Vorrichtung zum Lichtbogenschweissen mit Wechselstrom, insbesondere unter Schutzgas
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lichtbogenschweissen mit Wechselstrom, insbesondere unter Schutzgas, mit einer einen Kondensator enthaltenden Filtereinheit im Schweissstromkreis zur Beseitigung einer während des Schweissens auftretenden Gleichstromkomponente des Schweisswechselstromes.
Es ist bekannt, dass beim Lichtbogenschweissen mit Wechselstrom bei einer Reihe von Werkstoffen im Schweissstromkreis ein Gleichrichtungseffekt auftritt, dessen Ursache eine verschieden grosse Elektronenemissionsfähigkeit von Werkstück und Elektrode ist.
Beim Schweissen von Aluminium oder Aluminiumlegierungen beispielsweise ist im allgemeinen die Schweissstromstärke in derjenigen Halbperiode, in der die Elektrode negativ ist, grösser als in der darauffolgenden, in der die Elektrode positiv ist. Der resultierende elektrische Strom im Schweiss stromkreis kann als ein Wechselstrom mit überlagerter Gleichstromkomponente aufgefasst werden.
Diese Gleichstromkomponente ist aus verschiedenen Gründen unerwünscht. Vom Gleichstromschweissen von Aluminium her ist es bekannt, dass eine wesentlich bessere Schweissnaht erzielt werden kann, wenn die Elektrode positiv ist, als wenn das Umgekehrte der Fall ist. Durch den Gleichrichtungseffekt beim Wechselstromschweissen von Aluminium wird jedoch gerade diejenige Halbwelle des Schweisswechselstromes bevorzugt, bei der die Elektrode negativ ist, d. h. es fliesst im Schweissstromkreis ein Wechselstrom, dem eine Gleichstromkomponente in der ungünstigen Richtung überlagert ist. Dies führt zu ähnlichen schlechten Schweiss ergebnissen, wie das Gleichstromschweissen von Aluminium mit negativer Elektrode. Weiterhin entstehen durch die Gleichstromkomponente im Schweissstromkreis nachteilige Rückwirkungen auf den Schweisstransformator und auf die üblicherweise im Schweissstromkreis verwendeten Drosseln.
Da der Kern des Schweisstransformators durch die Gleichstromkomponente teilgesättigt wird, ergibt sich eine grössere primäre Stromaufnahme, die zur Folge hat, dass der Transformator mit niedrigerer Leistung betrieben werden muss, um Beschädigungen desselben zu vermeiden. Auch die Drosseln im Schweissstromkreis werden durch die Gleichstromkomponente teilgesättigt und verlieren dadurch weitgehend den ihnen zugedachten Einfluss auf den Schweissstrom.
Es sind verschiedene Mittel bekannt geworden, diese Gleichstromkomponente zu unterdrücken oder ganz zu beseitigen. Es wurde beispielsweise vorgeschlagen, in den Schweiss stromkreis eine Gleichstromquelle so einzuschalten, dass die Gleichstromkomponente zumindest teilweise kompensiert wird. Weiterhin ist es bekannt geworden, in den Schweissstromkreis zwei Ein weggleichrichter umgekehrt parallel zueinander einzuschalten und im Stromkreis eines der beiden Gleichrichter einen Widerstand vorzusehen. Derartige Mittel arbeiten jedoch unbefriedigend, weil der Gleichrichtungseffekt des Lichtbogens während des Schweissens im allgemeinen stark schwankt und diese Schwankungen als unregelmässig auftretende Gleichstromkomponenten teilweise erhalten bleiben.
Besser bewährt hat sich das Einschalten von Kondensatoren in den Schweissstromkreis, die eine völlige Unterdrückung der Gleichstromkomponente bewirken. Derartige Schaltungen mit Kondensatoren werden auch häufig angewendet.
Während die Kondensatoren im Schweissstromkreis im Verlauf des eigentlichen Schweissvorganges bis zu einem gewissen Grade brauchbare Mittel darstellen, die nachteiligen Wirkungen der Gleichstromkomponente zu beseitigen, sind sie jedoch beim Zünden des Wechselstromschweisslichtbogens störend. Bei kalter Elektrode und kaltem Werkstück tritt nämlich ebenfalls eine starke Gleichrichtung des Schweisswechselstromes auf, jedoch in der umgekehrten Richtung wie während des Schweissens mit heisser Elektrode, da zunächst die Elektronenemissionsfähigkeit des Werkstücks grösser ist als die der kalten Elektrode. Dieser Gleichrichtungseffekt ist so lange vorhanden, bis die Elektrode eine genügend hohe Temperatur erreicht hat. Bei kalter Elektrode fliesst demnach der Strom im Schweissstromkreis nahezu ausschliesslich während derjenigen Halbwelle, bei der die Elektrode positiv ist.
