Verfahren und Einrichtung zur Beeinflussung des Kurzschlusstromverlaufes beim Kurzlichtbogenschweissen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Ein richtung zur Beeinflussung des Kurzschlusstromverlau- fes beim Kurzlichtbogenschweissen unter Schutzgas, insbesondere unter Kohlendioxyd, mit abschmelzender Elektrode unter Verwendung einer Gleichstromschweiss- maschine mit flacher Charakteristik und einer im Schweisstromkreis angeordneten Induktivität.
Diese Schweissmaschinen besitzen den Vorteil der Selbstregelung, d. h. dass bei Änderung der Drahtvor schubgeschwindigkeit die von der Schweissmaschine ab gegebene Stromstärke automatisch der veränderten Zu führ- und Abschmelzgeschwindigkeit des Schweissdrah- tes angepasst wird. Solche Maschinen sind auch weit gehend unabhängig von willkürlichen und unwillkür- lichen Bewegungen, bei denen der Abstand zwischen Drahtaustrittsdüse des Schweissbrenners und dem Werk stück verändert wird.
Derartige Schwankungen treten vor allem beim Handschweissen in gewissen Grenzen auf, wobei bei gutem Selbstregeleffekt der Schweissma- schine nur minimale Änderungen der Lichtbogenlänge zu verzeichnen sind.
Konstantspannungs-Schweissmaschinen haben sich für die MIG-Schweissung sehr gut bewährt, wenn beim Schweissvorgang keine oder nur wenige Kurzschlüsse auftreten. Man spricht in diesem Fall von einem sprüh regenartigen Tropfenübergang. Der Werkstoff wird in feinen Tropfen auf das Grundmaterial übertragen, wo bei zwischen dem zugeführten Draht und dem Schweiss- bad kein eigentlicher Kurzschluss auftritt, sondern das Material in Form feiner Tröpfchen sprühregenartig übertragen wird. Derartige Lichtbogenformen treten ins besondere bei Verwendung von Argon oder Helium als Schutzgas auf.
Bei Verwendung von Kohlendioxyd als Schutzgas ändert sich der Materialübergang grundlegend dadurch, dass auch bei verhältnismässig hohen spezifischen Strom belastungen des Schweissdrahtes so grosse Materialtrop- fen entstehen, dass zwischen dem zugeführten Schweiss draht und dem Schweissbad bzw. dem Werkstück wäh rend des Schweissvorganges zahlreiche Kurzschlüsse auftreten.
Bei Verschweissung dünner Drähte mit einem Durch messer, der in der Regel zwischen 0,6 mm und 1,2 mm liegt, ist man ausserdem sowohl bei Kohlendioxyd als auch bei Argon als Schutzgas sogar bestrebt, einen kurzschlussartigen Tropfenübergang zu erzielen, da da durch der Grundwerkstoff weniger stark erhitzt wird als bei einem dauernd brennenden und nicht durch Kurzschlüsse unterbrochenen Lichtbogen. Durch den oben erwähnten Effekt gelinge es, auch verhältnismässig dünnes Material nach dem MIG-Verfahren zu ver- schweissen, ohne dass die Gefahr besteht, dass ein Loch in die Schweissnaht gebrannt wird.
Man spricht dabei von einem kurzschlussartigen Tropfenübergang, wobei die Kurzschlussfrequenz in der Regel über 50 Kurz schlüsse/Sekunde beträgt. Das Verfahren wird dement sprechend als Kurzlichtbogen-Schweissverfahren be zeichnet Durch die Kurzschlüsse entstehen bei Verwendung üblicher Konstantspannungs-Schweissmaschinen verhält- nismässig hohe Kurzschlusspitzen, die den Nachteil einer erhöhten Bildung von Schweisspritzern und eines sehr harten Lichtbogens ergeben. In der Regel wird auch gleichzeitig die Nahtoberfläche ungünstig beeinflusst.
