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Verfahren und Einrichtung zur Stabilisierung des Schweißlichtbogens
mittels Spannungsimpulsen Ein wechselstromgespeister Lichtbogen durchläuft bei jedem
Stromnulldurchgang einen kritischen Augenblick seiner Stabilität. Dies ist dadurch
bedingt, daß die Lichtbogenspannung zii (Fig. 1, b) praktisch unabhängig von der
Stromstärke I ist, auch wenn diese! gemäß Fig. 1, a), einen praktisch s:inusförmigen
Verlauf hat. Auch die primäre Netzspannung erzeugt in einem Umspanner, wie er vielfach
für die elektrische Lichtbogenschweißung Verwendung findet, eine nach Fig. 1, c),
sinusförmig verlaufende EMK, die als Leerlaufspannung zwischen Elektrode
El und Werkstück We (s. Fig. 2 und 4) auftritt. Diese verläuft bei einem
Umspanner praktisch phasengleich mit der Netzwechselspannung. Durch mehr oder weniger
einfache, Ausführung der Lichtbogenschweißtransformatoren, die neuerdings auch a.ls
sogernannte »Schweißwandler« aus netzseitigem Drehstrom Einphasenwechselstrom erzeugen,
wird erreicht, daß sich im Betrieb bei sinusförmigem Stromverlauf nach Fig. 1, a),
diese Sekundärspannung bzw. -EMK auf den Lichtbogenspannungsverlauf nach Fig. 1,
b), einstellt. Um einen hinreichend stabilen Betrieb zu erzielen, muß jedoch die
EMK der Wechselstromquelle, also ihre Leerlaufspannung, ein Vielfaches der Schweißspannung
sein. Bei Gleichstrom, z. B. einem Schweißumformer, ist höchstens der Doppehvert
der Schweißspannung als Leerlauf- bzw. Zündspannung notwendig, um den einmal gezündeten
Lichtbogen stabil weiterbrennen zu lassen. Bei Wechselstrom muß aber die Leerlaufspannung
zur Erzielung eines stabilen Lichthogenbetriebes so hoch über der (vielfach 25 V
betragenden) Schweißspannung liegen, daß die Gefahrenspannung (42 V nach VDE-Vorschriften)
wesentlich überschritten wird.
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Daß bei Belastung die Lee:rlaufspannung so stark auf die Lichtbogenspannung
herabsinkt, was ja fast immer induktiv innerhalb des Schweißgerätes erfolgt, bedingt
einen schlechten Leitungsfaktor (cos p), was im Hinblick auf' die Netzbelastung
unerwünscht ist. Außerdem muß das Schweißgerät für eine Scheinleistung bemessen
sein, die sich aus dem Produkt NKVa = Schweißstromstärke X Leerlaufspannung
ergibt.
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In Fig. 1, a), und 1, c), ist dargestellt, wie der Strom I gegenüber
der EMK E bei nur 45° Phasenverschiebung verläuft. Beim Stromnulldurchgang im Zeitpunkt
wt = 90° ist zuerst die Lichtbogenspannung u1 noch positiv, obwohl die EMK E schon
einen beträchtlichen negativen Wert hat. Daher kommt es, daß nach dem Stromnulldurchgang
2i1 von seinem bis- ; herigen positiven Wert auf den negativen Wert der EMK umspringt.
Der Wechselstromlichtbogen wird also bei jedem Stromnulldurchgang neu gezündet,
und hierfür muß in, diesem Augenblick der Spannungswert der EMK ausreichend hoch
sein. Vielfach wird gerade nach, dem Nulldurchgang bei Elektroden ohne stark ionisierende
Umhüllung für einen ganz kurzen Augenblick eine erheblich höhere Spannung benötigt
(gestrichelt gezeichnete Kurve in Fig. 1, b).
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, den Lichtbogen durch Hochfrequenz
zu stabilisieren, wobei sich eine sehr hohe Spannung ohne Gefahr verwenden läßt.
Durch geeignete Maßnahmen läßt es sich auch erreichen, daß die hochfrequente Zündspannung
gerade in dem kritischen Augenblick des Stromnulldurchganges auftritt. Nun ist aber
Hochfrequenz vielfach für den Rundfunk mit Störungen verbunden.
