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Steuer- und Regeleinrichtung für Lichtbogenschweißgeräte, insbesondere
Bolzenschweißgeräte, mit Energieregelung Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuer-
und Regeleinrichtung für Lichtbogenschweißgeräte, insbesondere Bolzenschweißgeräte,
mit selbsttätiger Regelung der Schweißzeit nach der an der Schweißstelle umgesetzten
elektrischen Energie.
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Bei der Bolzenschweißung wird ein Stift oder Bolzen mit Hilfe eines
kurzzeitigen Lichtbogens hoher Stromstärke auf das Werkstück aufgeschweißt. Der
Lichtbogen zwischen Bolzenspitze und Werkstück erzeugt dabei ein kleines Schmelzbad,
in das, der Bolzen nach Abschalten des Schweißstromes eingetaucht wird. Für die
Qualität der Verbindung ist die richtige Kombination von Stromstärke und Schweißzeit
von Bedeutung. Dabei kann z. B. eine verringerte Stromstärke nur in einem gewissen
Bereich durch eine längere Schweißzeit ausgeglichen werden.
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Bei den auf dem Markt befindlichen Bolzenschweißgeräten muß der Arbeiter
auf Grund von Versuchen oder Erfahrungswerten die richtige Kombination von Stromstärke
und Stromflußdauer ermitteln und bei gegebener Stromstärke am Steuergerät die entsprechende
Schweißzeit einstellen. Diese Werte werden dann bei einer gegebenen Schweißaufgabe
konstant beibehalten. Durch Schwankungen in der Stromversorgung, schlechte Masseanschlüsse,
Änderungen in der Kabellänge usw. treten aber Schwankungen auf, die sich der Kontrolle
durch den Arbeiter weitgehend entziehen. Diese Schwankungen in der Stromstärke beeinträchtigen
zwangläufig das Schweißergebnis. Darüber hinaus kann eine unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheit
des Werkstückes die Lichtbogenatmosphäre beeinflussen und ebenfalls den Energieumsatz
an der Schweißstelle verändern.
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Mit den steigenden Anforderungen an die Qualität der Bolzenverbindung
sind diese unbestimmten Schwankungen und Unregelmäßigkeiten im Erwärmungsvorgang
nicht mehr vereinbar.
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Es ist zwar bereits eine Einrichtung zur Steuerung von Widerstandsschweißmaschinen
bekannt, die selbsttätig so lange Energie auf die Schweißstelle steuert, bis diese
die gewünschte, für die Schweißung nötige Energiemenge erhalten hat. Dies wird dort
dadurch erreicht, daß die in den Schweißpunkt fließende Momentanleistung trägheitslos
gemessen und als Spannung abgebildet wird, die an ein aus seriegeschaltetem Widerstand
und Kondensator bestehendes Zeitglied angelegt wird, wobei der Widerstand und der
Kondensator so bemessen sind, daß die Spannung am Kondensator ein Abbild des Temperaturanstieges
im Schweißpunkt darstellt. Eine Schaltvorrichtung, in welcher die Spannung am Kondensator
mit einer konstanten Gleichspannung entsprechend dem Sollwert der Schweißenergie
verglichen wird, schaltet den Schweißstrom ab, sobald die Kondensatorspannung gleich
der eingestellten Gleichspannung ist. Diese bekannte Einrichtung ist aber einmal
nicht für Lichtbogenschweißgeräte gedacht, zum anderen verhindert sie nicht, daß
einer Fehlschweißung eine weitere folgt.
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Bei Bolzenschweißgeräten ist es schon bekannt, die Energie des Schweißstromes
durch einen Abschalt-Schmelzdraht zu erfassen, dessen Schmelzenergie in Beziehung
steht zu der für eine einwandfreie Bolzenverschweißung als nötig erachteten Schweißenergie.