Um den oben geschilderten Effekten zu begegnen, ist es bekannt, der Schweissmaschine entweder eine stärkere Neigung der statischen Stromspannungs-Kenn- linie zu geben oder in den Schweisstromkreis eine zu sätzliche Induktivität einzuschalten. Beide Anordnun gen bezwecken, den dynamischen Kurzschlusstrom auf Werte zu begrenzen, die für einen Schweissvorgang brauchbar sind, müssen aber mit Nachteilen erkauft werden.
So vermindert z. B. eine stärkere KennEnien-Nei- gang den Selbstregeleffekt der Konstantspannungs- Schweissmaschine. Dies bedeutet aber, dass bei Ver änderung der Drahtvorschubgeschwindigkeit oder des Schweissbrennerabstandes auch die Lichtbogenlänge und damit dessen Stabilität ungünstig beeinflusst wird. Es müssen daher die Leerlaufspannung und die Kennlinien- Neigung der jeweiligen Drahtvorschubgeschwindigkeit genau angepasst werden, um brauchbare Schweissergeb- nisse zu erhalten.
Es ist ferner bekannt, dass durch die Einschaltung einer induktiven Drossel in den Schweisstromkreis der zeitliche Verlauf .des Stromanstieges bei einem auftreten den Kurzschluss verzögert wird, wodurch die Kurz- schlusspitzen begrenzt werden können. Nachteilig wirkt sich -dabei jedoch aus, dass durch den verzögerten Ver lauf des Stromanstieges auch das Ablösen des gebildeten Schweissguttropfens verzögert wird.
Dies kann bei hoher Induktivität so weit führen, dass der Kurzschluss dauernd bestehen bleibt und sich überhaupt kein Lichtbogen mehr bildet. Bei etwas klei neren Werten der Induktivität kann es passieren, dass die Kurzschlusszeit gegenüber der Brennzeit des Licht bogens zu gross wird wodurch eine stark überwölbte Naht entsteht. Macht man die Induktivität noch kleiner, so wird der Lichtbogen sehr hart, und es entstehen durch die hohen Kurzschlusstromspitzen Schweisspritzer in verstärktem Masse.
Es ist ferner zu berücksichtigen, dass sich Kennli nienneigung, Induktivität und Leerlaufspannung gegen seitig beeinflussen, so dass bei Schweissmaschinen, bei denen alle drei Grössen veränderlich sind, nur schwie rig die günstigste Einstellung gefunden werden kann.
Es sind auch Stromquellen bekannt, bei denen eine Dämpfung des Stromanstieges durch Erhöhung der In duktivität in der Stromquelle selbst erfolgt, z. B. durch Rückkoppelung der an der Drossel bei Belastung ent stehenden Spannung an eine Steuerwicklung des Trans- duktors der Stromquelle.
Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren und eine Einrichtung, die funktionell selbständig jeder Gleich- strom-Schweisstromquelle mit flacher Strom-Spannungs- charakteristik nachgeschaltet werden können und ohne weiteres durch Beeinflussung des Kurzschlusstromes wirksam werden.
Gemäss der Erfindung wird vorgeschlagen, dass pa rallel zur Hauptdrossel mindestens ein derartiger Zweig geschaltet ist, dass die auf den Kurzschlusstrom wir kende Induktivität bei ansteigendem Kurzschlusstrom ohne Beeinflussung der Stromquelle selbst, vergrössert' und hierdurch die Anstieggeschwindigkeit des Kurz- schlusstromes bei Erreichen eines bestimmten Strom wertes vermindert wird.
Durch dieses Verfahren kann im Gegensatz zu den bekannten einfachen Induktivitäten der zeitliche Ver lauf des Kurzschlusstromanstieges beliebig verändert werden, d. h.' man kann z. B. erreichen, dass bei Bil dung eines Kurzschlusses der Stromanstieg zunächst schnell mit einer Geschwindigkeit von 50 000 A pro Sekunde erfolgt und bei Erreichung eines bestimmten Stromwertes (z. B. 200 A), die Stromanstiegsgeschwin digkeit vermindert wird (z. B. auf 15 000 A pro Sekun de).
