DE1011096B

DE1011096B - Schaltanordnung zur automatischen Elektroden-Vorschubregelung beim Lichtbogenschweissen

Info

Publication number: DE1011096B
Application number: DEA23282A
Authority: DE
Inventors: Richard Bennington Steele
Original assignee: Air Reduction Co Inc
Current assignee: Airco Inc
Priority date: 1954-10-08
Filing date: 1955-08-25
Publication date: 1957-06-27
Also published as: US2832000A; FR1138357A

Description

Dia Erfindung betrifft Schaltanordnungen zur automatischen Elektroden-Vorschubregelung beim: Lichtbogenschweißen unter Verwendung eines Wechselstrommotors mit zwei Feldwicklungen, von denen die eine von einer Konstantspannung und die andere über Röhrengleichrichter von der Lichtbogenspannung beaufschlagt wird.

Automatische Lichtbogen-Schweißköpfe sind in der Schweißtechnik bekannt. Sie weisen im allgemeinen einen Elektromotor als Vorschubmotor auf, um das Ende der Schweißelektrode gegenüber dem zu schweißenden Werkstück so vorzuschieben und zurückzuziehen, daß ein Lichtbogen zwischen Elektrode und Werkstück hergestellt wird, und danach den Abstand des Elektrodenendes vom Werkstück in einer Weise aufrechtzuerhalten, daß der Lichtbogen in etwa gleicher Länge bestehen bleibt, während die Elektrode und das Werkstück relativ zueinander bewegt werden, um auf diese Weise eine Schweißung herzustellen. Schweißköpfe dieser Art gibt es sowohl zur Verwendung mit Abbrandelektroden als auch zur Verwendung mit Dauerelektroden, welche sich nicht verbrauchen.

Die Steuerung des Vorschubmotors geschieht in Abhängigkeit von der Lichtbogenspannung selbsttätig. Dabei ist es eine bekannte Maßnahme, die Steuerschaltung so auszubilden, daß die Lichtbogen spannung mit einer festen Vergleichsspannung verglichen und die Vergleichs- oder Differenzspannung beider nach Verstärkung zur Steuerung des Vorschubmotors verwendet wird. Es ist auch bekannt, solche Vergleichs- oder Differenzspannungen unter Verwendung von Gleichrichtern an eine Feldwicklung des Vorschubmotors zu legen. Als VoTschubmotoren sind bisher Kommutatormoforen für Gleichoder Wechselstrom verwendet worden, bei denen z. B. eine Wicklung durch eine von der Lichtbogenspannung abhängige Spannung erregt wurde, während eine andere eventuell mit einer Konstantspannung beaufschlagt wurde.

Gegenüber den bisher verwendeten Kommutatormotoren verwendet die Erfindung einen Zweiiphasen-Induktionsmotor und schafft für ihn eine geeignete S teuer schaltanordnung. Ein Zweiphasen-Induktionsmotor ist Kommutatomotoren grundsätzlich an Einfachheit und Betriebssicherheit überlegen.

Die Erfindung besteht darin, daß bei einer solchen Schaltanordnung ein Zweiphasen-Induktionsmotor verwendet wird, dessen erste Feldwicklung aus einer Einphäsen-Wechselstromquelle über einen in Reihe liegenden Phasenschieberkondensator erregt und dessen zweite Feldwicklung erregt wird einerseits über eine Mittelanzapfung der Sekundärwicklung eines Transformators, dessen Primärwicklung aus Schaltanordnung zur automatischen

Elektroden -Vorschubregelung

beim Lichtbogenschweißen

Anmelder:

Air Reduction Company Incorporated,
ίο New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. W. Müller-B ore, Patentanwalt,
Braunschweig, Am Bürgerpark 8

¹S Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 8. Oktober 1954

Richard Bennington Steele, New Providence, N. J.

(V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

derselben Emphasen-Wechselstromquellegespeist wird, und andererseits über gittergesteuerte Gleichrichterröhren, die mit den Enden der erwähnten Sekundärwicklung verbunden und in einer Zweiweggleichrichterschaltung zusammengefaßt sind., so daß sich die Erregung der zweiten Feldwicklung mittels der Steuerspannungen an den Gittern der Gleichrichterröhren für jede Halbperiode getrennt steuern läßt.

Die Schaltanordnung nach der Erfindung ergibt eine¹ sehr wirkungsvolle und empfindliche Regelung des Elektrodenvorschubs, wie sie bisher nur durch Anwendung zweier Stellmotoren erreicht werden konnte. Diese Motoren liefen ständig um und gaben ihre Drehleistung in ein Differential. Die Differenzbewegung, die am Differential erscheint, wurde dann benutzt, um die Elektrode in die nichtige Lage zu bringen. Solche Einrichtungen sind verhältnismäßig teuer, schwer und umfangreich.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltanordnung sieht ferner Mittel vor, um die Wirkung gewisser Vorlasten (z. B. der Schwerkraft) auf das Verhalten des Schweißkopfes beim automatischen Zünden und Aufrechterhalten des Lichtbogens zu kompensieren. Sie erstreckt sich auch auf eine neuartige Kombination elektrischer Schaltelemente, die selbsttätig die zweite Feldwicklung des Motors an eine Gleichstromquelle anschließt, so oft der Motor abgeschaltet wird, um dadurch den Motor

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auf dynamischem Wege wirksam zu bremsen und ein augenblickliches Anhalten zu gewährleisten.

