-
Anordnung zum Widerstands-Punktschweißen mit einstellbarer Schweißzeit
ohne elektronische Schalteinrichtungen Bei Widerstands-Schweißmaschinen, insbesondere
Punktschweißmaschinen, werden zeitlich genau definierte Schweißstromstöße benötigt,
deren Dauer von den jeweiligen Arbeitsbedingungen abhängig ist.
-
Es ist bereits bekannt, die Dauer dieser Schweißstromstöße durch elektronische
Zeitrelais zu bestimmen. Jedoch sind diese Anlagen empfindlich und teuer. Da die
Zeitrelaisanlage vom Schweißstrom selbst gespeist wird, arbeitet sie mitunter trotz
ihrer aufwendigen Schaltung ungenau, weil ihr Speisestrom bzw. ihre Speisespannung,
nämlich der Schweißstrom bzw. die Schweißspannung, keineswegs konstant ist. Dies
kommt daher, daß Schweißstrom und -spannung zu Beginn und Ende des sehr kurzen Schweißvorganges
ihre Werte zwischen Null und einem Maximum ändern und daß die Maximalwerte außerdem
vom stets veränderlichen Widerstandswert der Schweißstelle abhängig sind.
-
Es sind deshalb bereits Schaltanordnungen verwendet worden, die unter
Verzicht auf elektronische Schalteinrichtungen ausschließlich mit mechanischen Schaltgeräten
arbeiten.
-
Zweck der Erfindung ist es, eine besonders genaue und zuverlässige
Einstellmöglichkeit für die Schweißzeit unter ausschließlicher Verwendung von mechanischen
Schaltgeräten zu schaffen.
-
Die Erfindung betrifft somit eine Schaltanordnung zur Widerstandsschweißung,
insbesondere Punktschweißung, mit einstellbarer Schweißzeit unter Verwendung mechanischer
Schaltgeräte bei Vermeidung elektronischer Schalteinrichtungen, bei der ein von
einer Gleichstromquelle gespeistes Schaltschütz vorhanden ist, dessen Arbeitskontakt
in einem Kreis des Schweißtransformators liegt und dessen Spule in ihrem Stromkreis
den Kontakt eines Relais aufweist, dessen Spule über einen von dem Schaltschütz
gesteuerten Hilfskontakt parallel zur Schaltschützspule liegt.
-
Die Erfindung besteht darin, daß in Parallelschaltung zur Schaltschützspule
ein Hilfsschütz vorgesehen ist, dessen Ansprechzeit kleiner ist als die des Schaltschützes
und das einen Ruhekontakt im Stromkreis der Relaisspule und einen Arbeitskontakt
in einem Überbrückungsstromkreis der Relaisspule besitzt, und daß das Schaltschütz
und das Hilfsschütz sowohl über einen Schaltknopf als auch über einen weiteren Arbeitskontakt
des Schaltschützes an die Spannungsquelle anlegbar sind.
-
Durch die Schaltanordnung wird erreicht, daß zwischen den Schweißvorgängen
das Relais mit hoher Selbstinduktion erregt ist und durch seinen Arbeitskontakt
das Schließen des Schaltschützes vorbereitet. Sobald aber der Schweißstrom durch
gleichzeitige Erregung des Schaltschützes und des Hilfsschützes eingeschaltet wird,
wird die Erregung des Relais unterbrochen. Dessen Arbeitskontakt bleibt aber so
lange geschlossen und hält damit die Erregung von Schaltschütz und Hilfsschütz so
lange aufrecht, bis die in der Relaisspule dank ihrer hohen Selbstinduktion aufgespeicherte
Energie in einem nunmehr eingeschalteten überbrückungsstromkreis aufgezehrt worden
ist. In diesem Augenblick fallen mit dem Relais auch das Schaltschütz und das Hilfsschütz
ab, so daß der Schweißstromkreis wieder geöffnet wird. Die Dauer des Stromstoßes
hängt also von der für den Verzehr der im Relais angesammelten elektrischen Energie
benötigten Zeit, unter anderem also vom Widerstand des Überbrückungsstromkreises
ab.
