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Verfahren und Gerät für Kondensator-Stoßentladungsschweißung Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Kondensator-Stoßentladungsschweißung von zwei metallischen
Elektroden, bei dem eine der Elektroden abgeschrägt ist und die beiden Elektroden
mit einer Beträchtlichen G.eschwindigk eit gegeneinander vor-g r e schob,
en werden, wobei zunächst ein Lichtbogen gezündet, aufrechterhalten und dann durch
den weiteren Vorschub infolge Zusammentreffens der Elektroden gelöscht wird.
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Das hierzu erforderliche Werkzeug wird allgemein als »Pistolen bezeichnet,
de es gewöhnlich die Form eines Handwerkzeugs mit einem Pistolengriff und einer
Abzugsteuerung hat. Die Abzugsteuerung ist so eingerichtet, daß sie einen federbetätigten
Mechanismus auslöst, um die zu verschweißenden Teile mit beträchtlicher Geschwindigkeit
zusammenzubringen, z.B. mit einer Geschwindigkeit von 1,27 m pro Sekunde, und daß
sie gleichzeitig die notwendigen elektrischen Verbindungen zu dem Energi.esp.eicherkreis
aus Kondensatoren herstellt, um einen Lichtbogen zwischen den zu verschweißenden
Oberflächen zu erzeugen, wenn sie -zusammengebracht werden. Eine oder beide Elektrodenenden
sind angespitzt bzw. abgeschrägt.
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Eine vorzeitige Löschung, eine übermäßige Verlängerung oder Unterbrechung
des Lichtbogens, die durch die Unzulänglichkeit des F,nergi@espeicherkr:ises oder
durch andere Mängel des Gerätes entstehen, können fehlerhafte Schweißurigen oder
wenig wünschenswerte Schweißeigenschaften ergeben, so z. B. ungenügend-,- -Verschmelzung
(»Kleben«) oder zu starke Abschmelzung ohne Vereinigung beider Elektroden oder zu
dicke Schweißstellen.
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Im allgemeinen werden Spannungen voll 500 bis 1000 Volt je nach Drahtstärke
verwendet.
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Eine bekannte Anordnung, die eine zusätzliche Sicherheit für .eine
genügende Lichtbogendauer bei einer niedrigeren Schweißspannung vorsieht, verwendet
eitle Hilfsenergieversorgungsschaltung mit hoher Spannung und kleinem Strom, welche
einen kleinen Kondensator auf eine so hohe Spannung auflädt, daß der Lichtbogen
schon bei einem größeren Elektrodenabstand durchschlägt oder sich bildet. Obgleich
mehrere hundert (z. B. 400) Volt erforderlich sein können, tun den Lichtbogen bei
einem geeignet großen Elektrodenabstand durchschlagen oder sich bilden zu lassen,
kann der Lichtbogen, wenn er erst einmal gebildet ist, z. B. durch eine Spannung
von im wesentlichen 14 Volt zwischen reinen Kupferelektroden aufrechterhalten werden.
Diese Anordnung benutzt eine Diode als Schalter, um den Hochspannungskreis von dem
Niederspannungskreis zu isolieren und den Niederspannungsenergiespeicherkreis mit
den Elektroden zu verbinden, wenn der Lichtbogen entstanden ist. Ein Strombegrenzungswiderstand
im Hochspannungskreis vermeidet di,e Gefahr von elektrischen Schlagen für das Arbeitspersonal,
gestattet jedoch die Aufladung des kleinen Kondensators zum Durchschlag des Lichtbogens
auf d'ie höhere Spannung.
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Das %'erfahren nach der Erfindung verwendet jedoch geringere Schweißspannungen
von 50 bis 400 Volt je nach Drahtstärke, ohne daß zur Zündung des Lichtbogens eine
'höhere Spannung zusätzlich angewendet wird, und gleichzeitig werden die obengenannten
Nachteile der bekannten Verfahren und Geräte vermieden, dabei wird die Energieabgabe
an die Schweißstelle gesteuert.
