Verfahren zum Wechselstrom-Lichtbogenschweissen von Leichtmetall unter Schutzgas und Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wechsel strom-Lichtbogenschweissen von Leichtmetall, bei dem mit .einem Brenner mit nichtabschmelzender Elektrode unter Schutzgasanwendung gearbeitet wird, das heisst nach dem sogenannten WIG-Verfahren.
Es ist bereits bekannt, zum Schweissen von Leicht metallen vorzugsweise Wechselstrom zu benutzen, wobei das Aufschmelzen es zu schweissenden Grundwerkstof fes während derjenigen Halbwellen des Wechselstromes erfolgt, in denen die Elektrode negativ gepolt ist.
Wäh rend der anderen Halbwellen, bei positiv gepolter Elek trode, wird :dagegen durch :die Emission der Ladungs träger des Grundwerkstoffes die bei Leichtmetallen stets vorhandene und einen höheren Schmelzpunkt als der Grundwerkstoff aufweisende Oxydschicht aufgerissen und an Iden Rand es Schweissbades gedrängt. Diese Reinigungswirkung des Lichtbogens ist von grossem Vorteil.
Durch die Verschiedenheit der Betriebstemperaturen und der Materialeigenschaften hei der nicht abschmel zenden Elektrode und dem zu schweissenden Grund werkstoff .ergibt sich eine unterschiedliche Emissions fähigkeit von Elektrode und Schmelzbad mit der Wir kung, dass beim Wechselstromschweissen oder positive Anteil :des Wechselstromes kleiner ist als der negative Anteil. Diese Nebenwirkung ist als partielle Gleich richtung bekannt.
Die Stromkurve lässt sich also in eine symmetrische Wechselstromkurve zerlegen, der ein Gleichstromanteil überlagert ist, dessen Grösse von ver schiedenen Faktoren, unter .anderem von :den Eigen schaften der verwendeten Schweissmaschine und der verwendeten Werkstoffe, abhängt. Der Nachteil dieser überlagerten negativen Gleichstromkomponente liegt darin, dass durch den schwächeren positiven Anteil des Stromes die beim Leichtmetallschweissen unerlässliche Reinigungswirkung auf :die Schweissbadoberfläche bei verstärkter Aufschmelzwirkung in meist unerwünschter Weise vermindert wird.
Es sind bereits Massnahmen bekannt geworden, um diesen negativen Gleichstromanteil zu beseitigen oder wenigstens zu vermindern. Eine dieser Massnahmen be steht darin, in :den Schweissstromkreis eine Akkumula- torehbatterie in Reihe mit :der Schweissstelle zu legen und .damit .dem vom Schweisstransformator gelieferten Wechselstrom einen der unerwünschten Gleichstrom komponente entgegengesetzten Gleichstromanteil aufzu zwingen;
so dass die im Lichtbogen stattfindende par tielle Gleichrichtung in ihrer Wirkung vermindert oder aufgehoben wird. Diese Lösung ist unpraktisch, da ein Akkumulator :das Gewicht einer Schweissmaschine un erwünscht erhöht und ausserdem eine :dauernde War tung erfordert.
Eine andere bekannte Massnahme zur Aufhebung der partiellen Gleichrichtung im Lichtbogen besteht darin, die unerwünschte Gleichstromkomponente durch einen in den Schweissstromkreis geschalteten Reihen kondensator abzublocken. Bei den hohen Stromstärken des Schweissstromes von beispielsweise 200-500 Ampere sind hierbei jedoch Kondensatoren in der Grösse von 30 000-70 000 27F erforderlich. Kapazitäten dieser Grössenordnungen können nur als relativ teuere Elek trolytkondensatoren mit praktisch brauchbaren Abmes sungen hergestellt werden. Solche Elektrolytkondensa toren haben aber den Nachteil, :dass sie nur eine be schränkte Lebensdauer haben.
