Einrichtung für die Leistungszuführung beim elektrischen Lichtbogenschweissen Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Leistungszuführung beim elektrischen Lichtbo- genschweissen, welche Einrichtung eine elektrische Grundleistungsquelle aufweist, die den zur Aufrechter haltung des zwischen der Schweisselektrode und dem Werkstück brennenden Lichtbogens erforderlichen Grund-Gleichstrom liefert, und welche ferner eine elektrische Impulsleistungsquelle besitzt, die im ge nannten Lichtbogen zusätzliche Gleichstromimpulse von vorbestimmter Frequenz und Amplitude zu erzeugen vermag,
wobei die Grundleistungsquelle und die Im pulsleistungsquelle gleichstromseitig in Parallelschal- tung der Lichtbogen speisen.
Bei Einrichtungen der vermerkten Bauart wurde es nun bisher als notwendig erachtet, wenigstens der elek trischen Grundleistungsquelle eine stark abfallende Strom-Spannungs-Charakteristik, d. h. einen hinreichend hohen inneren Widerstand, zu geben. Die vorliegende Erfindung gründet sich indessen auf die Erkenntnis, dass viele Gründe für eine andere Bemessung sprechen und die erfindungsgemässe Einrichtung ist somit da durch gekennzeichnet,
dass die Grundleistungsquelle einen vom Grund-Gleichstrom durchflossenen Gleich richter aufweist und eine ganz oder nahezu strom unabhängige Ausgangs-Gleichspannung besitzt, und dass ferner zur Vermeidung unstabiler Betriebszustände der Lichtbogen über eine mit ihm in Reihe liegende Drosselspule von der genannten Parallelschaltung aus gespeist ist. Am besten ist hierbei die zuletzt ge nannte Parallelschaltung noch durch einen Konden sator überbrückt.
Die Drosselspule weist hingegen vor zugsweise eine Selbstinduktion auf, die mit wachsen dem Momentanwert des durch sie fliessenden Gleich stromes abnimmt und zu diesem Zweck ist sie mit einem magnetisch sättigbaren Eisenkern versehen. Zweckmässig ist eine Bemessung des genannten Eisen kernes in der Weise, dass für Momentanwerte im Be reich des Grund-Gleichstromes der Eisenkern praktisch noch ungesättigt bleibt, während für Momentanwerte im Bereich der Gleichstromimpulse eine fortschrei tende Sättigung des Eisenkernes eintreten soll.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend an hand der Zeichnung an einem Beispiel. näher erläutert, in welcher Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbei spieles der Erfindung zeigt, Fig. 2a den Verlauf des Schweissstromes (Ordinate) als Funktion der Zeit (Abszisse) darstellt, wenn die Drosselspule 18 in Fig. 1 kurzgeschlossen wird, Fig. 2b den verbesserten Verlauf des Schweissstro- mes (Ordinate) als Funktion der Zeit (Abszisse) dar stellt, der sich bei Benützung der Drosselspule 18 nach Fig. 1 ergibt, Fig. 3a den Verlauf der Lichtbogenspannung (Ordi nate) als Funktion der Zeit (Abszisse) darstellt, wenn die Drosselspule 18 gemäss Fig. 1 kurzgeschlossen ist, Fig.
3b den günstigeren Verlauf der Lichtbogen spannung (Ordinate) als Funktion der Zeit (Abszisse) darstellt, der sich bei Benützung der Drosselspule 18 gemäss Fig. 1 einstellt, Fig. 4 und 5 beispielsweise Kennlinien der Strom abhängigkeit der Induktivität der Drosselspule 18 nach Fig. 1 zeigen, wobei in der Odinateneinrichtung die Selbstinduktion in Mikrohenry und in der Abszissen- richturig der Schweissstrom in Ampere aufgetragen ist, und Fig. 6a, 6b, 7a, 7b weitere Diagramme zeigen, auf welche weiter unten noch eingegangen wird.