Das Verfahren kann auch so durchgeführt werden, dass die Stromanstiegsgeschwindigkeit nicht nur einmal, sondern mehrmals bei Erreichen bestimmter Stromwerte geändert wird. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren gelingt es, die Höhe der dynamischen Kurzschlusspitzen so zu begrenzen, dass dabei weder die Kennlinien-Nei- gung vergrössert, die Tropfenablösung verzögert noch die Spritzerbildung verstärkt wird.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Ein- richtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Ver fahrens, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass in dem Gleichstromschweisskreis eine Hauptdrossel und Mittel zum Verstärken der Induktivität der Hauptdrossel beim Ansteigen des Kurzschlusstromes vorgesehen sind.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispiels weise erläutert. Es zeigen: Fig. 1 verschiedene statische Kennlinien einer Gleichstrom-Schweissmaschine; Fig. 2 durch die entsprechenden dynamischen Kenn linien den zeitlichen Verlauf des Kurzschlusstromes; Fig. 3a angeordnet in einem Gleichstromschweiss- kreis eine Hauptdrossel mit parallel geschalteter Neben drossel und Ohm'schen Widerstand; Fig. 3b eine andere Ausführung bei der die Neben drossel in Reihe mit einem Zweig, bestehend aus der Hauptdrossel mit parallel geschaltetem Ohm'schen Wi derstand, gelegt ist; Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Kurzschlusströme in dem Haupt- und in dem Nebenzweig, wenn diese getrennt belastet werden;
Fig. 5 den zeitlichen Verlauf des Kurzschlusstromes des Gesamtkreises; die unterbrochenen Linien I1 und I2 zeigen die Einzelströme der parallelen Zweige, aus de nen sich der Gesamtstrom I zusammensetzt; Fig. 6 die Schaltung von mehreren Nebenzweigen parallel zur Hauptdrossel; Fig. 7 den zeitlichen Verlauf des Kurzschlusstromes bei Schaltung nach Fig. 6, und Fig. 8 die zusätzliche Schaltung eines Gleichrichters in den Nebenkreis.
Bei den in Fig. 1 und 2 dargestellten Kennlinien wird vorausgesetzt, dass bei allen Stellungen der gleiche Dauerkurzschlusstrom fliesst. Mit IKD ist der Dauer- kurzschlusstrom und mit IT der erforderliche Strom zur Ablösung des Tropfens bezeichnet. 1 bezeichnet die Kennlinien der erfindungsgemässen Einrichtung. Die Kennlinien 2 gehören zu einer Schweissmaschine mit einer einzigen Induktivität im Stromkreis und mit 3 sind die Kennlinien einer Schweisstrommaschine mit starker Neigung der statischen Kennlinien benannt.
Man ersieht aus den Kennlinien, dass im Fall 1 und 2 die oben zitierte Selbstregulierung des Lichtbogens durch die flache Charakteristik besser ist als durch die steilere im Fall 3. Andererseits zeigt Fig. 2, dass im Fall 3 der maximale Kurzschlusstrom sehr schnell erreicht wird, und zwar mit einer Stromanstiegszeit, die nur durch die unbeabsichtigten Trägheiten der Stromquelle be stimmt ist. Im Falle 2 ist die Stromanstiegszeit langsa mer. Sie wird durch den Kehrwert der Induktivität be stimmt. Im Falle 1 erfolgt der Anstieg zunächst mit der gleichen Schnelligkeit wie im Fall 3.
Hier knickt aber bei einem gewissen Punkt der Stromanstieg ab und verläuft sanft weiter bis auf den Dauerkurzschlusstrom.
Die Schaltung nach Fig. 3a weist in einem Gleich stromkreis eine Hauptdrossel mit der Induktivität L1 und einen parallel geschalteten Nebenzweig, bestehend aus einer Nebendrossel mit einer Induktivität L2 und einen in Reihe geschalteten Ohm'schen Widerstand R2 auf.
