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Verfahren zur elektrisehen Liehtbogensehweissung.
Die elektrische Lichtbogenschweissung mit Wechselstrom geschieht gewöhnlich in der Weise, dass die Netzspannung über einen Transformator (Schweisstransformator) auf die gewünschte Spannung für den Lichtbogen herabgesetzt wird und über eine Drosselspule (Schweissdrosselspule) der eigentlichen Schweissstelle zugeführt wird. Diese Sehweissdrosselspule dient, im Verein mit der Streuinduktivität des Schweisstransformators, als Strombegrenzer. Der eine Pol wird mit dem Sehweissstab, der andere mit dem zu schweissenden Werkstück verbunden.
Diese einfache und billige Anordnung hat gewisse Nachteile gegenüber der Schweissung mit Gleichstrom, trotzdem wird sie sich immer behaupten können wegen der Billigkeit der Apparate, des Fehlens sich bewegender Teile und des hohen Nutzeffektes, näm- lich 60-70% gegenüber 30- 0o bei Gleichstrom.
Die Nachteile der Schweissung mit Wechselstrom sind darauf zurückzuführen, dass der Lichtbogen bei jedem Stromwechsel erlischt und neu gezündet werden muss, was erst bei einer Spannung geschieht, die wesentlich höher liegt als die Lichtbogenspannung. Man muss also die sekundäre Leerlaufspannung des Schweisstransformators beträchtlich über der Bogenspannung halten, die etwa 18-26 Volt beträgt. Die Leerlaufspannung dagegen schwankt je nach dem Elektrodenmaterial in weiten Grenzen ; für einige ummantelte Schweissstäbe beträgt sie etwa 45-50 Volt, dagegen steigt die erforderliche Spannung bis zu etwa 120 Volt für nackte Elektroden.
Diese Differenz zwischen Leerlauf und Bogenspanming muss in der erwähnten Schweissdrosselspule bzw. der Streuinduktivität des Transformators vernichtet werden.
Die im Schweissstromkreis vorhandenen Selbstinduktionen rufen während des Schweissvorganges eine grosse Phasenverschiebung hervor. Mit Rücksicht auf diese grosse Phasenverschiebung muss deshalb der Anschlusswert des Transformators ziemlich gross sein. Der Transformator wird deshalb auch ver- hältnismässig teuer.
Man hat nicht nur mit Rücksicht auf die Bemessung des Schweisstransformators ein Interesse daran, die Leerlaufspannung herabzusetzen, sondern man hat auch ein Interesse daran, weil eine hohe Leerlaufspannung eine Gefahr für den Schweisser bilden kann, besonders wenn er auf feuchtem Boden steht, denn der eine Pol ist über das Werkstück meistens mit Erde verbunden. Man hat versucht, diese Gefahr mit Hilfe vorgeschalteter Relais zu beseitigen, welche die hohe Leerlaufspannung erst bei Berührung des Sehweissstabes mit dem Werkstück einschaltet. Diese Massnahme ist jedoch nicht ganz sicher, weil die Relais durch Klebenbleiben der Kontakte versagen können.
Ein anderes Mittel zur Herabsetzung der Schweissspannung besteht darin, dem eigentlichen Schweissstrom einen Strom hoher Frequenz zu überlagern, der ungefährlich ist, der aber ausreicht, um die Zündung des Lichtbogens herbeizuführen.
Diese Methode erfordert teuere Zusatzapparate.
Eine weitere Möglichkeit, die Leerlaufspannung niedrig zu halten, ergibt sich, wie eingangs erwähnt, durch die Verwendung ummantelter Sehweissstäbe, deren Mantel chemische Zusätze enthält, die eine starke Elektronenemission verursachen. Aber abgesehen davon, dass diese Zusätze nicht bei allen Eisensorten angewendet werden können, entsteht durch diese Zusätze eine starke Schlackenbildung, die unter Umständen nachträglich erst unter erheblichem Arbeitsaufwand von der Schweissnaht wieder entfernt werden muss und an die Geschicklichkeit des Schweissers grosse Anforderungen stellt.
