DE1002487B - Selbsttaetige Regelvorrichtung fuer die Vorschubgeschwindigkeit der abschmelzenden Drahtelektrode beim automatischen Lichtbogenschweissen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur selbsttätigen Regelung der Zufuhrgeschwindigkeit einer abschmelzenden stromführenden Elektrode zum Lichtbogen hin, ohne den üblichen, auf die Trägheit zurückzuführenden Nachteil der Übersteuerung, welcher dem bisherigen selbsttätigen Elektrodenzufuhr-Steuersystem anhaftet.

Die Bogenlänge ist ein verhältnismäßig bedeutsamer, die elektrischen Eigenschaften, z. B. die Charakteristiken eines Bogens, sowie den Erfolg eines Schweißvorganges beeinflussender Faktor. Im allgemeinen gibt es zwei Systeme, durch welche der Bogen gespeist werden kann. Das bekanntere wrrd als Konstantstromsystem bezeichnet, bei welchem die Stromstärke durch die Stromquelle im wesentlichen konstant gehalten wird. Bei einem solchen System hängt die Lichtbogenspannung von der Bogenlänge ab. Beim zweiten System, dem sogenannten Konstantpotentialsystem, wird die Lichtbogenspannung durch die Stromquelle im wesentlichen konstant gehalten.

Ein gutes Lichtbogenschweißen erfordert eine genaue Kontrolle des Elektrodenvorschubes, nicht nur wegen des elektrischen Effektes, sondern ebenso auch aus anderen Gründen. Die Konturen der Schweißraupe und die Zeit, die das flüssige Metall äußeren Einflüssen ausgesetzt ist, wird hauptsächlich von der Lichtbogenlänge bestimmt. Die Elektrodenspitze wird ständig weggeschmolzen, so daß es nötig ist, die Elektrode zum Werkstück hinzuführen, um die verbrauchte Menge zu ersetzen. Dies muß mit Genauigkeit geschehen, besonders beim Metallichtbogenschweißen mit inerter Schutzgashülle.

Die Elektrode wird üblicherweise mit Hilfe von motorbetriebenen Rollen vorgeschoben, welche die Elektrode erfassen. Die Wirkung des Motors wird durch die Lichtbogenspannung gesteuert. Veränderungen in der Lichtbogenlänge können mit solcher Schnelligkeit vor sich gehen, daß ihnen der Motor wegen der Trägheit des Systems nicht zu folgen vermag. Wenn der Bogen eine Verkürzung erfordert, vergeht eine beachtliche Zeit, bevor der Moto* beschleunigt wird, um die richtige Lichtbogenlänge wieder herzustellen. Die sodann aufgespeicherte Trägheitsenergie bringt den Elektrodenlauf zur Übersteuerung. Durch Unebenheiten im Werkstück, wie Heftpunkte, oder durch Ungleichheiten in den Handhabungen der Bedienungsperson tritt noch eine Erschwerung auf.

Um den Trägheitseffekt praktisch auszuschalten und um die nahezu augenblicklich ansprechende Regelwirkung zu schaffen, die zur Aufrechterhaltung richtiger Schweißbedingungen erforderlich ist, wurde bereits eine Elektrodenzufuhreinrichtung vorgeschlagen, bei welcher die Elektrode entweder mit der einen Selbsttätige Regelvorrichtung für die Vorschubgeschwindigkeit der abschmelzenden Drahtelektrode beim automatischen Lichtbogenschweißen

Anmelder:

Union Carbide and Carbon Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt, Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 14. Januar 1955

Harry Edward Kennedy, Berkeley, Calif. (V. St. Α.), ist als Erfinder genannt worden

oder mit der anderen aus einem Paar gegenläufig angetriebener Zufuhrrollen in Zusammenwirkung gebracht wird durch Anwendung von Druck auf eine mit der betreffenden Zufuhrrolle vereinigte Leerrolle. Jede Leerrolle ist an einem Hebel angebracht, welcher durch ein Solenoid betätigt werden kann, während die Lichtbogenspannung einem Relais zugeführt wird, das jedes der zwei Solenoide erregt, in Abhängigkeit davon, ob diese Spannung größer oder kleiner als ein gewünschter Wert ist.

