Vorrichtung zum Schweissen von Werkstücken Bei dem bekannten Widerstandstossschweissen wer den zwei Metallstücke mit einem Paar Elektroden .in Berührung gebracht und zusammengeschmiedet, indem ein elektrischer Energieimpuls von der einen Elektrode zur andern durch die zu schweissenden Metallstücke hindurchgeleitet wird. Die Elektroden können auf den selben oder auf gegenüberliegenden Seiten der Metall stücke angeordnet sein.
Je nach Art und Gewicht der zu schweissenden Metallstücke müssen die verwendete Stromstärke und der von den Elektroden ausgeübte Druck sorgfältig gewählt werden, um eine befriedigende Schweissung zu erzielen. Bei vielen Fabrikationsvorgängen sind die Ab messungen der miteinander zu verschweissenden Stücke von einer Schweissung zur nächsten verschieden, wo durch oft unbefriedigende Schweissungen verursacht werden. Wenn ein gebräuchliches Schweissgerät für ein befriedigendes Schweissen von Stücken einer Abmessung eingestellt ist und grössere Stücke zwischen die Elektro den gebracht werden, wird üblicherweise ein kleinerer Widerstand zwischen den Elektroden herrschen, und die grössere Materialmasse verhindert das Ansteigen der Temperatur auf einen für eine gute Schweissung benötigten Wert.
Die Schweissung ist daher unter dem Standard, da sie nicht genügend erhitzt wurde. Wenn anderseits die Stücke kleiner als üblich sind, bieten sie einen grösseren Widerstand und geringere Masse, so dass die Erhitzung übermässig ist, wodurch ebenfalls eine unbefriedigende Schweissung verursacht wird.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Vor richtung zum Schweissen von Werkstücken zu schaffen, die dazu eingerichtet ist, die den Schweisselektroden zugeführte Energiemenge .selbsttätig in Abhängigkeit von der Art und den Abmessungen der Werkstücke ein zustellen. Dadurch kann bei geeigneter Ausbildung der Vorrichtung erreicht werden, dass eine Bedienungsper son nicht mehr vor jeder Schweissung die Schweissener gie von Hand in Anpassung an die Abmessungen der Werkstücke verstellen muss.
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Schweissen von Werkstücken, mit zwei an die Werk stücke anlegbaren Schweisselektroden, die mit einer Quelle elektrischer Energie verbunden sind, und mit Mitteln zum Steuern der Menge der den Schweisselektro den von der Quelle zugeführten Energie, welche Vor richtung gekennzeichnet ist durch eine Steuerschaltung, die dazu eingerichtet ist, auf den elektrischen Wider stand der Werkstücke zwischen den Schweisselektroden oder auf eine von diesem Widerstand abhängige elektri sche Grösse anzusprechen und die genannten Steuer mittel zu veranlassen, den Schweisselektroden eine elek trische Energiemenge zuzuführen, die bei höheren Wer ten des genannten Widerstandes kleiner ist als bei niedrigeren Werten des Widerstandes.
Um die genannten Steuermittel in Abhängigkeit von dem Widerstand der Werkstücke zu steuern, kann die Steuerschaltung eine Einrichtung enthalten, um den Widerstand zwischen den Schweisselektroden direkt zu messen. Die Steuerschaltung kann jedoch auch eine Strommesseinrichtung zum Feststellen der von dem ge nannten Widerstand abhängigen Grösse des durch die Schweisselektroden fliessenden Stromes enthalten; dies insbesondere dann, wenn die Schweissenergie den Elek troden mit annähernd konstanter Spannung zugeführt wird.
Wenn dagegen den Elektroden für eine Schwei- ssung ein annähernd konstanter Strom zugeführt wird, dann kann die Steuerschaltung eine Spannungsmessein- richtung zum Feststellen der Grösse der an den Elektro den liegenden Spannung, die wiederum von dem ge nannten Widerstand abhängt, enthalten.
Die Steuerschaltung kann vorzugsweise eine Zeit- bemessungseinrichtungenthalten, um die Zeitdauer der Energiezufuhr zu den Schweisselektroden in Abhängig keit von dem genannten Widerstand zu :steuern.
Die Vorrichtung kann so ausgebildet und eingestellt werden, dass den Schweisselektroden eine vorbestimmte Menge elektrischer Energie zugeführt wird, wenn die Werkstücke zwischen den Elektroden eine vorbestimmte Grösse und einen vorbestimmten Widerstand haben. Bei kleineren Werkstücken mit höherem Widerstand wird dann die Energiemenge selbsttätig kleiner. Um gekehrt wird bei grösseren Werkstücken mit niedrigerem Widerstand die Energiemenge selbsttätig erhöht.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt, und zwar zeigen: Fig. 1 ein Blockschema eines ersten Ausführungs beispieles, Fig. 2 ein Schaltschema des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1, Fig. 3 ein Blockschema eines zweiten Ausführungs beispieles, Fig. 4 ein Schema, das veranschaulicht, wie die Fig. 4A und 4B zusammenzusetzen sind, und Fig. 4A und 4B Schaltschemata der Ausführungs form nach Fig. 3.
Gemäss Fig. 1 ist eine regulierte einstellbare Span nungsquelle 10 mit einem Schweisskopf und Impuls transformator 12 verbunden, welcher Schweissenergie an ein Paar Elektroden 13 abgibt, zwischen denen zwei Werkstücke 14 miteinander zu verschweissen sind. Der Schweisskopf und Impulstransformator kann von jeder üblichen Art sein, z. B. wie in der USA-Patentschrift Nr. 2 872 564 gezeigt.