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Die Erfindung besteht darin, daß aus einem ersten elektrischen Speicher
der erste Energiestoß zur Zündung des Lichtbogens geliefert wird und daß anschließend
aus einem zweiten Speicher ein weiterer Energiestoß wirksam wird, welcher zusammen
mit dem ersten den Lichtbogen aufrechterhält und die Energie bis zur Beendigung
der Schweißurig infolge Löschung des Lichtbogens durch Zusammentreffen der Elektroden
liefert.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des zur Ausübung des Verfahrens
verwendeten Gerätes besteht das Speichermittel für den ersten Energiestoß in bekannter
Weise aus einem Kondensator und das Speichermittel für den zweiten Energiestoß aus
einem
Kettenleiter mit mehreren gleichen Reihenspulen und mehreren Parallelkondensatoren.
Der Kondensator kann dabei dem Kettenleiter parallel geschaltet sein.
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Vorzugsweise haben die Reihenspulen und die Parallelkapazitäten des
kettenartigen Netzwerks eine solche Größe, daß der zweite Energieimpuls innerhalb
100 -Mikrosekunden nach Aufhören des Lichtbogens beendet ist. Die eine Elektrode
kann dabei ein gerader Leiter sein, dessen Ende unter einem Winkel von etwa 60'
gegen seine Achse abgeschnitten ist.
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Weitere Vorteile der Erfindung werden an Hand des in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.
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Fig. 1 zeigt schematisch ein beispielhaftes System der Erfindung;
Fig.2 zeigt Kurven, welche die Arbeitsweise des Systems der Fig. 1 erläutern; Fig.3
zeigt einen Kettenleiter als Speichermittel für den zweiten Energiestoß.
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Ein Teil oder die ganze E.nergieversorgungs- und Speicherschaltung
kann innerhalb der Pistole angeordnet sein.
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Als grundlegende Information über kurze Lichtbögen zwischen Elektroden
aus verschiedenen Materialien sei auf einen Aufsatz mit dem Titel »Arcing of Electrical
Contacts in Telephone. Switching Circuits« von M. M. Atal1a hingewiesen (»Bell System
Technical Journal«, Bd.32, 1953, S.1231 bis 1244 und S. 1493 bis 1506).
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Wie von A t a 1 l a nachgewiesen wurde, tritt für Spannungen unterhalb
der minimalen Funkenspannung in Luft ein Durchschlag bei einem Elektrodenabstand
von etwa 12,7 - 10-5 cm bei 50 Volt auf. Dieser Abstand kann sich um einen Faktor
5 von Durchschlag zu Durchschlag ändern, je nach der örtlichen Gestaltung der Elektroden,
ferner kann sich der Abstand systematisch um einen ähnlichen Faktor bei verschiedenen
Elektrodenmaterialien ändern. Wenn die Elektroden, wie bei Schweißpistolen, mit
einer Geschwindigkeit von etwa 0,25 bis 1,27 m/sec zusammengebracht werden, beträgt
die zwischen dem Augenblick des Durchschlags und dem mechanischen Zusammenschließen
der ursprünglichen Elektrodenoberflächen vergangene Zeit nur wenige Mikrosekunden.
Es ist für den Betrieb mit einer Versorgungsspannung voll etwa 50 Volt eine Lichtbogendauer
von z. B. etwa 275 Mikrosekunden durch »M'egbrenneii« der abgeschrägten Oberfläche
von wenigstens einer der Elektroden notwendig.