Die Hauptdrossel besitzt einen durch den Leiterquer schnitt gegebenen unbeabsichtigten Ohm'schen Wider stand R1, der jedoch viel kleiner ist als R2. Die Indukti- vität von L1 ist grösser als diejenige von L2. Vorteilhaf- terweise wählt man L1 1,5 - 20 mal so gross als L2. Bei Auftreten eines Kurzschlusses wird die Strom anstiegsgeschwindigkeit durch den Wert der beiden Dros seln bestimmt.
Unter der Voraussetzung, dass die Induk tivität der Hauptdrossel gross und diejenige der Neben drossel klein ist, wird zunächst der Stromanstieg, entspre chend der kleineren Induktivität, verhältnismässig rasch erfolgen. Da die Nebendrossel in Reihe mit einem Ohm' scheu Widerstand geschaltet ist, wird die Stromanstiegs geschwindigkeit bis zu einem Stromwert beibehalten, ab dem der Ohm'sche Widerstand einen weiteren Stroman stieg begenzt. Ist z. B. die Spannung der Schweissma- schine 20 V und der Ohm'sche Widerstand 0,2 Ohm, so wird der Strom bis zu einem Grenzwert von 100 A mit einer Stromanstiegsgeschwindigkeit, entsprechend der kleineren Induktivität der Nebendrossel, verlaufen.
Von diesem Zeitpunkt an ist der Stromfluss durch den Neben kreis, bestehend aus in Reihe geschalteter Nebendrossel und Ohm'schen Widerstand, auf den oben genannten Wert begrenzt. Der Kurzschlusstrom muss bei seinem weiteren Anstieg den Weg durch die Hauptdrossel mit grösserer Induktivität nehmen. Zwangsläufig verläuft der weitere Stromanstieg, entsprechend der grösseren Induk tivität der Hauptdrossel, verzögert.
Es kann auch parallel zur Hauptdrossel nicht nur ein System, bestehend aus Nebendrossel und Ohm'schen Reihenwiderstand, sondern mehrere parallele Systeme geschaltet werden, in denen die Werte der Nebeninduk tivität und des Ohm'scheu Widerstandes dem gewünsch ten zeitlichen Verlauf des Kurzschlusstromes angepasst sind. Man kann letzteren z. B. so steuern, dass die Strom anstiegsgeschwindigkeit bis zu einem Kurzschlusstrom von<B>100</B> A 80 000 A pro Sekunde, bis zu einem Kurz- schlusstrom von 200 A 40 000 A pro Sekunde, bis zu einem Kurzschlusstrom von 300 A 20 000 A pro Sekun de und darüber hinaus 10 000 A pro Sekunde beträgt.
Es ist zweckmässig, der Hauptdrossel im Vergleich zu den parallel geschalteten Ohm'schen Widerständen eine möglichst gute elektrische Leitfähigkeit zu verlei hen, so dass sie während der Lichtbogenbrennzeit, wenn also keine rasche zeitliche Änderung des Stromes erfolgt, den überwiegenden Anteil des Stromflusses übernimmt. Man erreicht dadurch, dass der Konstantspannungs- Stromquelle keine grössere Neigung der statischen Kenn linie aufgezwungen wird, wodurch der Effekt der guten Selbstregelbarkeit erhalten bleibt.
Die Schaltung nach Fig. 3b weist in einem Gleich stromkreis eine Nebendrossel mit der Induktivität L2 und in Reihe dazu geschaltet eine Hauptdrossel mit parallel geschaltetem Ohm'schen Widerstand R2 auf, wobei die Hauptdrossel eine Induktivität L, besitzt, die grösser ist als die Induktivitiät der Nebendrossel L2. Der Wert des Ohm'schen Widerstandes R2 ist grösser als die Summe der in den beiden Drosseln vorhandenen Widerstände.
