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Einrichtung zur Steuerung von Hilfsvorgängen bei der Lichtbogenschweißung
unter Verwendung von thermischen Relais Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung
zur Steuerung von Hilfsvörgängen bei der Lichtbogenschweißung, insbesondere unter
Schutzgas, in Abhängigkeit von de'r Leerlauf- oder Lichtbogenspannung unter Verwendung
von thermischen Relais. Insbesondere bei der Schweißung unter einer Schutzgasatmosphäre
kommt der automatischen Steuerung des An- und Abstellens der Schutzgaszufuhr, der
Ein- und Ausschaltung von Hilfsmitteln für die Primärzündung des Lichtbogens (Hochfrequenzüberlagerung
und ähnliches), des Schweißdrahtvorschubes oder der etwaigen Zugabe von Flußmitteln
od. dgl. sowie schließlich der Schweißspannung selbst eine erhöhte Bedeutung zu.
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Die Steuerung derartiger Hilfsvorgänge erfolgt in der Regel in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Betriebszustand der Anlage, d. h. also in Abhängigkeit davon,
ob sich die Anlage in Betrieb oder im Leerlauf befindet, und zwar in der Weise,
daß beim Übergang von einem Zustand in den anderen, also beim Zünden oder beim Erlöschen
des Lichtbogens, die im Einzelfall vorgesehenen Steuerungsvorgänge ausgelöst werden.
Als Steuerungsmittel werden entweder elektromagnetische Stronirelais, elektromagnetische
Spannungsrelais oder thermische Relais benutzt.
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Die Stromrelais sprechen bei eingeschaltetem Schweißstrom an, fallen
dagegen bei der Unterbrechung des Schweißstromes ab und lösen durch Kontakte den
gewünschten Hilfsvorgang aus. Die Anwendung von Stromrelais ist jedoch verhältnismäßig
teuer, auch ist es schwierig, Stromrelais zu bauen, die sowohl bei niedrigen als
auch bei hohen Strömen sowie bei Gleich- und Wechselstrom verläßlich und mit annähernd
gleichen Verzögerungen arbeiten.
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Bei der Steuerung mittels Spannungsrelais wird von der Tatsache ausgegangen,
daß die Schweißspannung im allgemeinen niedriger liegt als die Leerlaufspannung
der Schweißstromquelle; das elektromagnetische Spannungsrelais wird demgemäß so
eingestellt, daß es bei Leerlaufspannung anzieht, bei Schweißspannung dagegen abfällt
und wiederum durch Hilfskontakte die gewünschten Steuerungen durchführt. Indessen
weisen auch die Spannungsrelais verschiedene Nachteile auf. Die Leerlaufspannung
der Stromerzeuger, die für die Lichtbogenschweißung Verwendung finden, ist sehr
verschieden und liegt zwischen etwa 40 Volt im Minimum und etwa 10o Volt im Maximum;
die Arbeitsspannung beträgt im allgemeinen zwischen 15 und 30 Volt, steigt aber
während der Schweißung vorübergehend wesentlich über diesen Wert an. Die Steuergeräte
müssen sehr häufig mit Stromerzeugern sehr verschiedener Leerlaufspannung zusammen
Verwendung finden, außerdem ändert sich auch bei ein und demselben Stromerzeuger
die Leerlaufspannung häufig stark mit der eingestellten Stromstärke. Es ist daher
schwierig, ein spannungsgesteuertes elektromagnetisches Relais so zu bauen bzw.
so einzustellen, daß es bei allen vorkommenden Leerlaufspannungen mit Sicherheit
anspricht, bei allen vorkommenden Schweißspannungen dagegen mit Sicherheit abfällt.
Dies wird weiter erschwert durch den Umstand, daß vielfach abwechselnd mit Gleichstrom
und mit Wechselstrom geschweißt werden soll. Insbesondere bei der Lichtbogenschweißung
unter inertem Schutzgas werden Leichtmetalle stets mit Wechselstrom, Kupfer, hochlegierte
und sonstige Stähle vorwiegend mit Gleichstrom geschweißt.