Schließlich umfaßt die Erfindung eine Anordnung und Vo'rrichtungen zum Zünden des Lichtbogens. Bei den bekannten automatischen Schweiß köpfen konnte der Lichtbogen auf dreierlei Art erregt werden. Entweder wurde die unter Spannung stehende Elektrode vorgeschoben, bis sie das Werkstück berührte, und dann zurückgezogen, um den Lichtbogen zu ziehen, oder die unter Spannung stehende Elektrode wurde vorgeschoben, bis sie mit einer schmelzbaren Masse — z. B. einem Ballen Stahlwolle zwischen ihrem Ende und dem Werkstück — Kontakt bekam, oder man erregte den Lichtbogen auch, indem man die Elektrode so lange vorschob, bis die Lichtbogenstrecke durch eine Hochfrequenzentladung gezündet wurde, die entweder anhaltend war oder lediglich über die Dauer des Zündvorganges andauerte. Alle diese Systeme zeigen mancherlei Nachteile: gelegentliches »Kleben« der Elektrode am Werkstück und Verschmutzung der Elektrode, falls es sich um Dauerelektroden handelt, ferner Unzuverlässigkeit und. Unbeständigkeit beim Zünden, Verdruß und Kosten durch die Schmelzkörper und Hochfrequenzentladungen, die die Fernmeldeverbindungen stören.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Elektrode vorgeschoben und mit dem Werkstück spannungslos in Berührung gebracht, danach wird gleichzeitig mit dem Zurückziehen der Elektrode der Schweißstrom eingeschaltet und der Elektrode eine Hoehfrequenzentladüng zugeführt; hierdurch zündet der Lichtbogen zwangläufig, und die Möglichkeit eines Klebenbleibens oder einer Verschmutzung der Elektrode entfällt, ebenso die Notwendigkeit der Verwendung von Schmelzkörpern; anschließend erfolgt in bekannter Weise das selbsttätige Ausschalten der Hochfrequenzquelle, sobald der Lichtbogen brennt, wodurch, die Störungen der Fernmeldeverbindungen auf ein Mindestmaß verringert werden.

Die Erfindung sieht die Verwendung eines Zweiphasen-Induktionsmotors üblicher Bauart vor, wie er für Servoeinrichtungen bekannt ist. Er dient dazu, die Schweißelektrode an. das zu schweißende Werkzeug heranzubringen und wieder zurückzuziehen und einen Schweißlichtbogen mit etwa konstanter, vorbestimmter Bogenspannung zwischen Elektrode und Werkstück herzustellen und aufrechtzuerhalten.

Um eine entsprechende Steuerung des Motors zu bewirken, wird die eine Feldwicklung mit Wechselstrom erregt, der unmittelbar aus dem Verbrauchernetz entnommen wird, aber durch einen Vorschaltkondensator eine Phasenverschiebung von annähernd 90° erhält. Die Speisung der anderen Feldwicklung geschieht mit Wechselstrom oder pulsierendem Gleichstrom aus demselben Netz, wird jedoch durch einen Gleichstromkreis gesteuert, welcher auf die Lichtbogenspannung anspricht. Der Strom, der dieser zweiten Feldwicklung zugeführt wird, hat gegenüber dem Netz entweder die Phasenverschiebung 0 oder 180°; daher eilt die Erregung dieser zweiten Feldwicklung der Erregung der ersten Feldwicklung· um etwa 90° entweder nach oder vor. Diese Phasenrelation ist maßgebend für die Drehrichtung des Motors. Seine Drehzahl wird bestimmt durch die Größe des Stromes in dieser Motorfeldwicklung. Der Steuerstromkreis ist ein Gleichstromkreis, der die Lichtbogenspannung mit einer vorbestimmten konstanten Spannung vergleicht und die verstärkte Differenzspannung zur Steuerung gittergesteuerter Gleichrichter in Zweiwegschaltung benutzt. Die zweite Motorwicklung liegt in dem gemeinsamen Zweig des Zweiweggleichrichterkreises. Um das Drehmoment des Motors zu vergrößern, ist parallel zur zweiten Motorfeldwicklung eine Kapazität vorgesehen, die besonders dann, wenn stärkste Motorerregung wünschenswert ist, einen annähernd wellenförmigen Stromverlauf in der Wicklung hervorruft.

Ein Nebenschluß eines der gittergesteuerten, Gleichrichter über einen Strombegrenzungswiderstand ergibt eine feste Erregung des Steuermotors in einem Sinne, der dem Wirkungssinn der mechanischen Vorbelastungen infolge Schwerkraft oder anderer an der Vorrichtung zur Wirkung kommender mechanischer Kräfte entgegenwirkt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden näheren Beschreibung an Hand der Zeichnung hervor. Die einzige Figur der Zeichnung stellt schematisch sowohl die mechanischen als auch die elektrischen Elemente dar, um ein vollständiges Verständnis der Erfindung zu ermöglichen.

Die zu schweißenden Werkstücke sind mit 10 und 11 bezeichnet; sie werden entsprechend der Darstellung von einem mit einem Motor ausgerüsteten Wagen 15 getragen und befinden sich in Arbeitsstellung gegenüber einer Lichtbogenschweißelektrode 12, die in einem Elektrodenhalter 13 sitzt. In der dargestellten Ausführungsform kann diese eine Wolframelektrode sein, die sich kaum verbraucht; sie wird von einem Schutzgas umströmt, wie dies dem Lichtbogen-Schutzgasschweißverfahren mit nichtschmelzender Elektrode entspricht. In diesem Fall ist die Elektrode 12 fest im Elektrodenhalter 13 eingespannt, welcher seinerseits samt der Elektrode 12 durch ein geeignetes Getriebe, z. B. Zahnstange 14 und Ritzel 16, relativ zum Werkstück gehoben und gesenkt wird. Die Erfindung ist aber mit gleichem Erfolg auch in Verbindung mit einer abschmelzenden Drahtelektrode verwendbar. Bei einer solchen Schweißeinrichtung fassen Klemmrollen den Schweißdraht und führen ihn durch einen feststehenden Kopf hindurch; diese Klemmrallen werden dann von demselben nachstehend beschriebenen Mechanismus angetrieben, der das Ritzel 16 in der dargestellten Aus füh rungs form der Erfindung antreibt.

Das Ritzel 16 wird durch eine Welle 17 angetrieben, auf der ein treibendes Schneckenrad 18 sitzt. Das Schneckenrad 18 steht mit einer Schnecke 19 im Eingriff und erhält sein Drehmoment durch die Drehung sowie unter Umständen durch eine begrenzte axiale Verschiebung dieser Schnecke. Die Drehung der Schnecke 19 wird eingeleitet durch den Anker 21 eines Motors M, dessen Drehmoment durch Welle 22 und Schnecke 24 über ein Schneckenrad 26 auf die Welle 23 übertragen wird, die die Schnecke 19 trägt. Dabei wird die Drehzahl herabgesetzt.