Ausserdem besteht bei der Verwendung von Kondensatoren die Gefahr, dass bei ungünstigen Verhältnissen, wenn der elektrische Blindwiderstand der Stromquelle etwa dem Blindwider stand des Kondensators entspricht, Resonanzströme auf treten können, die zu einer Beschädigung oder gar Zer störung der Schweissanlagen führen können.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren und eine Vorrichtung zum Wechselstrom-Licht- bogenschweissen von Leichtmetall zu schaffen, welche die vorstehend angeführten Nachteile vermeiden und mit denen im Gegensatz zu den bekannten Verfahren und Einrichtungen eine Anpassung,der Stärke :
der Beeinflus- sung der partiellen Gleichrichtung in Anpassung an Werkstückstärke und Werkstoffart möglich ist. So kann es in bestimmten Fällen durchaus von Vorteil sein, wenn eine negative Gleichstromkomponente von gewisser Stärke vorhanden bleibt, um eine stärkere Erhitzung des Werkstückes und damit einen tieferen Einbrand bei gleichzeitig höherer Belastbarkeit der Wolframelektrode zu ;erzielen und mit einer gerade noch ausreichenden Reinigungswirkung der Schweissbadoberfläche zu arbei ten.
Beim Schweissen mit sehr geringen Stromstärken kann es anderseits sogar erwünscht sein, dem Wechsel strom eins positive Gleichstromkomponente aufzudrük- ken, um beispielsweise beim Schweissen dünnwandiger Werkstücke eine gesteigerte Reinigungswirkung der Schweissbadoberfläche zu erzielen. Mit Akkumulatoren und Kondensatoren lässt sich eine solche Anpassungs fähigkeit der Anlage in einem wirtschaftlichen Rahmen nicht erreichen.
Die gestellte Aufgab,- wird beim Verfahren gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Energiezufuhr zum Lichtbogen stromrichtungsabhängig im Rhythmus des Schweissstromes reguliert wird.
Gemäss einer Ausführungsform des Verfahrens kön nen die negativ gerichteten Halbwellen des Schweiss- stromes durch eine an sich bekannte Phasenanschnitt steuerung des steuerbaren Gleichrichters verkleinert werden; gemäss einer anderen Ausführungsform können die positiv gerichteten Halbwellen des Schweissstromes mittels einer Zusatzspannung vergrössert werden, deren Zuschaltung durch eine stromrichtungsabhängige Steue rung eines steuerbaren Gleichrichters bewirkt wird.
Es ist zwar bereits bekannt geworden, :der partiellen Gleichrichtung im Lichtbogen mittels einer Schaltung entgegenzuwirken, die aus einem Widerstand mit einem parallel geschalteten und urigesteuerten Sperrgleichrich ter besteht. Bei dieser Einrichtung wird der Widerstand etwa vom halben Schweissstrom durchflossen und muss daher bei einer Grösse von ungefähr 0,1 Ohm für eine Belastbarkeit mit ca. 2000 Watt ausgebildet werden, was die Ausführung dieses Widerstandes als Regelwiderstand praktisch unmöglich macht. Bei der Verwendung eins festen Widerstandes ergibt sich jedoch der Nachteil, dass mit zunehmender Stromstärke die negative Gleichstrom komponente relativ kleiner wird und mit kleineren Stromstärken relativ ansteigt.
Erwünscht ist aber gerade der umgekehrte Effekt. Bei kleineren Strömen muss die Reinigungswirkung der Schweissbadoberfläche grösser werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Variation der Gleichstromkomponente des Schweissstroms in wei ten Grenzen, die positive und negative Werte umfassen.
Eins Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, .dass zur stromrichtungsabhängigen Regulierung :der Energie zufuhr zur Elektrode in den Schweissstromkreis ein steuerbarer Gleichrichter geschaltet ist.
Gemäss einer Ausführungsform dieser Vorrichtung ist der Steuerein gang des steuerbaren Gleichrichters mit einer im Rhyth mus des Schweissstromes arbeitenden Phasenanschnitt Schaltstufe verbunden, und dem Gleichrichter ist ein Strompfad für positiv gerichtete Halbwellen des Schweissstromes mit einem ohmschen Widerstand par allel geschaltet. Eine andere Ausführungsform der Vor richtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Schweisstransformator mit einer Zusatzwicklung und/ oder mehreren Wicklungsanzapfungen oder einen geson derten Regeltransformator für die Lieferung einer Zu satzspannung zur Vergrösserung der positiven Halbwel len des Schweisstromes aufweist.