Es wurde nun gefunden, daß ein Zurückziehen der Elektrode während augenblicklicher Perioden zu geringer Spannung verhütet werden kann und daß sich eine hochempfindliche Steuerung für die Elektrodenzufuhr erreichen läßt mit nur einer einzigen vorwärts antreibenden Zufuhrrolle und der ihr zugehörigen Leerrolle, vorausgesetzt, daß letztere ständig einer Pendelbewegung zur angetriebenen Zufuhrrolle hin und von dieser weg unterworfen ist.

Die Erfindung bezieht sich demnach auf eine selbsttätige Regelvorrichtung für die Vorschubgeschwindigkeit der abschmelzenden Drahtelektrode beim automatisehen Lichtbogenschweißen nach einer der elektrischen Größen des Lichtbogens, wobei die Drahtelektrode zwischen einer mit konstanter Geschwindigkeit rotierenden motorgetriebenen Zufuhrrolle und einer Leerrolle liegt, die über einen Hebel von dem

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Anker eines Solenoids an die Elektrode gedrückt oder von ihr abgezogen wird, das durch Schließen der Kontakte eines Relais erregt wird, dessen Spule auf eine der elektrischen Größen des Lichtbogens anspricht. Gemäß der Erfindung weist das Relais noch eine zweite Spule auf, die mit dem Solenoid in Reihe geschaltet ist, wobei die zweite Spule so angeschlossen ist, daß sie der ersten Spule entgegenwirkt.

Die Regelvorrichtung nach der Erfindung verhütet

bestimmten konstanten Geschwindigkeit angetrieben, die etwas höher angesetzt wird als diejenige, welche zur Versorgung des Lichtbogens mit Elektrodenmetall erforderlich ist. Die Leerrolle 16 ist auf einem angelenkten Arm 36 angebracht, der von einer Feder 38 so belastet wird, daß die Rolle 16 für gewöhnlich von der Elektrode wegbewegt wird. Diesem Vorgang wirkt ein Stift 40 entgegen, der von einem Hebel 42 betätigt wird, dessen eines Ende an einem Grund-

praktisch den Trägheitseffekt und schafft die beinahe io lager 44 angelenkt ist, während das andere Ende des augenblicklich ansprechende Wirkung, die erf order- Hebels einstellbar mit dem Anker 46 eines Solenoids lieh ist, um die richtigen Schweißbedingungen auf- 48 verbunden ist. Das Solenoid ist durch Leitungen rechtzuerhalten. Die motorbetriebene Zufuhrrolle 50 an einen Steuerkreis 52 angeschlossen, der weist vorzugsweise eine glatte Oberfläche auf, die mit wiederum über einen Schalter 56 an einen lichtbogen einer die erforderliche Vorschubgeschwindigkeit der 15 spannungsabhängigen Kreis 54 angeschlossen ist, Elektrode übersteigenden Geschwindigkeit arbeitet. während er über einen Schalter 60 an einen l'icht-Die Elektrode wird mit der Zufuhrrolle in Zusammen- bogenstromabhängigen Kreis 58 angeschlossen ist. wirkung gebracht, indem Druck auf die Leerrolle an- Entweder kann einer oder es können beide Schalter gewandt wird, die ebenfalls eine glatte Oberfläche angeschlossen werden, abhängig davon, ob ein konaufweist und gegenüber dieser Zufuhrrolle angeordnet 20 stanter Strom oder ein konstantes Potential oder eine ist. Da die Leerrolle auf einem Hebel angebracht ist, konstante Lichtbogenlänge gewünscht werden, der von einem Solenoid betätigt wird, nimmt die Bei einem Konstantstrom-Steuersystem wird, wie Elektrode fast augenblicklich die Geschwindigkeit oben ausgeführt, der Strom durch die elektrischen des Umfangs der Rolle an, wenn das Solenoid erregt Eigenschaf ten der Leistungsquelle bestimmt. Die Leerist. Ist das Solenoid entregt, wird durch die Reibung 25 laufspannung ist hierbei stets viel höher als die Spandes Elektrodendrahtes in dem Führungs- und Kon- nung während des Schweißens. Die Lichtbogenspantaktrohr die Vorschubbewegung entsprechend rasch nung wird von der Lichtbogenlänge bestimmt. Beim unterbrochen. Vorzugsweise wird wegen des Zurück- Konstantpotentialsystem ist die Leerlaufspannung im federns des Drahtes, das normalerweise stattfinden wesentlichen gleich der Schweißspannung, wobei der würde, wenn er von der Rolle plötzlich freigegeben 30 Strom von der Zufuhrgeschwindigkeit der Elektrode wird, eine Rücklaufsperre für den Draht vorgesehen. zur Lichtbogenzone oder -bereich festgelegt wird. Die glatte Oberfläche der Rollen gewährleistet eine Nach einem dritten System wird eine konstante schnelle und vollständige Freigabe des Elektroden- Lichtbogenlänge für jeden Stromwert aufrechterhaldrahtes durch die beiden Rollen, wodurch jegliches ten. In der folgenden Beschreibung der Erfindung Übersteuern unterbunden wird. Sie vermeidet auch 35 wird jedes System getrennt behandelt.