Bei Auftreten eines Kurzschlusses fliesst der Strom zunächst vorwiegend über die Nebendrossel und den zur Hauptdrossel parallel geschalteten Ohm'schen Wider stand. Da die Nebendrossel eine kleinere Induktivität als die Hauptdrossel besitzt, erfolgt der Stromanstieg dementsprechend zunächst verhältnismässig rasch. Wird ein Stromkreis erreicht bei dem der Ohm'sche Wider stand ein weiteres Ansteigen verhindert, so fliesst der weiter ansteigende Kurzschlusstrom bevorzugt statt über den Ohm'schen Widerstand über die Hauptdrossel. Man sieht, dass die Wirkung dieses abgewandelten Systems gleich ist wie diejenige der zuerst beschriebenen Anord nung. Es bietet sich dabei die Möglichkeit, die Induktivi tät der Nebendrossel in die Stromquelle selbst derart zu verlegen, dass der Stromquelle selbst eine gewisse In duktivität, z.
B. bei einem Schweissgleichrichter durch entsprechende Ausbildung des Transformators verliehen wird, die den gleichen Wert hat wie die Nebendrossel.
Die Funktion ist also derart, dass sich die induktive Wirkung mit ansteigendem Kurzschlusstrom immer mehr verstärkt. Sie unterscheidet sich dadurch nicht nur rein ausführungsmässig von den bisher bekannten einfachen Drosseln, sondern man kann mit ihnen der Schweissma- schine auch eine ganz spezielle Eignung für die MIG- Schweissung verleihen. Es ist z. B. nicht mehr notwen dig, Stromquellen, die bevorzugt für die Kurzlichtbogen- schweissung eingesetzt werden, eine erhöhte Neigung der statischen Stromspannungs-Kennlinie zu verleihen. Man kann also den Effekt der guten Selbstregelbarkeit der Schweisstromquelle erhalten.
Darüber hinaus kann durch den anfänglich raschen Stromanstieg die Ablösung und Abschnürung des aufgeschmolzenen Tropfens wesentlich beschleunigt werden, ohne dass dabei, wie dies bei ein fachen Drosseln der Fall ist, eine Verzögerung der Trop fenablösung und eine Erniedrigung der Kurzschlussfre- quenz eintritt, die wieder ungünstige Auswirkungen auf das Nahtaussehen und auf die Lichtbogenstabilität be sitzen.
Trotzdem wird ein zu hohes Ansteigen des Kurz- schlusstromes verlässlich dadurch vermieden, dass nach Erreichen eines bestimmten Stromwertes die Drossel wirkung in verstärktem Masse auftritt dass also der Kurzschlusstrom zunächst rasch ansteigt, um von einem bestimmten Wert an stark gebremst zu werden. Dadurch kann die Kurzschlusstromspitze auf einen willkürlich zu wählenden maximalen Wert beschränkt und ein zu starkes Spritzen beim Schweissen verlässlich vermieden werden.
Die in Fig. 4 und 5 dargestellten Kennlinien gelten sowohl für die Schaltung nach Fig. 3a als sinngemäss auch für die nach Fig. 3b. Es geht daraus hervor, dass der Stromanstieg des Nebenkreises 12 zunächst rasch verläuft, entsprechend der kleineren Induktivität L2. Er ist gegeben durch die Formel
EMI0003.0033
wobei U die von der Stromquelle abgegebene Spannung darstellt.
Der Ohm'sche Widerstand R2 begrenzt den durch den Nebenzweig fliessenden Strom auf einen maximalen Wert, der wie folgt bestimmt wird: 12 max. _
EMI0003.0037
Der innere Widerstand der Schweissmaschine sei dabei vernachlässigt.