Dabei kann dem steuerbaren Gleichrichter ein urigesteuerter Gleichrich- ter in Antiparallelschaltung und in Reihe mit der Zu satzspannungsquelle zugeordnet werden.
Die Anwendung der Erfindung bringt den Vorteil, dass das Verhältnis zwischen dem Wechselstrom und der eingestellten Gleichstromkomponente etwa konstant bleibt, auch wenn .die Impedanz des Wechselstromkrei ses geändert wird.
Die Differenz zwischen den Bogenspannungen in den beiden Halbwellen, die sich erfahrungsgemäss nur ge ringfügig mit der Schweissstromstärke ändert und die beispielsweise bei Verwendung von Reinaluminium als zu schweissendem Werkstoff und Wolfram als Elektrode bei 20 Volt positiver Bogenspannung und 10 Volt nega tiver Bogenspannung (bezogen auf die Elektrodenpolari tät) einen beachtlichen prozentualen Wert annimmt, kann also entweder durch eine Verminderung .des Energiegehaltes ;der negativen Halbwelle oder durch eine während der positiven Halbwelle wirksame Zusatzspan nung ausgeglichen oder vermindert werden.
Im folgenden werden verschiedene Ausführungsbei spiele der erfindungsgemässen Vorrichtung in Verbin dung mit der Zeichnung erläutert.
Im einzelnen zeigen: Fig. 1 das Schaltbild eines ersten Ausführungsbei spiels :der erfindungsgemässen Wechselstrom-Lichtbo genschweissvorrichtung; Fig. 2 das Schaltbild nach Fig. 1 in abgewandelter Form; Fig.3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vor richtung gemäss der Erfindung; Fig. 4 eine abgewandelte Form des Ausführungsbei spiels nach Fig. 3; Fig. 5 eine .die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 3 und Fig. 4 erläuternde Stromkurve; und Fig. 6 ein ;weiteres, den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und Fig.2 ähnelndes Ausführungsbeispiel mit einer Zwangskommutierungsstufe.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 weist einen Haupt- schweisstransformator 1, der die feste Leerlaufspannung U" liefert, und einen Regeltransformutor 2 zur Lieferung veränderlichen Leerlaufspannung U" auf. Die Pri märwicklungen beider Transformatoren sind parallel zu einander an eine Wechselspannungsquelle 3 gelegt. Zur Einstellung der Schweissstromstärke h isst ein Regel widerstand 4 vorgesehen. In den Figuren sind mit der Bezugsziffer 5 ein Brenner mit einer nicht abschmelzen den Elektrode und mit der Bezugsziffer 6 ein zu ver- schweissendes Werkstück bezeichnet.
In. dem vorn der Sekundärwicklung des Transforma tors 1 aus gespeisten Hauptstromkreis der Einrichtung :ist ausserdem ein gesteuerter Gleichrichter 7 vorgesehen, ,dessen Steuerelektrode 71 mit einem Impulssteuergerät 8 verbunden ist, :dessen Steuerelektrode 71 mit einem Im- pu:lssteuergerät 8 verbunden isst, dessen Eingang parallel zu einem mit dem Regelwiderstand 4. in Reihe geschal teten Widerstand 81 geschaltet ist, also im Rhythmus des WechseIstromes IS betätigt wird.
In einer Parallel leitung 10 zu dem gesteuerten Gleichrichter 7 isst e:in unge!steu erter, umgekehrt gepolter Gleichrichter 9 in Reihe mit der die veränderliche Lezrlaufzusatzspannung U,; liefernden Sekundärwicklung des Transformators 2 gesehalte@t.
Der gesteuerte Gleichrichter 7 ist nur für die nega- tiven Halbwellen I" des Schweissstromes I" und nur beim Anliegen eines bestimmten Potentials an seiner Steuer- elektrode 71 stromdurchlässig.
Das Impulss:teuegerät e wird in Abhängigkeit vom Rhythmus des Schweissstro- mes 1, so betrieben, :dass das erforderliche Steuerpoten tial immer beim Auftreten einer negativen Halbwelle vor liegt. Beim Auftreten einer negativen Halbwelle herrscht eine bestimmte Lichthogenspannung Un. Für >den nega tiv gerichteten Strom I" gilt dann die Beziehung In = (Uo-Un)/R.