Aus der schematischen Darstellung dieses Getriebes in der Zeichnung geht hervor, daß eine Drehung des Motorankers 21 in der einen Richtung den Elektrodenhalter 13 und damit die Elektrode 12 vom Werkstück weghebt, während eine Drehung des Motorankers in entgegengesetzter Richtung ihr Senken zum Werkstück hin zur Folge hat. Die Welle 23 ist mit einer Keilnut versehen, um trotz axialer Verschiebbarkeit der Schnecke 19 eine drehfeste Verbindung mit dieser zu gewährleisten. Ein Bundring 27 begrenzt die Axialbewegung der Schnecke auf der Welle in der einen Richtung.

Ein gegabelter Winkelhebel 28 mit einer festen Lagerteile 29 umgreift die Welle 23 in solcher Weise,

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daß er sich über ein Drucklager 25 gegen die Schnecke 19 legt; damit wird die Axialbewegung der Schnecke längs der Welle 23 in der anderen Richtung begrenzt. Bei der schematisch dargestellten Orientierung der Vorrichtung will die Schwerkraft das Ritzel 16 im Uhrzeigersinn drehen. Damit will sich auch das Schneckenrad 18 im Uhrzeigersinn drehen und die Schnecke 19 nach links verschieben, bis sie an dem Drucklager 25 zur Anlage kommt, das seinerseits an dem gegabelten Winkelhebel 28 anliegt.

Ein Elektromagnet für das Zünden des Lichtbogens hat eine Erregerwicklung 31, und sein Anker 32 ist durch Zwischenglieder 33 mit dem Winkelhebel 28 verbunden. Wenn dieser Elektromagnet stromlos wird, so fällt sein Anker nach unten, d. h. in derselben Richtung, in der das Eigengewicht des Elektrodenhalters 13 den Winkelhebel 28 zu bewegen bestrebt ist. Wenn die Wicklung des Elektromagneten erregt wird, wie weiter unten beschrieben ist, so zieht er den Anker 32 an, der Winkelhebel 28 dreht sich um seine Lagerstelle 29 im Uhrzeigersinn, und dies verschiebt die Schnecke 19 längs ihrer Welle 23, bis sie an dem Bundring 27 zur Anlage kommt. Dadurch dreht sich das Schneckenrad 18 und mit ihm das Ritzel 16 im Gegensinn des Uhrzeigers, und die Elektrode 12 wird vom Werkstück weggehoben.

Der Motor M ist ein Zweiphasen-Induktionsmotor üblicher Bauart, wie er in Servomechanismen gemeinhin verwendet wird, und ist als solcher durch hohes Drehmoment und schnelles Ansprechen gekennzeichnet. Der Motor hat zwei Feldwicklungen 34 und 36, die unahängig voneinander durch Wechselstrom erregt werden und gegeneinander eine Phasenverschiebung von etwa 90° haben. Wenn also der Strom in der Wicklung 36 gegenüber dem in der Wicklung

34 vO'reilt, so rotiert der Anker 21 in dler einen Richtung ; eilt aber der Strom in Wicklung 36 gegenüber dem in Wicklung 34 nach, so rotiert der Anker 21 mit entgegengesetztem Drehsinn.

Der Wicklung 34 wird Strom aus der Wechselstromquelle durch einen Phasenschieberkondensator

35 zugeführt, wie weiter unten beschrieben wird. Den Schweißstrom liefert eine Schweißmaschine 37 zu dem Werkstück 10 und dem Elektrodenhalter 13 (und damit zur Elektrode 12) durch Leiter, die in dem Schaltplan der Zeichnung durch starke Linien angedeutet sind.

Ein Leistungsschütz 38, im folgenden als Schweißschütz bezeichnet, hat Kontakte 38α im Schweißstromkreis. Die Sekundärwicklung 39 eines Hochfrequenztransformators 41 ist ebenfalls in den Schweißstromkreis einbezogen, um zum Zwecke des Zündens in den Schweißstromkreis hilfsweise eine hochfrequente Hochspannungsentladung einzuführen. Die Primärwicklung 42 des Einkopplungstransformators 41 wird von einem Hochfrequenzoszillator 43 erregt.

Wie aus dem Schaltbild hervorgeht, liegt die an der Schweißlichtbogenstrecke erscheinende Spannung auch an den Klemmen eines zweipoligen Umschalters 44, der die Möglichkeit bietet, dem Steuerstromkreis die Lichtbogenspannung stets mit der richtigen Polarität zuzuführen, gleichgültig, welche Polung beim Sch weiß Vorgang selbst gewählt wurde. Eine Selbstinduktion 46 und Kapazitäten 47, 48, 49, 51, 52 dienen zur Siebung und halten jede Wechselstromkomponente, die von der Anwendung der Hochfrequenz auf den Schweißstromkreis herrühren könnte, von dem Steuerstromkreis und der Schweißmaschine fern. Ein Voltmeter 53 ist zweckmäßig an einer passenden Stelle eingebaut, damit der Bedienende jederzeit die Lichtbogenspannung beobachten¹ kann.

Ein aus der Selbstinduktion 54 und der Kapazität 56 bestehendes Siebglied beseitigt wirksam irgendwelche Niederfrequenzwelligkeit, die für den von der Schweißmaschine 37 erzeugten Schweißstrom charakteristisch ist. Eine solche Siebung ist besonders notwendig bei einer Schweißmaschine vom Gleichrichtertyp. Die gesiebte Lichtbogenspannung gelangt an den Widerstand 72.

Ein Netzteil üblicher Art dient als Gleichstromquelle für die Gleichstrom-Steuerschaltung, die nachstehend beschrieben wird. Es besteht vorzugsweise aus einem Zweiweggleichrichter mit angemessener Siebung. In dem Schaltbild ist eine Hochvakuum-Zweiweggleichirichteirröhre 58 in geeigneter Weise mit dem Netztransformator 59 zusammengeschaltet und erzeugt eine gleichgerichtete halbwellenförmige Ausgangsleitung, die durch das Siebglied aus der Selbstinduktion 61 und den Kapazitäten 62, 63 zu einem fast reinen Gleichstrom geglättet wird. Ein Spannungsteiler aus den festen Widerständen 64, 66 und dem veränderlichen Regelwiderstand 67 (Reglung der Lichtbogenspannung) ist parallel zum Gleichstromausgang des Netzteils geschaltet. Die Stabilisatorröhre 68 sichert eine konstante Spannung an dem Teil des Spannungsteilers, mit dem sie verbunden ist. Es ist daher eine stabile Bezugsgleichspannung zwischen dem festen Widerstand 66 und dem veränderlichen Widerstand 67 verfügbar.