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Die obigen Betrachtungen erfordern, daß der Strom iiii Lichtbogen
fast augenblicklich ansteigen muß, so daß eine ausreichende Energie für das notwendige
»Wegbrennen« im Augenblick des Zündens des Lichtbogens verfügbar ist. Im allgemeinen
soll vorzugsweise der anfängliche Energiestoß ausreichen, um die Abschrägung im
wesentlichen zu entfernen. Hierdurch ist es seinerseits erforderlich, daß wenigstens
ein Teil der Eliergiespeicherschaltung mit den Elektroden durch Leiter mit sehr
kleiner Rei,heninduktivität verblinden ist, da der anfängliche Effekt der Reiheninduktivität
darin besteht, den Stromanstieg zu verzögern. Die Forderung kann entweder dadurch
erfüllt werden, daß die Elektrodenleitungen zu dem Teil des Speicherkreises, der
den anfänglichen großen Energiestoß liefert, sehr kurz sind, oder dadurch, daß ein
Stück einer flexiblen Übertragungsleitung mit niedriger Induktivität verwendet wird,
um die Speicherquelle, welche den anfänglichen Energiestoß liefert, mit den Elektroden
zu verbinden. Eine derartige Übertragungsleitung kann beispielsweise aus zwei Kupferbändern
oder Kupferlitzen von etwa 2,54 cm Breite bestehen, die durch einen Streifen aus
dielektrisch,ein Band, z. B. aus Polyäthylen von 0,635 min Dicke getrennt sind,
wobei das Ganze durch einen Gummimantel oder ein anderes geeignetes flexibles Isoliermaterial
isoliert ist, wie in Fig.3 dargestellt und weiter unten beschrieben ist. Selbst
bei den besten verfügbaren Leitern wird deren Induktivität und die vorhandene Induktivität
anderer Elemente dieser Schaltung, in der der Lichtbogen erzeugt wird, den Anstieg
auf den erforderlichen Strom von 400 oder mehr Ampere um eine bemerkenswerte ..'llizalbl
voll ---Mikrosekunden verzögert. Jedoch ist die durch die Abschrägung gelieferte
Vergrößerung der Zeit völlig ausreichend, uni die gewünschte Stromamplitude zu erhalten
und für eine geeignete Zeitlauer aufrechtzuerhalten.
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Bekanntlich tritt ein wesentlicher Energieverlust durch Wärmeleitung
aus dem Lichtbogen während des Schweißvorgangs auf. Um eine vorzeitige Abkühlung
der zu verschweißenden Oberflächengebiete oder sogar eine Löschung des Lichtbogens
zu vermeiden, ist es notwendig, nicht nur einen anfänglichen großen Energiestoß,
sondern auch einen hinreichend andauernden Energiestoß während wenigstens der vollständigen
Schweißdauer zu liefern (in dem speziellen unten beschriebenen Ausführungsbeispiel
etwa 275 Mikrosekunden), der ausreicht, um den Wärmeleitungsverlust zu ersetzen
und den geschmolzenen Zustand der zusammenzuschweißenden Oberflächen aufrechtzuerhalten,
bis ein festes 7_usammenschließen der Elektroden eingetreten ist.
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Gemäß den Prinzipien der Erfindung besteht daher der Energiespeicherversorgungskreis
aus zwei Teilen, von denen der eine den ersten schnellen Energiestoß und der andere
einen weniger schnell ansteigenden, jedoch andauernden Energiestoß liefert, dessen
Dauer wenigstens gleich der Dauer des Schweißvorgangs ist. Die Kombination ist so
bemessen, daß sie einen Gesamtenergiestoß liefert, der den für den Ersatz des Leitungsverlustes
während des gesamten Schweißvorgangs erforderlichen wesentlich übersteigt, und zwar
zur selben Zeit, um eine genaue Begrenzung der gelieferten Energie zu erhalten,
so daß diese in jedem Augenblick während des Schweißvorgangs ausreicht, jedoch nicht
zu groß ist und kurz nach Beendigung des Schweißvorgangs aufhört.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel stellt das Element
12 ein Stück Kupferdraht dar, das z. B. einen Durchmesser von 0,50 mm haben kann
und das m.it dem Element 14 verschweißt werden soll. Das Element 14 kann z. B. ein
Teil eines Klemmenstreifens auf einem Relais od. dgl. sein. Es kann z. B. aus Kupfer
oder Messing bestehen. Das untere Ende des Elements 12 ist mit einem Winkel von
etwa 60° abgeschnitten, um ein abgeschrägtes Ende mit einer scharfen Spitze zu erhalten.