Die vorliegende Erfindung schlägt einen neuen Weg ein. Gemäss der Erfindung werden dem Lichtbogen zur Zündung und Unterhaltung des Lichtbogens Stosssehwingungen zugeführt. Dadurch wird der
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Vorteil erreicht, dass die erhöhten Spannungen erst beim Zünden des Bogens entstehen und mit ihm beim Erlöschen wieder verschwinden, so dass sie keine Gefahr für den Schweisser bilden. Ferner werden bewegliche Teile zur Erzeugung der Zündspannung vermieden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Abbildung schematisch dargestellt.
Mit 1 ist ein Sehweisstransformator bezeichnet, der an die Wechselstromquelle 2 angeschlossen ist.
3 ist eine Drosselspule, die mit der Sekundärwicklung des Schweisstransformators in Reihe geschaltet ist. 4 ist der Schweisslichtbogen. Gemäss der vorliegenden Erfindung wird zu der Drosselspule 3 ein Kondensator 5 parallelgeschaltet. Mit Rücksicht auf die Drosselspule 3 kann der Transformator 1 auch mit sehr geringer Streuung arbeiten. Die Drosselspule. 3 wird so bemessen, dass sie den Schweissstrom bzw.
Kurzschlussstrom auf einen zulässigen Wert begrenzt. Es hat sich ergeben, dass die Grösse der Drosselspule für einen Sehweissstrom von etwa 100 Amp. in der Grössenordnung von O'OOl Henry liegen muss.
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man etwa 50-80 Mikrofarad benutzen.
Die Wirkung der dargestellten Anordnung besteht offenbar darin, dass Stromänderungen bzw.
Spannungsänderungen in dem Zeitpunkt, zu dem der Strom den Wert Null erreicht oder erreicht hat, entstehen, wodurch in dem aus der Kapazität 5 und der Induktivität. 3 bestehenden Sehwingungskreis Schwingungen angeregt werden, deren Frequenz etwa das Zehn-bis Hundertfaehe der Netzfrequenz beträgt. Die Amplitude dieser Schwingungen ist abhängig von der Dämpfung des Schwingungskreises.'3, J.
Man wird deshalb diesem Sehwingungshreis eine möglichst geringe Dämpfung geben. Die erwähnten Schwingungen überlagern sich der Netzspannung und wirken im Augenblick des Abreissens des Lichtbogens derart, dass sie eine Neuzündung verursachen oder stabilisierend auf den Lichtbogen einwirken.
Damit die Sekundärwicklung des Transformators 1 diesen Schwingungen kein wesentliches Hindernis bietet, empfiehlt es sich, parallel zur Sekundärwicklung einen Kondensator 6 zu schalten. Die Grösse dieses Kondensators kann in der Grössenordnung von 5 bis 30 Mikrofarad liegen. Die Kapazität 6 kann auch parallel zur Primärwicklung des Transformators 1 liegen.
Unter Umständen kann es sieh auch empfehlen, parallel zu den Zuleitungen zur Schweissstelle einen kleinen Kondensator 7 einzuschalten : der ebenfalls stabilisierend wirken kann. Dieser Kondensator ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.
Die Wirkungsweise des Kondensators 7 geringerer Kapazität beruht darauf, dass ein zu einem Lichtbogen parallelgeschalteter Kondensator disruptive Entladungen fördert, indem die durch Entladung des Kondensators in der Lichtbogenstrecke auftretenden schwingenden oder nichtsehwingenden Stromstoss den Ionisierungsgrad in der Gaszone in den kritischen Zeiten, also in der Nähe des Stromnulldurchganges. erhöhen ; die Kapazität darf aber nicht zu hoch gewählt werden, da sonst die in den andern Teilen des Schweissstromkreises entstehenden hochfrequenten Spannungsschwingul1gen in der Bogenstrecke praktisch verschwinden, d. h. die entsprechenden Sehwingungsströme an der Bogenstrecke vorbeigeleitet werden.