Die Energiemenge, welche von der regulierten Span nungsquelle 10 an den Schweisskopf und Impulstrans formator 12 geliefert wird, wird von einer. Torschaltung 1'5 gesteuert, die ihrerseits während einer durch einen Impulszeitgeber 16 festgelegten Zeitdauer betätigt wird. Ein Signal von den Schweisselektroden aus, wenn ein vorbestimmter Schweissdruck auf das Werkstück aus geübt wird, löst die Torschaltung 15 und den Impuls zeitgeber 16 aus, und ein Signal von einem Verstärker 18 schaltet den Impulszeitgeber aus, um die Torschal tung unwirksam zu machen.
Der Verstärker 18 spricht auf Abweichungen des Stromes, der Spannung oder des Widerstandes von einem vorausbestimmten Wert an, welche Abweichungen von einer Messeinrichtung 20 festgestellt werden. Das durch den Druck der Schweisselektroden auf das Werkstück erzeugte Signal kann durch jedes geeignete Mittel erzeugt werden; wie z. B. durch den druckempfindlichen Schalter, der in der USA-Patentschrift Nr. 2 872 564 dargestellt ist.
Für den Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Schweiss vorrichtung wird die regulierte, einstellbare Spannungs quelle 10 so eingestellt, dass sie einen Impuls gewünsch ter Höhe an die Schweisselektroden abgibt, sobald sie von der Torschaltung 15 eingeschaltet wird. Das Werk stück wird zwischen die Elektroden gebracht, die gegen dasselbe angedrückt werden, his der druckabhängige Schalter (in Fig. 1 nicht dargestellt) betätigt wird; um ein Signal abzugeben, welches die Torschaltung 15 und den Impulszeitgeber 16 auslöst. Der Impulszeitgeber steuert die Dauer des- Schweissstosses in übereinstimmung mit dem Messsignal, das den Verstärker 18 durchläuft.
Der durch die Elektroden fliessende Strom, der Span nungsabfall zwischen den Elektroden oder der Wider stand zwischen denselben wird von der Messeinrichtung 20 erfasst, die ein Signal abgibt, das durch den Ver stärker 18 verstärkt und zum Einstellen der richtigen Schweissdauer dem Impulszeitgeber 16 zugeführt wird. Je grösser das Signal vom Verstärker 18 ist, um so länger bleibt der Impulszeitgeber eingeschaltet und eine um so grössere Menge Schweissenergie wird den Schweiss elektroden zugeführt.
Für verhältnismässig grosse Werk stücke, die einen geringeren Widerstand und eine lang- samere Aufheizgeschwindigkeit besitzen, wird eine ver hältnismässig grosse Energiemenge den Elektroden zu geführt. Umgekehrt, wenn die Teile kleiner sind, bieten sie einen grösseren Widerstand, erhitzen sich rascher und versuchen ein schwächeres Signal, das an den Ver stärker 18 .angelegt wird, :so dass der Impulszeitgeber früher ausschaltet und eine kleinere Schweissenergie menge zugeführt wird.
Nach Fig. 2 wird der Primärwicklung 22 eines ersten Transformators 23 Energie aus einer Wechsel stromquelle 24 zugeführt. Eine Sekundärwicklung 26 die in einer geregelten, einstellbaren Spannungsspeise stufe 28 liegt, ist über eine Vollweg-Gleichrichterbrücke 30 und einen Speisestrombegrenzerwiderstand 31 an die eine Seite eines Energiespeicherkondensators 32 an geschlossen, dessen andere Seite geerdet ist. Der Spei cherkondensator 32 kann sich über ein Paar parallel geschalteter, energieregelnder Transistoren 34 und eine Primärwicklung 36 eines Schweisstransformators 37 ent laden.
Die Basen der in Serie geschalteten, energie regelnden Transistoren sind über .die entsprechenden Ausgleichswiderstände 38 an den Ausgang einer Trei berstufe 39, die ein Paar Treibertransistoren 40 auf weist, angeschlossen. Emittervorspannwiderstände 41 sind, wie in !der Treiberstufe gezeigt, in Serie zwischen Basis und Emitter der Treibertransistoren geschaltet. Ein Widerstand 42 verbindet die Kollektoren der Tran sistoren der Treiberstufe mit der positiven Seite des Schweissenergiespeicherkondensators 32.
Die positive Seite des Schweissenergiespeicherkon- densators ist auch über eine Treiberkreisisolierdiode 44 und einen Emitterwiderstand 46 'mit dem Emitter eines Strombegrenzertransistors 48 verbunden, dessen Kollek tor über einen Impulsformkondensator 50 geerdet ist. Der Kondensator 50 bildet eine leicht geneigte Flanke an der Stirnseite des Impulses, der von Speicherkon densator 32 abgegeben wird, um eine gleichmässigere und befriedigerende .Erhitzung der Teile während des Schweissvorganges zu ergeben. Die Basis des Strom begrenzertransistors 48 ist über einen Vorspannungs widerstand 52 geerdet und an eine Seite einer Zener diode 54 angeschlossen, deren andere Seite mit der Treiberkreisisolierdiode 44 verbunden ist.
Zwei Ableit- widerstände 56 sind in Parallelschaltung mit dem die geneigte Flanke erzeugenden Kondensator 50 verbun den.
Ein Regelwiderstand 60 ist einenends über einen Widerstand 62 mit den Emittern der Energieregeltransi storen 34 verbunden. Ein beweglicher Abgriff 58, der längs des Widerstandes 60 verschiebbar ist, liefert ein Signal, das über einen Widerstand 64 an die Basis eines Regeltransistors 66 zugeführt wird, dessen Kollektor mit dem Kollektor des Strombegrenzertransistors 48 verbunden ist. Der Emitter des Regeltransistors, ist über eine Zenerdiode 68 geerdet, welche eine Vergleichs spannung für die geregelte Energiezufuhr abgibt. Der Abgriff 58 ist auch über einen Widerstand 70 geerdet.