Diese spezielle Form der Abschrägung ist der üblicheren keilförmigen Spitze vorzuziehen,
die allgemein bei früheren Stoßschweißaliordnungeil verwendet wurde, da bei der
ersten Arbeitsstufe des Wegbrennens der Abschrägung am Ende des Drahtes 12 weniger
Metall weggebrannt zu werden braucht und infolgedessen weniger Energie unmittelbar
erforderlich ist. Die Teile 12 und 14 werden, wie oben erwähnt wurde, allgemein
als Elektroden bezeichnet, sie werden gewöhnlich durch einen N-lechanisinus in der
Pistole gehalten, der nicht im einzelnen gezeichnet ist, der jedoch schematisch
durch das s.triclipunkt.ierte Kästchen 10 dargestellt ist. Die
Funktionen
der Pistole bestehen darin, als Schaltmechanismus für die Schaltung zu wirken, indem
ein Schaltmesser, z. B. das 'Messer des Sehalters 36 in Fig. 1, von seiner offenen
Stellung 37 in seine Entladungsstellun g, 38 gebracht wird, und die Elektroden 12
und 14 mit Hilfe eines federbetätigten Mechanismus mit einer Geschwindigkeit von
z. B. etwa 1,27 m pro Sekunde schnell zusammenzubringen. Das Ziehen des Abzugs der
Pistole leitet deshalb den Schweißprozeß ein, den die Pistole und der zugehörige
Energiespeicherkreis dann beendet. Die Spannungsquelle 22 lädt den Speicherkreis
nach der Beendigung einer Schweißung wieder auf, wenn das Loslassen des Pistolenabzugs
den Schalter 36 wieder in seine Ladestellung 37 bringt.
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Nach einer Form der vorliegenden Erfindung ist die Quelle des Ladepotentials
22 eine verhältnismäßig ]<leine Spannungsquelle mit einer Spannung von z. B.
etwa 50 Volt. Sie ist über den Widerstand 20 mit der Elektrode 12, dem Kondensator
18 und der Spule 32 ain weitesten links des induktiv-kapazitiven Kettenleiters 30
verbunden. Die Leitung 30 besteht, wie dargestellt. aus fünf in Reihe geschalteten
Spulen 32 und aus fünf parallel geschalteten Kondensatoren 34, so daß die Gesamtanordnung
ein kettenartiges Netzwerk mit fünf Abschnitten darstellt. Sie ist gemäß den dein
Fachmann vertrauten Prinzipien so bemessen. daß sie einen Energieimpuls von etwa
.350 Mikrosekunden Dauer erzeugt, wie in Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben
wird. Die anderen Kleminen des Kondensators 18 und der Leitung 30 sind zusammen
an Erde geschaltet und über den Widerstand 16 an die Elektrode 14, wie in der Zeichnung
ersichtlich ist. Die obere Klemme der Spannungsquelle 22 ist ebenfalls an Erde geschaltet.
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Wenn der Schalter 36 anfangs in seiner offenen Stellung 37 liegt (oder
wenn die Elektroden 12 und 14 so weit getrennt sind, daß ein Lichtbogen zwischen
ihnen nicht entstehen kann), lädt die Quelle 22 den Kondensator 18 und die Kondensatoren
34 der Übertragungsleitung 30 auf ihre volle Spannung von z. B. 54 Volt auf. Der
Widerstand 20 begrenzt den Ladestrom auf einen tragbaren Wert. Bei dem vorliegenden
Beispiel besitzt der Widerstand 20 einen Wert von 1000 Ohm.
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Durch Abziehen der Schweißpistole wird der Schalter 36 in die Stellung
38 gelegt, und die Elektroden 12 und 14 nähern sich. Wenn süe einen Abstand von
etwa 0,0013 mm erreichen, wird ein Lichtbogen zwischen den Elektroden 12 und 14
gezündet und zunächst prinzipiell durch den geladenen Kondensator 18 aufrechterhalten.
der über den Widerstand 16 wirkt, welcher bei dem Beispiel z. B. einen Wert von
0,04 Ohm besitzt. Da das untere Ende der Elektrode 12 abgeschrägt ist, wird es durch
den Lichtbogen schnell weggebrannt, so daß für eine kurze Zeitdauer von z. B. etwa
275 Mikrosekunden ein fester Kontakt zwischen den Elektroden 12 und 14 verhindert
wird.
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In Fig. 2 ist die Abhängigkeit des Stroms von der Zeit während eines
typischen Schweißvorgangs bei dem in Fig. 1. schematisch dargestellten System gezeichnet.