Wenn man die Drossel 3 mit einem Eisenkern versieht, den Eisenkern aber schwach sättigt, so wird man ebenso wie bei eisenlosen Drosseln im wesentlichen sinusförmige Schwingungen einer bestimmten Frequenz erhalten. Man kann mit Rücksicht auf Materialersparnis aber auch die Drossel 3 im Sättigungsgebiet arbeiten lassen. Dann wird man wegen der von der Stromstärke stark abhängenden Permeabilität keine genau sinusförmigen Spannungen erhalten. Ihre Frequenz wird ferner nicht ganz konstant sein.
Diese Schwingungen, die man als eine Art von Kippschwingungen auffassen kann, werden im folgenden als solche bezeichnet.
Man kann Stoss- bzw. Kippschwingungen im Sinne der vorliegenden Erfindung auch mit Hilfe einer zum Transformator 1 parallelgeschalteten Kapazität erzeugen, die mit der Streuinduktivität bzw. der Hauptinduktivität des Transformators in ähnlicher Weise zusammenwirken kann, wie die Kapazität 5 mit der Induktivität 3. Man kann deshalb auch den Transformator 1 im Sättigungsgebiet arbeiten lassen.
Bei der Verwendung des Transformators 1 zur Erzeugung von Stoss- oder Kippschwingungen kann man auch die Kapazität parallel zur Primärwicklung schalten. Mit der Parallelschaltung von Kondensatoren
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benutzt wird, empfiehlt es sich, zur Drossel 3 ebenfalls einen Kondensator parallel zu schalten, um zu erreichen, dass die erzeugten Schwingungen durch diese Drossel nicht gedämpft werden.
Anstatt die zur Strombegrenzung dienende Drossel in Verbindung mit einem Kondensator zur Erzeugung von Kipp- oder Stòssschwingungen zu benutzen, kann man auch eine besondere Drossel zu diesem Zweck verwenden.
Ein weiteres Verfahren zur Erleichterung der Zündung, das gegebenenfalls gemeinsam mit der vorstehend erwähnten Methode angewendet werden kann, besteht darin, dass man die in dem zur Verwendung kommenden Wechselstrom enthaltenen Oberwellen verstärkt oder mit Hilfe von den im Sättigungsgebiet arbeitenden, durch den Schweissstrom magnetisierten Drosseln oder Transformatoren mit Eisenkern Oberwellen erzeugt. Die Steigerung der Wirkung der Oberwellenist durch richtige Abmessungen der Windungszahlen und Verwendung von Kapazitäten möglich, die zusammen mit Induktivitäten
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der Schaltung auf Resonanz mit einer oder mehreren Oberwellen abgestimmt sein können, so dass die Oberwellenspannung Werte erreicht, welche die Zündung erleichtern.
Während die Verwendung von Stoss-oder Kippschwingungen, die in Teilen des Sehweissstromkreises durch die Schweissbogenstrecke erregt werden, somit eine höhere zur Verfügung stehende Spannung für das Wiederzünden beim Stromnulldurchgang schafft, lässt sich also durch Anwendung von Oberwellen erreichen, dass die verfügbare Wiederzündspannung grössere Werte in diesen kurzen Zeiten annimmt als ohne fördernde Ausbildung der höheren Oberwellen des niederfrequenten Stromkreises.
Durch die Verwendung der im vorstehenden beschriebenen Mittel gelingt es, die erforderliche Leerlaufspannung des Transformators für ummantelte Elektroden bis auf 35 Volt und für nackte Sehweiss- stäbe bis auf etwa 50 Volt herabzusetzen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur elektrischen Lichtbogenschweissung, dadurch gekennzeichnet, dass dem Lichtbogen zur Zündung und Unterhaltung Stoss-bzw. Kippschwingungen und gegebenenfalls gleichzeitig Oberwellen zugeführt werden.