Wenn dabei auch - entsprechend der Kühlung des Schmelzdrahtes - eine gewisse Mindeststromstärke
eingehalten werden muß, so steht diese jedoch in keiner Beziehung zu der Mindeststromstärke,
die für eine sichere Bolzenverschweißung vorausgesetzt werden muß. Wiewohl allgemein
bekannt ist, daß für eine gute Schweißung der Schweißstrom eine gewisse notwendige
Höhe überschreiten muß, so hat man aber doch noch nicht in vollem Umfange erkannt,
daß die Faktoren Strom und Zeit bei gleichbleibendem Produkt, nämlich Schweißenergie,
keineswegs beliebig wählbar sind. Vor allem aber hat man noch nicht die Folgerung
aus diesem Umstand gezogen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuer- und Regeleinrichtung
für Geräte der erwähnten Art zu schaffen, die es ermöglicht, daß von der Bedienungsperson
eine Einstellung an der Steuereinrichtung lediglich abhängig vom Querschnitt des
zu verschweißenden Bolzens erfolgt, wonach alsdann
selbsttätig und
abhängig von der tatsächlich herrschenden Stromstärke die Schweißzeit für den betreffenden
Bolzen bemessen wird.
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Die Werte der für eine gute Schweißung zulässigen Schweißzeiten umfassen
einen bestimmten Bereich; darüber öder darunter wird das Schweißresultat mangelhaft.
Sowie dieser Schweißzeitbereich bei einer Schweißung nicht eingehalten worden ist
- auf Grund zu niedriger oder zu hoher Stromstärke -, soll die erfindungsgemäße
Regeleinrichtung eine Anzeige geben und/oder das Gerät für eine nachfolgende Schweißung
sperren, damit weitere Fehlschweißungen verhindert werden.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß in an sich bekannter
Weise die Stromstärke im Schweißstromkreis während des Schweißvorganges laufend
gemessen und die dem Meßergebnis proportionale Meßspannung auf eine Zeitstufe gegeben
und integriert wird, deren Zeitkonstante entsprechend der Schweißaufgabe (Bolzenquerschnitt)
einstellbar ist, wobei ein von der Zeitstufe beaufschlagtes spannungsabhängiges
Glied den Schweißstromkreis unterbricht, und daß eine andere schweißstromabhängige
Zeitstufe vorhanden ist, die auf Höchst- und Mindestwerte der Zeit bzw. der Schweißstromstärke
einstellbar ist und die bei Überschreiten dieser Grenzwerte ein Signal auslöst und
bzw. oder einen weiteren Schweißvorgang unterbindet.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß ein
bei Beginn des Schweißvorganges aufgeladener Kondensator bei überschreiten der Grenzwerte
sich über ein Sperrelais entlädt, das den Auslösestromkreis so lange unterbricht,
bis seine Stromversorgung durch den Bedienenden abgeschaltet wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
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Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschema zur Erläuterung des Prinzips
der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung, z. B. an einem Bolzenschweißgerät, und
Fig. 2 ein ausführliches Schaltschema eines Bolzenschweißgerätes mit der erfindungsgemäßen
Steuereinrichtung.
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In Fig. 1 ist die den Schweißstromkreis speisende Gleichstromquelle
mit Q bezeichnet. Die übliche Bolzenschweißpistole P ist dabei an den einen Pol
dieser Gleichstromquelle angeschlossen, während das Werkstück W mit dem anderen
verbunden ist. Ein Schaltschütz G schaltet den Schweißstromkreis ein und aus.
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In den Schweißstromkreis ist ein Meßglied Rm eingeschaltet, über welches
eine vom tatsächlich fließenden Schweißstrom abhängige Meßspannung abgegriffen und
einer elektronisch arbeitenden Zeitstufe Z" zugeführt wird, welche direkt entsprechend
dem zu verschweißenden Werkstückquerschnitt einstellbar ist. Wenn die abhängig vom
tatsächlich fließenden Schweißstrom durch die Zeitstufe Z" bestimmte Schweißzeit
erreicht ist, wird das Schaltschütz G von der Zeitstufe Z" über Steuerglieder SI
abgeschaltet. Die an der Zeitstufe Z" einstellbaren Werte sind den zu verschweißenden
Bolzenquerschnitten entsprechend derart abgestimmt, daß die der Schweißstelle zugeführte
Energie - und zwar innerhalb der Schweißzeit, die durch die Zeitstufe Z" in Abhängigkeit
vom Schweißstrom bestimmt ist ein gutes Schweißergebnis gewährleistet. Die Zeitstufe
Z" schaltet nämlich so lange nicht ab, wie der Schweißstelle keine ausreichende
Schweißenergie zugeführt ist.