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Die Kurve 50 (gestrichelte Linie) stellt die Entladung des Kondensators
18 über den Widerstand 16 und die Elektroden 12 und 14 von der Zündung eines Lichtbogens
zwischen den Elektroden bei der Zeit Null bis zur Elektrodenberührung dar, welche
durch die senkrechte Linie 62 bei etwa 275 Mikrosekunden angedeutet ist. Die Kurve
52-60-58 stellt den zweiten Energiestoß dar; der den Lichtbogen aufrechterhält und
der durch die Entladung des Kettenleiters 30 geliefert wird. Offensichtlich braucht
er nicht zu scharf anzusteigen ("feil 52 ), da der Kondensator 18 einen hinreichenden
Zündstoß (Kurve 50) liefert, doch trägt er während des Intervalls zwischen etwa
125 und 300 Mikrosekunden den größeren Teil der für die Aufrechterhaltung des Lichtbogens
erforderlichen Energie bei, um eine Abkühlung der geschmolzenen Metallschichten
durch die Wärmeableitung zu verhindern, welche durch die Kurve 56 dargestellt ist
(lang gestrichelte Linie).
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Die Kurve 54 (ausgezogene Linie) stellt die Summe der durch den Kondensator
18 und den Kettenleiter 30 gelieferten Energie dar. Nach Beendigung des Schweißvorgangs,
weniger als 100 Mikrosekunden nach dem festen Elektrodenschluß (Linie 62), fällt
die Energie aus dem Speicherkreis im wesentlichen auf Null ab, wie durch den Teil
58 der Kurve angedeutet ist, und die Schweißung ist nach Abkühlung beendet.
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Tatsächlich ist ferner ein kleiner Energiestoß im Augenblick des Elektrodenschlusses
vorhanden, der durch die Beseitigung der gegenelektromotorischen Kraft von etwa
14 Volt entsteht, welche durch den Lichtbogen erzeugt wird. Da er aber klein und
von kurzer Dauer ist, außerdem keine wirklich wichtige Wirkung auf den Schweißprozeß
hat, wurde er in Fig.2 weggelassen.
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Es sei besonders darauf hingewiesen, daß, wie oben festgestellt wurde,
die Gesamtenergie (Kurve 54 und Teil 58) kurz nach dein Elektrodenschluß
auf Null abfällt. Im allgemeinen soll für zufriedenstellende Schweißungen die Gesamtenergie
(Kurve 54) etwa 50 bis 10001o größer als der Wärmeleitungsverlust (Kurve 56) während
der Schweißdauer sein. Sonst können durch zu geringe Energiezufuhr unvollkommene
Schweißungen entstehen, und zwar dadurch, daß die Abschrägung an der Drahtelektrode
nicht vollständig weggebrannt wird, so daß nicht der gesamte Elektrodenquerschnitt
von der Schweißstelle erfaßt wird, oder dadurch, daß Teile des flüssigen Nietalls
auf den zu verschweißenden Oberflächen vorzeitig abgekühlt werden, so daß nur eine
teilweise Versc'hweißung (»Kleben«) stattfindet. Eine zu große Energiezufuhr ist
nicht erwünscht, weil dann gleichfalls unregelmäßige Schweißungen mit stark verdickten
Verbindungsstellen auftreten.
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Bei einem beispielsweisen Aufbau eines Schweißsystems der in Fig.
1 dargestellten Art, das gleichmäßig gute Schweißungen erzeugte, war die Ladequelle
22 eine 54-Volt-Batterie, der Widerstand 20 hatte einen Wert von 1000 Ohm, der Kondensator
18 bestand aus sechs parallel geschalteten Elektrolytkondensatoren von je 125 Mikrofarad,
450 Volt (insgesamt also 750 Mikrofarad), der Widerstand 16 hatte einen Wert
von 0,04 Ohm, die Spulen 32 hatten jeweils eine Induktivität von 8 Mikrohenry, die
Kondensatoren 34 bestanden aus je vier parallel geschalteten Elektrolytkondensatoren
von 50 Mikrofarad, 50 Volt (insgesamt also jeweils 200 Mikrofarad), und die Pistole
10 brachte die Elektroden mit einer Geschwindigkeit von 1,27 m pro Sekunde zusammen.
Die Kupferdrahtelektrode hatte einen Durchmesser von 0,50 mm. Der innere Widerstand
des Kondensators 18 war einem hinzugefügten Reihenwiderstand von 0,05 Ohm annähernd
äquivalent.
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Ein ähnliches Schweißsystem, das für eine 400-Volt-Ladequelle bemessen
war, erzeugte ebenfalls gleichmäßig gute Schweißungen.