-
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die Ansprechgeschwindigkeit
des Hilfschützes wesentlich größer als die des Schaltschützes, und deshalb hängt
die Dauer der Schweißstromstöße nur von der in der Relaisspule vor dem Einschalten
des Schweißstromes angesammelten Energie ab. Deshalb kann man ohne Nachteil für
die Exaktheit der Zeitdauerbestimmung das Relais und die Schütze unter Zwischenschaltung
eines Gleichrichters aus dem
Sekundärkreis des Schweißtransformators
speisen. Die Schweißdauer wird also bestimmt durch Ansammlung eines bestimmten Energiebetrages
aus dem Schweißtrafo-Sekundärkreis, und zwar zwischen den einzelnen Schweißvorgängen.
-
Es ist zweckmäßig, daß der durch die Relaisspule fließende Strom in
an sich bekannter Weise durch einen im Stromkreis dieser Spule liegenden Widerstand
begrenzt ist.
-
Vorteilhafterweise wird der im überbrückungsstromkreis der Relaisspule
liegende Arbeitskontakt des Hilfsschützes in an sich bekannter Weise durch einen
Widerstand überbrückt. Durch geeignete Wahl dieser Widerstände läßt sich beim Öffnen
des Ruhekontaktes, der die Relaisspule von der Spannungsquelle trennt, eine Funkenbildung
und damit ein nennenswerter Energieverlust vermeiden.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der überbrückungsstromkreis
für die Relaisspule in an sich bekannter Weise zur Einstellung verschieden großer
Schweißzeiten einen veränderlichen Widerstand, und man kann zum gleichen Zweck auch
die auf den Arbeitskontakt des Relais wirkende Rückstellkraft einstellbar machen.
-
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung
und Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise.
-
In Fig. 1 bezeichnet 1 den Schweißtransformator, dessen Primärwicklung
1 a bei 2 mit dem Wechselstromnetz verbunden ist. Die Sekundärwicklung 1 b speist
den Schweißstromkreis 3, der beispielsweise über einen Stab 4 und eine Platte 5
geschlossen ist, die stumpf zusammengeschweißt werden sollen.
-
Die Schweißzeit wird mit Hilfe eines Schaltschützes gesteuert, dessen
Spule mit C bezeichnet ist. Seine beiden Arbeitskontakte ei und e2 sind, wie aus
Fig. 1 ersichtlich, parallel geschaltet, um die Öffnung des hohe Ströme führenden
Schweißstromkreises zu erleichtern. Von der Sekundärwicklung 1 b des Schweißtransformators
wird ein Doppelweggleichrichter 6 gespeist, in dessen Gleichstromausgang drei zueinander
parallele Zweige liegen. In einem dieser Zweige liegt die Spule C des Schaltschützes
in Reihe mit einem Arbeitskontakt a eines Relais, dessen Spule A eine beträchtliche
Selbstinduktion aufweist, wozu die Spule eine große Anzahl von Drahtwindungen mit
großem Querschnitt und einen Eisenkern aufweist, der bis zur Sättigung durch die
Amperewindungen der Spule durchflutet werden kann.
-
Parallel zur Spule C des Schaltschützes liegt die Spule B eines Hilfschützes.
Dank der leitenden Querverbindung 13 können beide Spulen C und Bin den Stromkreis
eingeschaltet werden, wenn entweder der handbetätigte Schalter 7 oder der Arbeitskontakt
c3 des Schaltschützes geschlossen ist. Wie durch strichpunktierte und mit Pfeilen
versehene Linien angedeutet, werden bei einer Erregung der Spule C des Schaltschützes
dessen Arbeitskontakte ei bis c3 geschlossen.
