DE1015162B

DE1015162B - Switching arrangement for shielding gas arc welding with alternating current of mains frequency with high-frequency current overlay and with an oscillating circuit parallel to the arc

Info

Publication number: DE1015162B
Application number: DEK28573A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Guenther Hannappel
Original assignee: Knapsack AG
Current assignee: Knapsack AG
Priority date: 1956-04-11
Filing date: 1956-04-11
Publication date: 1957-09-05

Description

Schaltanordnung zum Schutzgas-Lzchtbogenschweißen mit Wechselstrom von Netz-Frequenz mit Hochfrequenzstrom-Uberlagerung und mit Schwingkreis parallel zum Lichtbogen Die Erfindung betrifft eine- Schaltanordnung zum Schutzgas-Lichtbogenschweißen mit Wechselstrom von Netz-Frequenz, bei der mindestens ein zur Lichtbogenstrecke parallel geschalteter, infolge- seiner Oszillation den Schweißstrom niederfrequent modulierender Schwingkreis vorgesehen ist. -Die- Erfindung ist dazu- bestimmt, eine einwandfreie Zündsicherheit, gute Bogenstabilität bei schwankender Lichtbogenlänge sowie geringe Hochfrequenzstrahlung zu gewährleisten..Switching arrangement for shielding gas arc welding with alternating current of mains frequency with high-frequency current superposition and with resonant circuit in parallel The invention relates to a switching arrangement for gas-shielded arc welding with alternating current of mains frequency, with at least one to the arc path parallel connected, low-frequency welding current due to its oscillation modulating resonant circuit is provided. -The invention is- intended to be a perfect ignition reliability, good arc stability with fluctuating arc length as well as to ensure low high-frequency radiation.

Bei den bekannten Anlagen- dieser Art- werden alle Stromquellen entweder Niederfrequenzumformer oder aber, und zwar in der Regel, aus dem Licht- oder Kraftnetz betriebene Schweißtransformatoren benutzt. Die Arbeitsspannung dieser Geräte ist jedoch so klein, daß sie auch bei sehr -geringer Entfernung von Elektrode und Werkstück zur Zündung des Lichtbogens nicht ausreicht. Dieser Übelstand kann zwar dadurch behoben .werden, daß man Elektrode- und Werkstück unmittelbar oder mittelbar, z. B. -über Metallspäne oder leitende Kohle, kurzzeitig verbindet, indessen weisen beide Maßnahmen Mängel auf. Während bei einer Überbrückung durch Metall eine Verunreinigung der Schweißnaht entsteht, läßt sich bei einer Zündung mittels - Kohle eine -unvorteilhafte Veränderung der vielfach verwendeten Wolfram-Elektroden kaum vermeiden. Außerdem erweisen sich diese Verfahren bei der automatischen Maschinenschweißung als unzureichend.In the known systems of this type, all power sources are either Low-frequency converters or, as a rule, from the light or power network operated welding transformers are used. The working voltage of these devices is but so small that they can be used even with a very small distance from the electrode and workpiece is insufficient to ignite the arc. This evil can be caused by it remedied .be that one electrode and workpiece directly or indirectly, z. B. -over metal chips or conductive carbon, briefly connects, however, point both measures show deficiencies. Whereas if bridged by metal, an impurity If the weld seam is created, ignition by means of carbon can cause an unfortunate one Hardly avoid changing the frequently used tungsten electrodes. aside from that these methods prove to be inadequate in automatic machine welding.

Die Tatsache, daß. auch ein gezündeter Bogen, insbesondere beim Schutzgas-Lichtbogenschweißen mit sich nicht verbrauchender Elektrode, infolge der Nulldurchgänge von Strom und Spannung nicht stabil brennt, zwang zur Verwendung, einer zusätzlichen Hochspannungsquelle. Die verschiedenen bekannten Arten von Hochspannungsquellen unterscheiden sich durch ihre Kopplung mit dem - Schweißstromkreis, durch die verwendete Frequenz sowie- durch die Impulsdauer und -folge.- Die von diesen Zündgeräten gelieferten Spannungen liegen um 1000 Volt und erlauben eine Bogenzündung über Entfernungen bis zu etwa 2 mm, indem sie den- Raum zwischen Elektrode und Werkstück so stark ionisieren, daß trotz der niedrigen Leerlaufspannung der Schweißstromquellen die Bogenentladung zustande kommen kann.The fact that. also an ignited arc, especially with gas-shielded arc welding with non-consumable electrode, due to the zero crossings of current and Voltage not burning steadily, forced to use an additional high voltage source. The various known types of high voltage sources differ in terms of the following their coupling with the - welding circuit, through the frequency used and - by the pulse duration and sequence - The voltages supplied by these igniters are around 1000 volts and allow arc ignition over distances of up to approximately 2 mm by ionizing the space between the electrode and the workpiece to such an extent that that despite the low no-load voltage of the welding power sources, the arc discharge can come about.