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Die Erfindung geht nun davon aus, daß der in Fig. 1, b), gezeigte
Spannungsumsprung gerade im kritischen Augenblick eintritt; es ist also gerade dann
ein zusätzlicher Spannungsstoß zwischen Elektrode und Werkstück (s. Fig. 2 und 4)
erwünscht, der den Lichtbogenbetrieb über den Stromnulldurchgang stabilisiert.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, diesen Spannungsumsprung über einen
Kondensator auf ein Hochfrefiuenzgerät wirken zu lassen. Aber außer den bereits
genannten nachteiligen Eigenschaften des Hochfrequenzstrome,s bildet ein Kodensator,
auch wenn er indirekt an Elektrode und Werkstück angeschlossen ist, für eine Hochfrequenzspannung
zwischen Elekrode und Werkstück einen Kurzschluß.
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Die Erfindung beseitigt diese Nachteile; sie betrifft ein Verfahren
zur Stabilisierung des Schweißlichtbogens mittels bei Stromnulldurchga.ng auf den
Lichtbogen gegebener Spannungsimpulse, und die Erfindung besteht darin, daß der
induktive Spannungsabfall, der an einer im L chtbogenstromkreis liegenden
Drosselspule
mit Eisenkern entsteht, umgespannt und über einen ohmschen Widerstand R2 bzw. R1
an den Lichtbogenanschluß geführt wird.
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-_Ie @@ilfh@'tig zur Schweißlichtbogenstabilisierung st y erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet, da,ß in der vom Schweißstrom durchflossenen Drosselpule
L, deren Eisenkern starke Sättigung besitzt, die bei jedem Stromnulldurchgang entstehenden
Spannungsspitzen in einem Transformator w1, w2 umspannt und über einen ohmschen
Widerstand R2 bzw. Rl an den Lichtbogen, geführt werden.
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Die Zeichnungen zeigen Anwendungsbeispiele der Erfindung.
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Es ist einleuchtend, daß während des Spannungsumsprunges über einen
an Elektrode und Werkstück liegenden Kondensator ein Strom fließt. Wie, Fig. 2 zeigt,
liegt in Reihe mit dem Kondensator C die Primärwicklung w1 eines kleinen Transformators
an den sekundärseitigen Ausgangsklemmen des Schweißgerätes Schw, das hier der Einfachheit
halber als Umspanner dargestellt ist. D,ie Wicklung w1 hat eine so geringe Induktivität,
daß eine s.inusförm.igve-rlau:fende Spannung 2n Netzfrequenzgröße, wie sie bei Leerlauf
(Fig. 1, c) auftritt, hauptsächlich am Kondensator C liegt.
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Ein beim Spannungsurnsprung .in der Sekundärwicklungw2 desTransformators
erzeugter Spannungsstoß soll nun zwischen Elektrode und Werkstück auftreten. Wenn
aber z. B. die Elektrode direkt am Kondensator C läge, würde dieser auch für den
Sekundärspannungsstoß eine Ableitung darstellen. Wenn die End--n der Wicklung w2
also parallel zum Primärstromkrelis lägen, der aus C und w1 besteht, könnte eine
in w2 erzeugte Sekundärspannung gar nicht zwischen Elektrode und Werkstück auftreten.
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Daher wird erfindungsgemäß zwischen dem Anschluß für diesen Primärkreis
und die Elektrode El
eine Induktivität L gelegt. Diese muß zwar einen starken
Schweiß-Wechselstrom durchlassen, es soll aber durch sie kein hoher Spannungsabfall
entstehen. Schon eine relativ kleine Induktivität L bewirkt, daß der in w2 erzeugte
Spannungsstoß, der gegenüber den Spannungs- bzw. Stromänderungen auf der Netzseite
sehr plötzlich auftritt, kaum über L hinweggehen kann.
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Direkt an der Sekundärseite des Schweißgerätes, also an den Primäranschlußklemmen
des Transformators w1/w2 in Fig. 2, ist der Spannungsverlauf gegenüber dem in Fig.
1, b), dargestellten nur wenig verändert; der Spannungsumsprung ist daher dort auch
noch voll wirksam. Im Hinblick darauf ist eine hohe Induktivität L erwünscht; für
hohe Schweißstromstärke, soll L jedoch zur Vermeidung eines hohen (induktiven) Spannungsabfalls
klein sein. Praktisch wird bekanntlich zu diesem Zweck eine Spule mit Dynamoblechkern
verwendet; Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Induktivitätsspule, wie
sie in Fig. 2 und 4 mit L dargestellt ist.
Henry. Erfindungsgemäß wird Spule hier mit relativ v ie:en Windungen w, bei kleinem
Eisenquerschnitt ausgeführt.
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Beim Durchgang einer hohen Schweißstromstärke I ist die durch die
Windungszahl ws (Fig. 3) erzeugte Felde< regung (Amperewindungen) groß, und der
Eisenkern ist stark gesättigt; der Magnetfluß 0 ist also hierdurch begrenzt, denn
der mit ö bezeichnete Spalt zwischen den Blechpaketen wird recht klein gehalten,
damit bereits bei einer relativ kleinen Stromstärke, also einem Bruchteil von Imax,
die Eisensättigung eintritt. Es hat aber keinen Wert, wie z. B. bei Transformatoren
durch Blechschichtung ö = 0 zu machen, da dann die Induktivität im Anfang der Sinuskurve
(bei I = 0) zu ungleichmäßig wäre.
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Diese Verhältnisse sind veranschaulicht in Fig. B. Darin bedeutet:
a.) Verlauf des Stromes J (praktisch Sinuskurve) ; b) Verlauf des Magnetflusses
0 in einer Drosselspule nach Fig. 3, deren Eisenkern klein ist und worin bei kleinem
Spalt ö durch die MMK (Amperewindungen) der vom Strom durchflossenen Spule starke
Eisensättigung eintritt, beim Stromverlauf a) ; c) Verlauf' des Spannungsabfalles
e" der durch den Magnetflußverlauf nach. b) induziert wird (der ohmsche Spannungsabfall
an der Drosselspule ist wegen Geringfügigkeit vernachlässigt).
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Wenn die Sekundärspule w2 des Transformators unmittelbar an Elektrode
und Werkstück angeschlossen wäre, so würde durch w2 ein relativ starker Strom infolge
der Leerlauf- bzw. Lichtbogenspannung fließen, da ja die Spul,ew2 einen kleinen
ohmschen Widerstand hat. Um einen solchen nicht erwünschten Stromfluß zu begrenzen,
wird daher erfindungsgemäß ein ohmscher Widerstand R2 mit w2 in Reihe geschaltet.
Natürlich begrenzt dieser Widerstand auch einen Stromfluß, der durch eine in der
Wicklung w2 auftretende; Spannung erzeugt wird; es ist aber keine erhebliche Stromstärke
notwendig, da es ja nur darauf ankommt, daß eine hinreichend hohe Spannung zwischen
Elektrode und Werkstück auftritt. Über die Induktivität L geht diese kaum weg, denn
bereits bei einem geringen Stromfluß, der hier sehr plötzlich auftreten würde, entsteht
eine hohe, der treibenden EMK entgegenwirkende Induktionsspannung.
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Der Widerstand R2 zur Strombegrenzung wäre nicht notwendig, wenn der
in Fig. 2 dargestellte Transformator w1, w2 ein gewöhnlicher Umspanner wäre, der
einen in sich geschlossenen Eisen- bzw. Blechkern hat. Ein solcher hätte aber auch
primärseitig - über die Wicklung w1 - eine hohe und nicht konstante Induktivität,
welche sich aber auf einen gewünschten Wert mittels eines bestimmten (Luft-) Spaltes
s, (Fig. 5) einstellen läßt. Ein solcher Spalt wird nämlich unter anderem dazu benötigt,
um den Magnetfluß 0 im Eisenkern zu begrenzen. Denn sowohl primär- als sekundärseitig
wirkt bei Leerlauf, wo gemäß Fig. 1, a), die Spannung sinusförmig verläuft, eine
Felderregung infolge von gewissen durch w1 und w2 fließenden Stromstärken, die gegeneinander
phasenverschoben sind.
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In Fig. 6 zeigt a) den sekundärseitigen Stromverlauf durch w2 (JR)
und b) den primärseitigen durch w1 (IJ . Die Kurve a.) hat annähernd den gleichen
Verlauf wie die Leerlaufspannung, da der ohmsche Widerstandsteil R2 größer als der
induktive in der Wicklung w2 ist. Kurve b) hat eine erhebliche Voreilung gegenüber
a.), da der über den Kondensator C fließende (Primär-)Strom Io der Wechselspannung
vorauseilt. Das Zusammenwirken von beiden Erregungen ergibt dann einen; resultierenden
Verlauf der Feldkurve die hier in Fig. 6, c), dargestellt ist.
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Die Windungszahl w1 wird vor allem durch die für die zugehörige Kapazität
C geeignete Ind.uktivität und w2 durch das zweckmäßige übersetzungsverhältnis bestimmt,
um einen hinreichend hohen Spannungsstoß
beim Spannungsumsprung im Lichtbogen zu erzielen.
Der den Wicklungen
w1 und w2 gemeinsärrie 1-lagnetfluß bedingt, da,ß die auftretenden Spannungen praktisch
phasengleich sind, unabhängig davon, daß - jedenfalls bei Netzfrequenz -- die Ströme
darin verschieden verlaufen (Fig. 6, a) und 6, b). Der in Fig. 2 dargestellte Transformator
kann daher gemäß Fig. 4 in Sparschaltung ausgeführt werden. Ein auf den Wicklungsteil
w" kommender Spannungsstoß bewirkt dann in der Gesamtwicklung (w, +wb) das Auftreten
eines der höheren Windungszahl entsprechenden höheren Spannungsstoßes, der über
den Widerstand R1 an die Elektrode geführt wird.
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Hierdurch läßt sich der Zweck der Erfindung, den Wechselstromlichtbogen
zu stabilisieren, erreichen. Es ist nun bekanntlich möglich, daß in einer kurzen
Lichtbogenstrecke zwischen Elektrode und Werkstück ein Lichtbogen unter dem Einfluß
einer relativ geringen Leerläufspann.ung erstmals zündet, ohne daß vorher der Stromfle
durch einen Kurzschluß zwischen Elektrode und Werkstück hergestellt werden muß,
nämlich dann, wenn die Lichtbogenstrecke durch schwache Funken vorionisiert ist.
Zuweilen ist diese Art einer Lichtbogenzündung erwünscht; dies ist außer beim Schutzgasschweißen
vielfach auch beim Lichtbogenschweißen mit umhüllten Elektroden der Fall, bei denen
die Lichtbogenzündung eine Entfernung der Umhüllung am Elektrodenende erfordert,
da die Umhüllung den Schweißstrom praktisch nicht leitet.
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Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwecks
Zündung des Schweißlichtbogens ohne Kurzschluß zwischen Elektrode und Werkstück
durch ein aus Druckkontakt D und Relais Sch.S bestehendes Schaltgerät eine zusätzliche
Sekun-#därwicklung w3 des Transformators über einen Widerstand R3 an den Lichtbogen
gelegt wird zur Erzeugung, von zur ersten Lichtbogenzündung ausreichenden Spannungsstößen-.
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Nun tritt aber eine Stoßspannung nur auf, wenn die Spannung anstatt
sinusförmig ähnlich wie nach Fig. 1, b), verläuft. Erfindungsgemäß soll nun parallel
zum Schweißanschluß durch eine kurzzeitige Lichtbogenbildung ein solcher Spannungsverlauf
hergestellt werden. Zwischen den Kontakten eines Schalters tritt ja ein Abschaltlichtbogen
auf, der insbesondere dann einige, Perioden andauert, wenn besonders geeignetes
Scha.ltkontaktmaterial verwendet wird.
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In dem Ausführungsbeispiel hierfür nach Fig. 7 ist ein Schaltschütz
Sch.S verwendet; hier ist die Schützspule der Leerlaufspannung des Schweißgerätes
angepaßt, sie kann. durch einen Steuerdruckknopf D unmittelbar am Elektrodenhalter
Spannung bekommen und das Schütz einschalten. -In, der Sekundärspule w2 des Transformators
irr Fig. 7 tritt dann beim Abschalten des Schützes die gewünschte Stoßspannung an
der Elektrode ein. Es ist aber einleuchtend, daß der zur Lichtbogenstabilisierung
ausreichende Spannungsstoß vielfach nicht für eine Neuzündung des Lichtbogens ausreicht.
Zur Erzeugung eines erheblich höheren hierfür erforderlichen Spannungsstoßes ist
daher in Fig. 7 im Zusatztransformator eine weitere Sekundärspule w3 angeordnet,
vor welcher auch ein weiterer Widerstand R3 Liegt. Ein besonderer Umschalter läßt
normalerweise die (Betriebs-) Wicklung w2 auf die Elektrode wirken; wenn das Schütz
eingeschaltet wird, ist gleichzeitig anstatt w2 die Wicklung w3 eingeschaltet. Die
Umschaltung von w3 auf w2 soll aber nicht während, sondern kurz nach dem Abschalten
des Hauptkontaktes des Schützes erfolgen; da es aber Schütze gibt, bei denen ein
Kontakt; z. B. ein Hilfskontakt, »nachhinkt«, ist die gewünschte Wirkung auf diese
Weise leicht erzielbar.