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Verfahren zur automatischen Regelung der Lichtbogenlänge beim elektrischen Lichtbogenschweissen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Regelung der Lichtbogenlänge beim elektri- schen Lichtbogenschweissen von Metallen mit Wechselstrom mit oder ohne Schutzgas.
Beim Schweissen mit dem Gleichstrombogen bietet die Regulierung mittels der Bogenspannung keine
Schwierigkeiten. Beim Schweissen mit dem Wechselstrombogen, z. B. beim Schweissen von Aluminium, kann man jedoch nicht einfach die gleichgerichtete Bogenspannung für die Regulierung brauchen, da sich dieselbe nicht stetig in Funktion der Bogenlänge verändert. Bei Wechselstrom ändert sich dauernd die Polarität der zum Schweissen verwendetennicht abschmelzenden Elektroden (Wolfram-Elektroden). Wie bekannt, bleibt die Elektrode, wenn sie am negativen Pol angeschlossen ist, verhältnismässig kalt, während sie bei Anschluss an den positiven Pol viel stärker erhitzt wird. Dies ist auch der Grund, dass man z. B. bei Schweissung mit Gleichstrom die Elektroden stets an den Minuspol und das Werkstück stets an den Pluspol anschliesst.
Mit der Änderung der Polarität und damit der Temperatur der Elektrode ändert sich jedoch auch in starkem Masse die Ionisierung und die elektrische Leitfähigkeit des Lichtbogens bzw. der in der Lichtbogensäule zu überwindende elektrische Widerstand. Praktisch führt dies dazu, dass beim Durchgang der Schweissspannung durch den Nullpunkt stets eine Lichtbogenunterbrechung auftritt, wenn die Elektrode bei der vorhergehenden Halbwelle an den Minuspol angeschlossen war, da durch die niedrigere Temperatur der Elektrode die Lichtbogenstrecke nur ungenügend ionisiert wurde. Diese Lichtbogenunterbrechung bewirkt ein kurzzeitiges Aussetzen des Schweissstromes und ein gleichzeitiges Ansteigen der Spannung zwischen der Elektrode und dem Werkstück. Der letztgenannte Spannungsanstieg ist dadurch bedingt, dass die Lichtbogenspannung nur etwa 10 - 15 Volt beträgt.
Bei Unterbrechung des Lichtbogens steigt diese Spannung automatisch auf die Leerlaufspannung des Schweissapparates an (z. B. 70 Volt). Dieser Spannungsanstieg bleibt so lange erhalten, bis der Lichtbogen wieder zündet und sich neuerlich eine Spannung in der Grössenordnung 10 - 15 Volt einstellt. Der obengenannte Umstand führt praktisch zu einer Spannungsspitze am Beginn der positiven Halbwelle (Fig. l).
Durch die starke Erhitzung der Elektrode während der positiven Halbwelle wird die Ionisierung der Lichtbogenstrecke so gross, dass sich beim Wechsel von der positiven zur negativen Polung praktisch keine Lichtbogenunterbrechung und damit auch keine Spannungsspitze einstellt.
Die durch die Spannungsspitze hervorgerufene Unsymmetrie der positiven und negativen Halbwelle wird des weiteren noch durch einen Gleichrichter-Effekt und eine zusätzliche Beeinflussung der positiven Halbwelle ungünstig beeinflusst, wenn Leichtmetalle verschweisst werden. Aluminium und dessen Legierungen besitzen stets eine gewisse Oxydschicht, die das Schweissbad in mehr oder weniger starkem Masse bedeckt. Diese Oxydschicht beeinflusst aber auch die Ionisation und die Leitfähigkeit der Lichtbogenstrekke in dem Sinne, dass bei einem blanken Schweissbad, bei dem nur wenig Aluminiumoxyd auf dem Schweissbad schwimmt, die Wiederzündung des Lichtbogens beim Wechsel von der negativen auf die positive Halbwelle erschwert und damit auch die Unterbrechungszeit und die Dauer der Spannungserhöhung vergrössert werden.
Es ergibt sich daraus, dass die Unsymmetrie der negativen und positiven Halbwelle noch durch die Reinheit des Schweissbades beeinflusst wird, die sich z. B. im Verlaufe einer Schweissnaht ändern kann.
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Da der negative und der positive Spannungsanteil beim Wechselstrom nicht symmetrisch sind, resultiert eine Gleichstromkomponente, welche die Regulierung stört. Der in bezug auf die Elektrode negative Spannungsanteil nimmt mehr oder weniger rasch seine Form ein, während der positive Spannungsanteil unmittelbar nach dem Null-Durchgang eine Spannungsspitze ergibt, die sich noch im Verlaufe der Schwei- ssung je nach Reinheit des Schweissbades verändern kann.
Das ertindungsgemässe Veriahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogenspannung als Be- zugsgrösse für die Regelung benützt und die beim Schweissen entstehende Gleichstromkomponente der Wechselspannung eliminiert wird.
Die Zeichnung zeigt beispielsweise zwei Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung und gleichfalls beispielsweise zwei Anwendungen des erfindungsgemässen Verfahrens.
