eine Einrichtung, wie in irgendeinem vorhergehenden Anspruch beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung (430) zum Sperren der genannten Erfassungseinrichtung während einer Zeit T&sub2; unmittelbar nach dem Zyklus T&sub1; umfaßt, wobei die genannte Zeit T&sub2; im Bereich von 50-100 Mikrosekunden ist.

12. Ein Verfahren zur Verringerung von Spritzen, wenn eine Schweißstromversorgung mit einer Eingangsspannung, die zwischen einer Elektrode und einem Werkstück erzeugt wird, verwendet wird, um Metall von einem Schweißdraht auf einem Werkstück durch einen Kurzschluß-Überführungsmodus abzusetzen, wobei ein Schweißstrom von der genannten Stromversorgung bewirkt, daß der Schweißdraht zwischen einem Kurzschlußzustand mit einer Spannung niederen Pegels und einem Lichtbogenzustand mit einer hohen Spannung wechselt, wobei die Metallüberführung während eines Kurzschlußzustandes eine Überführungszeit (TP) verlangt, wobei während der Überführungszeit der Schweißstrom auf einen maximalen Wert ansteigt und dann abfällt, wobei das genannte Verfahren umfaßt:

(a) Verschieben des genannten Schweißstromes zu einem Niederpegel-Hintergrundstromes in Antwort auf einen Kurzschlußzustand, der durch Abnahme des Spannungspegels erfaßt worden ist;

(b) Halten des genannten Schweißstromes auf dem genannten niederen Hintergrundstrom während einer maximalen Zeit (T&sub1;), die kleiner als die genannte Überführungszeit (TP) ist; und

(c) Erfassen des Wertes eines vorausgewählten, elektrischen Parameters gerade vor einer plötzlichen Änderung von dem Kurzschlußzustand, bei dem der Metalldraht das Werkstück berührt, zu dem Lichtbogenzustand während der Metallüberführungszeit (TP) auftritt;

gekennzeichnet durch

(d) Gestatten, daß der genannte Schweißstrom den normalen, ungehinderten Strompegel nach dem Ablauf der genannten maximalen Zeit (T&sub1;) erreicht;

(e) Beenden des genannten Halteschrittes vor der genannten maximalen Zeit (T&sub1;) in Antwort auf einen Lichtbogenzustand, der durch eine Zunahme des Spannungspegels angezeigt wird, und Erlauben, daß der Schweißstrom den normalen, ungehinderten Strompegel erreicht;

(f) Verschieben des Schweißstromes zu dem genannten Hintergrundstromzustand in Antwort auf das Erfassen einer beginnenden Metallüberführung beim Schritt (c), wodurch ein neuer Lichtbogen bei Niederstrombedingungen erzeugt wird.

13. Ein Verfahren, wie in Anspruch 12 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des genannten Hintergrundstromwertes zu dem genannten maximalen Wert des genannten Stromes während der genannten Überführungszeit wenigstens so klein wie ungefähr 1 : 3 ist.

14. Ein Verfahren, wie in entweder Anspruch 12 oder Anspruch 13 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (c) das Erfassen der Steigung des Schweißstromes oder der Schweißspannung während der Überführungszeit TP umfaßt; der Schritt (f) das Verschieben des genannten Schweißstromes zu dem genannten Hintergrundstrom umfaßt, wenn der genannte Schweißstrom einen Pegel bei oder gerade jenseits seines maximalen Wertes erreicht, wie er durch den genannten Erfassungsschritt bestimmt wird; und ferner umfaßt (g), erneut den genannten Schweißstrom allgemein auf dem genannten Hintergrundstromwert während einer vorausgewählten Zeit zu halten; und (h) erneut zu veranlassen, daß der genannte zweite Halteschritt vor der genannten vorausgewählten Zeit in Antwort auf einen Lichtbogenzustand beendet wird.

15. Ein Verfahren, wie in Anspruch 14 beansprucht, gekennzeichnet durch Einschließen der weiteren Schritte:

(i) Verhindern des genannten Steigungserfassungsschrittes während einer sehr kurzen Zeit nach dem genannten ersten Halteschritt; und

(j) dann Erlauben, daß der genannte Schweißstrom den Strompegel erreicht, wie er in Schritt (e) festgelegt ist.