Wie in Fig. 1 dargestellt, beinhaltet die Anordnung eine primäre Grundleistungsquelle 10, die über die Klemmen 12 von einem dreiphasigen Wechselstrom netz mittels Gleichrichter gespeist ist. Es handelt sich dabei um eine Leistungsquelle bekannter Art, die an sich eine ebene oder schwach abfallende Spannungs- Strom-Charakteristik hat und die geeignet ist, einen relativ niedrigen Strom zu liefern, der ausreicht, um zwischen der sich verbrauchenden Elektrode (schema tisch bei 14 dargestellt) und einem Werkstück 16 einen Lichtbogen aufrechtzuerhalten.
Mit dem Lichtbogen ist ein induktiver Widerstand 18 (Drosselspule) in Reihe geschaltet, der durch eine mit einem Eisenkern verse- henen Spule mit schmalem Luftspalt gebildet sein kann. Für Ströme, deren Momentanwert 150 Ampere übersteigt, kann beispielsweise ein induktiver Wider stand 18 vorgesehen sein, der nach Fig. 4 eine Selbstin duktion von 10 bis 100 Microhenry hat. Für Ströme, deren Momentanwert geringer ist als 150 Ampere, hat der induktive Widerstand 18 oder vorzugsweise eine Selbstinduktion von 100 bis 1000 Microhenry, wie dies die Fig. 5 andeutet.
Eine sekundäre Impulsleistungsquelle 20, die Schweisstromimpulse liefert, ist in Parallelschaltung mit der primären Grundleistungsquelle 10 verbunden. Der gemeinsame Effekt von primärer und sekundärer Leistungsquelle besteht darin, den Metallübergang von der Elektrode zu dem Werkstück zu steuern und durch eine geeignete Auswahl von Frequenz und Amplitude der Schweissstrominpulse kann erreicht werden, dass jeweils ein Metalltröpfchen pro Impuls über tragen wird, wobei zwischen den Impulsen eine solche Übertragung unterbleibt. Die Impulsleistungsquelle 20 kann von einer Wechselstromquelle, beispielsweise einem Wechselstromnetz, gespeist werden, dessen Klemmen mit 22 gekennzeichnet sind.
Die Einzelheiten der Ausbildung und Wirkungsweise der Impulslei stungsquelle 20 sind jedoch im Rahmen der vorliegen den Erfindung ohne Belang.
Eine der vorteilhaften Auswirkungen des indukti ven Widerstandes 18 ist in den Fig. 2a bis b und 3a bis b dargestellt. Die Fig. 2a zeigt ein. Diagramm, in dem der zeitliche Verlauf des Schweissstromes aufgetragen ist, wie er sich bei Benutzung eines Stromkreises wie in Fig. 1 ergibt, wobei aber der induktive Widerstand 18 kurzgeschlossen sei. Demgegenüber zeigt die Fig. 2b ein entsprechendes Diagramm für den Fall, dass der induktive Widerstand 18 in den Stromkreis eingeschal tet ist. Die Gleichstromhöhe der primären oder Grund leistungsquelle 10 ist mit der Bezugsziffer 30 gekenn zeichnet und die von der sekundären Impulsleistungs quelle 20 gelieferten Impulse sind mit der Bezugsziffer 32 versehen.
Zwischen den Impulsen der sekundären Impulsleistungsquelle 20 treten unerwünschte Strom- stösse 34 auf und diese rufen infolge der Lichtbogenin stabilität die Gefahr des Eilöschens des Lichtbogens hervor. Es besteht Grund zu der Annahme, dass diese Stromstösse 34 mit einer irregulären Tröpfchenbildung oder -Absonderung verbunden sind; die einwandfreie Deutung dieses Phänomens ist indessen schwierig und die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung hängt nicht von eines besonderen Theorie über Ur sprung oder Grund solcher Stromstösse ab.