Ein wesentlicher Nachteil der heute gebräuchlichen Zündgeräte besteht neben einer häufig unbefriedigenden Zündsicherheit in ihrer Eigenschaft als Hochfrequenzgenerator hoher Spannung. Die Folge ist eine stark störende und nur mit großem Aufwand auf den zulässigen Wert "reduzierbare Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen: Außer durch Art und Höhe der durch derartige Geräte gelieferten Hilfsspannung werden- die Zündverhältnisse und die Bogenstabilität sowohl durch die zur. Unterdrückung der Gleichstromkomponente beim Schutzgasschweißen mit sich nicht verbrauchender Elektrode häufig verwendete Siebkondensatorbatterie als -auch durch die von der Schweißmaschine gelieferte Form der Schweißstromkurve beeinflußt.There is a major disadvantage of the ignition devices in use today in addition to an often unsatisfactory ignition reliability in its capacity as a high-frequency generator high tension. The consequence is a very annoying and only with great effort the permissible value "Reducible emission of electromagnetic waves: Except the type and level of the auxiliary voltage supplied by such devices the ignition conditions and the arc stability both by the for. oppression the direct current component in gas-shielded welding with non-consuming Electrode frequently used filter capacitor battery as -also by that of the The shape of the welding current curve supplied to the welding machine is influenced.

Abb: 1 zeigt als Beispiel eine Stromkurvenform, die infolge ihrer geringen Tangentensteigung im Nulldurchgang zu schlechten Zündeigenschaften und imstabilem Bogen führt: Derartige Kurven, die ihre Ursache im Auftreten der zweiten Harmonischen haben, entstehen bei den bekannten drosselgeregelten Schweißgeräten sowohl, wenn die -Regelung durch Vormagnetisierung einer im Schweißstromkreis liegenden Drossel erfolgt, -als auch dann, wenn sie durch einen im -Schweißtransformator angebrachten, den Streufluß ändernden Drosselkern erzielt wird.Fig: 1 shows an example of a current waveform that, as a result of its low tangent slope in the zero crossing to poor ignition properties and in a stable arc leads: Such curves, which are caused by the occurrence of the second Harmonics are created in the well-known throttle-regulated welding machines both when the control by pre-magnetization of a lying in the welding circuit Throttle occurs, -as also when it is attached by a welding transformer in the, the throttle core changing the leakage flux is achieved.

Es sind Maßnahmen bekannt, durch die das Auftreten der zweiten Harmonischen im Schweißstromkreis durch deren Kompensation in einem DrossE .system verhindert wird. Eine weitere bekannte Möglichkeit zur Erzielung eines steilen Kurvennulldurchg.,ngs ergibt sich durch- die Verwendung einer höheren Frequenz, also durch Benutzung von magnetischen oder rotierenden Frequenzwandlern als Schweißstromquelle. Ferner ist bekannt, zum eigentlichen Schweißstromerzeuger parallel geschaltete Frequenzwandler vorzusehen, deren Frequenz höher als die der Schweißstromquelle- ist: Alle diese Vorrichtungen weisen hohe Gestehungskosten auf, einige von ihnen erfordern außerdem eine laufende Wartung.Measures are known to prevent the occurrence of the second harmonic in the welding circuit by compensating them in a throttle system will. Another known way to achieve a steep curve zero crossing, ngs results from the use of a higher frequency, i.e. the use of magnetic or rotating frequency converters as welding power sources. Furthermore is known, frequency converters connected in parallel to the actual welding generator the frequency of which is higher than that of the welding power source: All of these Devices exhibit high Initial cost, some of them also require ongoing maintenance.

Es ist auch bereits bekannt, dem Schweißstrom eine durch Parallelschaltung mindestens eines elektrischen Schwingkreises zum Lichtbogen erzeugte, gedämpfte niederfrequente Schwingung von etwa 500 bis 1000 Hz zu überlagern. Der parallel geschaltete Schwingkreis moduliert infolge seiner Oszillation den Schweißstrom niederfrequent und führt somit zu einer günstigeren Stromkurvenform, d. h. zu einer Kurve mit steilen Nulldurchgängen, wie sie beispielsweise in Abb. 2 schematisch wiedergegeben ist.It is also already known that the welding current can be connected in parallel at least one electrical oscillating circuit for the arc generated, damped superimpose low-frequency oscillation of around 500 to 1000 Hz. The parallel The switched resonant circuit modulates the welding current at a low frequency due to its oscillation and thus leads to a more favorable current waveform, i.e. H. to a curve with steep Zero crossings, as shown schematically in Fig. 2, for example.