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Zusätzlich zu der Zeitstufe Z" ist eine ebenfalls elektronisch arbeitende
Zeitstufe Z, vorhanden, die im wesentlichen mit der Zeitstufe Z" anläuft und deren
Einstellung mit derjenigen der Zeitstufe Z" gekuppelt ist. Die einstellbaren Querschnittswerte
dieser Zeitstufe Z, sind jedoch derart bemessen, daß sie Maximalwerten entsprechen,
d. h. auf diejenigen Werkstückquerschnitte abgestimmten Schweißzeitwerten, nach
deren Erreichen kein ausreichendes Schweißergebnis mehr erzielbar ist. Werden diese
Maximalwerte überschritten, löst die Zeitstufe Z, über ein Sperrglied S, und die
Steuerglieder ST selbsttätig ein Signal aus und/oder sperrt die Auslösung
eines nachfolgenden Schweißvorganges, bis durch die Bedienungsperson eine Entriegelung
erfolgt ist.
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An Hand des in Fig. 2 gezeigten Schaltschemas einer praktischen Ausführungsform
der Steuereinrichtung nach der Erfindung wird nachfolgend der Ablauf eines Schweißvorganges
beschrieben.
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Nach Schließen des Netzschalters S der Steuereinrichtung liefert der
Netzteil N, bestehend aus einem Transformator Tr und einem Graetzgleichrichter Gr,
die erforderliche Versorgungsspannung. Das Relais C zieht an, die Relaiskontakte
Cl und c@, schließen sich. Durch Betätigung des Drückers D an der Schweißpistole
P zieht das Relais E an, und die Relaiskontakte e1, e2 und e3 schließen sich. Dadurch
fließt am Schweißstromkreis ein begrenzter Vorstrom über die Drossel Dr, der bei
ausreichender Stärke das parallel zur Drossel liegende Relais F ansprechen läßt.
Kontakt f. hält das E-Relais bei vorzeitigem Loslassen des Drückers D an der üblichen
Schweißpistole P bis zum Anziehen des Hauptschützes G und Schließen seines Schaltkontaktes
g1. Kontakt f2 läßt die Zeitstufe ZI, bestehend aus dem Schalter S1, schaltbaren
ZeitkreiswiderständenR1, KondensatorCl und den beiden Transistoren T1 und T., anlaufen.
Der Transistor Ti sperrt dabei, der Transistor T2 zieht Strom, und das Relais H
zieht an. Sein Kontakt hl schließt und wirkt als Verriegelungskontakt der Auslösung;
sein Kontakt h läßt das Relais A ansprechen, und dessen Kontakt
a4 bringt das Relais B
zum Ansprechen; der Kontakt h3 legt gleichzeitig
eine zweite Zeitstufe Z", bestehend aus dem Schalter S.", schaltbaren Zeitkreiswiderständen
R." dem Kondensator C" und den Transistoren T" T66 und T 7 ,
an die Versorgungsspannung. Der Kontakt cal schaltet die Pistolenspule P", Kontakt
b1 die Spule des Hauptschützes G an, die Pistole P hebt ab, und der Schützschaltkontakt
g1 schaltet den Schweißstrom ein.
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Der nun fließende Schweißstrom bewirkt an dem in den Schweißkreis
eingeschalteten Meßwiderstand RM von z. B. 0,003 Ohm einen Spannungsabfall, der
z. B. bei einem Schweißstrom von 1000 Arnp. 3 Volt, bei 500 Amp. 1,5 Volt usw. beträgt.
Dieser an dem Meßwiderstand RM entstehende und dem fließenden Schweißstrom linear
proportionale Spannungsabfall wird in dem Gleichspannungswandler mit den Transistoren
T3, T4 und zugehörigem Transformator hochtransformiert und nach Gleichrichtung zur
Speisung des zweiten Zeitkreises Z" benutzt. An diesen Zeitkreis ist als spannungsempfindliches
Glied eine Shockley-Diode T; angeschaltet. Die Diode arbeitet ähnlich wie eine Gasentladungsröhre,
d. h., sie sperrt bis zu einer gewissen Höhe der angelegten Spannung,
geht
dann von dem sperrenden in den leitenden Zustand mit sehr geringem Innenwiderstand
über und sperrt wieder, sobald der hindurchfließende Strom eine gewisse Mindestgröße
unterschreitet. Hat die Spannung an dem Kondensator C2 eine gewisse Höhe, im vorliegenden
Fall z. B. 20 Volt, erreicht, wird die Diode T5 leitend, und der hierdurch entstehende
Stromstoß wird in T6 und T7 verstärkt, so daß das Relais 1 anzieht. Der Kontakt
il schaltet Relais A und B ab und damit auch die PistolenspulePsn
und mit einer kleinen Verzögerung das Schaltschütz G.