Die Fig. 3a und 3b zeigen ferner die Bogenspannung als Funktion der Zeit und es ist ersichtlich, dass die Anwesenheit des induktiven Widerstandes 18 einen positiven Span- nungsstoss 40 (Fig. 3b) hervorruft. Dieser Spannungs- stoss bewirkt, wie aus der mit der Bezugsziffer 36 ge kennzeichneten Stelle der Fig. 2b ersichtlich ist, eine fast vollständige Ausglättung des vorerwähnten Strom- stosses.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des in Reihe mit dem Lichtbogen geschalteten induktiven Widerstandes 18 besteht darin, dass der jeweils erfolgende Übergang vom Betriebszustand, bei dem der Lichtbogen von der impulsabgebenden Leistungsquelle und der Grund-Lei stungsquelle gemeinsam gespeist wird, in den Betriebs zustand, bei dem er lediglich von der Grund-Leistungs quelle allein gespeist wird, eine wesentliche Verbesse rung erfährt. In den Fig. 6a und 6b sind Diagramme gezeigt, in denen jeweils der Lichtbogenstrom und die Lichtbogenspannung als Funktion der Zeit aufge tragen sind, und zwar für den Fall, dass der induk tive Widerstand 18 kurzgeschlossen ist.
Die Fig. 7a und 7b zeigen entsprechend dem zeitlichen Verlauf von Lichtbogenspannung und dem Lichtbogenstrom, wenn der induktive Widerstand wirksam ist. Aus den Fig. 6a und 6b ist ersichtlich, dass ummittelbar nach dem Abschalten der impulsabgebenden Leistungsquelle ein Spannungsabfall 50 und ein. Stromabfall 52 auf tritt.
Unter gewissen Umständen, beispielsweise wenn beim Schweissen von Aluminium der Grundstrom lediglich etwa 40 bis 50 Ampere beträgt, bewirkt die ser Abfall, dass der Lichtbogenstrom gleich Null oder nahezu Null wird und der Lichtbogen dann. erlöscht.
Die wesentlich verbesserten Kurvenformen des Licht bogenstromes und der Lichtbogenspannung bei An wendung der Drosselspule 18 zeigen die Fig. 7a und 7b, aus denen ersichtlich ist, dass die gespeicherte Energie der Drosselspule 18 beim Übergang von der impuls- abgebenden zur Grund-Leistungsquelle eine weitgehende Ausglättung der erwähnten Kurvenspitzen bewirkt.
Aus den obigen Ausführungen geht hervor, dass die Grund-Leistungsquelle 10 selbst dann einen Gleichrichter aufweisen muss, wenn zur Speisung ein Gleichstromgenerator oder eine Batterie herangezogen ist. Würde man diesen vom Grund-Gleichstrom durch- flossenen Gleichrichter nicht vorsehen, so könnte die Bogenspannung während der Impulse niemals um mehr als einen vernachlässigbar kleinen Betrag die Leerlaufspannung der Grundleistungsquelle übersteigen,
da ja diese Grundleistungsquelle eine solche mit ge ringem inneren Widerstand und mit einer wenigstens näherungsweise stromunabhängigen Ausgangsspannung sein soll.
Schliesslich hat es sich als zweckmässig erwiesen, die aus Lichtbogen und Drosselspule 18 gebildete Rei henschaltung noch durch einen oder mehrere Kondensa toren zu überbrücken. Ein solcher Kondensator 44 ist in der Fig. 1 in gestrichelten Linien dargestellt. Ein Kondensator mit einer Kapazität von etwa 10 000 Microfarad hat sich als hinreichend erwiesen.