Fig. l ist ein Diagramm, welches die Form des Wechselstromes und der zugehörigen Bogenspannung beim Schweissen von beispielsweise Aluminium unter Schutzgas und mit feuerfester Elektrode zeigt.
Fig. 2 ist ein Diagramm, welches die Bogencharakteristiken bei stabilem Bogen zeigt (Bogenspannung in Funktion der Bogenlänge bei konstantem Strom und konstanter Schutzgaszufuhr).
Fig. 3 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform, welche beim automatischen Schweissen unter Schutzgas mit feuerfester Elektrode (TIG) Anwendung findet.
Fig. 4 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform, welche beim halbautomatischen Schweissen unter Schutzgas mit schmelzbarer Elektrode (MIG) Anwendung findet.
In Fig. 1 stellt Is die Wechselstromkurve und Va die zugehörige Bogenspannung in Funktion der Zeit t dar, u. zw. beim Schweissen von beispielsweise Aluminium unter Schutzgas mit feuerfester Elektrode. Der in bezug auf die Elektrode positive Stromanteil ist hier beinahe gleich, wie der negative Anteil, denn es wird angenommen, dass eine Kondensatorbatterie die Gleichstromkomponente des Stroms sperrt, welche vom Gleichrichtereffekt herrührt und in Serie in den Kreis eingefügt wird. Der positive Spannungsanteil ist jedoch trotz dieser Massnahme vom negativen Anteil sehr verschieden.
In Fig. 2 stellt die Kurve Va die Bogenspannung in Funktion der Bogenlänge L dar, wenn der Strom
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die Funktion der entsprechenden Gleichstromkomponente des Stromes dar.
Die in Fig. 2 dargestellte graphische Darstellung zeigt, dass bei stabilem Bogen nur der effektive Wert der Wechselspannungskomponente und infolgedessen der in bezug auf die Elektrode negative Spannungsanteil stetig zunehmen, während die Gleichstromkomponente linear in Funktion der Bogenlänge abnimmt.
Diese Gleichstromkomponente steht in Beziehung zur Stabilität des Bogens. Die Veränderungen in der Ionisation, welche durch die das Aluminium (oder ein anderes Metall) bedeckende, mehr oder weniger dicke Oxydschicht am Ort des schmelzenden Metalls und durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden, ändern diese Gleichstromkomponente unabhängig von der Bogenlänge. Diese Veränderungen sind umso stärker, je kürzer der Bogen ist, da dann die thermische Energie kleiner ist.
Somit kann die Resultante der zwei Komponenten, wenn die Wechselspannung gleichgerichtet ist, nicht als Bezugswert für die Regulierung der Bogenlänge mittels der Bogenspannung benützt werden.
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Spannungsanteil benützen, um die Bogenlänge mittels der Bogenspannung zu regulieren, wenn man mit Wechselstrom unter Schutzgas Metalle, insbesondere Aluminium, schweisst.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Fall wird der zum Schweissen benötigte Wechselstrom durch eine Wechselstromquelle A geliefert, welche mit dem zu schweissenden Stück B (beispielsweise aus Aluminium) und der feuerfesten Elektrode C im Schweisskopf D verbunden ist. Dieser Schweisskopf ist auf einem Wagen E montiert, welcher mittels des Motors F horizontal auf dem Gleis G in Richtung der Schweissnaht verschiebbar ist. Die senkrechten Verschiebungen des Kopfes D werden durch den Regulator H gesteuert, welcher derart arbeitet, dass eine vorbestimmte Bogenlänge während des Schweissens eingehalten wird. Der Bogen ist mit I angedeutet. Zu jeder Bogenlänge gehört eine bestimmte Spannung, welche über den Filter J an den Regulator H gelegt wird.
Der Filter ist so ausgebildet, dass er entweder nur die Wechselspannung ohne die Gleichspannungskomponente oder aber nur den in bezug auf die Elektrode C negativen Spannungsanteil durchlässt. Jede Änderung der Bogenlänge, welche durch die Form des zu schweissenden Stückes B bedingt ist, wird als Spannung an den Regulator H übertragen, welcher über den Motor K und eine Zahnstangenvorrichtung L derart auf den Schweisskopf D wirkt, dass die vorgeschriebene Bogenlänge eingehalten wird. Die Flasche Q enthält komprimiertes Schutzgas, beispielsweise Argon, welches dem Schweisskopf D in bekannter Weise zugeführt wird.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Fall steuert der Regulator H, welcher über den Filter J mit der gleichen Bezugsspannung wie in dem in Fig. 3 dargestellten Fall gespeist wird, über den Motor M und die
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Reibräder N die Vorschubgeschwindigkeit der schmelzbaren Elektrode 0 derart, dass die vorgeschriebene Länge des Bogens 1 ständig eingehalten wird. Die durch den Bedienenden vorgenommenen Verschiebungen des zu schweissenden Werkstückes werden somit dauernd abgeglichen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur automatischen Regelung der Lichtbogenlänge beim elektrischen Lichtbogenschwei- ssen von Metallen mit Wechselstrom mit oder ohne Schutzgas, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogenspannung als Bezugsgrosse für die Regelung benutzt und die beim Schweissen entstehende Gleichstromkomponente der Wechselspannung eliminiert wird.