Strom aus der Primärwicklung 36 des Schweisstrans formators 37 fliesst durch vier in Serie geschaltete Dio den 72 und einen Schweissstromfühlerwiderstand 74 zur Erde. Eine Ausgleichsschwingungsverhinderer-Diode 76 ist parallel zur Primärwicklung 36 des Schweisstrans- formators geschaltet. Die Dioden 72 erzeugen eine Umkehrvorspannung für die Energieregeltransistoren 34, um Streuströme während jedes Ausschaltzylklus zu re duzieren. Eine Sekundärwicklung 78 des Schweisstransforma tors ist mit zwei Schweisselektroden verbunden, die an derselben Seite von zwei miteinander zu verschweissen den Werkstücken 79 anliegen.
Ein normalerweise offe ner Schweissschalter 80 wird geschlossen, wenn der durch die Elektroden ausgeübte Druck einen für die Schweissung passenden Wert erreicht. Das Schliessen des Schweissschalters 80 bewirkt das Erden einer Nieder spannungsspeiseleitung 83 über :einen ersten Widerstand 83, einen zweiten Widerstand 84 und einen dritten Widerstand 85. Die Spannung an der Leitung 82 wird durch ein gebräuchliches Niederspannungsnetzgerät 85A und einen Spannungsregler 85B im wesentlichen kon stant gehalten. Ein Kondensator 86 ist zu dem Wider stand 84 parallel geschaltet. Das Schliessen des Schweiss schalters 80 erzeugt einen negativen Impuls zum Aus lösen eines Impulsgenerator-Unijunctiontransistors 87 mit einer Basis 87A, die über einen Widerstand 88 geerdet ist.
Eine Basis 87B des Impulsgeneratortransi stors 87 ist zwischen :den Widerständen 83 und 84 angeschlossen. Der Emitter 89 des Impulsgenerator transistors ist zwischen Widerständen 90 und 91 an geschlossen, die in Serie zwischen :der Niederspannungs leitung 82 und Erde liegen. Der Emitter des Impuls generatortransistors ist auch über einen Spannungsab fallwiderstand 92 und einen Kondensator 93 geerdet. Ein Triggerimpulskopplungskondensator 94 koppelt einen negativen Impuls vom Transistor, 87 an einen Torsteuerschalter 95, der normalerweise leitend ist, so dass Strom von der Niederspannungsspeiseleitung über einen Anodenbelastungswiderstand 96 und einen Katho denbelastungwiderstand 97 zur Erde fliesst.
Der nega tive Impuls vom Transistor 87 .sperrt den Torsteuer schalter 95, so dass der Steuerstrom unterbrochen wird, der über einen Strombegenzungswiderstand 98 zu einem normalerweise leitenden Transistor 100 fliesst, dessen Kollektor über einen Widerstand 101 mit der Basis des ersten Treibenstufentransistors 40 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 100 ist geerdet.
Die Unterbrechung des Steuerstromes des Transistors<B>100,</B> wenn der Torsteuerschalter 95 gesperrt wird, hat zur Folge, dass die Treiberstufentransistoren die Energie reglertransisto:ren in leitenden: Zustand bringen, um den Schweissimpuls durch die Primärwicklung des Schweiss transformators auszulösen. Die Spannung dieses Schweiss impulses wird durch die Einstellung des verstellbaren Abgriffes 58 am Widerstand 60 bestimmt. Ein Speise widerstand 102 liegt zwischen der Niederspannungs speiseleitung 82 und der Referenzspannungsdiode 68.
Die Strommenge, welche durch die Primärwicklung des Schweisstransformators fliesst, hängt von dem Mate rial ab, das zwischen den Schweisselektroden angeordnet ist, und die Höhe dieses Stromes wird am Widerstand 74 abgefühlt, um ein Signal zu erzeugen, das an ein Potentiometer 104 gelegt ist. Ein verstellbarer Abgriff 105 des Potentiometers 104 liefert .ein einstellbares Signal üben einen Rückkopplungswiderstand 106 zum Emitter eines normalerweise leitenden Verstärkertran sistors 108, dessen Kollektor mit der Basis eines Lade transistors<B>110</B> und mit einem Lastwiderstand 111 ver bunden ist.
Die Basis des Verstärkertransistors 108 ist zwischen Vorspannungswiderstände 112 und 113 angeschlossen, die in Serie zwischen der Niederspannungsspeiseleitung 82 und Erde liegen. Zwei in Serie liegende Dioden 113A sind zwischen den Widerstand 113 und Erde geschaltet und dienen der Temperaturkompensation. Der Emitter des Verstärkertransistors 108 ist auch über einen Widerstand 114 und einen Kondensator 115 mit dem Torsteuerschalter 95 verbunden. Der Kondensator 115 blockiert zeitweilig den Verstärkertransistor 108, wenn der Torsteuerschalter durch das Signal vom Schweissschalter 80 .ausgeschaltet wird.
Der Emitter des Ladetransistors 110 ist üben einen Lastwiderstand<B>116</B> mit dem Torsteuerschalter 95 verbunden, und der Kol lektor des Ladetransistors ist über :einen Zeitmesskon- densator 118 geerdet. Ein Impulsdauerbegrenzungswi- denstand 120 ist zwischen den Kollektor des Lade transistors 110 und den Torsteuerschalter 95 gelegt. Ein einstellbarer Trimmerzeiteinstellwiderstand 122 liegt in Serie mit einem Strombegrenzerwiderstand 124 und einer ersten Basis 125 eines Zeitimpulsgenerator-Uni junctiontransistors 126. Ein Strombegrenzerwiderstand 128 verbindet einte zweite Basis des Transistors<B>126</B> mit :der Erde.