Erfindungsgemäß werden die geschilderten Mängel und Unzulänglichkeiten dadurch in zuverlässiger Weise vermieden; die Erfindung besteht darin, daß der Schwingkreis zwecks Verhütung einer Hochfrequenzabsorption erst nach erfolgter Ionisierung des Raumes zwischen Elektrode und Werkstück durch bekannte Mittel parallel zur Lichtbogenstrecke gelegt wird.The deficiencies and inadequacies described are in accordance with the invention thereby reliably avoided; the invention consists in that the resonant circuit to prevent high-frequency absorption only after ionization of the Space between the electrode and the workpiece by known means parallel to the arc path is placed.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme werden jegliche Zündschwierigkeiten beseitigt, die Lichtbogenstabilität wird erhöht, und es wird die Hochfrequenzstörfeldstärke so vermindert, daß sie sich nicht nachteilig auswirkt.The measure according to the invention eliminates any ignition difficulties eliminated, the arc stability is increased, and it becomes the high frequency interference field strength so reduced that it does not have an adverse effect.

Die Zeichnung veranschaulicht drei Ausführungsbeispiele für Schaltanordnungen nach der Erfindung, und zwar zeigt Abb. 3 eine Schaltung mit stromabhängiger Steuerungseinrichtung und Abb. 4 eine Schaltung mit spannungsabhängiger Steuerungseinrichtung.The drawing illustrates three exemplary embodiments for switching arrangements according to the invention, namely Fig. 3 shows a circuit with a current-dependent control device and Fig. 4 shows a circuit with a voltage-dependent control device.

In den Darstellungen ist die Schweißstromquelle, die vorzugsweise mit 50 Hz betrieben wird, mit 1 bezeichnet. Sie ist in üblicher Weise über einen Siebkondensator 2 mit der aus Elektrode 3 und zu bearbeitendem Werkstück 4 bestehenden Schweißstelle und mit dem Hochfrequenzzündgerät 5 verbunden. Der zur Lichtbogenstrecke parallel geschaltete Schwingkreis besteht aus dem vorzugsweise mit geringem dielektrischem Verlust und kleiner Selbstinduktion behafteten Kondensator 6 sowie der zweckmäßig aus hochpermeablem Kernmaterial geringer Hystereseverluste gefertigten Spule 7. Die elektrische Dimensionierung dieses Schwingkreises, dessen Temperaturkoeffizient in der Praxis keine Rolle spielt, ergibt sich aus der Forderung nach einer zweckmäßigen überlagerung von etwa 500 bis 1000 Hz und verlangt nicht die Einhaltung enger Toleranzen.In the illustrations, the welding power source is preferred is operated at 50 Hz, denoted by 1. She is about one in the usual way Filter capacitor 2 with the one consisting of electrode 3 and workpiece 4 to be machined Welding point and connected to the high-frequency ignition device 5. The one to the arc path The resonant circuit connected in parallel consists of the preferably low dielectric Loss and small self-induction afflicted capacitor 6 as well as expedient Coil 7 made of highly permeable core material with low hysteresis losses. The electrical dimensioning of this oscillating circuit, its temperature coefficient does not play a role in practice, arises from the requirement for an expedient superposition of around 500 to 1000 Hz and does not require compliance with tight tolerances.

Bei der Verwendung eines Schwingkreises nach der in Abb. 3 dargestellten Schaltung verändert sich somit, wie schon erwähnt, die in Abb. 1 wiedergegebene ungünstige Stromkurvenform in eine solche mit starker Tangentensteigung im Nulldurchgang gemäß Abb.2.When using an oscillating circuit according to the one shown in Fig. 3 As already mentioned, the circuit changes to that shown in Fig. 1 unfavorable current curve shape into one with a steep tangent slope at the zero crossing according to figure 2.