-
Das Hilfsschütz mit seiner Spule B öffnet, wie die strichpunktierte
Linie mit den Pfeilen veranschaulicht, bei Erregung einen Ruhekontakt bi, der in
Reihe mit der Relaisspule A liegt, und schließt dann einen Arbeitskontakt b2, wodurch
die Relaisspule A über einen Schiebewiderstand 8 kurzgeschlossen wird. Im Erregerstromkreis
der Relaisspule A ist ein Strombegrenzungswiderstand R1 angeordnet, während die
Arbeitskontakte b2 durch einen Widerstand R2 überbrückt sind. -Die beschriebene
Schaltung arbeitet wie folgt: In der in der Zeichnung dargestellten Ruhelage ist
die Relaisspule A erregt, weil der vom Gleichrichter kommende Strom über den geschlossenen
Ruhekontakt bi durch die Spule A und den Widerstand R1 fließen kann. Infolge der
Erregung der Relaisspule A ist dessen Arbeitskontakt a in der Schließstellung.
-
Nennt man L die Selbstinduktion der Relaisspule A und I den die Spule
durchfließenden Strom, dann ist
die von der Relaisspule gespeicherte elektrische Energie.
-
Wenn man den Schalter 7 betätigt, dann werden die Spule c des Schaltschützes
und die Spule B des Hilfschützes erregt. Das Hilfsschütz ist als sehr schnelles
Schaltschütz mit geringer Massenträgheit und Ansprechverzögerung ausgebildet, was
dadurch erreicht ist, daß die zu bewegenden Massen klein und die Ankerwege möglichst
kurz gehalten sind. Dadurch bedingt, liegen die Ruhe- und Arbeitskontakte sehr nahe
beieinander. Das Schaltschütz mit der Spule C dagegen weist verhältnismäßig beträchtliche
Massen auf, weil es ja die Hauptstromkontakte ei und c2 betätigen muß. Die Folge
dieser unterschiedlichen Ausbildung von Schaltschütz und Hilfsschütz ist daher,
daß das Hilfsschütz B-bi b2 schneller schließt und abfällt als das Hauptschütz C-ci
cz c3.
-
Sehr kurze Zeit nachdem der Schalter 7 geschlossen worden ist, öffnet
sich also der Haltekontakt bi des Hilfsschützes B und unterbricht damit die Erregung
der Relaisspule A. Unmittelbar darauf schließt sich der Arbeitskontakt b2 des Hilfsschützes
B, und danach schließt dann auch das Schaltschütz die Kontakte ei, c2 und c3. Durch
das Schließen der Kontakte ei und e2 wird der Schweißstrom an die Schweißstelle
415 geleitet, wo die aneinanderliegenden Oberflächen der beiden Werkstücke erhitzt
und zusammengeschweißt werden. Durch den Kontakt c3 wird die Erregung der Spulen
B und C des Schaltschützes und des Hilfsschützes auch nach Loslassen des Schalters
7 aufrechterhalten.
-
Wenn die in der Relaisspule A wegen ihrer hohen Selbstinduktion angesammelte
elektrische Energie sich über den geschlossenen Hilfskontakt b2 des Hilfsschützes
B und den veränderlichen Widerstand 8 entladen hat, öffnet sich der Arbeitskontakt
a des Relais A, wodurch die Erregung des Schaltschützes C unterbrochen wird, so
daß sich die Kontakte ei bis bis c3 ihrerseits öffnen und der Ausgangszustand wieder
erreicht ist.
-
Weil das Schaltschütz C erst nach dem Ansprechen des Hilfsschützes
B geschlossen wird, ist der Erregerstrom für die Relaisspule A genau definiert,
denn die Spannung -am Ausgang des Doppelweggleichrichters 6 ist lediglich eine Funktion
der Klemmenspannung an der Sekundärwicklung des Schweißtransformators, solange der
Sekundärstromkreis des Schweißtransformators offen ist. Die in der Relaisspule A
gespeicherte elektrische Energie ist daher konstant, denn etwaige Spannungsschwankungen
auf der Primärseite .des Schweißtransformators haben wegen der magnetischen Sättigung
des
Eisenkerns der Relaisspule A praktisch keinen Einiluß.