Eine Diode<B>130</B> ist mit ihrer Anode mit dem von der Erde :entfernten Ende des Widerstandes 128 und mit ihrer Kathode mit dem Torsteuerschalter 95 verbunden. Im Betrieb der in Fig. 2 gezeigten Schaltung liefert beim Schliessen des Schweissschalters 80 der Transistor 87 einen negativen Impuls über den Kopplungskonden sator 94 zum Torsteuerschalter 95, der nichtleitend gemacht wird. Dadurch wird ein negativer Impuls zur Ausschaltung des normalerweise leitenden Transistors 100 erzeugt. Die Treiber 40 werden betätigt, um die Energiereglertransistoren 34 einzuschalten und einen Schweissimpuls durch die Primärwicklung des Schweiss transformators zu schicken.
Die durch die Primärwick lung des Schweisstransformators fliessende Strommenge ist proportional zur Leitfähigkeit, .d. h. zur Abmessung der zu schweissenden Werkstücke, und erzeugt ein ent sprechendes Signal am Stromfühlerwiderstand 74. Dieses Signal wird durch das Potentiometer 104 in überein- stimmung mit der Einstellung des Abgriffes 105 ge dämpft und wird als negative Rückkopplung dem Emit ter des Verstärkertransistors 108 zugeführt, :der seiner seits die Zeit bestimmt, welche zum Laden des Zeit- messkondensators 118 erforderlich ist, :indem er die Vor spannung der Basis des normalerweise leitenden Lade transistors 110 verändert.
Wenn kein Signal vom Strom fühlerwiderstand 74 ausgeht, dann leitet der Ladetran sistor 110 und der Zeitmesskondensator 118 erreicht rasch eine volle Ladung über den Transistor<B>110.</B> Je grösser das Signal vom Stromfühlerwiderstand 74 :ist, um so weniger leitet der Ladentransistor 110, wodurch eine längere Zeit erforderlich ist, um den Zeitmess- kondensator 118 aufzuladen.
Wenn der Kondensator 118 genügend aufgeladen ist, :entlädt er sich vollständig über den Zeitimpulsgeneratortransistor 126, um einen positiven Impuls über die Diode 130 dem Torsteuer schalter 95 zuzuführen und diesen erneut leitend zu machen, wodurch die Spannung am Widerstand 96 genügend abfällt, um zu verhindern, dass der Lade transistor 110 leitend wird. Der Zeitmesskondensator 118 bleibt daher entladen. Die Entladung des Konden- sators 118 legt einen positiven Impuls an den Transi stor 100, macht denselben wiederum leitend und be endigt den Schweissimpuls.
Dadurch wird um so mehr Schweissenergie durch den Schweissimpuls geliefert, je grösser das Signal vom Stromfühlerwiderstand 74 ist.
Die Spannung der Schweissimpulse wird durch Ver stellung des Abgniffes 58 am Widerstand 60 anfänglich so eingestellt, dass eine befriedigende Schweissung für Werkstücke einer Grösse nahe beim oberen Ende des in Aussicht genommenen Werkstückgrössenbereiches er zielt wird. Der Abgriff 105 wird auf sein Maximum eingestellt und dann so verstellt, dass befriedigende Schweissungen selbsttätig für verschiedene Abmessungen der zu schweissenden Stücke innerhalb des betrachteten Bereiches erhalten werden. Üblicherweise wenden die geeigneten Einstellungen für die Abgriffe<B>5</B>8 und 105 durch einige Versuchsschweissungen erhalten.
Eine Vorspannungswicklung 132 um den Kern des Schweisstransformators 37 wird mit einem Vormagneti sierungsstrom von der Niederspannungsspeiseleitung 82 über einen Widerstand 134 gespeist, um den Kern in einen Zustand zu bringen, bei dem eine Sättigung des Kernes während des Schweissimpulses vermieden wird, so dass eine gute Impulssteuerung mit einem verhält nismässig kleinen Transformator möglich äst.
Eine Schaltung, in welche Schaltelemente mit den in Fig. 2 angegebenen Werten verwendet sind, erzeugt befriedigende Schweissungen über einen verhältnismässig grossen Bereich von Werkstückabmessungen, ohne eine manuelle Verstellung erforderlich zu machen.
Das Blockschema nach Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführung einer Schweissvorrichtung. Die Schaltung weicht von derjenigen nach Fig. 1 nur darin ab, dass sie mehrere zusätzliche Teile enthält. Insbesondere sind ein Rechteckwellengenerator 136 und ein Zerhacker 138 der Schaltung nach Fig. 1 in der in Fig. 3 gezeigten Weise hinzugefügt, wobei eine einstellbare, regulierte Spannungsquelle 140 über den Zerhacker 138 mit einem Impulstransformator 142 verbunden ist. Die Frequenz des Zerhackers wird durch den Rechteckwellengenera tor gesteuert.
In bezug auf alles andere bleibt die Schaltung im wesentlichen die gleiche wie in Fig 1. Die einstellbare Spannungsquelle 140, welche den Energiespeicherkon densator und ein geregeltes Netzgerät enthält, ist so geschaltet, dass der Ausgang der Spannungsquelle dem Zerhacker 138 zugeführt wird. Der Ausgang des Zer- hackers ist seinerseits an den Transformator 142 an geschlossen. Wie in Verbindung mit den Fig. 4A und 4B ausführlicher erläutert wird, ermöglicht die geänderte Schaltung nach Fig. 3 gewisse Änderungen am Trans formator 142. Der Impulstransformator 142 ist mit Schweisselektroden 144 und einem Widerstandsände rungsfühler 146 verbunden.