Diese Spannung wird durch Widerstand 69 an das Steuergitter des einen Teils 71 α einer Doppeltriode 71 angelegt. Die Lichtbogenspannung, die am Widerstand 72 erscheint, wie oben beschrieben, wird an das Steuergitter der anderen Hälfte 71 b der Doppeltriode 71 angelegt. Ein gemeinsamer Kathodenwiderstand 73 ist im Kathodenstromkreis vorgesehen. Kapazitäten 74 und 76 dienen dazu, vorübergehende Schwankungen aus den Spannungen, die den Steuergittern der Röhre 71 zugeführt werden, auszusieben. Die üblichen Arbeitswiderstände 77 und 78 sind in den betreffenden Anodenkreisen der Röhre 71 vorgesehen. Wegen des gemeinsamen Kathodenwiderstands 73 ergibt eine durch Anwachsen der Lichtbogenspannung verursachte Stromzunahme in der Röhre 71b eine Abnahme des Stromes durch Röhre 71 α.

Die verstärkte Spannungsdifferenz zwischen der Lichtbogenspannung und der Bezugsspannung, wie sie an den Anoden der Röhre 71 erscheint, wird auf eine differenzierende und integrierende Schaltungsanordnung üblicher Art gegeben, die wilde Schwingungen wirksam verhindert. Dieses der Schwingneigung entgegenwirkende Netzwerk wird durch die Widerstände 79, 81, 82 und die Kapazitäten 83, 84, 86 gebildet. Die gegen freie Schwingungen somit stabilisierte Ausgangsspannung dieses Netzwerks wird auf die Gitter einer weiteren Doppeltrioden-Verstärkerstufe gegeben, die außer der Röhre 90 den festen Kathodenwiderstand 87 zur automatischen Vorspannungserzeugung, veränderliche Widerstände 88 auch im Kathodenkreis und Belastungswiderstände 89, 91 in den Anodenleitungen enthält. Die veränderlichen Widerstände 88 dienen zum Regeln der Verstärkung (Empfindlichkeit) der Steuerschaltung.

Die an den Anoden der Verstärkerröhre 90 entnommenen Ausgangsspannungen werden an die Steuergitter der Röhren 92, 93 gelegt. Diese Röhren liegen als gittergesteuerte Gleichrichter in einer Zweiweggleichrichterschaltung, die auch den Leistungstransformator 94 enthält: dieser hat eine Primär-

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wicklung 95 und eine Hauptsekundärwicklung 96, die begrenzungswiderstand 101 um die Röhre 92 herum über die Widerstände 97, 98 an die Anoden der vorgesehen) der eine begrenzte Erregung des Motors Röhren 92, 93 angeschlossen ist. Der Mittelabgriff in Richtung auf ein Heben des Elektrodenhalters der Sekundärwicklung ist über die Motorfeldwick- gestattet. Dies kompensiert die Wirkung der Schwerlung 36 mit den Kathoden der Röhren 92, 93 ver- 5 kraft auf die Vorrichtung. Wenn die Vorrichtung in bunden_s so daß die Wicklung, wenn beide Röhren. 92 einer anderen als der senkrechten Stellung verwendet und 93 leitend sind, in jeder Halbperiode pulsierenden wird, so wird vorzugsweise eine Feder benutzt, um Gleichstrom führt. eine Kraft aufzubringen, die den Elektrodenhalter 13

Wenn die Lichtbogenspannung den richtigen vor- von vornherein in Richtung auf das Werkstück zu bestimmten Wert aufweist, so besteht Gleichgewicht io bewegen bestrebt ist.

zwischen den Spannungen, die den beiden Steuer- Eine Kapazität 109 und ein Strombegrenzungsgittern der Röhre 71 zugeführt werden. Dieses widerstand 110 sind zwischen dem positiven Pol der Gleichgewicht bleibt im Verstärker erhalten, und bei Netzteilgleichspannung und der Motorfeldwicklung Abwesenheit irgendwelcher anderen Stromkreise 36 angeordnet. Diese Elemente bilden einen Teil des würde ein in beiden Halbwellen völlig gleicher pul- 15 Bremsstromkreises für den Motor, der weiter unten sierender Gleichstrom durch die Motorfeldwicklung beschrieben wird,

36 fließen. Da die Stromimpulse in der Feldwicklung Die gesamte Steuerschaltung bezieht ihre Energie

36, die während der einen Halbperiode auftreten, dem aus einer Wechselstroimspeiseleitung von vorzugs-Strom in der Wicklung 34 voreilen und außerdem weise 115 Volt und 60 Hertz; dabei führt ein Hauptden Stromimpulsen, die während der anderen Halb- 20 schalter 102 über Sicherungen 103 zu Leitern 104 periode fließen und die dem Strom in der Feldwick- und 106. Zwischen diesen Wechselstromleitern 104 lung 34 nacheilen, kongruent sind, so erhält man im und 106 sind mehrere Schalt- und Steuerelemente anMotor ausgeglichene Verhältnisse, und es entsteht geordnet: die Primärwicklungen der Leistungstranskeine Drehung des Ankers. formatoren 59 und 94, der Elektromagnet 31 zum Zün-

Wenn die Lichtbogenspannung über dem vorbe- 25 den des Lichtbogens; die Arbeitswicklung des Schweißstimmten Wert liegt, so wird das Steuergitter der Schutzes 38; eine Kraftanschlußbuchse 20 für den Röhre 71 b gegenüber der Kathode stärker positiv als motorgetriebenen Wagen 15; der Hochfrequenzoszilladas Steuergitter der Röhre71 α, und die Spannung tor 43; je ein Magnetventil 107 und 108 zum Regeln an der Anode von 71 b wird niedriger als die Span- des Schutzgasetromes und des Kühlwasserflusses zum nung an der Anode von 71». Dies ruft an der Anode 30 Elektrodenhalter 13; die Motorfeldwicklung 34 und der Röhre 90 b eine proportional höhere Spannung in Reihe mit ihr die Kapazität 35 zur Phasenschieals an der Anode von 90a hervor, was dazu führt, bung; und schließlich eine Anzahl von Schalt- oder daß durch die Röhre 93 mehr Strom fließt als durch Steuerrelais, auf die im folgenden noch näher eingeidie Röhre 92; dadurch verschwindet nunmehr das gangen wird.