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Bekanntlich reagieren nun elektromagnetische Spannungsrelais sehr
verschieden auf die angelegte Spannung, je nachdem, ob es sich um Gleichstrom oder
Wechselstrom handelt. Während bei Gleichstrom lediglich der Ohmsche Widerstand der
Relaisspule für die Stromaufnahme maßgebend ist, verhält sich dies bei Wechselstrom
wesentlich anders. Der von der Spule aufgenommene Wechselstrom wird nicht nur vom
Ohmschen Widerstand, sondern auch vom induktiven Widerstand der Spule abhängen;
der induktive Widerstand wird wieder davon beeinflußt, ob der Eisenkern des Relais
angezogen ist oder nicht. Der Einschaltstrom des Relais ist bei Wechselstrom wesentlich
höher als die Dauerstromaufnahme der Spule. Es werden demnach die Anzieh- bzw. Abfallspannungen
eines bestimmten Relais für Gleich- und Wechselstrom völlig verschieden liegen,
und es ist daher nicht ohne weiteres möglich, die gleiche Relaiseinrichtung für
Gleich-und Wechselstrom zu verwenden.
Um diesen Schwierigkeiten
zu begegnen, ist es bereits bekannt, als Hilfsmittel die Wechselstromspannungen
durch Verwendung von Gleichrichtern in Gleichspannung umzuformen, so daß die Relaisspule
stets an Gleichstrom hängt, doch ist auf diese Weise ebenfalls kein einwandfreies
Ergebnis zu erzielen. Zunächst weicht die durch Gleichrichtung erzielte Gleichspannung
vom Effektivwert der Wechselstromspannung wesentlich ab, außerdem entsteht infolge
der Wirkungsweise des Gleichrichters keine reine, sondern eine mit Wechselstrom
überlagerte Gleichspannung, auf die das Spannungsrelais ganz anders reagiert als
auf reine Gleichspannung. Die Erfahrung hat ergeben, daß es praktisch nicht möglich
ist, eine derartige Relaissteuerung so zu lauen, daß sie bei Verwendung von Gleichstrom
und von Wechselstrom' und ferner bei Verwendung der verschiedenen in der Praxis
vorkommenden Leerlaufspannungen der Schweißstromerzeuger einwandfrei arbeitet, ohne
daß eine Anpassung der Relaiseinstellung an die jeweils vorhandenen Betriebsverhältnisse
erforderlich wäre. Unterbleibt diese An-Passung aber, so können folgende Störungen
der Funktion auftreten: Das Relais zieht bei Leerlaufspannung nicht an, es fällt
bei Schweißspannung nicht ab, und/oder die Relaisspule wird durch Überhitzung beschädigt,
da sie im Leerlauf infolge zu hoher anliegender Spannung zu viel Stroin aufnimmt.
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Die Anpassung des Relais erfolgt vielfach so, daß bei Umschaltung
von Gleichstrom auf Wechselstrom oder umgekehrt verschiedene Widerstände zu- bzw.
abgeschaltet oder daß durch verstellbare Widerstände die von der Relaisspule aufgenommenen
Ströme den jeweils vorhandenen Leerlaufspannungen angepaßt werden. Diese in der
Praxis häufig anzutreffenden Lösungen sind unbefriedigend, da sie # die 'Anlage
kompliziert gestalten und außerdem von dem elektrotechnisch meist ungeschulten Bedienungspersonal,
d. h. vom Schweißer, erwarten, daß er die Anlage auf Grund verschiedener Gesichtspunkte
(Gleichstrom oder Wechselstrom, höhere oder niedrigere Leerlauf- bzw. Lichtbogenspannung)
jeweils richtig einstellt.
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Es ist auch bekannt, bei der Lichtbogenschweißung thermische Relais
zur Steuerung von Hilfskreisen zu verwenden, z. B. für die Zeitdosierung.
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Die Erfindung bezweckt nun, Einrichtungen zu schaffen, mittels deren
ohne Umschaltung irgendwelcher Art die erforderlichen Steuerungen von Hilfsvorgängen
bei der Lichtbogenschweißung sowohl für die Gleichstrom- als auch für die 'Vechselstromschweißung
befriedigend durchgeführt werden können, und zwar in einem weiten Bereich der praktisch
vorkommenden Leerlauf- und Lichtbogenspannungen.