Im allgemeinen
erscheinen die erfindungsgemäßen Systeme, wie sie oben im einzelnen beschrieben
sind, nicht nur für eine regelmäßige Fertigung in einer Fabrik ideal, sondern auch
als Handwerkzeuge für Instandsetzungs- und Unterhaltungsarbeiten, da bei ihnen Einzelteile
verwendet werden, die sämtlich bei dein heutigen Stand der Technik klein gepackt
und leicht ausgeführt werden können. Dementsprechend können sie in den Handgriff
der Schweißpistole eingebaut werden, oder sie können an der Pistole befestigt werden,
so daß sich ein einheitliches, leichtes Handwerkzeug ergibt, das an einer kleinen
Lichthatterie arbeitet, deren Spannung mäßig ist, so daß Gefahren für das Personal
durch schwere elektrische Schläge beseitigt sind.
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Für die Schweißung größerer Leiter ist ein erfindungsgemäßes Schweißsystem,
das eine Ladequelle mit einer Spannung in der Größenordnung von 400 Volt benutzt,
vorzuziehen, wie oben erwähnt wurde. Dennoch sind die Gefahren der Verletzung durch
elektrische Schläge für das dieses System benutzende Personal stark herabgesetzt.
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Wenigstens der Kondensator 18 und der Widerstand 16 der Fig. 1 können
im Handgriff eingebaut oder an der Schweißpistole befestigt werden, so daß sehr
kurze Leiter mit vernachlässigbarer Induktivität zum Anschluß an die Elektroden
verwendet werden können. Die Leitungen des Kettenleiters 30 der Fig. 1 brauchen
offensichtlich keine kleine Induktivität zu haben, da der an die obere Elektrode
12 über den Schalter 36 angeschlossene Reihenzweig 32 eine Induktivität ist und,
wie die Kurve 52 der Fig. 2 zeigt, es nicht notwendig ist, daß der Energieimpuls
der Leitung 30 schnell ansteigt. Wenn Leiter mit einer wesentlichen Induktivität
verwendet werden, kann der Wert der Ausgangsspule 32 der Leitung
30 entsprechend herabgesetzt werden, wobei er teilweise durch die Induktivität
der Leiter ersetzt wird.
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In Fig. 3 ist eine Art von Übertragungsleitung mit vernachlässigbarer
Induktivität dargestellt, die benutzt werden kann, um den Kondensator 18 der Fig.
3 mit den Elektroden zu verbinden, wenn eine extrem leichte Schweißpistole wünschenswert
erscheint. Die Leitung der Fig. 3 besteht aus zwei dünnen leitenden Bändern von
etwa 2,54 cm Breite. Diese leitenden Bänder können zweckmäßig aus Kupferlitze bestehen,
oder aus dünnen Kupferstreifen. Sie sind durch ein Band aus Isoliermaterial 44 von
etwa 0,636 mm Dicke getrennt, das aus Polyäthylen oder aus Gummi bestehen kann,
und die Gesamtleitung ist mit einer Schicht aus flexiblem Isoliermaterial 46 bedeckt,
das beispielsweise aus Gummi oder aus Kunststoff bestehen kann. Die Verwendung eines
Stücks einer Übertragungsleitung der in Fig.3 dargestellten Art erlaubt, daß die
Schweißpistole in einer beträchtlichen Entfernung von dem übrigen Teil eines Schweißsystems
verwendet werden kann, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ohne daß eine störende
zusätzliche Induktivität dadurch entsteht.
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Eine seltsame Erscheinung, die bei Schweißsystemen der Erfindung beobachtet
wurde, besteht darin, daß, kurz bevor die Elektroden fest miteinander in Berührung
kommen, ein sehr wesentlicher .Druck zwischen ihnen entsteht. In einem Beispiel
wurde dieser Druck mit etwa 35 kg/cm2 festgestellt. Dieser Effekt war kaum bemerkbar,
wenn die eine Elektrode ein Draht mit einem Durchmesser von 0,51 mm war, jedoch
machte er bei einem etwas größeren Draht, d. h. bei einem Draht von 1,016 mm Durchmesser
die Verwendung einer stärkeren Feder für den Pistolenmechanismus notwendig, der
die Elektroden zusammenbrachte.