Gleichgewicht zwischen den getrennt gleichgerich- 35 Ein Schalt- oder Steuerrelais 111 zwischen den Leiteten Halbwellen, des Zweiweggleichrichterstromes in tern 104 und 106 hat im Stromkreis eines Steuerder Motorfeldwicklung 36, und der Motor beginnt, relais 113 normal offene Kontakte lila, im Stramsich in einer solchen Richtung zu drehen, daß er die kreis des Zündmagneten 31 normal geschlossene Kon-Elektrode gegen das Werkstück bewegt, um die Licht- takte 111 b, im Stromkreis des Schweißschützes. 38 bogenstrecke zu verkürzen. 40 und der Kraftanschlußbuchse 20 normal offene Kon-

Wenn umgekehrt die Lichtbogenspannung zu nie- takte 111/, im Kreis des Schaltverzugsrelais 121 drig ist, so dreht sich der Motor in einer solchen normal geschlossene Kontakte 111 c, im Kreis des Richtung, daß er den Lichtbogenweg verlängert. Die Schaltrelais 117 normal offene Kontakte lila' und im Elemente der Steuerschaltung werden zweckmäßig so Kreis der Schaltrelais 118 und 119 normal offene gewählt, daß bei einem Spannungsunterschied 45 Kontakte 111 e.

zwischen den Gittern der Röhre 71 in. der Größen- Ein Schalt- oder Steuerrelais 112 zwischen den

Ordnung von 0,1 Volt die eine der Röhren 92 und 93 Leitern 104 und 106 hat im Stromkreis des Schaltden Stromfluß sperrt, während die andere voll leitend relais 116 normal offene Kontakte 112a, in den ist und dem Motor M volle Antriebsleistung abzu- Steuergitterkreisen der Röhren 92 bzw. 93 normal geben gestattet. 50 offene Kontakte 112 c und 112 d und zur Verbindung

Um die Antriebsleistung des Motors M noch weiter der Steuergitter mit den Kathoden bei den Röhren zu erhöhen;, kann man einen Kondensator 99 parallel 92 bzw. 93 normal geschlossene Kontakte 112 e zu der Feldwicklung 36 schalten, welcher während und 112/.

der nichtleitenden Halbperiode, wenn eine der Röhren Ein Schalt- oder Steuerrelais 113 zwischen den

oder '93 gesperrt ist, in der Motorfeldwicklung 36 55 Leitern 104 und 106 hat in seinem eigenen Stromeinen gewissen Nachstrom fließen läßt. Dies ver- kreis normal offene Kontakte 113 α, im Kreis des größert die Antriebsleistung des Motors ganz be- Zündmagneten 31 normal offene Kontakte 113 b, im deutend und gestattet die Verwendung eines kleineren Kreis des Schweißschützes 38 normal offene Kontakte Motors als sonst erforderlich wäre. 113 d und im Kreis des Oszillators 43 normal offene

In der dargestellten speziellen Ausführungsform 60 Kontakte 113 c.

der Erfindung ergibt der leitende Zustand der Röhre Ein Schalt- oder Steuerrelais 114 zwischen den

eine Erregung der Mötorfeldwicklung 36 in einer Leitern 104 und 106 hat normal geschlossene Konsolcheu Phasenrelation zur Erregung der Motorfeld- takte 114 a in·. Reihe mit dem Strombegrenzungswiderwicklung 34, daß der Motor in einer Richtung rotiert, stand 101 in dem Nebenschlußkreis zur Röhre 92, bei der der Elektrodenhalter 13 vom Werkstück weg- 6g Ein Schalt- oder Steuerrelais 116 zwischen den gehoben wird. Wenn, umgekehrt Röhre 93 leitend ist, Leitern 104 und 106 hat in dem Kreis, der die so erfolgt eine Drehung des Motors in solcher Rieh- Kathode der Röhre 92 mit ihrem Steuergitter vertung, daß er den Elektrodenhalter 13 dem Werk- bindet, normal geschlossene Kontakte 116a, in dem stück nähert. In einer bevorzugten Ausführungsform Kathodenkreisen der Röhren 92 und 93 normal offene der Erfindung ist ein Nabenschluß durch den Strom- 70 Kontakte 116 b und 116 c und in einem Bremsstrom-

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kreis, der die Motorfeldwicklung 36 mit dem negativen Pol des Netzteilgleichstroms verbindet, normal geschlossene Kontakte 116 rf.

Ein Schalt- oder Steuerrelais 117 zwischen den Leitern 104 und 106 hat in dem Stromkreis der Motorfeldwicklung 34 normal offene Kontakte 117 a und in dem Kathodenstrcmkreis der Röhre 92 normal offene Kontakte 117?;.

Ein Schalt- oder Steuerrelais 118 liegt parallel zu den Klemmen der Schweißmaschine 37 und hat in dem Stromkreis des Oszillators 43 normal offene Kontakte 118 a und im Stromkreis der Kraftanschlußbuchse 20 für den Antrieb des Wagens 15 normal geschlossene Kontakte 118 b.

Ein Schalt- oder Steuerrelais 119 parallel zum Schweißkontakt 38 a. im Lichtbogenstromkreis hat im Kreis des Schaltrelais 113 normal offene Kontakte 119a.

Ein Schaltverzugsrelais 122 sitzt zwischen den Leitern 104 und 106 der Wechselstromzuleitung und hat in dem Kreis, der die Schaltrelais 111 und 112 speist, normal geschlossene Kontakte 122 a.

Die Kontakte 131 α eines Strömungsschalters 131. der auf den Fluß von Kühlwasser anspricht, sind in dem Stromkreis des Schaltverzugsrelais 122 angeordnet: diese Kontakte sind geschlossen bei unzureichendem Wasserfluß und offen, wenn der Kühlwasserfluß angemessen ist.