Der Strom, der durch die Hauptdrossel fliesst, wird entsprechend der grösseren Induktivität stärker verzö gert. Der Stromanstieg entspricht der Formel Nach einer verhältnismässig
EMI0003.0040
langen Zeit erreicht der Strom einen Maximalwert, der nur durch den Innen widerstand der Schweissmaschine und durch den ver- hältnismässig niedrigen Ohm'schen Widerstand der Hauptdrossel L1 sowie der in den Schweisskreis geschal teten Kabel und Drähte bestimmt wird.
Aus Fig. 5 geht hervor, dass der Strom zunächst ent sprechend der kleinen Induktivität des Nebenkreises verhältnismässig rasch ansteigt, um nach Erreichen des maximalen Stromes des Nebenzweiges 12 max.
EMI0003.0047
entsprechend der grösseren Induktivität der Hauptdros sel stark verzögert weiter anzusteigen.
Die unterbrochenen Linien zeigen dabei die Strom belastungen der beiden Zweige Il und 12, die zusammen den Gesamtstrom I ergeben. Man erkennt daraus, dass der Strom 12 des Nebenkreises nach Erreichen des Maxi- malwertes wieder abfällt, da die Hauptdrossel infolge ihres geringen Ohm'schen Widerstandes in immer stär kerem Masse den Stromtransport übernimmt (Strom h).
Der schliesslich durch den Nebenkreis fliessende Strom ist verhältnismässig gering und ergibt sich aus dem Ver hältnis der Widerstände R1 und R2. Aus diesem Grunde können die Elemente des Nebenkreises auch für ver- hältnismässig geringen Strom bemessen werden, da ihre Belastung im wesentlichen nur immer kurzzeitig vor Er reichen des Kurzschlusstromes 12 max. auftritt.
Nach Fig. 6 sind der Hauptdrossel 3 Nebensysteme zugeschaltet, bestehend aus drei Nebendrosseln, die je weils mit einem Ohm'schen Widerstand in Serie geschal tet sind.
Aus Fig. 7 ist der zeitliche Stromverlauf bei Kurz- schluss zu sehen wobei in sinngemässer Abwandlung der Fig. 4 und 5 jeweils drei Stromstufen auftreten, bei denen sich der zeitliche Verlauf des Stromanstiegs ent sprechend der Induktivitäten L2, L3, L4 und schliesslich L, ändert.
Die bei Eiseninduktivitäten entstehenden Wechsel stromverluste, die sich in der gleichen Weise auswirken wie ein zur Drossel parallel geschalteter Widerstand, können in der gleichen Weise wie ein Ohm'scher Wider stand benutzt werden.
Die parallel geschalteten Nebendrosseln können auch so ausgebildet sein, dass sich durch entsprechende Aus wahl des Leitermaterials und des Querschnittes automa tisch beim Erreichen der gewünschten Induktivität der gewünschte Ohm'sche Widerstand des Nebenzweiges er gibt, so dass ein zusätzlicher Ohm'scher Widerstand da durch überflüssig wird. Z. B. beträgt bei einer Luftdros sel von 60 mm 0 und 90 Windungen die Induktivität 120 Mikrohenry und der Ohm'sche Widerstand 0,12 Ohm. Als Material wird Kupferdraht von 2 mm 0 ver wendet.
Ein besonderer Ohm'scher Widerstand kann auch dadurch vermieden- werden, dass durch Verwendung eines entsprechenden Eisenkernmaterials der Drosseln die Eisenverluste, z. B. durch Wirbelströme, die gleiche Wirkung hervorrufen wie ein Parallelwiderstand im Ne benzweig.
Eine weitere vorteilhafte Anordnung ist in Fig. 8 gezeigt, in der das System der Nebenzweige durch einen geeigneten Einweg-Gleichrichter mit dem Zweig der Hauptdrossel verbunden ist; dadurch kann der Strom- fluss durch das Nebensystem nur in einer Richtung erfol gen. Die in der Hauptdrossel gespeicherte Energie wird dadurch nach Aufhebung des Kurzschlusses am Abfluss durch das Nebensystem gehindert und zum Aufrecht erhalten des Lichtbogens zur Verfügung gestellt.