Spezielle Beispiele für das Lichtbogenschweissen mit sich verbrauchender Elektrode und unter Anwen dung der beschriebenen Einrichtung seien im folgenden angeführt:
EMI0002.0066
Beispiel <SEP> 1 <SEP> Beispiel <SEP> 2 <SEP> Beispiel <SEP> 3
<tb> Position: <SEP> Überkopf <SEP> Vertikal <SEP> Horizontalvertikal
<tb> Werkstück: <SEP> Aluminium <SEP> Flussstahl <SEP> nichtrostender <SEP> Stahl
<tb> Stumpfschweissung <SEP> Stumpfschweissung <SEP> Kehlschweissung
<tb> 3,175 <SEP> mm <SEP> dick <SEP> 29,2 <SEP> mm <SEP> dick <SEP> 15,5 <SEP> mm <SEP> dick
<tb> Elektrode:
<tb> Zusammensetzung: <SEP> Aluminium <SEP> Flussstahl <SEP> nichtrostender <SEP> Stahl
EMI0003.0000
Beispiel <SEP> 1 <SEP> Beispiel <SEP> 2 <SEP> Beispiel <SEP> 3
<tb> Durchmesser:
<SEP> 1,575 <SEP> mm <SEP> 1,194 <SEP> mm <SEP> 0,787 <SEP> mm
<tb> Vorschubgeschwindigkeit: <SEP> 2,29 <SEP> m/min. <SEP> 2,03-3,56 <SEP> m/min. <SEP> 3,3 <SEP> m/min.
<tb> stick <SEP> out : <SEP> 15,24-19,05 <SEP> mm <SEP> 6,35 <SEP> mm <SEP> 12,7 <SEP> mm
<tb> Polung: <SEP> positiv <SEP> positiv <SEP> positiv
<tb> Schutzgas: <SEP> Argon <SEP> Argon <SEP> -I- <SEP> 2 <SEP> 0/o. <SEP> Sauerstoff <SEP> Argon <SEP> -f- <SEP> 20/o <SEP> Sauerstoff
<tb> Gas-Durchflussmenge: <SEP> 0,708-0,85 <SEP> m3/h <SEP> 0,708-0,85 <SEP> m3/h <SEP> 0,708-0,85 <SEP> m3/h
<tb> Grund-Leistungsquelle: <SEP> - <SEP> 3-phasig, <SEP> gleichgerichtete <SEP> Leistungsabgabe, <SEP> '
<tb> konst. <SEP> Potential <SEP> wie <SEP> Beispiel <SEP> 1
<tb> Impulsabgebende <SEP> einphasig, <SEP> halbweg- <SEP> u. <SEP> vollweggleichgerichtet,
<tb> Leistungsquelle:
<SEP> Impulsabgabe <SEP> mit <SEP> 50 <SEP> bzw. <SEP> 100 <SEP> Hz <SEP> wie <SEP> Beispiel <SEP> 1
<tb> Induktivität <SEP> in <SEP> Reihe <SEP> mit <SEP> ungesättigt <SEP> 1000 <SEP> H.
<tb> Lichtbogen: <SEP> (bei <SEP> 10 <SEP> A) <SEP> wie <SEP> Beispiel <SEP> 1
<tb> gesättigt <SEP> 20 <SEP> H.
<tb> (bei <SEP> 150 <SEP> A)
<tb> Impulsfrequenz: <SEP> 50 <SEP> Hz <SEP> 50 <SEP> Hz <SEP> 50 <SEP> Hz
<tb> Impulsspannung: <SEP> 22 <SEP> V. <SEP> 27 <SEP> V. <SEP> 23 <SEP> V.
<tb> Impulsstrom: <SEP> 250 <SEP> A. <SEP> 330 <SEP> A. <SEP> 200 <SEP> A.
<tb> Grund-Spannung: <SEP> 17,5 <SEP> V. <SEP> 14-19,5 <SEP> V. <SEP> 16 <SEP> V.
<tb> Grund-Strom: <SEP> 15 <SEP> A. <SEP> 10-80 <SEP> A. <SEP> 30 <SEP> A.
Für das Schweissen mit sich verbrauchender Elek trode können nackte Volldrahtelektroden und auch zusammengesetzte Elektrodendrähte mit einer Umhül lung oder einem Kern aus Flussmaterial (Schweisspa- ste) benutzt werden.