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Die Erfindung besteht darin, daß gleichermaßen für die Gleichstrom-
wie auch für die Wechselstromschweißung sowie für alle üblichen Leerlaufspannungen
beider Stromarten als Steuerglied ein an die Lichtbogenspannung angeschlossenes
thermisches Re= lais Verwendung findet in Serie mit einer Vorrichtung zur automatischen
Strombegrenzung, vorzugsweise einem Eisen-Wasserstoff-Widerstand an sich bekannter
Bauart, wobei der in diesem Strombegrenzungswiderstand abgedrosselte Spannungsanteil
den durch die Auslegung des thermischen Relais gegebenen zulässigen Bereich der
Leerlaufspannungen nach oben hin vergrößert.
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Ein thermisches Relais ist bekanntlich ein Relais, bei dein ein Widerstandsdraht
oder ein Widerstandskörper bei entsprechender Änderung der angelegten Spannung bewirkt,
daß ein oder mehrere Kontakte geöffnet oder geschlossen werden, und dessen Wicklung
einen gegenüber ihrem Ohmschen Widerstand relativ geringen induktiven Widerstand
besitzt und somit - unabhängig davon, ob es sich um Gleichspannung oder Wechselspannung
handelt - nur auf die Höhe der angelegten Effektivspannung reagiert. Dadurch wird
auch jede Beeinflussung der Relaisfunktion durch die Kurvenforen der angelegten
N@Techselspannung vermieden, ebenso die Möglichkeit, daß das Relais auf ganz kurzzeitige,
nur wenige Halbperioden andauernde Spannungsspitzen anspricht. Da jedes thermische
Relais eine gewisse, in diesem Fall durchaus erwünschte Schaltverzögerung besitzt,
die außerdem noch durch seine Bauweise nach Belieben beeinflußt werden kann, wird
es auf kurzzeitiges Erlöschen und Wiederzünden des Lichtbogens - eine Erscheinung,
die dem Beschauer lediglich als »Flackern« des Lichtbogens auffällt -nicht reagieren.
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Ein weiterer Vorteil des thermischen Relais gegenüber dem elektromagnetischen
Relais liegt darin, daß es auf Spannungsänderungen wesentlich feinfühliger reagiert.
Steigt nämlich bei einem elektromagnetischen Relais die an der Spule angelegte Spannung,
die hier der Einfachheit halber als Gleichspannung angenommen sein soll, um ein
bestimmtes Maß, also etwa von 30 auf 40 Volt, so nimmt der im Relais wirksame Magnetfluß
im günstigsten Fall in demselben Verhältnis, also um 3311/o zu; bei dem therinischen
Relais dagegen berechnet sich die im Widerstandsdraht in Wärme umgesetzte elektrische
Leistung nach der Formel
d. h., die für die Wirkung des-Relais maßgebende Wärmemenge ändert sich mit dem
Quadrat der angelegten Spannung und nimmt in dem oben angeführten Fall (Spannungssteigerung
von 30 auf 40 Volt) im Verhältnis 9 : 16, also um 7811/o zu. Es ist daher mit dem
thermischen Relais weit besser möglich, geringe Differenzen zwischen Leerlaufspannung
und Lichtbogenspannung zur Steuerung von Hilfsvorgängen der Lichtbogenschweißung
auszunutzen.
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Durch die Verwendung eines thermischen Relais gemäß der Erfindung
wird somit zwar das erwünschte gleichmäßige Verhalten der Steuerung sowohl bei Gleich-
als auch bei Wechselstrom für die Schweißung erreicht; es besteht indessen dabei
noch die Schwierigkeit, daß bei Verwendung einer höheren als der ursprünglich vorgesehenen
Leerlaufspannung das Heizelement des thermischen Relais sich überhitzen und dadurch
Beschädigungen erleiden kann.