Dieser gleichgerichtete Wechselstrom im Schweissstromkreis wird jedoch durch einen in den Schweissstromkreis eingeschalteten Kondensator unterdrückt, wodurch die Zündung des Lichtbogens sehr erschwert wird. Unabhängig von diesen Zündschwierigkeiten hat sich darüber hinaus gezeigt, dass zwar einerseits die Verwendung eines Kondensators im Schweissstromkreis erhebliche Vorteile bringt, dass jedoch anderseits vielfach noch Störungen des Lichtbogens während der schlechter brennenden Halbwelle auftreten, die bisher nicht immer verhindert werden konnten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Lichtbogenschweissen mit Wechselstrom zu entwickeln, bei welcher einerseits die Gleichstromkomponente des Schweisswechselstromes durch eine Filtereinheit beseitigt und anderseits eine sichere Zündung und eine Stabilisierung der schlechter brennenden Halbwelle des Lichtbogens erzielt wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Filtereinheit für Gleichstrom in der, der zur beseitigenden Gleichstromkomponente entgegengesetzten Richtung durchlässig ist.
Bei einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung besteht die Filtereinheit aus einem Kondensator und einem diesen überbrückenden Einweggleichrichter, dessen Pluspol an der Schweisselektrode liegt. Bei einem anderen, ebenfalls vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung wird der übliche Kondensator durch einen spezialgepolten Kondensator ersetzt, der sich bei Stromrichtung von der Gegenelektrode (Kathode) zur Anode des Kondensators nicht auflädt und dessen Anode mit der Schweisselektrode verbunden ist.
Die erfindungsgemässe Schweissvorrichtung besitzt in erster Linie zwei wesentliche Vorteile gegenüber den bekannten Vorrichtungen mit einem gewöhnlichen Kondensator im Schweissstromkreis. Einerseits ermöglicht die Filtereinheit ein sicheres Zünden des Lichtbogens in kaltem Zustande der Elektrode, beispielsweise mit Hilfe einer überlagerten Hochfrequenz, und zwar dadurch, dass die bei kalter Elektrode nahezu ausschliesslich auftretenden Halbwellen des Schweisswechselstromes, bei denen die Elektrode positiv ist, ungehindert die Filtereinheit passieren können. Anderseits ermöglicht der in der nur in einer Richtung für Gleichstrom durchlässigen Filtereinheit enthaltene Kondensator eine stabilisierende Wirkung. Dieser Kondensator wird z. B.
in derjenigen Halbwelle, in der die Elektrode negativ ist, positiv aufgeladen und bei der nächsten, an sich schlechter brennenden Halbwelle, bei der die Elektrode positiv ist, über den Lichtbogen entladen, wobei sich die Spannung des Kondensators zu der Spannung des Schweisstransformators addiert. Hierdurch wird die an sich schlechter brennende Halbwelle stabilisiert, während die andere, an sich besser brennende, jedoch für die Qualität des Schweissvorganges ungünstigere Halbwelle dadurch, dass der Kondensator in der umgekehrten Richtung nicht aufgeladen wird, keine zusätzliche Unterstützung durch diesen erhält.
Die Erfindung wird anhand des in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.
Bei der in der Figur dargestellten Schweissvorrichtung ist die Sekundärseite des Schweisstransformators 1 einerseits mit dem Werkstück 2 und anderseits über die Filtereinheit 3 mit der Elektrode 4 verbunden. An Elektrode 4 und Werkstück 2 liegt ausserdem ein Zündgerät 5, beispielsweise ein Hochfrequenzzündgerät oder ein Impulsgenerator.
Die Filtereinhet 3 besteht aus einem Kondensator 6 und einem diesen überbrückenden Einweggleichrichter 7, dessen Pluspol an der Elektrode 4 liegt. Ausserdem ist der Kondensator 6 noch durch einen Entladewider- stand 8 überbrückt, der den Kondensator 6 nach Abschalten des Lichtbogens entlädt. Die Filtereinheit 3 kann selbstverständlich auch in der Leitung zum Werkstück 2 liegen.