Widerum kann der Fühler 146 eine Einrichtung sein, welche auf Änderungen der Spannung, des Stromes oder des Widerstandes anspricht. Der Ausgang des Fühlers 146 speist einen Verstärker 148, der seinerseits mit einem Tor 150 und einem Impulzeitgeber 152 verbunden ist. Das Tor .ist auch mit der einstellbaren Spannungsquelle 140 und dem Impulszeitgeber verbunden. Eine Verbindung vom Zeit geber zum Tor vervollständigt die Schaltung.
Die Schaltungen gemäss den Fig. 4A und 4B sind gleichartig zu der in Fig. 1 gezeigten Schaltung, mit dem Unterschied, dass ein Spannungsregler 154B zusätzlich mit dem Eingang eines Rechteckwellengenerators 156 verbunden ist. Rechteckwellengenerator 156 besteht aus einem Kernsättigungstransformer 158, zwei Transistoren 160 und 162, zwei Vorspannwiderständen 164 und 166, einem Spannungsabfallwiderstand 168 und einer Klemm diode 170. Der Kernsättigungstransformator 138 ist mit zwei Primärwicklungen 172 und 174 und einer Sekun därwicklung<B>176</B> versehen.
Der Rechteckwellengenerator läuft frei, und er arbeitet wie folgt. Wenn der Transistor 160 leitend ist, dann fliesst durch die Wicklung 174 ein bis zum Sätti gungspunkt des Kernes des Transformators 158 steigen der Strom. Die Sättigung verursacht im Transformator eine scharfe Impedanzänderung für die beiden Transi storen und bewirkt, dass der Transistor 162 leitend wird, während das Leiten des Transistors 160 aufhört. Bei der nächsten Sättigung des Kernes ändert sich der Zustand der Transistoren wiederum. Die Arbeit des Generators geht in dieser abwechselnden Weise weiter, solange Energie durch die Eingangleitung 159 zufliesst.
Die Schwingfrequenz des Generators ist durch die ma gnetische Charakteristik des Transformators 158 und die Anzahl Windungen der Primärwicklung bestimmt. Vorzugsweise liegt die Frequenz des Generators bei 1000 Hertz.
Die Sekundärwicklung 176 -des Transformators, 158 ist mit Einern Zerhacker 178 über Anschlüsse zu den Basiselektroden :eines Paares von Transistoren 180 und 182 verbunden. Der Zerhacker enthält auch zwei Vor spannwiderstände 184 und 186. Der Ausgang des Zer- hackers ist mit einem Transformator 188 verbunden, an den die Schweisselektroden 190 angeschlossen sind. Die Speisung des Zerhackers erfolgt über Verbindungen 194 und 196 von einer geregelten Spannungsquelle 198 an die Emitter der Transistoren bzw. die Mittelan zapfung 200 dies Transformators 188. Die Frequenz des Zerhackers wird durch den Rechteckwellengenerator bestimmt.
Wenn der Schweissenergiespeicherkondensator 202 entladen wird, wird die aufgespeicherte Energie durch den Zerhacker zerhackt und der Kern des Trans- formatos 188 wid abwechselnd auf seinen positiven und negativen Sättigungspunkten getrieben, wenn die Energie demselben durch abwechselndes Leiten der Transistoren 180 und 182 zugeführt wird.
Zufolge der besondern Schaltungsausbildung nach Fig. 4 braucht der Transformator 188 kein Impuls transformator, d. h. kein polarisierter Gleichstromtrans formator, zu sein. Er kann nun ein gebräuchlicher Transformator sein, da zugehörige Schaltung viel wirk sameren Gebrauch vom Transformator macht, indem das magnetische Material des Transformators abwech selnd sowohl gegen die positive als auch gegen die negative Sättigungsgrenze getrieben wird. Bei Stoss- oder Impulstransformatoren wird das Material nur in einer Richtung magnetisiert, was den Transformator veran lasst, eine dauernde Vormagnetisierung anzunehmen, die bei jeder Impulsübertragung zu den Schweisselektroden zu überwinden ist.
Dies bedeutet, dass der Impulstrans formator verhältnismässig gross sein muss, damit er einen ausreichenden Magnetfluss aufnehmen kann, um ein Ansprechen auf die unipolare Erregung zu erlauben. Da der Transformator 188 dagegen einer Wechsel erregung unterworfen ist, nimmt der Kern keine per manente Magnetisierung an, und die Magnetflussauf- nahmefähigkeit des magnetischen Materials des: Trans formators braucht nicht so gross zu sein. Dies bedeutet, dass die Abmessungen des Metallkernes verringert wer den können und ebenso die Menge des Kupfers in den Wicklungen.
Verglichen mit den Abmessungen eines Impulstransformators wie @in Fig. 2 gezeigt, betragen die Abmessungen des Transformators in Fig. 4 an genähert nur ein Achtel. Zusätzlich zur Möglichkeit, einen kleineren Schweisstransformator verwenden zu können, ergeben sich zufolge der Schaltungsausbildung nach Fig. 4 weitere Vorteile, wie z. B. eine grössere Dauer der Schweissimpulse zufolge der Wechseleigen schaften der zugeführten Energie, welche eine Sättigung des Transformators vermeiden, und niedrigere Impe danzen der Wicklungen, welche die Regulierung der Ausgangsspannung verbessern.
Device for welding workpieces In the known resistance butt welding who brought the two pieces of metal with a pair of electrodes into contact and forged together by passing an electrical energy pulse from one electrode to the other through the metal pieces to be welded. The electrodes can be arranged on the same or on opposite sides of the metal pieces.
Depending on the type and weight of the metal pieces to be welded, the current strength used and the pressure exerted by the electrodes must be carefully selected in order to achieve a satisfactory weld. In many manufacturing processes, the dimensions of the pieces to be welded together are different from one weld to the next, which is often caused by unsatisfactory welds. If a common welding device is set for a satisfactory welding of pieces of one dimension and larger pieces are brought between the electrodes, there will usually be a smaller resistance between the electrodes, and the larger mass of material prevents the temperature from rising to a level required for a good weld Value.