Ein Schaltverzugsrelais 121 zwischen den Leitern 104 und 106 hat in dem Stromkreis, der die Magnetventile 107 und 108 für die Gas- und Wasserversorgung speist, normal geschlossene Kontakte 121a.

Ein Schweißschalter 132 im Stromkreis der Steuerrelais 111 und 112 und des Schaltverzugsrelais 122 gibt die notwendige Schaltmöglichkeit zum Ein- und Ausschalten des Schweißvorgangs.

Die Arbeitsweise der Steuerschaltung mit dem bevorzugten Verfahren der Lichtbogenzündung ist die folgende. Als erster Schritt wird die Schweißmaschine 37 eingeschaltet und der Hauptschalter 102 geschlossen. Das Schließen des Hauptschalters 102 leitet den Fluß von Schutzgas und Wasser ein, indem die Magnetventile 107 und 108 durch die geschlossenen Kontakte 121 α des Schaltverzugsrelais 121 erregt werden. Das Schaltverzugsrelais 121 wird gleichzeitig über die normal geschlossenen Kontakte 111c des Schaltrelais 111 eingeschaltet. Diese Erregung des Schaltverzugsrelais 121 setzt seine Zeitreglung in Gang, bewirkt aber keine sofortige Veränderung in der Stellung seiner Kontakte gegenüber deren Stellung 'bei stromloser Spule. Ferner wird beim Schließen des Hauptschalters 102 der Zündmagnet 31 über die Kontakte 111?; erregt, so daß er seinen Anker 32 einzieht, die Schnecke 19 in ihre äußerste rechte Stellung schiebt und dadurch den Elektrodenhalter 13 hebt. Das Schließen des Hauptschalters 102 erregt auch die Primärwicklungen der Leistungstransformatoren 59 und 94; hierdurch erwärmen sich die Heizfäden der Vakuumröhren.

Nach einer Verzögerung in der Größenordnung von 5 bis 10 Sekunden spricht das Schaltverzugsrelais 121 an, indem es seine. normal geschlossenen Kontakte 121a öffnet: dies macht die Elektromagnete des Gas- und Wasserventils stromlos und unterbricht den Fluß \'on Schutzgas und Kühlwasser. Dieser vorläufige Gasfluß dient dazu, die Gasleitungen von irgendwelcher Luft zu reinigen, die während einer längeren Stillstandsperiode durch Diffusion eingedrungen sein kann.

Zum Schweißen schließt der Bedienende den Schweißschalter 132, der direkt die Schaltrelais 111 und 112 und das Schaltverzugsrelais 122 erregt. Die Erregung des Relais 111 führt infolge der öffnung seiner Kontakte 111c dazu, das Schaltverzugsrelais 121· stromlos zu machen; dieses stellt sich zurück und bringt seine Kontakte wieder in die Stellung wie bei stromloser Spule. Dies zieht die öffnung der Elektromagnetventile 107 und 108 nach sich und leitet den Fluß von Schutzgas und Kühlwasser ein. Wenn das Kühlwasser in angemessener Menge fließt, so öffnet

ίο der Wasserflußschalter 131 die Kontakte 131 α und macht das Schaltverzugsrelais 122 stromlos. Im Falle eines unzureichenden Kühlwasserflusses bleibt das Schaltverzugsrelais 122 erregt und öffnet nach kurzer Pause seine Kontakte 122 a, um die Relais 111 und 112 abzuschalten: hierdurch wird das Schweißen verhindert und eine Beschädigung der Einrichtung infolge Fehlens ausreichender Kühlung verhütet. Bei ausreichendem Kühlwasserfluß wird das Schaltverzugsrelais 122 abgeschaltet, wie oben beschrieben, und die Schaltrelais 111 und 112 bleiben eingeschaltet. Außer dem Zurückstellen des Schaltverzugsrelais 121, wie beschrieben, bringt die Einschaltung des Schaltrelais 111 dessen Kontakte 111 e zum Schließen: dies legt das Schaltrelais 118 parallel zur Leeras iaufspannung des Schweißstromkreises, die ausreicht, um das Relais 118 zu betätigen. Relais 118 zieht vorzugsweise bei etwa 45 Volt an und fällt bei etwa 35 VoJt ab. Die Kontakte 118 a schließen sich, wobei sie das Schaltrelais 114 erregen, welches seine Kontakte 114 α in dem NebenscMußkreis der Röhre 92 öffnet. Die Kontakte 118 b öffnen sich, um ein Anlaufen des motorgetriebenen Wagens zu verhüten, wenn sich die Kontakte 111/ schließen. Schaltrelais 111, wenn es erregt wird, legt auch das Schaltrelais 117 parallel zur Kraftleitung, indem es die Kontakte HId schließt. Dies betätigt die Kontakte des Relais 117 in der Motorsteuerschaltung. Wenn Schaltrelais 111 erregt wird, so öffnen sich seine Kontakte¹ 111 b, wobei sie den Lichtbogen-Zündmagneten 31 abschalten., so daß sich der Elektrodenhalter in seine Bereitschaftsstellung zum Zünden des Lichtbogens senken kann. Schaltrelais 112, das bei geschlossenem Schweißschalter 132 ebenfalls erregt ist, schließt seine Kontakte 112 a, wodurch es das Schaltrelais 116 erregt, welches seine Kontakte in der Motorsteuer-. schaltung betätigt.

Aus dieser Beschreibung kann man ersehen, daß in diesem Stadium des Arbeitsgangs alle Kontakte der Steuer- oder Schaltrelais 112, 114, 117, 116 in der Motorsteuerschaltung die entgegengesetzte Stellung zu der in der Zeichnung dargestellten einnehmen, da diese Relais jetzt alle erregt sind. Das hat die Wirkung, daß die Steuergitter der Röhren 92 und 93 durch Kontakte 112 c und 112 o* direkt mit dem Ausgang der Verstärker 90 α bzw. 90 b verbunden sind. Der Nebenschlußkreis durch Widerstand 101 um die Röhre 92 herum ist offen, die Kreise, die die Steuergitter mit den Kathoden der Röhren 92 und 93 verbinden, sind offen, und die Kathoden der Röhren 92 und 93 sind durch Kontakte 116 b, 116 c und 117 & mit dem positiven Ausgang des Netzteils verbunden. Kontakte 116 d sind offen und trennen die Motorfeldwicklung 36 von der negativen Seite der Gleichstromzuleitung. Weil die Leerlaufspannung der Schweißmaschine die Bezugsspannung erheblich überschreitet, halten die mit den Röhren 71 und 90 zusammenhängenden Vergleichs- bzw. Verstärkerkreise die Röhre 92 abgeschaltet und verursachen einen größtmöglichen Stromfluß durch Röhre 93 in Gestalt eines pulsierenden Gleichstroms, der aus der gleich-