-
Im Augenblick des öffnens des Ruhekontakts bi könnte ein Teil der
aufgespeicherten elektrischen Energie sich nach außen hin entladen, wenn einerseits
der Widerstand R1 den die Relaisspule A durchfließenden Strom nicht begrenzen würde
und wenn andererseits der Widerstand R2 die noch geöffneten Kontakte bz nicht überbrücken
würde, nachdem der Haltekontakt bi seine Öffnungsbewegung begonnen hat. In Abwesenheit
des Überbrückungswiderstandes R2 würde nämlich der sich öffnende Haltekontakt bi
den vollen durch die Relaisspule A fließenden Strom unterbrechen, während andererseits
durch die Einschaltung dieses Überbrückungswiderstandes R, im wesentlichen vom sich
öffnenden Haltekontakt bi nur der durch den Überbrückungswiderstand R2, den veränderlichen
Widerstand 8 und den Begrenzungswiderstand R1 fließende Strom unterbrochen wird,
ohne daß die in der Relaisspule A aufgespeicherte Energie beeinflußt wird. Wenn
man die Werte der Widerstände R1 und R2 geeignet wählt, dann kann man es leicht
erreichen, daß sich beim Öffnen des Haltekontaktes bi kein Öffnungslichtbogen bildet,
d. h., man kann eine Entladung der aufgespeicherten Energie nach außen hin während
des Öffnens des Haltekontaktes bi unterbinden.
-
In der Praxis liegt die Schweißspannung und damit auch die Spannung
am Doppelweggleichrichter 6 bei etwa 60 Volt, und die Bemessung des Widerstandes
R1 mit 100 bis 200 Ohm und des Widerstandes R2 mit 200 bis 300 Ohm genügt dann,
um jede Lichtbogenbildung beim öffnen des Haltekontaktes zu verhindern. Die Zeitdauer,
während der der Schweißstrom fließt, hängt somit wesentlich von der Entladungszeit
der in der Selbstinduktionsspule A aufgespeicherten elektrischen Energie ab. Die
Entladungszeit ist aber abhängig von der Größe des Widerstandes, der in dem die
Spule überbrückenden Stromkreis liegt, nachdem der Haltekontakt bi geöffnet hat.
Je kleiner dieser Widerstandswert ist, desto geringer ist die an diesem Widerstand
in Wärme umgesetzte elektrische Energie und desto länger kann das Relais den Arbeitskontakt
a in der Schließlage halten.
-
Das Diagramm der Fig. 2 zeigt die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung
nach Fig. 1, wobei über der Zeit f als Abszisse der die Relaisspule A durchfließende
Strom 1 aufgetragen ist. Zu Beginn ist in der Selbstinduktionsspule A die elektrische
Energie Wo aufgespeichert, und die Stromstärke hat einen Wert
wobei V die elektromotorische Kraft an den Klemmen der Relaisspule A bedeutet, die
wegen der aufgespeicherten Energie wie ein Spannungserzeuger arbeitet, während R,
den Widerstand im Entladekreis der Relaisspule A bedeutet. Der Arbeitskontakt
a des Relais A bleibt geschlossen, bis der Spulenstrom auf einen kritischen
Wert 1i abgefallen ist. In diesem Augenblick wird die magnetische Haltekraft kleiner
als die Rückstellfeder 12. Nimmt man an, daß im Zeitpunkt Null der Haltekontakt
bi des Hilfsschützes B sich öffnet, dann beginnt die aufgespeicherte Energie der
Selbstinduktionsspule A sich zunächst in dem den Widerstand R2 und den veränderlichen
Widerstand 8 umfassenden Kurzschlußkreis zu verbrauchen, wobei der Spulenstrom nach
der Kurve P1 der Fig. 2 abfällt. Im Zeitpunkt t1 (Punkt 9 im Diagramm) schließt
sich der Arbeitskontakt b2. Der Entladekreis besteht nun praktisch nur noch aus
dem veränderlichen Widerstand B. Entsprechend dem an diesem Widerstand eingestellten
Widerstandswert wird sich die aufgespeicherte Energie in diesem Kreis weiterhin
entladen, wobei jedoch der Spulenstrom, ausgehend vom Punkt 9, einer Kurve folgt,
die zwischen der Kurve P1 und einer Kurve P2 liegt. Die Kurve P1, setzt einen Widerstand
R2 voraus, der im Verhältnis zur Größe des Maximalwiderstandes des veränderlichen
Widerstandes 8 klein ist, während die Kurve P2 erhalten wird, wenn der veränderliche
Widerstand auf den Widerstandswert Null eingestellt ist, d. h., wenn die aufgespeichert,
elektrische Energie in der RelaisspuleA sich lediglich über den Eigenwiderstand
der SpulenwicklungA entlädt, womit man die maximal erreichbare Entladezeit erhält.