The weld is therefore below standard as it has not been heated sufficiently. On the other hand, if the pieces are smaller than usual, they offer greater resistance and lower mass, so that the heating is excessive, which also causes an unsatisfactory weld.
The object of the invention is to create a device for welding workpieces, which is set up to automatically adjust the amount of energy supplied to the welding electrodes depending on the type and dimensions of the workpieces. With a suitable design of the device it can thereby be achieved that an operator no longer has to adjust the welding energy by hand to match the dimensions of the workpieces before each weld.
The invention relates to a device for welding workpieces, with two welding electrodes which can be placed on the workpieces and which are connected to a source of electrical energy, and with means for controlling the amount of energy supplied to the welding electro from the source, which device is characterized is by a control circuit which is set up to respond to the electrical resistance of the workpieces between the welding electrodes or to an electrical variable dependent on this resistance and to cause the said control means to supply the welding electrodes with an amount of electrical energy that is higher at higher Values of the mentioned resistance is smaller than at lower values of the resistance.
In order to control said control means as a function of the resistance of the workpieces, the control circuit can contain a device for directly measuring the resistance between the welding electrodes. The control circuit can, however, also contain a current measuring device for determining the size of the current flowing through the welding electrodes, which depends on the resistance mentioned; this is particularly the case when the welding energy is fed to the electrodes with an approximately constant voltage.
If, on the other hand, an approximately constant current is fed to the electrodes for welding, the control circuit can contain a voltage measuring device for determining the magnitude of the voltage applied to the electrodes, which in turn depends on the resistance mentioned.
The control circuit can preferably contain a time measuring device in order to control the duration of the energy supply to the welding electrodes as a function of said resistance.
The device can be designed and adjusted in such a way that a predetermined amount of electrical energy is supplied to the welding electrodes when the workpieces between the electrodes have a predetermined size and a predetermined resistance. In the case of smaller workpieces with a higher resistance, the amount of energy is then automatically smaller. Conversely, the amount of energy is automatically increased for larger workpieces with lower resistance.
In the drawing, embodiments of the subject matter of the invention are shown, namely: Fig. 1 is a block diagram of a first embodiment, Fig. 2 is a circuit diagram of the embodiment of Fig. 1, Fig. 3 is a block diagram of a second embodiment, Fig. 4 is a diagram , which illustrates how FIGS. 4A and 4B are to be put together, and FIGS. 4A and 4B are circuit diagrams of the embodiment according to FIG. 3.
According to Fig. 1, a regulated adjustable voltage voltage source 10 is connected to a welding head and pulse transformer 12, which emits welding energy to a pair of electrodes 13, between which two workpieces 14 are to be welded together. The welding head and pulse transformer can be of any conventional type, e.g. As shown in U.S. Patent No. 2,872,564.
The amount of energy which is supplied from the regulated voltage source 10 to the welding head and pulse transformer 12 is from a. Gate circuit 1'5 controlled, which in turn is actuated during a fixed by a pulse timer 16 period. A signal from the welding electrodes, when a predetermined welding pressure is exerted on the workpiece, triggers the gate circuit 15 and the pulse timer 16, and a signal from an amplifier 18 turns off the pulse timer to make the gate circuit ineffective.
The amplifier 18 responds to deviations of the current, the voltage or the resistance from a predetermined value, which deviations are determined by a measuring device 20. The signal generated by the pressure of the welding electrodes on the workpiece can be generated by any suitable means; such as By the pressure sensitive switch shown in U.S. Patent No. 2,872,564.
For the operation of the welding device shown in FIG. 1, the regulated, adjustable voltage source 10 is set so that it emits a pulse of the desired height to the welding electrodes as soon as it is switched on by the gate circuit 15. The work piece is brought between the electrodes, which are pressed against the same until the pressure-dependent switch (not shown in Fig. 1) is actuated; in order to emit a signal which triggers the gate circuit 15 and the pulse timer 16. The pulse timer controls the duration of the weld joint in accordance with the measurement signal that passes through the amplifier 18.
The current flowing through the electrodes, the voltage drop between the electrodes or the resistance between them is detected by the measuring device 20, which emits a signal that is amplified by the amplifier 18 and fed to the pulse timer 16 to set the correct welding duration. The greater the signal from the amplifier 18, the longer the pulse timer remains switched on and the greater the amount of welding energy is supplied to the welding electrodes.
For relatively large workpieces that have a lower resistance and a slower heating rate, a relatively large amount of energy is fed to the electrodes. Conversely, if the parts are smaller, they offer greater resistance, heat up more quickly and try a weaker signal, which is applied to the amplifier 18, so that the pulse timer switches off earlier and a smaller amount of welding energy is supplied.
According to Fig. 2, the primary winding 22 of a first transformer 23 energy from an alternating current source 24 is supplied. A secondary winding 26 which is in a regulated, adjustable voltage supply stage 28 is connected via a full-wave rectifier bridge 30 and a feed current limiter resistor 31 to one side of an energy storage capacitor 32, the other side of which is grounded. The storage capacitor 32 can be charged via a pair of energy-regulating transistors 34 connected in parallel and a primary winding 36 of a welding transformer 37.
The bases of the series-connected, energy-regulating transistors are connected via .the corresponding balancing resistors 38 to the output of a driver stage 39, which has a pair of driver transistors 40. As shown in FIG. 1 of the driver stage, emitter bias resistors 41 are connected in series between the base and emitter of the driver transistors. A resistor 42 connects the collectors of the transistors of the driver stage to the positive side of the welding energy storage capacitor 32.