die Bildung sowie die anschließende Ansammlung von Metallspänen und -schnitzeln im Elektrodenführungsrohr, die bisher immer eine Quelle von Störungen waren, indem sie die Elektrode verklemmten.

Weitere Merkmale, Vorzüge und Anwendungszwecke der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 ein die Erfindung veranschaulichendes schematisches Diagramm,

Fig. 2 ein Schaltschema eines Konstantstromsystems (Spannungssteuerung),

Fig. 3 ein Schaltschema eines Konstantspannungssystems (Stromsteuerung),

Da das Konstantstromsystem am meisten angewendet wird, soll es zuerst beschrieben werden. Wie oben schon erwähnt, wirkt die mit angemessener Geschwindigkeit angetriebene Zufuhrrolle 18 mit der abschmelzenden Elektrode 10 durch eine Kraft zusammen, die auf die Leerrolle 16 ausgeübt wird. Diese Kraft wird durch die Wirkung des Solenoids 48 entwickelt, das von einer geeigneten Gleichstromquelle 61 nach der Fig. 2, wie z. B. einen Doppelweggleichrichter, erregt wird, welcher über die Leitungen 63,63 an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist. Zwischen das Solenoid 48 und die Stromquelle ist ein Spannungsrelais 62 eingesetzt. Dieses weist zwei Spulen 66 und 68 auf. Die eine Spule 66 ist über den Stromkreis 54

Fig. 4 ein Schaltschema eines Konstantbogenlängen- 50 bei geschlossenem Schalter 56 nach der Fig. 1 an den

systems (Strom- und Spannungssteuerung), das eine Abwandlungsform der Fig. 2 darstellt, und

Fig. 5 ein Schaltschema einer Ahwandlungsform mit einem spannungsempfindlichen Mehrstufenrelais, das

Lichtbogen angeschlossen, während die zweite Spule 68 mit dem Solenoid 48 und der Stromquelle 61 über die normalerweise offenen Relaiskontakte 70 in Reihe geschaltet ist. Steigt die Schweißspannung, dann

selbsttätig den Elektrodenzufuhrrollendrttck regelt, 55 wird der Anker des Relais 62 durch das stark um ihn den Elektrodenerfordernissen anzupassen. gewordene magnetische Feld angezogen und schließt

Die von einem Haspel 12 in der Form eines Drahtes oder Stabes zugeführte Elektrode 10 nach der Fig. 1 läuft auf ihrem Wege zum Werkstück 22 durh eine

so die Kontakte 70, die dem Solenoid 48 Gleichspannung zuführen. Dabei bewirkt jedoch die zweite Spule 68, welche der Wirkung der ersten Spule ent-