-
Es sei angenommen, daß bei einer bestimmten Einstellung des veränderlichen
Widerstandes 8 der Abfall des Spulenstromes entsprechend der im Diagramm Fig. 2
eingezeichneten Kurve P3 erfolge. In dem Augenblick, in dem die Stromstärke den
kritischen Wert I1 erreicht, das ist zur Zeit t, öffnet sich der Arbeitskontakt
a. In der Zwischenzeit hat sich das Schaltschütz zum Zeitpunkt t2 geschlossen, also
kurze Zeit nachdem zum Zeitpunkt t1 der Arbeitskontakt b2 des Hilfsschützes geschlossen
worden war. Kurze Zeit nach dem Abfall des Arbeitskontaktes a zum Zeitpunkt t3 öffnet
das Schaltschütz im Zeitpunkt t4. Die zeitliche Verzögerung ist bedingt durch die
voraussetzungsgemäß vorhandene Trägheit des Schaltschützes. Das Schaltschütz bleibt
also während einer Zeitdauer T = t4 - t#, geschlossen. Diese Zeit
T ist die Zeit, während der der Schweißstrom fließt.
-
Zur Zeit t4 (Punkt 10 des Diagramms) öffnet auch der Kontakt c3 des
Schaltschützes, und die Stromstärke des die Spule A durchfließenden Stromes fällt
nach dem Kurvenstück 10-11 des Diagramms weiter ab. Dieses Kurvenstück verläuft
parallel zur Kurve P1, während der Zeit, in der der Arbeitskontakt b2 noch offen
und der Kontakt bi noch nicht geschlossen ist. Wenn sich bi schließt, dann steigt
die Stromstärke, vom Punkt 11 des Diagramms ausgehend, erneut an, und zwar nach
der bekannten Kurve, die für einen eine Selbstinduktion enthaltenden Stromkreis
gilt.
-
Durch geeignete Wahl der Selbstinduktion der Spule A und ihres Ohmschen
Widerstandes, d. h. durch die Wahl der Anzahl der Windungen und des Drahtquerschnittes,
kann man eine Verzögerungszeit bis zu mehreren Sekunden erhalten. Für eine auf diese
Weise gegebene maximale Verzögerung, wobei der veränderliche Widerstand auf den
Widerstandswert Null eingestellt ist, kann man kleinere Verzögerungszeiten durch
Verschieben des Schleifkontaktes auf dem veränderlichen Widerstand 8 beliebig einstellen,
wobei die Stellung des Schleifers unmittelbar in Verzögerungszeiten geeicht werden
kann.
-
Für die Rückstellfeder 1' des Arbeitskontaktes a ist eine Einstellmöglichkeit
12a vorgesehen. Auch hiermit kann man die Verzögerungszeit der Schaltungsanordnung
verändern, weil man durch eine solche Einstellung die kritische Stromstärke 11 verändern
kann, bei der die magnetische Haltekraft
nicht mehr ausreicht, die
Rückstellkraft der Feder zu überwinden.