Bei kalter Elektrode 4 und kaltem Werkstück 2 tritt während und nach dem Zünden zunächst lediglich ein Halbwellenstrom auf, bei dem die Elektrode 4 positiv ist und der Strom von der Sekundärseite des Schweisstransformators 1 über den Einweggleichrichter 7, Elektrode 4 und Werkstück 2 zurück zur Sekundärseite des Schweisstransformators 1 fliesst. Durch die Ermöglichung dieses Stromflusses kann der Lichtbogen leicht, beispielsweise mit Hilfe des Zündgerätes 5, gezündet werden, während der Zündvorgang erheblich erschwert wäre, wenn, wie bei den bekannten Schweissvorrichtungen, lediglich ein gewöhnlicher Kondensator, der diesen gleichgerichteten Wechselstrom unterdrückt, in den Schweissstromkreis eingeschaltet wäre.
Sobald hinsichtlich der Temperatur im Bereich der Schweissstelle stationäre Verhältnisse vorliegen, oder auch schon vorher, wenn die Temperatur der Elektrode 4 genügend hoch ist, tritt beim Schweissen vieler Werkstoffe eine Gleichstromkomponente im Schweiss stromkreis auf, die jedoch die Filtereinheit 3 nicht passieren kann, da sie vom Werkstück 2 zur Elektrode 4 gerichtet ist. Dar überhinaus wird jedoch durch die beschriebene Vorrichtung im Gegensatz zu den bekannten Schweissvorrichtungen noch derjenige Halbwellenstrom gegenüber dem entgegengesetzten verstärkt und dadurch stabilisiert, welcher von der Elektrode 4 zum Werkstück 2 gerichtet und von Natur aus schwach ist.
Dies geschieht dadurch, dass sich der Kondensator 6 nur einseitig aufund entlädt und sich deshalb seine Spannung zur Spannung des Schweisstransformators 1 nur dann addiert, wenn die an sich schlechter brennende Halbwelle durch den Lichtbogen geht.
Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung kann der Kondensator 6 im Gegensatz zu den Kondensatoren der bekannten Filtereinrichtungen ein gepolter Elektrolytkondensator sein, da er nur in einer Richtung aufgeladen wird. Eine Kapazität im Bereich von 100 Mikrofarad bis 400 Mikrofarad pro Ampere des maximalen Schweissstromes bei einer Arbeitsspannung von etwa 45 Volt ist hierbei zweckmässig. Der Einweggleichrichter 7 wird im wesentlichen nur während des Zündens und kurz danach vom Schweissstrom durchflossen und kann wegen dieser nur kurzzeitigen Belastung klein ausgelegt werden. Anstelle des Einweggleichrichters 7 können auch einem solchen gleichwertige Mittel, wie steuerbare Halbleiter, Thyratrons, Ignitrons oder ähnliche Schaltelemente verwendet werden.
Der Einweggleichrichter 7, bzw. die diesem gleichwertigen Mittel, sind für 50 % des maximalen Schweissstromes beim Zünden für eine Zeit von maximal 5 sec und für 5 bis 15 % des maximalen Schweissstromes beim Schweissen zu bemessen. Ihre maximale Sperrspannung muss mindestens der Spitzenspannung des Kondensators 6 ent sprechen und ist von der Leerlaufspannung des Schweisstransformators 1 unabhängig.
Die aus Kondensator 6 und Einweggleichrichter 7 gebildete Einheit kann durch spezialgepolte Kondensatoren ersetzt werden, welche die Eigenschaft haben, sich nur einseitig aufzuladen und die in der anderen Richtung einen geringen ohmschen Widerstand besitzen. Diese spezialgepolten Kondensatoren werden in den Schweissstromkreis so eingeschaltet, dass ihre Anode mit der Schweisselektrode verbunden ist.
Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung kann z. B.
der Kondensator 6 bzw. ein an seiner Stelle verwendeter spezialgepolter Kondensator, durch einen Entladewiderstand 8 überbrückt werden. Dieser entlädt den Kondensator 6 nach Unterbrechung des Lichtbogens in ungefähr einer Sekunde.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung eignet sich für alle Lichtbogenschweissverfahren mit Wechselstrom. Sie kann demnach mit Vorteil verwendet werden beim Schweissen mit nicht abschmelzender Elektrode mit oder ohne Schutzgas und mit oder ohne Zusatzdraht.