Ein Fliessen eines Stromes in der Parallel leitung 10 wird durch den umgekehrt zum Gleichrichter 7 gepolten unveränderlichen Gleichrichter 9 verhindert.
Beim Auftreten einer positiven Halbwelle des Schweissstromes Is sperrt dagegen der gesteuerte Gleich richter 7, so dass in diesem Fall ein Strom In in Pfeil- richtung durch den Gleichrichter 9 über die Leitung 10 zur Schweissstelle mit der positiven Lichtbogenspannung Up fliesst.
Dabei wird die Zusatzspannung U" wirksam, und für den Strom Ip gilt die Gleichung Ip = (Uo + Ua - Up)/R. Will man -die lichtbogenbedingte Gleichspan- :nungskomponente .aufheben und die beiden Ströme I" und Ip gleich gross halten, lässt sich aus den -beiden vor stehend angeführten Stromigleichungen leicht ableiten, dass :dann die Zusatzspannung Ua = Up - Un sein muss.
Durch eine Vergrösserung oder Verkleinerung der Span nun,- Ua gegenüber diesem Wert kann wahlweise und denn beistimmten Schweissfall entsprechend :eine negative oder auch positive Gleichstromkomponente eingestellt werden.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 .entspricht dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit dem einzigen Un terschied, dass die Primärwicklungen der Transformato ren 1' und 2' mit Anzapfungen 11 und Umschaltern 12 versehen .sind, so dass eine stufenweise Änderung der Schweissstromspannung Uo und der Zusatzspannung Ua, möglich ist.
In Fig.3 ist -eine Vorrichtung dargestellt, bei der keine besondere Zusatzspannung erzeugt wird, sondern die negative Gleichstromkomponente im Schweissstrom Is durch eine Phasenanschnittssteuerung der negativen Halbwelle des Schweissstromes vermindert oder aufge hoben wird.
Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung einen primärseitig an die Wechselspannungsquelle 3 an geschlossenen Schweisstransfornmator 13 auf, dessen Sekundärsaite wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen über -,einen Schweissstrom-Regu- lierwiderstand 14, einen Spannungsabgriffswiderstand 15, das Werkstück 6, dein Schweissbrenner 5 und einen gesteuerten Gleichrichter 16 geschaltet .ist, wobei dem gesteuerten Gleichrichter 16 wieder ein entgegengesetzt gepolter ungesteuerter Gleichrichter 17 parallel geschal tet ist. Die Steuerelektrode 161 des gesteuerten Gleich richters 16 isst mit einer Phasenanschnitt-Schaltstufe 18 verbunden, die ihre Eingangsspannung über dem Wider stand 15 abgreift.
Während der positiven Halbwellen des Schweiss- stromes Is ist der steue'r'bare Gleichrichter 16 gesperrt; .und der Strom I" fliesst über den ungesteuerten Gleich richter 17 zur Schweissstelle. Während der negativen Halbwelle ödes Schweisstromes Is sperrt der ungesteuerte Gleichrichter 17 und der Strom In muss über den steuer baren Gleichrichter 16 Messen. Dieser Gleichrichter 16 wird mittels der Phasenanschnitt-Schaltstufe 18 so ge steuert, :
dass er gegenüber !dem Nulldurchgang des Schweissstromes IS im Zeitpunkt t2 verzögert geöffnet wird, so dass erst im Zeitpunkt t3 ein negativer Schweiss stromfluss In erfolgt, wie in -dem Strom/Zeit-Diagramm der Fig. 5 veranschaulicht ist.
Bei einer solchen Schaltung kann gemäss Fig. 4 der urgesteuerte Gleichrichter 17 auch durch einen parallel zum gesteuerten Gleichrichter 16 gelegten Widerstand 19 ersetzt werden, der niederohmig ist und -daher die positive Halbwelle I, des Schweissstromes Is kaum be hindert, jedoch grösser ist als der Durchlasswiderstand das steuerbaren Gleichrichters 16, so dass bei geöffne tem Gleichrichters 16, so dass bei geöffnetem Gleich richter 16 kein nennenswerter Parallelstrom über den Widerstand 19 fliesst.