Rücklaufsperre 14, dann zwischen den mit glatten 6o gegensteht, daß der Anker sich zurückzieht und die

Oberflächen versehenen Zufuhr- und Druckrollen 16 Kontakte 70 öffnet. Es besteht daher eine konstante

bzw. 18 und schließlich durch ein Führungs- und Pendeltätigkeit der Relaiskontakte 70 sowie eine ent-

Kontaktrohr 20 hindurch. Eine Schweißstromquelle sprechende Druckschwankung auf die Zufuhrrolle 18.

24 ist mittels der Leitungen 26 und 28 mit dem Rohr Die regelnden Bewegungen erfolgen so schnell, daß

20 bzw. dem Werkstück 22 so verbunden, daß ein 65 der

Vorschub der Elektrode 10 kontinuierlich erscheint. Wenn der Lichtbogen zu lang wird und demgemäß die Spannung ansteigt, wird mit der Druckrolle 16 volle Kraft ausgeübt; die Elektrode 10 wird fast augenblicklich beschleunigt, und die normale geschwindigkeitsgeregelten Motor 32 mit einer vor- 70 Spannung wird wiederhergestellt. Umgekehrt läßt

Lichtbogen A zwischen der Spitze der Elektrode 10 und einer Naht 30 im Werkstück gebildet wird.

Die Zufuhr- oder Antriebsrolle 18 ist auf einer festen Stütze 34 angebracht und wird

von einem

sich die Zufuhr auch sofort unterbrechen, so daß fließen, um die Kontakte 74 zu öffnen; daher wird

keine Übersteuerung auftritt. sich hieraus ein entsprechend der erhöhten Spannung

Im folgenden wird die Wirkungsweise der Kon- neuer Stromwert ergeben. Angenommen, daß die kon-

stantstromregelung bei Punkt- oder Lochschweißun- stante Schweißspannungsquelle etwa auf 25 Volt und

gen beschrieben. Ein von einer Spule 6* betätigter 5 der Strom auf 200 Ampere festgesetzt werden, würde

Schweißkontakt C wird in den Schweißbogenkreis 26, der Strom, wenn die konstante Spannung auf 30 Volt

28 eingeschaltet. Die Spule wird mittels eines Zeit- erhöht würde, selbsttätig ansteigen und somit eine

gliedes T erregt, das über einen Stromkreis TC an konstante Lichtbogenlänge bewirken,

die Spule S angeschlossen ist. Die Wirksamkeit des Ein einstellbarer Widerstand 82 ist zumindest in

Zeitgliedes wird von einem Schalter SW eingeleitet, io einem der Steuerspulenstromkreise vorgesehen. Er

der am Lichtbogenschweißbrenner G angebracht ist. gewährleistet die notwendige Anpassung für den

Im Betrieb wird der Brenner G über die zu schwei- Strom. Die Federspannung am Anker des Relais ist

ßende Werkstückoberfläche gehalten und der Schalter dabei allerdings in diese Betrachtung einbezogen.

SW betätigt; Schutzgas wird dem Brenner zugeleitet Ferner wird ein Gleichrichter im Kreis der Potential-

und strömt rund um das Ende der Elektrode und über 15 spule des Relais erforderlich, wenn der Lichtbogen

die betreffende Werkstückfläche. Der Kontakt C mit Wechselstrom gespeist wird,

schließt sich, indem er den Stromkreis 54 an Leer- Die Empfindlichkeit des Relais kann sehr hoch ge-

laufspannung legt, das Relais 62 erregt, die Kontakte wählt werden, beispielsweise 0,25 Volt. Das An-