Auch beim Schweissen mit abschmelzender Elektrode, insbesondere auch beim Unterpulverschweissen mit Wechselstrom und bei anderen Wechselstrom- Lichtbogenschweissverfahren ist die Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung vorteilhaft.
Device for arc welding with alternating current, in particular under protective gas
The invention relates to a device for arc welding with alternating current, in particular under protective gas, with a filter unit containing a capacitor in the welding circuit for eliminating a direct current component of the welding alternating current that occurs during welding.
It is known that when arc welding with alternating current, a number of materials in the welding circuit have a rectifying effect, the cause of which is the different size of the electron emitting ability of the workpiece and the electrode.
When welding aluminum or aluminum alloys, for example, the welding current strength is generally greater in the half-cycle in which the electrode is negative than in the next half-cycle in which the electrode is positive. The resulting electrical current in the welding circuit can be understood as an alternating current with a superimposed direct current component.
This DC component is undesirable for several reasons. It is known from direct current welding of aluminum that a significantly better weld seam can be achieved when the electrode is positive than when the reverse is the case. However, due to the rectification effect when alternating current welding of aluminum, that half-wave of the alternating welding current is preferred in which the electrode is negative, i.e. H. An alternating current flows in the welding circuit, on which a direct current component is superimposed in the unfavorable direction. This leads to poor welding results that are similar to those of direct current welding of aluminum with a negative electrode. Furthermore, the direct current component in the welding circuit has adverse effects on the welding transformer and on the chokes usually used in the welding circuit.
Since the core of the welding transformer is partially saturated by the direct current component, there is a greater primary current consumption, which means that the transformer must be operated at a lower power in order to avoid damage to it. The chokes in the welding circuit are also partially saturated by the direct current component and thereby largely lose their intended influence on the welding current.
Various means have become known for suppressing or completely eliminating this direct current component. For example, it has been proposed to switch a direct current source into the welding circuit in such a way that the direct current component is at least partially compensated. Furthermore, it has become known to switch two A path rectifier reversed parallel to each other in the welding circuit and to provide a resistor in the circuit of one of the two rectifiers. However, such means work unsatisfactorily because the rectifying effect of the arc generally fluctuates greatly during welding and these fluctuations are partially retained as irregularly occurring direct current components.
Switching on capacitors in the welding circuit, which cause a complete suppression of the direct current component, has proven to be better. Such circuits with capacitors are also frequently used.
While the capacitors in the welding circuit in the course of the actual welding process are to a certain extent useful means of eliminating the adverse effects of the direct current component, they are, however, disruptive when the alternating current welding arc is ignited. In the case of a cold electrode and a cold workpiece, the welding alternating current is also strongly rectified, but in the opposite direction as during welding with a hot electrode, since the workpiece's electron emission capacity is initially greater than that of the cold electrode. This rectification effect is present until the electrode has reached a sufficiently high temperature. When the electrode is cold, the current in the welding circuit therefore flows almost exclusively during that half-wave in which the electrode is positive.
This rectified alternating current in the welding circuit is, however, suppressed by a capacitor switched into the welding circuit, which makes it very difficult to ignite the arc. Regardless of these ignition difficulties, it has also been shown that, on the one hand, the use of a capacitor in the welding circuit has considerable advantages, but on the other hand, arc faults often occur during the worse burning half-wave, which up to now could not always be prevented.
The invention is based on the object of developing a device for arc welding with alternating current, in which, on the one hand, the direct current component of the alternating welding current is eliminated by a filter unit and, on the other hand, reliable ignition and stabilization of the poorly burning half-wave of the arc is achieved.
This object is achieved in that the filter unit is permeable to direct current in the direction opposite to that of the direct current component to be eliminated.
In a particularly advantageous embodiment of the subject matter of the invention, the filter unit consists of a capacitor and a half-wave rectifier bridging this, the positive pole of which is connected to the welding electrode. In another, likewise advantageous embodiment of the subject matter of the invention, the usual capacitor is replaced by a specially polarized capacitor which does not charge in the direction of flow from the counter electrode (cathode) to the anode of the capacitor and whose anode is connected to the welding electrode.