The positive side of the welding energy storage capacitor is also connected via a driver circuit isolating diode 44 and an emitter resistor 46 'to the emitter of a current limiter transistor 48, the collector of which is grounded via a pulse shape capacitor 50. The capacitor 50 forms a slightly inclined flank on the face of the pulse emitted by the storage capacitor 32 in order to produce more uniform and satisfactory heating of the parts during the welding process. The base of the current limiter transistor 48 is grounded via a bias resistor 52 and connected to one side of a Zener diode 54, the other side of which is connected to the driver circuit isolating diode 44.
Two discharge resistors 56 are connected in parallel with the capacitor 50 generating the inclined flank.
A regulating resistor 60 is connected at one end to the emitters of the energy regulating transistors 34 via a resistor 62. A movable tap 58, which is displaceable along the resistor 60, supplies a signal which is fed via a resistor 64 to the base of a regulating transistor 66, the collector of which is connected to the collector of the current limiter transistor 48. The emitter of the control transistor is grounded via a Zener diode 68, which emits a comparison voltage for the regulated supply of energy. The tap 58 is also grounded through a resistor 70.
Current from the primary winding 36 of the welding transformer 37 flows through four series-connected diodes 72 and a welding current sensor resistor 74 to earth. A compensation oscillation prevention diode 76 is connected in parallel to the primary winding 36 of the welding transformer. Diodes 72 reverse bias the energy regulating transistors 34 to reduce leakage currents during each turn-off cycle. A secondary winding 78 of the welding transformer is connected to two welding electrodes which rest on the same side of two workpieces 79 to be welded together.
A normally open welding switch 80 is closed when the pressure exerted by the electrodes reaches a value suitable for the weld. Closing the welding switch 80 causes a low voltage supply line 83 to be grounded via: a first resistor 83, a second resistor 84 and a third resistor 85. The voltage on the line 82 is kept essentially constant by a conventional low voltage power supply 85A and a voltage regulator 85B . A capacitor 86 is connected to the counter stand 84 in parallel. Closing the welding switch 80 generates a negative pulse for triggering a pulse generator unijunction transistor 87 with a base 87A which is grounded via a resistor 88.
A base 87B of the pulse generator transistor 87 is connected between the resistors 83 and 84. The emitter 89 of the pulse generator transistor is closed between resistors 90 and 91, which are in series between: the low voltage line 82 and ground. The emitter of the pulse generator transistor is also grounded via a voltage drop resistor 92 and a capacitor 93. A trigger pulse coupling capacitor 94 couples a negative pulse from transistor 87 to a gate switch 95, which is normally conductive, so that current flows from the low voltage feed line through an anode load resistor 96 and a cathode load resistor 97 to ground.
The negative pulse from transistor 87 blocks the gate control switch 95, so that the control current is interrupted, which flows through a current limiting resistor 98 to a normally conductive transistor 100, the collector of which is connected to the base of the first drive stage transistor 40 via a resistor 101. The emitter of transistor 100 is grounded.
The interruption of the control current of the transistor <B> 100 </B> when the gate control switch 95 is blocked has the consequence that the driver stage transistors bring the energy regulator transistors into a conductive state in order to trigger the welding pulse through the primary winding of the welding transformer . The voltage of this welding pulse is determined by the setting of the adjustable tap 58 on the resistor 60. A feed resistor 102 is located between the low-voltage feed line 82 and the reference voltage diode 68.
The amount of current that flows through the primary winding of the welding transformer depends on the mate rial that is arranged between the welding electrodes, and the level of this current is sensed at resistor 74 to generate a signal that is applied to a potentiometer 104. An adjustable tap 105 of the potentiometer 104 supplies .ein an adjustable signal exert a feedback resistor 106 to the emitter of a normally conductive amplifier transistor 108, the collector of which is connected to the base of a charging transistor 110 and to a load resistor 111.
The base of amplifier transistor 108 is connected between bias resistors 112 and 113 which are in series between the low voltage supply line 82 and ground. Two diodes 113A in series are connected between resistor 113 and earth and are used for temperature compensation. The emitter of the amplifier transistor 108 is also connected to the gate switch 95 via a resistor 114 and a capacitor 115. The capacitor 115 temporarily blocks the amplifier transistor 108 when the gate control switch is switched off by the signal from the welding switch 80.
The emitter of the charging transistor 110 is connected to the gate control switch 95 via a load resistor 116, and the collector of the charging transistor is grounded via a timing capacitor 118. A pulse duration limiting resistor 120 is placed between the collector of the charging transistor 110 and the gate control switch 95. An adjustable trimmer timing resistor 122 is in series with a current limiter resistor 124 and a first base 125 of a timing pulse generator Uni junction transistor 126. A current limiter resistor 128 connects a second base of transistor 126 to: earth.
A diode 130 has its anode connected to the end of the resistor 128 that is remote from earth, and its cathode is connected to the gate control switch 95. In the operation of the circuit shown in FIG. 2, when the welding switch 80 is closed, the transistor 87 delivers a negative pulse via the coupling capacitor 94 to the gate control switch 95, which is made non-conductive. This generates a negative pulse to turn off the normally conducting transistor 100. The drivers 40 are actuated to turn on the energy regulator transistors 34 and to send a welding pulse through the primary winding of the welding transformer.
The amount of current flowing through the primary winding of the welding transformer is proportional to the conductivity, .d. H. for dimensioning the workpieces to be welded, and generates a corresponding signal at the current sensor resistor 74. This signal is attenuated by the potentiometer 104 in accordance with the setting of the tap 105 and is fed as negative feedback to the emitter of the amplifier transistor 108: which, for its part, determines the time required to charge the timing capacitor 118: by changing the bias voltage of the base of the normally conducting charging transistor 110.
If there is no signal from the current sensor resistor 74, then the charging transistor 110 conducts and the timing capacitor 118 quickly reaches a full charge via the transistor 110. The greater the signal from the current sensor resistor 74: the less it conducts the charging transistor 110, whereby a longer time is required to charge the timing capacitor 118.