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1 Oil

gerichteten Sekundärspannung des Transformators 94 herrührt. Die Kapazität 99 lädt sich während der leitenden Halbperiode (der Röhre 93) auf und entlädt sich durch die Motorfeldwicklung 36 in ' der nichtleitenden Halbperiode, indem sie einen wellenförmigen Stromverlauf in der Wicklung erzeugt (dadurch wird das vom Motor entwickelte Drehmoment über das durch Erregung mit pulsierendem Gleichstrom entwickelte hinaus vergrößert) und den Elektrodenhalter zum Werkstück hin abwärts treibt.

Wenn die Elektrode 12 das Werkstück berührt, so wird die Leerlaufspannung der Schweißmaschine an das Steuerrelais 119 angelegt, dieses wird erregt, und. seine Kontakte 119 a im Stromkreis des Schaltrelais 113 schließen sich. Mit geschlossenen Kontakten 111 α des Schaltrelais 111 und mit geschlossenen Kontakten 113 α wird das Schaltrelais 113 parallel zur Leitung verriegelt. Die Kontakte 113 5 schließen sich ebenfalls, wodurch sie den Lichtbogen-Zündmagneten 31 erregen und die Elektrode zurückziehen, so daß ein Lichtbogenspalt entsteht. Gleichzeitig schließen sich dieKontakte 113 d, so daß das Schweißschütz 38 anspricht und seine Kontakte 38 α schließt, womit die Ausgangsleistung der Schweißmaschine an den Lichtbogenspalt angelegt wird. Indem sich die Kontakte 38 α schiließen, wird das Schaltrelais 119 kurzgeschlossen, und seine Kontakte 119 czi öffnen sich wieder. Ebenfalls damit zusammenhängend schließen sich, die Kontakte 113 c, wodurch sie den Hochfrequenzoszillator 43 einschalten. Dessen HF-Spannung wird durch den Transformator 41 in den Schweißstromkreis eingekoppelt und dem Lichtbogenspalt aufgedrückt, wobei sie den Spalt ionisiert und den Lichtbogen zwischen Elektrode und Werkstück entstehen läßt.

Sobald sich der Lichtbogen gebildet hat, reicht die verhältnismäßig niedrige Lichtbogenspannung nicht mehr aus, um das Steuerrelais 118 in erregter Stellung zu halten; daher fällt es ab und öffnet seine Kontakte 118 a, was den Hochfrequenzoszillator 43 ebenso wie das Schaltrelais 114 abschaltet. Die Kontakte 118 & schließen sich gleichzeitig und legen Spannung an den äußeren Kraftanschluß 20, der dazu dient, dem Vorschubmechanismus Energie zuzuführen, so daß dieser den Schweißkopf relativ zum Werkstück verschiebt. Das Abschalten des Schaltrelais 114 bringt seine Kontakte 114 a in dem Nebenschlußkreis zur Röhre 92 dazu, sich zu schließen. Dabei wird der Nebenschlußkreis eingeschaltet und ein Mindeststrom im Stromkreis der Motorfeldwicklung 36 hervorgerufen, dessen Phasenlage ein Drehmoment ergibt, welches den Elektrodenhalter zu heben bestrebt ist. Wie vorher beschrieben worden ist, soll hierdurch die Schwerkraftwirkung auf die Vorrichtung überwunden werden.

Die Schweißung nimmt nun ihren Fortgang, wobei sich alle Kontakte in den genannten Stellungen befinden. Die Motorsteuerschaltung wirkt dabei in der Weise, daß sie die Lichtbogenspannung automatisch konstant hält durch ständigen automatischen Vergleich der Lichtbogenspannung mit der festen Bezugsspannung. Am Ende der Schweißung öffnet der Bedienende den Schweiß schalter 132, was die Relais 111 und 112 stromlos macht und abschaltet. Das Abschalten des Relais 111 schließt die Kontakte 111c und setzt das Schaltverzugsrelais 121 in Gang. Die Kontakte 111 d öffnen sich und schalten das Steuerrelais 117 ab, das die Kontakte 117 a in der Motorfeldwicklung 34 und die Kontakte 117 & im Kathodenstromkreis der Röhre 92 öffnet.

Das Abschalten des Relais 111 hat auch das öffnen der Kontakte Ulf zur Folge, so daß die Spannung an der Buchse 20 für den Vorschubmechanismus des Wagens 15 und ebenso der Strom des Schweiß Schützes 38, das seine Kontakte 38a öffnet, unterbrochen werden. Auf diesei Weise werden der Lichtbogen und der Vorschub des Schweißkopfs gegenüber dem Werkstück gleichzeitig unterbrochen. Das öffnen des Schweiß schalters 132, wie oben beschrieben, macht auch das Steuerrelais 112 stromlos, so· daß alle seine Kontakte in den ausgeschalteten Zustand zurückkehren. So' öffnet das stromlos gewordene Schaltrelais 112 seine Kontakte in den Steuergitterkreisen der Röhren 92 und 93 und schließt die Kontakte, die die Steuergitter mit den Kathoden der Röhren 92 und 93 verbinden. In ähnlicher Weise kehren die Kontakte des Schaltrelais 116 in ihre abgeschaltete Stellung zurück, wobei, sie den Kreis schließen, der das Steuergitter mit der Kathode der Röhre 92 verbindet, die Kontakte in den Kathodenstromkreisen der Röhren 92 und 93 öffnen und den Kontakt 116 d schließen, wobei sie die Motorfeldwicklung 36 in Reihe mit der Kapazität 109 und dem Widerstand 110 an die Gleichstromzuleitung des Netzteils anschalten.

