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Technischer Bereich
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Schweißbrenner zum MIG/MAG-Schweißen mit mehreren
Schweißelektroden
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1, und eine Anlage mit dem Schweißbrenner in Kombination mit
einem Manipulator gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 12.
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Hintergrund
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Beim
Metall-Schutzgasschweißen,
welches hiernach als MIG/MAG-Schweißen bezeichnet wird, besteht
die Ausrüstung
aus einem Schweißbrenner, einer
Schweißenergiequelle,
einem Drahtzuführmechanismus,
einer Drahtspule für
eine Schweißelektrode,
Schweißverkabelung
und Schutzgasausrüstung.
In dem Fall mechanisierten oder automatisierten Schweißens ist
ein Manipulator zur Ermöglichung relativer
Bewegung zwischen dem zu schweißenden Objekt
und dem Schweißbrenner
ebenfalls mit eingeschlossen. Manchmal sind beide, ein Manipulator
zur Bewegung des Schweißbrenners
und ein Manipulator zur Bewegung des zu schweißenden Objekts, mit eingeschlossen.
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Es
wurde als besonders produktiv herausgefunden, mit einer Verwendung
von zwei oder mehr Schweißelektroden
zu schweißen,
welche gleichzeitig demselben Schweißbad zugeführt werden. Für diesen
Zweck sind Schweißbrenner
hergestellt worden, in welchen die Schweißelektroden dem Schweißbad in
einer gemeinsamen laminaren Schutzgasströmung zugeführt werden.
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Eine
sehr wirksame Art eines solchen Mehrfachdrahtschweißens in
Bezug auf Schweißgeschwindigkeit
involviert ein Schweißen
unter Verwendung von zwei Elektroden unter gemeinsamen Gasschutz,
welche hauptsächlich
eine nach der anderen in der Längsrichtung
der Verbindung bzw. des Stoßes vorangeschoben
werden, wo jede Schweißelektrode von
ihrem eigenen Drahtzuführmechanismus
zugeführt
und von ihrer eigenen Schweißenergiequelle, die
unabhängig
von der anderen Energiequelle arbeitet, mit Schmelzenergie versorgt
wird. Diese Art wird üblicherweise
als Tandem-MIG/MAG-Schweißen bezeichnet.
Durch Rotation der beiden Elektrodenpositionen in Bezug auf die
Mittellinie der Fuge bzw. der Naht in der Längsrichtung kann auch eine
verbesserte Toleranz gegenüber
Spaltschwankungen in der Fuge erreicht werden. Eine maximale Schweißgeschwindigkeit
wird jedoch erlangt, wenn die Elektroden eine hinter der anderen
in der Längsrichtung
der Fuge angeordnet werden.
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Bei
derartigem Mehrfachdrahtschweißen können die
Schweißelektroden
unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Es ist ebenso möglich, dass eine
Schweißenergiequelle
Gleichstrom liefert, während
die andere Wechselstrom zuführt,
oder dass eine Gleichstrom liefert, wobei der Schweißdraht in Bezug
auf das zu schweißende
Objekt positiv ist, während
die andere Gleichstrom mit entgegengesetzter Polarität zuführt.
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Schweißparameter,
wie zum Beispiel Schweißspannung
und Drahtvorschubgeschwindigkeit, werden so eingestellt, dass die
zum Schmelzen der jeweiligen Schweißelektrode zugeführte Schweißenergie
zu der Drahtvorschubgeschwindigkeit korrespondiert. Die Vorschubgeschwindigkeit
des Schweißbrenners
längs der
Schweißfuge
wird so angepasst, dass ein geeignetes Auffüllen der Fuge bzw. Naht für die eingestellte
Drahtvorschubgeschwindigkeit erreicht wird.
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DD 153 596 beschreibt einen
Schweißbrenner
für ein
solches Tandem-MIG/MAG-Schweißen. Dieser
Schweißbrenner
ist mit zwei Kontaktröhren bzw.
Schweißdrahtführungen,
welche üblicherweise an
dem hinteren Ende des Schweißbrenners
elastisch angebracht sind, und mit einer Einstellvorrichtung an
dem vorderen Ende des Schweißbrenners zur
Einstellung des Abstands zwischen den vorderen Öffnungen der Schweißdrahtführungen
versehen. Die Einstellvorrichtung besteht aus einer exzentrischen
Scheibe, welche von außen
betätigbar
ist und die Schweißdrahtführungen
in radial wechselseitig unterschiedliche Positionen in Abhängigkeit
von der Rotationsstellung der Scheibe zwingt. Dieser Schweißbrenner
liefert die Möglichkeit
eines Einstellens der Positionen der Schweißelektroden in Bezug zueinander.
Ein Nachteil besteht darin, dass die Elektroden nur in der Querrichtung
in Bezug zueinander einstellbar sind. Ein weiterer Nachteil ist
es, dass der Einstellbereich begrenzt ist auf Grund der Tatsache, dass
die Elastizität
der Schweißdrahtführungen selbst
oder ihrer Anbringung an dem hinteren Ende des Schweißbrenners
die Größe des Einstellbereiches
bestimmt. Die Abhängigkeit
von elastischen Elementen ist auch ein Nachteil, da die Elastizität sich mit
der Zeit ändert,
zum Beispiel als ein Resultat der hohen Temperaturen, die in einem
Schweißbrenner
vorhanden sind. Dichtigkeitsprobleme in Bezug auf das durch den
Schweißbrenner
strömende Schutzgas
ergeben sich an der Anbringung der Schweißdrahtführungen ebenfalls als eine
Konsequenz der Wechselwirkung der Schweißdrahtführungen mit diesen elastischen
Anbringungselementen. Ein weiterer Nachteil ist das Fehlen einer
Einstellgenauigkeit über
einem großen
Einstellbereich, was sich aus der Lösung unter Verwendung einer
exzentrischen Scheibe als Einstellvorrichtung ergibt. Außerdem wird
eine Justierung in dem vorderen Teil des Schweißbrenners beeinflusst, wo die
Hitze am stärksten
ist, was eine Justierung während
des Betriebs faktisch unmöglich
macht.
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WO 97/45227 beschreibt auf
Seite 17 von Zeile 20 an und auch in den beiden Ansprüchen 16 und
17 einen Schweißbrenner
mit einem Zwischenraum zwischen zwei Schweißdrahtführungen, welcher in der Querrichtung
eingestellt werden kann. Der Zweck besteht einerseits darin zu verhindern,
dass sich die Elektroden zu nahe kommen und jeder Lichtbogen zu
der anderen Elektrode überspringt,
und andererseits zu verhindern, dass die Lichtbogen so weit auseinander
brennen, dass zwei getrennte Schweißbäder mit den sie begleitenden
Schweißspritzern
entstehen. Es gibt hier auch keinen Hinweis auf Einstellmittel,
oder sogar auf die Notwendigkeit solcher, für andere Wechselbeziehungen
zwischen den Schweißdrähten als
den Zwischenraum in der Querrichtung.
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Die Aufgabe der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Voraussetzungen bzw. Vorbedingungen
zur Schaffung optimaler Schweißbedingungen,
soweit es den MIG/MAG-Prozess betrifft, beim Schweißen unter Verwendung
einer Anzahl von Schweißelektroden
in einem gemeinsamen Schweißbad
zu verbessern. Es ist oben erwähnt
worden, dass eine Schweißspannung
und Drahtvorschubgeschwindigkeit Parameter sind, welche den Schweißvorgang
steuern. Ein weiterer Parameter, der das Schweißergebnis in einem großen Ausmaß beeinflusst,
ist die Neigung des Schweißbrenners
in Bezug auf die Schweißverbindung
bzw. -naht. Ein anderer wichtiger Parameter für den Prozess ist die Länge des
freien Elektrodenendes, das heißt
die Länge
des Elektrodenvorsprungs von dem Auslass der Kontaktdüse bis zum
Lichtbogen. In diesem Abschnitt der Schweißelektrode findet ein Widerstandsvorheizen
der Elektrode mittels des durchfließenden Stroms statt. Dieses
beeinflusst seinerseits, wie viel der Energie des Lichtbogens benötigt wird,
um das Elektrodenende zu schmelzen. Der Elektrodenvorsprung ist
deshalb von entscheidender Bedeutung für das Schweißergebnis.