Die Beobachtung beim Schutzgasschweißen von Aluminium mit sich nicht verbrauchender Elektrode ergibt, daß ein Stromsteigungswinkel von etwa 10° im Nulldurchgang während etwa 1 ms genügt, um erhebliche Zündschwierigkeiten und Bogeninstabilität auftreten zu lassen. Die Wirkung der Schaltung beruht nun darauf, daß der Stromflüß in der Entladungszone während der genannten kritischen Zeit von etwa 1 ms infolge Abgabe elektromagnetischer Energie aus dem Schwingungskreis nicht zum Erliegen kommt. Dieses ist aber offenbar der Fall, wenn die Wellenlänge der vom Schwingkreis gelieferten Spannung von gleicher Größe oder kleiner als die Länge der die Entladung störenden, flachen Kurventeile in der Nähe des Nulldurchgangs ist. Daraus ergibt sich infolge der größeren Eigenstabilität des Lichtbogens eine merkliche Reduzierung der Hochfrequenzstörfeldstärke durch die mögliche Verkleinerung der Hochfrequenzspannung während des Schweißens.The observation when gas-shielded welding of aluminum does not involve itself consuming electrode shows that a current slope angle of about 10 ° in the zero crossing for about 1 ms is sufficient to avoid significant ignition difficulties and arc instability to let occur. The effect of the circuit is based on the fact that the current flows in the discharge zone during the mentioned critical time of about 1 ms as a result The release of electromagnetic energy from the oscillation circuit does not come to a standstill. But this is apparently the case if the wavelength is the one supplied by the oscillating circuit Voltage of the same size or less than the length of the disruptive, flat parts of the curve near the zero crossing. It follows as a result the greater inherent stability of the arc, a noticeable reduction in the high-frequency interference field strength by the possible reduction of the high frequency voltage during welding.

Die in Abb. 3 wiedergegebene erfindungsgemäße Schaltung mit stromabhängiger Steuerungseinrichtung kommt vorzugsweise für die automatische Schutzgasschweißung mit sich nicht verbrauchender Elektrode in Frage. Es ist eine Dauerkontakteinrichtung 8 vorgesehen, ferner ein Stromrelais 9 mit Umschaltkontakt und eine an die Primärwicklung 5 a des Zündgerätes 5 sich anschließende Zusatzwicklung 5 b ; die Sekundärseite des Zündgerätes ist mit 5 c bezeichnet.The circuit according to the invention shown in Fig. 3 with current-dependent Control device is preferably used for automatic inert gas welding with a non-consumable electrode in question. It is a permanent contact facility 8 provided, also a current relay 9 with changeover contact and one to the primary winding 5 a of the ignition device 5 subsequent additional winding 5 b; the secondary side the igniter is denoted by 5 c.

Von der Voraussetzung ausgehend, daß der Schweißstromquelle 1 und der Teilwicklung 5 a des Zündgerätes die Betriebsspannungen zugeführt werden, kann es an der Schweißstelle 3, 4 um so leichter zu einer Zündung auf Distanz kommen, je größer der Ionisierungsgrad, d. h. die wirksame Hochfrequenzenergie zwischen Elektrode und Werkstück, und je steiler der Nulldurchgang der von der Schweißstromquelle gelieferten Spannung ist. Die Aufgabe der Kontakteinrichtung 8, die sowohl von Hand als auch durch Zeitrelais gesteuert werden kann, besteht dabei darin, während einer kurzen Ionisierungszeit zunächst den einen Teil der Hochfrequenz absorbierenden Serienschwingkreis abzuschalten, ihn aber unmittelbar nach ausreichender Ionisierung des Entladungsraumes für die Dauer der Schweißung parallel Zur Schweißstelle zu legen. Es wurde gefunden, daß zur ausreichenden Tonisierung nur Bruchteile einer Sekunde erforderlich sind und daß der Parallelschaltung eine spontane Zündung des Bogens folgt.Assuming that the welding power source 1 and the partial winding 5 a of the ignition device, the operating voltages can be fed at the welding point 3, 4 the easier it is to ignite at a distance, the greater the degree of ionization, d. H. the effective radio frequency energy between Electrode and workpiece, and the steeper the zero crossing of the welding power source supplied voltage. The task of the contact device 8, both by hand and can be controlled by time relays, consists of during a short ionization time, initially the part of the high frequency absorbing Switch off the series resonant circuit, but immediately after sufficient ionization of the discharge space for the duration of the welding parallel to the welding point place. It has been found that only a fraction of one for sufficient toning Seconds are required and that the parallel connection causes spontaneous ignition of the Bogens follows.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird durch daß im Schweißstromkreis liegende Relais 9 nach erfolgter Zündung, d. h. nachdem der Bogenstrom fließt; die Hochfrequenzspannung durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses des zum Zündgerät gehörenden Transformators so weit herabgesetzt, daß der durch die überlagerte Niederfrequenz weitgehend gestützte Bogen noch stabil brennt. Der Erfindungsgedanke schließt ein, daß die durch den Bogenstrom bewirkte Umschaltung des Zündgerätes solcher Art geschehen soll, daß eine den Bogenmechanismus störende; vollständige Unterbrechung der Hochfrequenzzufuhr vermieden wird. Dieses läßt sich durch ständige Einschaltung eines Teiles der Primärwicklung des Zündgerätetransformators oder durch eine über das Stromrelais kontinuierlich bewirkte Änderung eines mechanisch veränderbaren Wechselstromwiderstandes, beispielsweise eines Potentiometers oder einer Drossel, erreichen.In a further development of the invention is that in the welding circuit lying relay 9 after ignition, d. H. after the arc current flows; the High-frequency voltage by changing the transmission ratio of the ignition device belonging transformer reduced so far that the superimposed low frequency largely supported bow still burns stable. The idea of the invention includes that the switching of the ignition device caused by the arc current occurs of this kind should that a disturbing the bow mechanism; complete interruption of the high-frequency supply is avoided. This can be achieved by constantly switching on part of the primary winding the igniter transformer or by one via the current relay continuously caused change of a mechanically variable alternating current resistance, for example a potentiometer or a throttle.