Die in Fig.5 veranschaulichte Phasenanschnitts- steue:rung isst an sich bekannt. Ihre Wirkung besteht darin, dass die durch die negative Halbwelle In bedeckte lind schraffiert eingetragene Fläche trotz einer grösseren Amplitude dieser negativen Halbwelle gleich der von der positiven Halbwelle Ip bedeckten und schraffiert eingezeichneten
EMI0003.0060
t2 t4 In ³ dt gilt. Die gewünschte Zündverzögerung wird an der Schaltstufe 18 eingestellt.
Auch mit dieser Schaltung lassen sich die Schweissstromverhältnisse in weiten Gren zen variieren.
Bei den Schaltungen nach den Fig. 1 bis 4 wurde der Einfachheit halber davon ausgegangen, dass der Schweissstrom in erster Linie durch einen ohmschen Widerstand 4 oder 14 bestimmt ist. Bei Schweisseinrich- tungen wird jedoch in an sich bekannter Weise aus ver sehiedenen Gründen eine induktive Reaktanz als Vor widerstand. verwendet. Dabei muss der in den Schaltun gen verwendete gesteuerte Gleichrichter mit einer Zwangskommutierungseinrichtung versehen werden. Eine solche Vorrichtung ist in Fig. 6 dargestellt, die im übrigen einem dem Ausführungsbeispiel nach Fig.1 entsprechenden Schaltungsaufbau aufweist. Die mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig.l übereinstimmenden Schaltungsteile sind daher mit den deichen Bezugs ziffern versehen.
Zur Einstellung der Schweissstromstärke ist ein re gelbarer induktiver Widerstand 20 vorgesehen. Die Zwangskommutierungsschaltung weist einen Strom wandler 21 auf, der sekundärseitig einen Mittelabgriff 22 aufweist und einerseits über eine Diode 23 mit der Steuerelektrode 71 des steuerbaren Gleichrichters 7 und anderseits über eine Die.de 24 mit der Steuerelektrode 26 eines gesteuerten Löschtransistors 25 verbunden ist.
Der Löschtransistor 25 ist einerseits mit dem einen Pol des Schweisstransformators 1 und anderseits mit :dem Verzw.igun,spnnkt 27 zwischen einem Kondensator 28 und iner mit einem Widerstand 29 in Reihe geschalte- t--r- Diode 30 verbunden. Der Kondensator 28, der Wi derstand 29 und die Diode 30 sind in Reihe parallel zu der Schweissstrominduktanz 20 und der Schweissstelle 5/6 geschaltet.
Während der steuerbare Gleichrichter 7 strom führend ist, wird der Kondensator 28 über die Diode 30 und den Widerstand 29 aufgeladen. Beim Nulldurch gang der über den urgesteuerten Gleichrichter 9 flies- senden positiven Halbwelle des Schweissstromes wird über den Stromwandler 21 und die Diode 23 der steuerbare Gleichrichter 7 gezündet, Wenn der Gleich richter 9 erneut leitend wird, wird über den Stromwand ler 21 und die Diode 24 der Löschgleichrichter 25 ge zündet und dadurch der Kondensator 28 über die beiden steuerbaren Gleichrichter 7 und 25 entladen. Dabei wird der steuerbare Gleichrichter 7 gesperrt.
Die Steuerung der beiden Gleichrichter 7 und 25 wird zweckmässig mit Stromimpulsen bewirkt, da die für diesen Zweck verwendeten Gleichrichter relativ grosse Zünd- oder Löschströme benötigen (etwa 1 Am pere), was bei einem Dauersignalbetrieb zu einer starken thermischen Belastung der Steuerelektroden führen würde. Die Impulssteuerung hat ausserdem den Vorteil, dass sie ein zeitlich genaueres Steuern erlaubt.
Der für die Zwangskommutierungsschaltung verwen dete Stromwandler 21 kann: so ausgelegt sein, dass der- sekundärseitig erzeugte Strom ein getreues Abbild des Arbeitsstromes ,darstellt. Der Stromwandler kann jedoch zweckmässig so ausgelegt sein, ,dass er schon beim Flies- sen eines geringen Schweissstromes auf der Primärseite in seinen Sättigungsbereich gelangt,
was beim Nulldurch- gang des Stromes sekundärseitig Stromimpulse erzeugt, die besonders günstig zum Steuern der Gleichrichter 7 und 25 sind.