Beim Einzeldrahtschweißen
ist es die Höhe
des Schweißbrenners über dem
zu schweißenden
Objekt, welche den Elektrodenvorsprung festlegt. Unterschiedliche
Elektrodenmaterialien erfordern unterschiedliche Längen des
Elektrodenvorsprungs.
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Beim
Mehrfachdrahtschweißen
ist die Situation komplizierter. Es wurde herausgefunden, dass es
manchmal günstig
ist, unterschiedliche Werkstoffe bei den unterschiedlichen Schweißdrähten zu
gebrauchen, wobei die Materialien zum Beispiel unterschiedliche
Zusammensetzungen hinsichtlich Legierungswerkstoffe aufweisen können. Es
hat sich auch als besonders effektiv für die Schweißgeschwindigkeit
herausgestellt, mit Verwendung einer Volldrahtelektrode und einer
Hohldrahtelektrode zu schweißen. Ein
Erhalt optimaler Schweißbedingungen
ist dann nicht nur durch individuelle Einstellung von Schweißspannung
und Drahtvorschubgeschwindigkeit möglich. Weitere Probleme treten
auf, wenn ein Mehrfachdrahtschweißbrenner in Bezug auf das zu schweißende Objekt
in einem Winkel angeordnet ist, insbesondere in einer Ebene, die
längs der
Schweißnaht
und im Wesentlichen in rechten Winkeln zu der Oberfläche des
Werkstücks
ausgerichtet ist. Dann tritt ein Schweißspritzen auf, und der Prozess
wird instabil. Die Erfindung löst
die Probleme auf die Weisen, welche in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche angegeben
sind. Auf Grund der Tatsache, dass (ein) Mittel zur Einstellung
des (der) Elektrodenvorsprungs (Elektrodenvorsprünge) in dem Schweißbrenner
integriert (ist) sind, ist es möglich,
optimale Einstellungen für
jeden Elektrodentyp vorzunehmen. Auf Grund der Zugänglichkeit
der Einstellmittel, wenn der Schweißbrenner zum Schweißen ausgerüstet und
angeschlossen ist, ist es möglich,
nicht nur geeignete Beziehungen der vorspringenden Elektrodenlänge voreinzustellen,
sondern auch diese während
des laufenden Schweißvorgangs
dynamisch zu verändern, zum
Beispiel als Folge einer Veränderung des
Schweißbrennerwinkels
in Bezug zum Werkstück,
weil eine Justierung bzw. Einstellung ausgeführt werden kann, ohne den Schweißbrenner
oder seine Zubehörteile
in irgendeiner Weise zu demontieren.
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Weitere
Nachteile, die der Stand der Technik aufweist, wie zuvor beschrieben,
sind durch die untergeordneten Ansprüche beseitigt, in welchen auch vorteilhafte
Ausführungen
der Erfindung beschrieben werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1a zeigt
einen Schweißbrenner
in einer Ausführung
gemäß der Erfindung
mit Mitteln zur Einstellung einer vorspringenden Elektrodenlänge und zur
Einstellung eines Abstands, und mit zwei angeschlossenen Versorgungsleitungen
für Schweißstrom,
eine angekoppelte Gasabdeckung und zwei angeschlossene Kontaktdüsen.
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1b zeigt
in einem Querschnitt von 1a eine
Ausführung
von Abstandseinstellmitteln.
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1c zeigt
ein Beispiel der Durchführung einer
Schweißelektrode
durch eine Schweißdrahtführung und
eine Kontaktdüse.
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2 zeigt
drei unterschiedliche mögliche Positionen
für eine
Kontaktdüse
mit Mitteln zum Einstellen einer vorspringenden Elektrodenlänge (nicht gezeigt)
in der Form von Mitteln zur Verstellung einer Längsposition der Schweißdrahtführung und
auch drei unterschiedliche mögliche
Positionen für
eine Kontaktdüse
mit Abstandseinstellmitteln (nicht gezeigt) in der Form von Drehkörpern für die Schweißdrahtführung.
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3 zeigt
eine Ausführung
mit einem Schneckengetriebe als Abstandseinstellmittel und ein Ritzel
mit einer Zahnstange, welche in der Schweißdrahtfüh rung integriert ist, als Mittel
zum Einstellen der vorspringenden Elektrodenlänge.
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4 zeigt
einen Schweißbrenner
mit einer angebrachten Drehvorrichtung zur Einstellung der Positionen
der Lichtbögen
relativ zu der Mittellinie der Naht.
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5 zeigt
einen Schweißbrenner
mit zwei integrierten Motoren jeweils zur Einstellung der vorspringenden
Elektrodenlänge
und des Abstands.
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6 zeigt
einen Schweißbrenner
nach 5 mit einem weiteren Motor zur Verdrehungseinstellung.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungen
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Beispiele
von Ausführungen
der Erfindung werden nun beschrieben.
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Der
Schweißbrenner 100 weist
zwei Schweißdrahtführungen 110, 115 auf,
welche im Wesentlichen parallel durch den Körper 101 des Schweißbrenners
verlaufen. An der vorderen Öffnung
der Schweißdrahtführungen
sind diese jeweils mit einer Verbindung 140, 145 in
der Gestalt eines Innengewindes oder in alternativer Weise in Gestalt
einer Bajonettbefestigung oder Reibungskupplung für eine Kontaktdüse 150, 155 versehen.
Zumindest eine von diesen kann so konstruiert sein, dass die Kontaktdüse einen
Winkel in dem Bereich von 3–15° in Bezug
auf die Längssymmetrieachse
der Schweißdrahtführung bildet.
Die Schweißdrahtführungen
sind von einander elektrisch isoliert und mit Verbindungsvorrichtungen 120, 125 für eine elektrische
Verbindung mit Versorgungsleitungen 165, 170,
welche an den Schweißbrenner
angeschlossen werden können,
für Schweißstrom normalerweise
von zwei unterschiedlichen Schweißenergiequellen versehen. Zwischen
der ersten Schweißdrahtführung 110 und dem
Körper 101 des
Schweißbrenners
ist eine Vorrichtung 190 zur Längenverschiebung der Schweißdrahtführung innerhalb
des Körpers
des Schweißbrenners
angeordnet. Alternativ kann diese Vorrichtung auf der zweiten Schweißdrahtführung 115 anstelle
auf dem Körper
des Schweißbrenners
montiert werden. In diesem Beispiel ist die dem Körper des Schweißbrenners
montiert werden. In diesem Beispiel ist die Vorrichtung als Gewindestange 191 mit einem
Schlüsselgriff
in der Mitte ausgebildet. Die Richtung und/oder Steigung des Gewindes
ist/sind an den beiden Enden unterschiedlich, woraus sich ergibt,
dass die Drehung der Stange eine Verstellung der Schweißdrahtführung in
der axialen Richtung bewirkt. Die Ausbildung an einem Ende kann
auch in Gestalt eines Flansches, welcher in einer Nut in dem Verbindungsteil
läuft,
oder eine andere korrespondierende Lösung sein, welche eine drehbare
aber axial feststehende Verbindung mit einem Verbindungsteil bewirkt.
Dies kann als ein Gewinde ohne Steigung und mit einer sehr kurzen
Ausdehnung angesehen werden. Anstelle eines Schlüsselgriffs bzw. -ansatzes kann
ein Übertragungselement,
wie zum Beispiel ein Schneckenrad, ein Zahnrad, ein Zahnkranz oder eine
Riemenscheibe, an der Stange angeordnet sein, welches dann eine
Verbindung mit einem Motor so ermöglicht, dass der Einstellvorgang
für eine
Automatisierung geeignet ist. Es ist von Vorteil, die beschriebene
Einstellvorrichtung an dem hinteren Teil des Schweißbrenners
zu positionieren, wo die Hitze beim Schweißen geringer ist. Es ist wichtig,
dass die Einstellvorrichtung zur Einstellung zugänglich ist, ohne dass der Schweißbrenner
oder seine Zubehörteile
zerlegt werden müssen.
Es ist somit möglich, nicht
nur unterschiedliche relative Positionen zwischen den Schweißdrahtführungen
und somit unterschiedlichen vorspringenden Elektrodenlängen voreinzustellen,
sondern diese auch während
des Betriebs einzustellen bzw. zu justieren und so veränderte Beziehungen
zwischen dem Schweißbrenner
und dem zu schweißenden
Objekt hinsichtlich Winkel und/oder Höhe zu kompensieren. Eine weitere
Ausführung
weist auch einen Elektromotor in dem Schweißbrenner auf, wie in 5 und 6 dargestellt
ist. Es kann dann vorteilhaft sein, ein lineares Übertragungselement,
wie beispielsweise eine Zahnstange 393, zur Längsverstellung
der Schweißdrahtführungen 310, 410 zu
verwenden.