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Der Schweißvorgang ist jetzt beendet, Relais I bleibt infolge des
Verriegelungskontaktes 1, weiterhin angezogen, bis das Relais H (infolge des sich
ebenfalls aufladenden Kondensators C) abfällt und mit seinem Kontakt h3 die
Stromversorgungsspannung für die Zeitstufe Z" abschaltet. Wurde während des ganzen
Vorganges der Drücker D an der Pistole P geschlossen gehalten, so zieht - ausgelöst
durch einen Hilfskontakt g am Schütz G - nach Einschaltung des Hauptschweißstromes
das Relais D an und schaltet das Vorstromrelais E ab. Das Relais D bleibt angezogen,
bis der Pistolendrücker D geöffnet wird; erst dann kann eine neue Schweißung ausgelöst
werden.
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Zu der eigentlichen Zeitstufe ZII ist zu sagen, daß verständlicherweise
der Kondensator C2 um so schneller aufgeladen wird, je kleiner der Vorwiderstand
R2 und je höher die Ladespannung zur Ladung des Kondensators C,, ist. Die Ladespannung
wird aus dem Gleichspannungswandler gewonnen und ist ungefähr proportional dem Spannungsabfall
am Meßwiderstand RM im Schweißstromkreis. Doppelter Schweißstrom bedeutet also doppelte
Spannung für das RC-Glied und bewirkt damit eine Abschaltung in der halben Zeit.
Die in dem Schalter S2 eingelöteten Widerstände R, sind so bemessen, daß für einen
bestimmten Strom die zu den einzelnen Werkstückabmessungen (z. B. Bolzendurchmesser)
benötigten Schweißzeiten geschaltet werden. Weicht der Strom von diesem Sollwert
ab, so wird die zugehörige Zeit automatisch korrigiert mit dem Endziel, daß das
Produkt Strom mal Zeit konstant bleibt.
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Selbstverständlich läßt sich der Strom nicht beliebig durch die Zeit
kompensieren. Mit kleiner werdendem Schweißstrom kommt ein Punkt, bei welchem die
Wärmeabfuhr eine weitere Zeitverlängerung sinnlos macht. Diese untere Stromgrenze
wird nun je nach Bolzendimension verschieden liegen und muß dem Bedienungsmann kenntlich
gemacht werden.
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Nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sperrt bei zu niedrigem
Schweißstrom das Gerät nach dem ersten Bolzen jede weitere Schweißung. Erreicht
wird dies dadurch, daß in der aus T1, 4, Cl und R1 bestehenden Zeitstufe Z, über
die am Schalter S1 eingelöteten Widerstände R1 ebenfalls jeder Bolzendimension gewisse
Maximalwerte an Zeit zugeordnet sind. Erfolgt innerhalb dieser maximal zulässigen
Zeit keine Abschaltung durch die vom Gleichspannungswandler gespeiste Zeitstufe
ZII, da der Schweißstrom zu niedrig ist, so erfolgt die Abschaltung durch die aus
T1, T., und Cl bestehende Zeitstufe Z1. Infolge der Aufladung des Kondensators Cl
wird der Transistor T1 wieder leitend, der Transistor T2 sperrt, Relais
H fällt ab und schaltet über Kontakt 1121 Relais A und B und
damit das Schütz G und die Pistolenspule P," ab. Da das Relais H jetzt vor dem Relais
B abfällt, wird der Kondensator C3 nicht mehr über einen Schutzwiderstand R3, sondern
über das Relais K entladen, das anzieht, sich selbst über den Kontakt k1 hält, mittels
des Kontaktes k3 eine Warnlampe L einschaltet und über Kontakt k2 das Relais
C abschaltet. Somit ist jede weitere Auslösung eines Schweißvorganges unmöglich,
da mit dem Abfallen des Relais C die Stromversorgung für die gesamte Steuereinrichtung
unterbrochen ist. Erst durch Betätigung der Taste T' wird der Ausgangszustand wiederhergestellt,
und das Gerät ist für den nächsten Schweißversuch mit höherem Strom bereit.