70 schließt und das Solenoid 48 erregt, was den Vor- sprechen erfolgt so schnell, daß es nicht als nötig be-

schub der Elektrode zum Werkstück 2, wie oben be- 20 funden wurde, eine Rückziehvorrichtung für die ■

schrieben, zur Folge hat. Wenn das Elektrodenende Elektrode vorzusehen; in dem Augenblick, da. die

das Werkstück berührt, fällt diese Spannung ab, Elektrode mit dem Werkstück in Berührung kommt,

wobei das Relais 62 entregt, die Kontakte 70 geöffnet, fällt die Spannung auf Null, während die Elektrode

das Solenoid 48 ebenfalls entregt und die Elektroden- anhält. Da es kein Übersteuern der Elektrode gibt,

zufuhr unterbrochen wird. Nunmehr wird der Licht- 25 wird der Lichtbogen ohne die Gefahr des Klebens

bogen A hergestellt und die Elektrode weiterhin gezündet.

selbsttätig zugeführt, bis das Ende der von dem Zeit- Dieses Merkmal macht die erfindungsgemäße glied T gesetzten Zeit erreicht ist, welches den Kon- Regelvorrichtung für das Lichtbogenpunktschweißen takt C öffnet und das System für den nächsten Arbeits- ideal geeignet. Die beschriebene Steuerung und die zyklus in Bereitschaft versetzt. 30 Hinzufügung eines einstellbaren Zeitgliedes zur Werden Schweißungen bei einem Konstantpotential- Regelung der abzulagernden Drahtmenge schafft eine kreis gemäß Fig. 3 ausgeführt, dann hält die Strom- noch einfachere Punktschweißsteuerung. Es ist erquelle 24 eine konstante Spannung am Lichtbogen wünscht, gerade genügend Zufuhrrollendruck an der aufrecht. Es wird daher erforderlich, die Zufuhr der Elektrode aufrechtzuerhalten, um ihren Vorschub zu Elektrode so zu regeln, daß der Strom für alle Be- 35 sichern. Weicher Draht wie Aluminium wird leicht dingungen gleichbleibt. Um dies zu bewerkstelligen, verformt und benötigt daher nur einen geringen ist ein Stromrelais 72 mit Kontakten 74, die nor- Rollendruck. Ein so kleiner Zufuhrrollendruck läßt malerweise geschlossen sind, vorgesehen. Der Schweiß- sich z.B. durch Anwendung von spannungsempfindstrom oder ein Bruchteil von ihm erregt eine erste liehen Relaismitteln 92 (Fig. 5) erzielen, die eine Relaisspule 76 über den Stromkreis 58 durch Schließen 40 Mehrzahl von Kontakten 94 aufweisen, welche sich des Schalters 60 (Fig. 1). Dieser Vorgang wird durch selbsttätig in einer vorbestimmten Folge schließen, eine von einer geeigneten Stromquelle 61 erregte wenn die Spule 96 erregt wird. Sie ist so angeordnet, zweite Spule 78 unterstützt. Sind die Relaiskontakte daß sie den Strom im Solenoid 48 ändert, wodurch 74 offen, wird diese Spule 78 entregt, und ihr Feld der Zufuhrrollendruck zur Anpassung der Zufuhrbricht zusammen. Dies gibt Anlaß zu einer konstan- 45 erfordernisse der Elektrode selbsttätig geregelt wird, ten Pendelung der Relaiskontakte 74, genau wie es Angenommen z. B., daß die Leitungen 26 und 28 von für das Potentialrelais beschrieben wurde. Der Strom einer geeigneten Schweißstromquelle gespeist werden wird auf diese Weise für jeden vorbestimmten Wert und daß die erwünschte Sehwei'ßspannung durch Eingeregelt und behält diesen Wert bei, ohne Rücksicht stellen des Regelwidierstandes 82 vorbestimmt ist, auf plötzliche Hamdbewegungen des Schweißers oder 50 schließen sich die Kontakte 94 der Reihe nach, bis unregelmäßige Schweißoberflächen. genügend viel Widerstandselemente 98 vom Strom-Wenn es erwünscht ist, den Strom zu ändern, kreis 50 im Nebenschluß abgezweigt sind, um zu bebeispielsweise von 200 auf 300 Ampere (Fig. 3), wirken, daß das Solenoid 48 erregt und die Elektrode würde es erforderlich sein, irgendwelche Mittel zum zum Werkstück hingeführt wird. Wird ein Licht-Anpassen dieses Stromkreises zur Verfügung zu 55 bogen zwischen der Elektrode und dem Werkstück haben. Das kann entweder durch Änderung der Ein- hergestellt, regelt das System selbsttätig die Elekstellung der Feder des Relais oder dadurch bewerk- trodenzufuhr, um die vorbestimmte Lichtbogenspanstelligt werden, daß ein großer Widerstand in Reihe nung durch Regeln des Zufuhrrollendruckes, wie gelegt wird mit der Stromspule, was indessen nicht oben ausgeführt, aufrechtzuerhalten, sehr praktisch ist, oder dadurch, daß eine dritte Spule 60 Die Anwendung eines Kontaktnebenschlußwider-85 vorgesehen wird, so daß die Summe des durch eine Standes R₁ und Parallelkondensators C₁ schafft Mittel solche dritte Spule fließenden Stromes und des durch zur Verteilung der gespeicherten Energie im Soledie Reihenspule 78 laufenden Stromes der festen noid 48 und zur Verminderung der Bildung von Be-Potentialspule 78 entgegenwirkt. rührungsbogen. Die Wirkung der Nebenschlußwider-Beim dritten System, nämlich beim System der 65 stände R₁ und die Aufspaltung schufen einen hochkonstanten Lichtbogenlänge (Fig. 4) wird eine dritte empfindlichen magnetischen Stromkreis. Der WiderSpule 79 vom konstanten Schweißpotential erregt, stand R₂ liefert Mittel zur Änderung der Stromgröße wirkt jedoch den anderen zwei Spulen 76 und 78 ent- in der Gegenspule.

gegen. Wird die Lichtbogenspannung erhöht, muß zu- Die Erfindung läßt sich sowohl für Wechselstromsätzlicher Strom in den Schweißstromkreis 26, 28 70 als auch fürGleichstromschwdßungen, für automatische

oderHandschweißiung, fürScbutzgasschweißung, Inertgasschweißung, Metallichtbogen- oder Unterpulverschweißung anwenden. Außer dem schnelleren Ansprechen hat die Steuerung nach der Erfindung den Vorteil größter Einfachheit und eines erstaunlichen Grades an .Anpassungsfähigkeit insofern, als sie für fast jede Art von elektrischen Lkhtbogenarbeiten geeignet ist.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE: 1Q

1. Selbsttätige Regelvorrichtung für die Vorschubgeschwindigkeit der abschmelzenden Drahtelektrode beim automatischen Lichtbogenschweißen nach einer der elektrischen Größen des Lichtbogens, wobei die Drahtelektrode zwischen einer mit konstanter Geschwindigkeit rotierenden motorgetriebenen Zufuhrrolle und einer Leerrolle liegt, die über einen Hebel von dem Anker eines Solenoids an die Elektrode gedrückt oder von ihr abgezogen wird, das durch Schließen der Kontakte eines Relais erregt wird, dessen Spule auf eine der elektrischen Größen des Lichtbogens anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais noch eine zweite Spule aufweist, die mit dem Solenoid in Reihe liegt und so angeschlossen ist, daß sie der ersten Spule entgegenwirkt.

2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die erste Spule des Relais in Reihe mit dem elektrischen Lichtbogen liegt und die Kontakte des Relais normalerweise geschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais eine dritte Spule aufweist, die an eine einstellbare elektrische Leistungsquelle angeschlossen ist, wobei die dritte Spule zur Unterstützung der ersten Spule dient.

3. Regelvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, bei welcher die erste betätigende Relaisspule an dem elektrischen Lichtbogen liegt und die Kontakte des Relais normalerweise offen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais eine dritte Spule aufweist, die mit dem elektrischen Lichtbogen in Reihe liegt, wobei die dritte Spule so angeschlossen ist, daß sie der ersten Spule entgegenwirkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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