The welding device according to the invention primarily has two essential advantages over the known devices with a conventional capacitor in the welding circuit. On the one hand, the filter unit enables the arc to be reliably ignited when the electrode is cold, for example with the aid of a superimposed high frequency, in that the half-waves of the alternating welding current that occur almost exclusively when the electrode is cold and at which the electrode is positive can pass through the filter unit without hindrance . On the other hand, the capacitor contained in the filter unit, which is permeable to direct current only in one direction, enables a stabilizing effect. This capacitor is z. B.
in the half-wave in which the electrode is negative, positively charged and in the next, worse burning half-wave in which the electrode is positive, discharged via the arc, the voltage of the capacitor being added to the voltage of the welding transformer. This stabilizes the half-wave, which burns worse in itself, while the other half-wave, which burns better but is less favorable for the quality of the welding process, because the capacitor is not charged in the opposite direction, receives no additional support from it.
The invention is described with reference to the embodiment shown schematically in the figure.
In the welding device shown in the figure, the secondary side of the welding transformer 1 is connected on the one hand to the workpiece 2 and on the other hand to the electrode 4 via the filter unit 3. An ignition device 5, for example a high-frequency ignition device or a pulse generator, is also located on the electrode 4 and workpiece 2.
The filter unit 3 consists of a capacitor 6 and a half-wave rectifier 7 bridging this, the positive pole of which is connected to the electrode 4. In addition, the capacitor 6 is bridged by a discharge resistor 8, which discharges the capacitor 6 after the arc has been switched off. The filter unit 3 can of course also be in the line to the workpiece 2.
When the electrode 4 and workpiece 2 are cold, only a half-wave current initially occurs during and after ignition, in which the electrode 4 is positive and the current from the secondary side of the welding transformer 1 via the half-wave rectifier 7, electrode 4 and workpiece 2 back to the secondary side of the Welding transformer 1 flows. By enabling this flow of current, the arc can be easily ignited, for example with the aid of the igniter 5, while the ignition process would be considerably more difficult if, as in the known welding devices, only an ordinary capacitor, which suppresses this rectified alternating current, is switched on in the welding circuit would.
As soon as the temperature in the area of the weld is stationary, or even beforehand, when the temperature of the electrode 4 is sufficiently high, a direct current component occurs in the welding circuit when welding many materials, but this cannot pass through the filter unit 3 because it is directed from workpiece 2 to electrode 4. Furthermore, in contrast to the known welding devices, the described device amplifies and thereby stabilizes that half-wave current which is directed from the electrode 4 to the workpiece 2 and is naturally weak.
This happens because the capacitor 6 only charges and discharges on one side and therefore its voltage is only added to the voltage of the welding transformer 1 when the worse burning half-wave goes through the arc.
In the device according to the invention, in contrast to the capacitors of the known filter devices, the capacitor 6 can be a polarized electrolytic capacitor, since it is only charged in one direction. A capacity in the range from 100 microfarads to 400 microfarads per ampere of the maximum welding current at a working voltage of about 45 volts is useful here. The half-wave rectifier 7 is essentially only traversed by the welding current during ignition and shortly thereafter and can be made small because of this only brief load. Instead of the half-wave rectifier 7, means equivalent to one such as controllable semiconductors, thyratrons, ignitrons or similar switching elements can also be used.
The half-wave rectifier 7, or the means equivalent to it, are to be dimensioned for 50% of the maximum welding current during ignition for a time of a maximum of 5 seconds and for 5 to 15% of the maximum welding current during welding. Your maximum reverse voltage must correspond to at least the peak voltage of the capacitor 6 and is independent of the open circuit voltage of the welding transformer 1.
The unit made up of capacitor 6 and half-wave rectifier 7 can be replaced by specially polarized capacitors, which have the property of only being charged on one side and which have a low ohmic resistance in the other direction. These specially polarized capacitors are switched into the welding circuit in such a way that their anode is connected to the welding electrode.
In the device according to the invention, for. B.
the capacitor 6 or a specially polarized capacitor used in its place can be bridged by a discharge resistor 8. This discharges the capacitor 6 after the arc is interrupted in about one second.
The device according to the invention is suitable for all arc welding processes with alternating current. It can therefore be used with advantage when welding with a non-consumable electrode with or without protective gas and with or without an additional wire.
The use of the device according to the invention is also advantageous for welding with a consumable electrode, in particular also for submerged arc welding with alternating current and other alternating current arc welding processes.