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Eine
Abstandseinstellung der Lichtbogen während des Schweißens kann
mittels einer einfachen Winkelgetriebeanordnung realisiert werden,
bei welcher die Schnecke aus einer gewöhnlichen Schraube 192 besteht.
Dies setzt voraus, dass für diese
zweite Schweißdrahtführung 115 eine
Verbindung der Kontaktdüse 155 so
ausgebildet ist, dass ein Winkel zwischen der Kontaktdüse und der Schweißdrahtführung gebildet
worden ist, wie zuvor beschrieben wurde. Durch Verdrehung der Schweißdrahtführung wird
die Kontaktdüse
veranlasst, unterschiedliche Positionen in der Querrichtung in Bezug zu
der anderen Kontaktdüse
einzunehmen, wie aus 2 ersichtlich ist. Dies liefert
eine einfache Einstellung des Abstands zwischen den Eintrittspunkten
der Lichtbogen in das Schweißbad
ohne die in dem vorbekannten Stand der Technik beschriebenen Nachteile.
Es besteht keine Notwendigkeit für
elastische Anbringungs- bzw.
Befestigungselemente, das Risiko einer Leckage von Schweiß- bzw.
Schutzgas in dem hinteren Teil des Schweißbrenners ist reduziert, usw.
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Auch
durch Anschluss einer Drehvorrichtung 253 für den gesamten
Schweißbrenner
gemäß 4 kann
eine Einstellung der Weite des Schweißbads erreicht werden, was
ein Vorteil sein kann, falls in der Naht variierende Fugenweiten
vorkommen.
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Durch
Einbau eines Elektromotors in eine oder mehrere der Einstellvorrichtungen
wird der Vorteil geboten, dass es möglich ist die Einstellung über eine
Fernsteuerung vorzunehmen. Dies bedeutet, dass Einstellungen in
einer größeren Entfernung
von den Licht aussendenden und Wärme
abstrahlenden Teilen beim Schweißen ausgeführt werden können. Außerdem wird
eine Automatisierung der Einstellvorgänge mit einem Steuerungssystem
und einer Steuervorrichtung für
jede Einstellvorrichtung möglich. Die
Einstellvorrichtungen sollten dann auch Geschwindigkeits- und/oder
Positionssensoren oder zum Beispiel absolute oder inkrementale optische Sensoren,
wie Resolversensoren, Tachometer usw., umfassen. Es ist dann vorteilhaft,
wenn ein Steuerungssystem, welches die relative Verstellung des Schweißbrenners
in Bezug auf das Objekt, welches geschweißt wird, steuert, ebenfalls
die Steuerung einer oder mehrerer in dem Schweißbrenner vorhandener Einstellvorrichtungen
steuert. Dies kann durch die Positionen dieser Einstellvorrichtungen
erfolgen, welche für
die wie für
die oben erwähnte
relative Verstellung gespeicherten gleichen Punkte eingespeichert
werden. Eine programmierte Verstellung sowohl für Verstellungen innerhalb des
Schweißbrenners
als auch für
seine Verstellung längs
des Objekts, das geschweißt
wird, ist dann ermöglicht,
und diese Verstellungen können
auch so synchronisiert werden, dass zum Beispiel ein sanfter Übergang
zwischen unterschiedlichen gespeicherten Positionen der Einstellvorrichtungen
in dem Schweißbrenner
erlangt wird. Es ist dann insbesondere möglich, die Geschwindigkeit
so anzupassen, dass der Beginn und das Ende von Verstellungen in
den Einstellvorrichtungen simultan mit einem Beginn und Ende von
Verstellungen, welche die Verstellung des Schweißbrenners längs der Naht betreffen, ausgeführt wird. Zusätzlich sind
zu den obigen beispielhaften Ausführungen ebenfalls Ausführungen
unterschiedlicher Art innerhalb des Rahmens der Ansprüche möglich.