When the capacitor 118 is sufficiently charged, it discharges completely through the timing pulse generator transistor 126 to feed a positive pulse through the diode 130 to the gate switch 95 and make it conductive again, whereby the voltage across the resistor 96 drops enough to prevent that the charging transistor 110 is conductive. The timing capacitor 118 therefore remains discharged. The discharge of the capacitor 118 applies a positive pulse to the transistor 100, in turn makes the same conductive and ends the welding pulse.
As a result, the greater the signal from the current sensor resistor 74, the more welding energy is supplied by the welding pulse.
The voltage of the welding pulses is initially set by adjusting the tap 58 on the resistor 60 so that a satisfactory weld is achieved for workpieces of a size close to the upper end of the envisaged workpiece size range. The tap 105 is set to its maximum and then adjusted such that satisfactory welds are automatically obtained for different dimensions of the pieces to be welded within the area under consideration. Usually, the appropriate settings for taps <B> 5 </B> 8 and 105 are obtained through a few test welds.
A bias winding 132 around the core of the welding transformer 37 is fed with a biasing current from the low voltage feed line 82 via a resistor 134 to bring the core into a state in which saturation of the core is avoided during the welding pulse, so that good pulse control with a relatively small transformer.
A circuit in which switching elements with the values indicated in FIG. 2 are used produces satisfactory welds over a relatively large range of workpiece dimensions without requiring manual adjustment.
The block diagram according to FIG. 3 shows a preferred embodiment of a welding device. The circuit differs from that of FIG. 1 only in that it contains several additional parts. In particular, a square wave generator 136 and chopper 138 are added to the circuit of FIG. 1, as shown in FIG. 3, with an adjustable, regulated voltage source 140 connected to a pulse transformer 142 through chopper 138. The frequency of the chopper is controlled by the square wave generator.
With regard to everything else, the circuit remains essentially the same as in FIG. 1. The adjustable voltage source 140, which contains the energy storage capacitor and a regulated power supply, is connected so that the output of the voltage source is fed to the chopper 138. The output of the chopper is in turn connected to the transformer 142. As will be explained in more detail in connection with FIGS. 4A and 4B, the modified circuit according to FIG. 3 enables certain changes to be made to the transformer 142. The pulse transformer 142 is connected to welding electrodes 144 and a resistance change sensor 146.
Again, the sensor 146 can be a device which is responsive to changes in voltage, current or resistance. The output of the sensor 146 feeds an amplifier 148, which in turn is connected to a port 150 and a pulse timer 152. The gate is also connected to the adjustable voltage source 140 and the pulse timer. A connection from the timer to the gate completes the circuit.
The circuits according to FIGS. 4A and 4B are similar to the circuit shown in FIG. 1, with the difference that a voltage regulator 154B is additionally connected to the input of a square wave generator 156. Square wave generator 156 consists of a core saturation transformer 158, two transistors 160 and 162, two biasing resistors 164 and 166, a voltage drop resistor 168 and a clamping diode 170. The core saturation transformer 138 has two primary windings 172 and 174 and a secondary winding <B> 176 </ B > provided.
The square wave generator is free running and it works as follows. When the transistor 160 is conductive, the current flows through the winding 174 up to the saturation point of the core of the transformer 158. The saturation causes a sharp change in impedance for the two transistors in the transformer and causes transistor 162 to conduct while transistor 160 ceases to conduct. The next time the core is saturated, the state of the transistors changes again. The work of the generator continues in this alternating manner as long as energy flows through the input line 159.
The oscillation frequency of the generator is determined by the ma magnetic characteristics of the transformer 158 and the number of turns of the primary winding. The frequency of the generator is preferably 1000 Hertz.
The secondary winding 176 of the transformer 15, 158 is connected to a chopper 178 via connections to the base electrodes: of a pair of transistors 180 and 182. The chopper also contains two bias resistors 184 and 186. The output of the chopper is connected to a transformer 188 to which the welding electrodes 190 are connected. The chopper is fed via connections 194 and 196 from a regulated voltage source 198 to the emitters of the transistors or the central tap 200 of this transformer 188. The frequency of the chopper is determined by the square wave generator.
When the welding energy storage capacitor 202 is discharged, the stored energy is chopped up by the chopper and the core of the transformer 188 is driven alternately to its positive and negative saturation points when the energy is supplied to it by alternately conducting transistors 180 and 182.
As a result of the special circuit configuration shown in FIG. 4, the transformer 188 does not need a pulse transformer, i. H. not to be a polarized DC transformer. It can now be a common transformer, as the associated circuit makes much more effective use of the transformer, in that the magnetic material of the transformer is driven alternately against both the positive and negative saturation limit. In the case of surge transformers or pulse transformers, the material is magnetized in only one direction, which causes the transformer to adopt a permanent premagnetization that must be overcome with each pulse transmission to the welding electrodes.
This means that the pulse transformer must be relatively large so that it can absorb sufficient magnetic flux to allow a response to the unipolar excitation. Since the transformer 188, on the other hand, is subject to alternating excitation, the core does not assume any permanent magnetization, and the magnetic flux absorption capacity of the magnetic material of the transformer does not need to be that great. This means that the dimensions of the metal core can be reduced and so can the amount of copper in the windings.
Compared to the dimensions of a pulse transformer as shown in FIG. 2, the dimensions of the transformer in FIG. 4 are only approximately one eighth. In addition to the possibility of using a smaller welding transformer, the circuit configuration according to FIG. 4 results in further advantages, such as, for. B. a longer duration of the welding pulses due to the alternating properties of the energy supplied, which avoid saturation of the transformer, and lower Impe dances of the windings, which improve the regulation of the output voltage.