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Um dies zu verhindern, wird gemäß der Erfindung, da man mit stark
wechselnden Leerlaufspannungen der verwendeten Schweißstromerzeuger rechnen muß,
in den Heizstromkreis des thermischen Relais in Serie ein an sich bekannter Strombegrenzungswiderstand,
vorzugsweise ein Eisenwiderstand in Wasserstoffatmosphäre, vorgeschaltet, der die
Eigenschaft besitzt, den Stromdurchgang nach oben zu begrenzen und bei Spannungssteigerungen
den überschüssigen Teil der angelegten Spannung abzudrosseln. Die gegenseitige Bemessung
des thermischen Relais und des Strombegrenzungswiderstandes erfolgt dabei so, daß
der vom Eisenwiderstand konstant gehaltene Stromwert etwa der höchsten vom thermischen
Relais noch ohne Beschädigungen durchzusetzenden Stromstärke entspricht. Da das
thermische Relais ohne weiteres so gebaut werden kann, daß die höchste von
ihm
ohne Beschädigung aufzunehmende Stromstärke bereits wesentlich höher liegt als seine
»Ansprechstromstärke«, ergibt die Verwendung des thermischen Relais bereits einen
gewissen zulässigen Bereich für die anwendbaren Leerlaufspannungen. Über diesen
Bereich baut sich dann der vom Strombegrenzungswiderstand erzeugte zusätzliche Spannungswiderstand
auf, so daß mit einer derartigen Einrichtung der Bereich aller üblichen Leerlaufspannungen
(z. B. zwischen 40 und 100 Volt liegend) beherrscht werden kann, und zwar ohne jede
Nachstellung oder Umschaltung und ohne Rücksicht darauf, ob mit Gleichstrom oder
mit Wechselstrom geschweißt wird.
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Die auch im Strombegrenzungswiderstand stets vorhandene Verzögerung
wirkt sich außerdem auf die Gesamtsteuerung durchaus günstig aus. Erhöht sich z.
B. die am thermischen Relais anliegende Spannung bei Beendigung des Schweißvorgangs
von 25 auf 75 Volt, so wird die im ersten Augenblick eintretende Erhöhung des vom
thermischen Relais aufgenommenen Stromes größer sein, als dies dem Dauerzustand
entspricht, und zwar aus dem Grund, weil der Strombegrenzungswiderstand im ersten
Augenblick noch kalt ist und daher einen geringen Widerstand besitzt. Dadurch wird
die Funktion, d. h. das Ansprechen des thermischen Relais auf Spannungsänderungen,
noch rascher und noch sicherer gestaltet.
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Es ist ferner zweckmäßig, in Serie mit dem thermischen Relais und
gegebenenfalls auch mit dem Strombegrenzungswiderstand in bekannter Weise einen
verstellbaren Ohmschen Widerstand zu legen, mit dem die Grundeinstellung der Steuereinrichtung
durchgeführt werden kann und die in Ausnahmefällen, d. h. wenn die zur Anwendung
kommende Leerlaufspannung die normal zulässige höchste Leerlaufspannung der Anlage
überschreitet, dazu dienen kann, den Bereich der zulässigen Leerlaufspannungen nach
oben hin durch Einstellung zu erweitern.
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In der Zeichnung ist in beispielsweiser Ausführungsform ein Schaltschema
für eine Einrichtung nach der Erfindung wiedergegeben. Das Werkstück 1 und die Schweißvorrichtung
2, die in Form eines Schweißbrenners, einer Elektrode oder eines sonstigen Gerätes
vorliegen kann, sind über die Leitungen 3 und 4 an den Schweißstromkreis angeschlossen,
wobei mit U die angelegte Schweißspannung bezeichnet ist. In einer Parallelleitung
5 liegen das thermische Relais 6 mit dem Arbeitskontakt 7, ferner der Strombegrenzungswiderstand
8 und der einstellbare Ohmsche Widerstand 9. -Über den Kontakt 7 des Relais 6 ist
ein besonderer Steuerstromkreis 10 geführt, durch den die der besseren Übersichtlichkeit
halber in der Zeichnung nicht dargestellten Hilfseinrichtungen betätigt werden.
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Die Erfindung läßt sich sinngemäß in ihrem Rahmen in verschiedener
Weise verwirklichen und ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.
Wesentlich ist lediglich, daß an Stelle der bisher üblichen elektromagnetischen
Strom- oder Spannungsrelais ein thermisches Relais vorgesehen ist, um die bei der
Lichtbogenschweißung vielfach erforderlichen Hilfsvorgänge ohne Schwierigkeiten
steuern zu können. Dabei kann der Strombegrenzungswiderstand nicht nur im Zusammenhang
mit einem solchen thermischen Relais benutzt werden, sondern auch in den Fällen
von Bedeutung sein, in denen es sich darum handelt, zum Schutze der Erregerwicklung
eines normalen elektromagnetischen Spannungsrelais den Bereich der zulässigen Leerlaufspannungen
zu erweitern.