Eine abgewandelte Schaltanordnung ist in Abb.4 dargestellt. An Stelle der stromabhängigen ist hier eine spannungsabhängige Steuerungseinrichtung vorgesehen, wodurch sich eine einfache automatische Steuerung der Hochfrequenzspannung über den Transformator 10 ergibt; indem der Primärwicklung des Zündgerätes in an sich bekannter Weise über diesen Transformator eine von der Schweißspannung abhängige Spannung zugeführt wird. Auf diese Weise wird die Verwendung mechanischer Schaltmittel vermieden.A modified circuit arrangement is shown in Figure 4. Instead of The current-dependent control device is provided here with a voltage-dependent control device, which allows a simple automatic control of the high frequency voltage via results in transformer 10; by placing the primary winding of the igniter in itself As is known, a welding voltage dependent on this transformer Voltage is supplied. In this way, the use of mechanical switching means avoided.

In allen Fällen wird es durch den erfindungsgemäßen Vorschlag ermöglicht, die Vorzüge größter Zündsicherheit, guter Bogenstabilität bei schwankender Lichtbogenlänge sowie geringer Hochfrequenzstrahlung in den Erfordernissen der Praxis weitgehend entsprechender Weise zu vereinigen.In all cases, the proposal according to the invention enables the advantages of maximum ignition reliability, good arc stability with fluctuating arc length as well as low high-frequency radiation in the requirements of practice to a large extent to unite accordingly.

Die Erfindung läßt sich sinngemäß in den verschiedenen Formen verwirklichen und ist nicht auf die dargestellten Schaltbilder beschränkt. So kann der Schwingkreis mit gleich vorteilhaftem Ergebnis beispielsweise auch bei sinusförmigen Strom liefernden Schweißstromquellen eingesetzt werden.The invention can be implemented in the various forms and is not on that shown circuit diagrams are limited. So the resonant circuit can also be used, for example, with an equally advantageous result sinusoidal current supplying welding power sources are used.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Switching arrangement for gas-shielded arc welding with alternating current of mains frequency with high-frequency current superposition, at which at least one connected in parallel to the arc path, due to its oscillation the Low-frequency modulating oscillating circuit is provided for welding current, characterized in that that the resonant circuit for the purpose of preventing high frequency absorption only after Ionization of the space between the electrode and the workpiece by known means in parallel is placed to the arc path.

2. Switching arrangement according to claim 1, characterized in that that the secondary number of turns of the igniter transformer and thus the high-frequency voltage Welding current dependent by means of magnetic relays in the sense of a high frequency radiation reduction is decreased during welding.

3. Switching arrangement according to claim 2, characterized characterized in that the change in the high frequency voltage in a known manner takes place continuously via throttle or resistor.

4. Switching arrangement according to claim 1, characterized in that the voltage supplied by the igniter is used to reduce the high-frequency radiation is reduced depending on the welding voltage.

5. Switching arrangement according to claim 4, characterized in that the regulation in a manner known per se via one in series with the input of the ignition device and secondary to the welding power source parallel transformer takes place. References contemplated: United States Patent Specification No. 2,470,668; British Patent Nos. 595 697, 622 921.