Als Ergebnis dieses Schal tvorganges entsteht ein kurzzeitiger Gleichstromstoß durch die Motorfeldwicklung 36, da sich die Kapazität 109 auflädt, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die von der Impedanz des Widerstands 110 und der Motorfeldwicklung 36 abhängt. Der auf diese Weise entstandene Stromstoß führt eine sofortige und wirksame Bremsung des Motors herbei und verhindert jedes Auslaufen oder Ausschwingen.

Die Kapazität 109 entlädt sich über die Kontakte 116 b, sobald sich die Kontakte bei der nächsten Schweißperiode schließen. Wenn das Schaltverzugsrelais 121 zur Wirkung kommt, öffnen sich dessen Kontakte 121 a, wobei sie die Elektromaguetventile für Gas und Wasser ausschalten und damit den Gas- und Wasserfluß unterbrechen. Der Wasserflußschalter 131 schließt danach seine Kontakte 131 α. Das öffnen des Hauptschalters 102 unterbricht die Steuervergänge vollends, und wenn man die Schweißmaschine 37 stillgesetzt hat, so ist die gesamte Schaltung in ihren Ruhezustand zurückgekehrt.

Offensichtlich können durch die oben beschriebene Schaltung in derselben Weise und aus derselben oder einer ähnlichen Kraftquelle auch andere Anordnungen und Zusatzeinrichtungen als der hierin beschriebene motorgetriebene Wagen automatisch betrieben werden. Ebenso können der Schaltung offensichtlich weitere Stromkreise hinzugefügt werden, um dem Bedienenden die Möglichkeit zu geben, die Vorrichtung von Hand und mit willkürlich wählbaren Startfolgen zu steuern. Auch kleine Ergänzungen wie Endschalter u. dgl. sind hier nicht beschrieben worden, um das Schaltbild übersichtlich zu halten.

Es ist zwar nur eine Ausführungsform beschrieben und veranschaulicht worden, aber selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese spezielle Form beschränkt, sondern sie kann auch auf andere Weise verwendet werden, ohne daß vom eigentlichen Erfindungsgedanken, wie er in den Ansprüchen umrissen ist, abgewichen wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltanordnung zur automatischen Elektroden- Vorschubregelung beim Lichtbogenschweißen unter Verwendung eines Wechselstrommotors mit zwei Feldwicklungen, von denen die eine von einer

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Konstantspannung und die andere über Röhrengleichrichter von der Lichtbogenspannung beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zweiphasen-Induktionsmotor verwendet wird, dessen erste Feldwicklung (34) aus einer Einphasen-Wechselstromquelle (104, 106) über einen in Reihe liegenden Phasenschieberkondetnsator (35) und dessen zweite Feldwicklung (36) erregt wird einerseits über eine Mittelanzapfung der Sekundärwicklung eines Transformators (94), dessen Primärwicklung aus derselben Einphasen-Wechselstromquelle gespeist wird, und andererseits über gittergesteuerte Gleichrichterröhren (92, 93), die mit den Enden der erwähnten Sekundärwicklung verbunden und in. einer Zweiweggleichrichterschaltung zusammengefaßt sind, so' daß sich die Erregung der zweiten Feldwicklung (36) mittels der Steuerspannungen an den Gittern der Gleichrichterröhren für jede Halbperiode getrennt steuern läßt.

2. Schaltanordnung nach Anspruch. 1, gekennzeichnet durch eine Kapazität (99) in Parallelschaltung zu der zweiten Feldwicklung (36) des Motors (M), die sich, wenn die eine der gittergesteuerten Gleichrichterröhren (92, 93) ganz oder nahezu nichtleitend ist, während die andere leitet, in den bei solchem Betrieb des Zweiweggleichrichters auftretenden Gleichrichtungspausen durch die Feldwicklung (36) entlädt und dadurch die aus dem Gleichrichter hervorgehenden Stromstöße zu einem annähernd wellenförmigen Stromverlauf umformt.

3. Schaltanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Nebenschlußkreis für die eine der erwähnten Gleichrichterröhren (92, 93), welcher stets einen begrenzten Strom führt, so daß in der aus dem Zweiweggleichrichter gespeisten zweiten Motorfeldwicklung (36) eine ständige Mindesterregung hervorgerufen wird, die in dem Motor (M) ein Drehmoment erzeugt, welches die Wirkung einer an der Motorwelle angreifenden Vorlast kompensiert.

4. Schaltanordnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch Mittel zum augenblicklichen

Stillsetzen des Motors (M), welche den Gleichrichterkreis unterbrechen und einen Gleichstromstoß von begrenzter Dauer durch die normalerweise aus den Gleichrichtern gespeiste Motorfeldwicklung (36) schicken, um den Motor dynamisch zu bremsen.

5. Schaltanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum augenblicklichen Stillsetzen des Motors (M) Vorrichtungen enthalten, welche die zweite Motorfeldwicklung (36) über die Reihenschaltung aus einer Kapazität

(109) und einem Strombegrenzungswiderstand

(110) an eine Gleichstromquelle schalten.

6. Schaltanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Anordnung zum Zünden des Lichtbogens, gekennzeichnet durch die Kombination folgender, an sich bekannter Maßnahmen: Schaltmittel steuern den den Zweiphasen-Induktionsmotor steuernden Gleichrichter so, daß der Motor die spannungslose Elektrode zunächst mit dem Werkstück in Kontakt bringt; eine elektromagnetische Einrichtung (31) zieht die Elektrode danach in einer hubförmigen, der vom Induktionsmotor ausgehenden Bewegung überlagerten Bewegung vom Werkstück zurück, um einen Lichtbogenspalt entstehen zu lassen; Schaltmittel legen gleichzeitig hiermit die Leerlaufspannung der Schweißstromquelle sowie die Spannung eines Hochfrequenzoszillators an den so entstehenden Lichtbogenspalt, um den Lichtbogen zu zünden; Schaltmittel sprechen auf den bei Auftreten des Lichtbogens erfolgenden Zusammenbruch der Spannung am Lichtbogeimspalt an, schalten den Hochfrequenzoszillator ab und setzen den an sich bekannten Nachlaufmechanismus längs der Schweißnaht in Gang.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 647 873, 668158, 249, 901 094, 925 966;

USA.-Patentschriften Nr. 2 348 259, 2 461 798, 488 987, 2 558 102;

französische Patentschrift Nr. 1 027 756.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen